什么是传输方程
在体绘制中,传输方程将三维数据场的数据信息转换为光学成像参数,建立了采样点和光学特征的映射关系。数学上,传输方程可以定义为三维数据的数据属性到光学属性的映射。
传输方程的数据信息
定义域
对于传输方程,可以设置不同的值作为其定义域
体数据通常被看作是连续标量函数的离散表示。最常用的一维传输函数使用标量值作为传输函数的定义域,标量值可以用来区分不同的物质。另外,梯度模也经常用来观察物体形状的边界。
标量值
采样点的标量值是最简单、最常用的数据属性,它可以是三维空间中多种不同物质的测量结果,如CT扫描数据标量值,或者是标量值计算的结果。例如,医 学 CT扫描数据常按照HU值 (Hounsfield units)来衡量测量结果,进而根据不同的 HU 值对数据进行分类,如空气的 HU 为-1 000,水为0,血液 为 +30~ +45,肌 肉 为 +40,骨 骼 大 于 +400 等。根据这些经验分类方法可以设定一维传递函数,将 CT 扫描中的不同种结构映射为不同的视觉特征。 除了CT扫描数据外,一维传递函数还可以对其他各类数据进行映射。
但是,对于复杂的三维数据场,同一种物质往往具有不同的标量值,而具有同一标量值的采样点有可能属于不同的物质。因此,用标量值设计传输方程仅仅只能处理简单的三维数据场,对于复杂的数据场需要设计更加复杂的定义域。
梯度幅值
梯度幅值是另一种重要的数据属性。Levoy(参考文献是?)提出将梯度幅值作为传输方程的定义域,控制不透明度。梯度值越大,表示是越重要的物质边界面,赋予更高的不透明度。利用梯度幅值可以找到物质标量值的边界点,在空间上更好地表示了物质之间的相互关系。通常同一种物质具有相似的标量值,不同的物质具有不同的标量值。因此,在物质的边界处标量值将发生显著的改变,标量值改变的剧烈程度则可用梯度幅值来度量。当梯度幅值超过了一定的阈值后,我们就认为是另外一种物质。在三维体数据连续空间中,梯度幅值得计算公式为:
离散的采样点组成的三维数据场,采样点的梯度幅值是通过采样点与邻近的采样点计算获得的。常用的梯度计算方法有中心差分法、线性分离法、线性回归法等。其中,中心查分法是最简单最常用的梯度计算方法
曲率
值域
传输方程的值域是光学属性,即颜色RGB和不透明度。通常用颜色来区分数据场中的不同物质,用不透明度控制物质的可见程度。
为了提高绘制的真实感,可用光谱模型来代替传统的RGB模型,利用光谱模型可以根据光线的改变研究光线和采样点之间的交互关系。
传输方程的分类(设计方法)
手动调节设计
手动调节法是用户通过不断的重复设置传输函数的参数,以便绘制后得到不同的绘制结果,然后对图像效果进行比对和研究,可以根据自己的要求任意的调节传输函数的参数,知道满足用户的需求。如Kitware开发的VolView,其提供了手动调节传输函数的用户交互界面,使用户能够实时观察体绘制的结果。该软件采用了 数据场的灰度直方图和梯度幅值直方图来设计颜色和不透明度传输方程。(是否是和昨天软件中的直方图含义一样?)
以数据为中心的传输方程
数据中心法是通过分析三维体数据场自身的数据属性来设计传输方程。
基于图像的传输方程
图像中心法原理就是首先绘制出较多的图像, 然后用户从绘制出的图像中选择一些绘制效果较为理想的图像。系统会根据用户选择的图像的结果信息,删去一些不理想的图像,留下数量较少但是质量较好的图像,供用户做进一步的选择。
参考文献
- 2009,[谭国珍]体绘制传输函数的研究与实现,浙江工业大学硕士学位论文
- 2012,[郭翰琦]体数据可视化传递函数研究,计算机辅助设计与图形学学报
- 2001, The transfer function bake-off. IEEE Computer Graphics and Applications