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1軟件三維交互技術(shù)

很多專家和學(xué)者認(rèn)為，使用三維跟蹤球，三維鼠標(biāo)器是實(shí)現(xiàn)三維交互的根本手段和方法，它比利用軟件方法實(shí)現(xiàn)交互有很大的優(yōu)越性，但是另一些專家則持相反意見。他們曾做過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)使用“真實(shí)三維交互設(shè)備”的用戶并沒有在操作時(shí)使用過多的自由度，盡管這些設(shè)備提供了這些功能。而是更多的使用了單個(gè)x,y,z軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，沿x,y軸方向平移。這證明人們對于三維空間的感知、想象及操作能力遠(yuǎn)不如二維強(qiáng)，而且大多數(shù)用戶是沒有受過嚴(yán)格的三維空間想象力訓(xùn)練的，他們需要的并不是具有完整三維自由度的產(chǎn)品，而是真正符合他們的感知規(guī)律、使用方便、具有代表性操作的三維交互手段。軟件方法則滿足了這種需求，這也使得用軟件方法來模擬三維交互有了可行之處。尤其是軟件方法能夠利用現(xiàn)有的二維交互設(shè)備，更使它成為了目前普遍采用的方法。Sutherland在1974年提出了利用數(shù)字化儀輸入三維數(shù)據(jù)的方法，Nielson等在1986年提出了用鼠標(biāo)器進(jìn)行三維交互的方法。在這些工作中普遍采用了在二維顯示屏上顯示光標(biāo)及控制點(diǎn)，用二維的交互設(shè)備輸入三維變換參數(shù)的方法。

1.1三維觀察

利用OpenGL圖形庫函數(shù)對繪制生成的三維模型進(jìn)行一定的坐標(biāo)變換，將其從世界坐標(biāo)系變換到設(shè)備坐標(biāo)系，映射到輸出設(shè)備(即計(jì)算機(jī)二維屏幕)上。在實(shí)現(xiàn)三維交互技術(shù)之前，應(yīng)當(dāng)先來研究一下世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)是如何轉(zhuǎn)化到設(shè)備坐標(biāo)系下的，這個(gè)過程在圖形學(xué)中被稱為三維觀察。三維交互算法的核心是將設(shè)備屏幕坐標(biāo)系下的二維點(diǎn)轉(zhuǎn)換為物體在世界坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)，其實(shí)這個(gè)過程就是計(jì)算機(jī)圖像學(xué)中三維察的逆過程。下面就來研究一下，在三維觀察中，世界坐標(biāo)系下的點(diǎn)是如何一步步轉(zhuǎn)化到設(shè)備坐標(biāo)系下的。

1.1觀察流程圖

三維觀察的過程類似于拍攝一張照片。為了拍攝一張照片，首先需要在場景中給照相機(jī)定位。然后需要確定相機(jī)的方向:相機(jī)朝哪個(gè)方向照以及如何繞視線旋轉(zhuǎn)相機(jī)以確定相片的向上方向。如圖1所示。最后，按下相機(jī)快門時(shí)，景物按相機(jī)“窗口”(鏡頭)的大小被修剪，光線從可視表面投影到相機(jī)膠片上。然而，與相機(jī)相比，用計(jì)算機(jī)生成的景物視圖有更大的靈活性和更多的選擇。圖2給出了將物體三維模型的世界坐標(biāo)描述變換到設(shè)備坐標(biāo)的一般處理步驟。

2醫(yī)學(xué)圖像三維交互處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要研究在三維重建基礎(chǔ)上交互處理的實(shí)現(xiàn)，加入了讀取遵循醫(yī)學(xué)DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)的二維醫(yī)學(xué)圖像格式dcm圖像和Jpeg,Bmp,Raw,Imo等其它圖像格式的功能。將二維醫(yī)學(xué)圖像序列重建成三維實(shí)體（頭顱的表皮和骨骼重建），幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷和手術(shù)模擬。

本系統(tǒng)采用VC++6.0開發(fā)平臺，首先是讀取CT（MRI）圖像序列（格式可以任選），分配內(nèi)存，接下來是圖像組織的分割，即組織輪廓線的提取，因?yàn)槿梭w各組織的灰度級是不同的，倘若要重建表皮組織，就要分出表皮的灰度輪廓（取500灰度級），倘若要重建骨組織，就要分割出骨組織的灰度輪廓（取1150灰度級），完成醫(yī)學(xué)圖像三維重建，然后就是圖形的繪制和光線的處理，接著對處理后的三維圖形進(jìn)行交互處理，包括三維測量（直線，角度），三維裁剪等。最后分配內(nèi)存的釋放。下面對具體的實(shí)現(xiàn)過程及使用的類和其關(guān)鍵函數(shù)加以介紹:

（1）mitkWidgetModel是所有Widget的基類,這個(gè)類規(guī)定了交互中統(tǒng)一的接口；Pick(&names)實(shí)現(xiàn)對一個(gè)Widget的基本部件進(jìn)行揀選的功能；Release()作用與Pick()相反，將選中部件設(shè)置為“unknown”,表示無部件被選中；Select()功能是檢測本W(wǎng)idgetModel是否被選中，對選中的Model進(jìn)行繪制；OnMouseDown(),OnMouseUp()OnMouseMove()實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的交互功能，還可以搭配鍵盤上的Sshift,Ctrl鍵作為組合鍵使用。以實(shí)現(xiàn)測量距離的Widget為例，首先在OnMouseDown()觸發(fā)時(shí)記錄當(dāng)前線段兩個(gè)端點(diǎn)的坐標(biāo)，然后鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)在OnMouseMove()中根據(jù)當(dāng)時(shí)的鼠標(biāo)位置及時(shí)更新鼠標(biāo)所選中的端點(diǎn)部件在三維空間中的坐標(biāo)；上面介紹的類和函數(shù)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

MITK是一個(gè)不錯(cuò)的醫(yī)學(xué)影像算法平臺，也是面向?qū)ο缶幊淘O(shè)計(jì)的，所以對面向?qū)ο蟮木幊陶Z言與工程應(yīng)用都有著廣泛的實(shí)用價(jià)值，可以對相關(guān)醫(yī)療領(lǐng)域及相關(guān)研究單位意義深遠(yuǎn)。圖3為三維交互系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)界面；圖4為切片重組功能；圖5為切片重組輸出功能。

3結(jié)論

本文主要針對在醫(yī)學(xué)圖像三維重建基礎(chǔ)上的交互算法，以及模擬手術(shù)或相關(guān)單位對醫(yī)學(xué)圖像處理功能的需要，運(yùn)用VC++6.0設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)醫(yī)學(xué)圖像三維交互處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要研究三維交互算法的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化功能。尤其重要的一點(diǎn)是它能夠提供醫(yī)學(xué)圖像可視化和三維交互的功能，將二維醫(yī)學(xué)圖像序列重建成三維實(shí)體（頭顱的表皮和骨骼重建），在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行三維交互處理。在幫助醫(yī)生進(jìn)行診斷和手術(shù)模擬方面具有重要的價(jià)值和意義。

作者：姜寶華董迎紅單位：長春大學(xué)旅游學(xué)院長春大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院