三维可视化技术在物理医学等领域的应用研究

摘要

随着计算机技术的发展以及各传统学科领域研究的深入，用计算机技术去提高和改善传统学科的研究效率和方法成为计算机应用技术领域研究的一大课题。其中，由于三维可视化对数据展示的直观性和普适性，使得该技术可以帮助专家方便的观察科研数据、快速改进模型，因此成为了各学科专家青睐的辅助技术。然而，面对不同的学科方向，其需要的可视化方法和效果又不尽相同，需要针对各学科的需求，为科学研究者定制部分甚至一套软件去支持他们的研究。这就需要整体上有一个较好的三维可视化应用框架来指导软件的设计与开发，一方面可以保证软件的灵活鲁棒性，另一方面使开发者集中精力研究具体需求的解决方案。
　　本文通过结合VTK、ITK、3DMed和MITK四个可视化工具包的结构，总结设计出来一个较为通用的三维可视化框架。该框架从三维可视化应用角度出发，独立于具体学科领域，通过分层模块化的设计思想来解耦软件中复杂功能的依赖，以此来指导具体可视化软件的设计。接着，本文介绍了两大核心部件的实现细节，体渲染技术和体数据分割技术，希望指导对这两大核心部件有特殊要求的应用进行定制开发，实现高于标准质量的体渲染以及基于图理论的分割技术。最后，从理论指导实践的角度讨论了磁约束核聚变模型和医学义眼CT数据可视化这两个具体软件的设计与实现，以及体渲染技术和体数据分割技术分别在这两个软件中的应用。磁约束核聚变模型可视化软件实现了较高质量的复杂磁场的可视化，医学义眼CT数据可视化软件则实现了较好的义眼组织交互分割功能。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景、目的和意义

1．2 三维可视化应用开发的难点与挑战

1．3 本文的主要研究工作与内容组织

1．3．1 主要研究工作

1．3．2 内容组织

1．4 本章小结

第2章 三维可视化应用框架

2．1 软件框架

2．2 核心算法部件的设计

2．2．1 计算框架

2．2．2 可视化框架

2．3 应用层的设计

2．4 框架结构对比

2．5 本章小结

第3章 三维可视化核心部件

3．1 体渲染技术

3．1．1 基于Ray-Casting的体渲染

3．1．2 渲染速度的提高

3．1．3 渲染质量的提高

3．2 体数据分割技术

3．2．1 基于GraphCut的体数据分割

3．3 本章小结

第4章 磁约束核聚变模型的可视化设计与实现

4．1 可视化需求分析

4．2 核心算法部件设计

4．2．1 重采样算法

4．2．2 网格生成算法

4．2．3 渲染

4．3 应用层与算法层的组装

4．4 可视化结果与提高

4．5 本章小结

第5章 医学义眼CT数据的可视化设计与实现

5．1 可视化需求分析

5．2 3DMed医学可视化软件介绍

5．3 应用层与算法层的组装

5．3．1 基于Lazy Snapping的交互设计

5．3．2 基于Paint Selection的交互设计

5．3．3 可视化结果与提高

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简历