论文总字数：31531字

摘 要

传递函数设计是直接体绘制的核心，它决定着最终的绘制效果。传统的以用户为中心的交互式传递函数设计是一个不断试验的过程，存在一定的盲目性，且难以设计出以不同样式来绘制不同区域的传递函数。本文基于VTK与Qt设计了一个三维可视化平台，平台主要从以下两个方面来优化传递函数的设计过程：

其一是提供增量绘制功能。该功能能够将同一体数据的不同区域，或者多个体数据的体绘制图进行叠加，且叠加后不会改变每个区域的可视化效果与区域之间的相对空间位置。增量绘制功能使得传递函数的设计每次只需要针对一个区域来进行，当用户的感兴趣区域是体数据中的多个区域时，该功能能够有效降低传递函数设计的复杂度。

其二是交互式传递函数设计方式与半自动化传递函数设计方式的结合。本平台提供多种友好且具有指导性的交互功能，且对传递函数的调整可以实时地反馈在体绘制图上，使得用户可以直观且高效地进行传递函数设计；本平台还提供基于3D边缘检测与K-Means聚类的体数据分析方法，能够根据分析结果能够自动生成不透明度传递函数，从数据的标量值与梯度幅值两个维度对体数据的可视化做出更精细的调整。

关键词：直接体绘制，传递函数，VTK

The development of 3D visualization platform based on VTK

09015322 He Jianan

Advisor Tang Hui

Abstract

Transfer function design is the core of direct volume rendering, which determines the final rendering result. The traditional user-centric transfer function design is a trial-and-error mode of interaction, which has some blindness, and it is hard to design a transfer function to render different regions with different styles. This paper design a 3D visualization platform based on VTK and Qt. The platform optimizes the process of transfer function design from the following two aspects:

Firstly, the platform provides incremental rendering function. This function can superimpose multiple volume rendering diagrams of different regions of the same volume, or multipe volumes. The superposition will keep the rendering style and the relative spatial position of multiple volume rendering diagrams. This function makes the design of the transfer function only need to be carried out for one region at a time. When the user's area of interest is multiple regions in a volume data, this function can reduce the complexity of the transfer function design.

Secondly, the platform combinates the interactive design and semi-automatic design for transfer funtion. The platform provides a variety of friendly and instructive interactive functions, and the adjustment of the transfer function can be real-time feedback on the volume rendering diagrams, so that users can intuitively and efficiently carry out the transfer function design. The platform also provides the volume data analysis method based on 3D edge detection and K-means clustering. According to the analysis results, the opacity transfer functions can be generated automatically, which control the volume visualization more finely from two dimensions of scalar value and gradient magnitude.

KEY WORDS: direct volume render, transfer function, VTK

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 三维可视化的研究现状与发展趋势 2

1.3 论文的主要内容与组织结构 3

第二章 体绘制算法与传递函数 5

2.1 光线投射算法 5

2.1.1 光学模型 5

2.1.2 基本原理 7

2.2 传递函数 9

2.2.1 数据属性 10

2.2.2 光学属性 11

2.2.3 映射规则 11

2.3 本章小结 12

第三章 三维可视化平台概述 13

3.1 平台开发环境 13

3.2 平台概述 14

3.2.1 平台各模块概述 14

3.2.2 平台主界面概述 15

3.2.3 平台流程图概述 16

3.3 面向对象的平台设计 17

3.4 本章小结 18

第四章 数据读取模块与三维体绘制模块 19

4.1 数据格式标准 19

4.1.1 DICOM文件解析 19

4.1.2 NIFTI文件解析 20

4.2 三维体绘制 20

4.2.1 绘制流程 20

4.2.2 增量绘制 22

4.3 本章小结 24

第五章 传递函数设计模块 25

5.1 交互式设计 25

5.1.1 交互功能 25

5.1.2 传递函数设计流程 28

5.2 基于3D边缘检测的半自动化设计 29

5.2.1 算法步骤 29

5.2.2 传递函数设计流程 30

5.3 基于K-Means聚类的半自动化设计 31

5.3.1 算法步骤 31

5.3.2 标量-梯度幅值直方图 32

5.3.3 传递函数设计流程 34

5.4 本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1 论文总结 36

6.2 项目展望 36

参考文献（References） 38

致 谢 40

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

科学计算可视化(Visualization in Scientific Computing)指的是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中所涉及的数据、或者计算结果转化为图形或图像，在屏幕上显示出来并能够进行交互处理的理论、方法和技术^[1]。借助科学计算可视化，人们可以更加直观地理解计算过程中的数据变化，加以交互实现对计算过程的引导与控制，直观的图像或图形可视化也能帮助人们更好地理解数据中所蕴含的抽象信息。

科学计算可视化的核心是三维体数据可视化，是一种将三维体数据在二维平面上进行投影的技术，它被广泛应用于医疗、地质勘探、气象分析等领域。实现三维体数据可视化的算法可分为两类，一类是基于中间几何图元的面绘制方法，另一类是直接基于三维体数据的体绘制方法。

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