摘 要：可視化是在信息化進(jìn)程中發(fā)展起來的一個全新領(lǐng)域，VT是一個功能強(qiáng)大的可視化工具包。體繪制技術(shù)作為可視化最活躍的領(lǐng)域之一，其算法不斷得到改進(jìn)和完善。簡要介紹VT的功能和應(yīng)用，描述幾種不同的繪制算法，并在此基礎(chǔ)上用TCL語言實現(xiàn)一個簡單的基于VT的體繪制系統(tǒng)，給出具體設(shè)計實現(xiàn)過程。該系統(tǒng)實現(xiàn)體繪制技術(shù)中4種不同的算法，為VT工具包更好地應(yīng)用于可視化領(lǐng)域提供了實踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：可視化；VT；體繪制；三維重建

The Implement of Volume Rendering System Based on VT

LI Jing，LI Changhua

(School of Information Control Engineering，Xi′an University of Architecture and Technology，Xi′an，710055，China

Abstract：Visualization is an emerging filed that developed in information progress，VT is a visualization toolkits with strong functions.Volume rendering technology，as an active filed，its algorithm is improving and becomes perfect.In this paper，it introduces the function and application of VT，describes several different rendering algorisms.It realizes a simple volume rendering system which uses TCL，and provides complete process.This system accomplishes four different algorisms about volume rendering.It provides the practical basis that VT toolkit applied in visualization.

eywords：visualization;VT;volume rendering;3D reconstruction

1 引 言

隨著社會信息化的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的日益廣泛，人們所獲得的信息源越來越龐大，對于大型數(shù)據(jù)甚至海量數(shù)據(jù)的處理需求日益迫切?？茖W(xué)計算可視化(Visualization in Scientific Computing就是在這種背景下提出并發(fā)展起來的一個全新的領(lǐng)域?？茖W(xué)計算可視化的本質(zhì)是運(yùn)用計算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將科學(xué)計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為圖像，在屏幕上顯示出來并進(jìn)行交互處理，其核心是三維數(shù)據(jù)場的可視化^［1］。體繪制是可視化最活躍的研究子領(lǐng)域之一 ，它不借助中間圖元，而是直接將三維空間的離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二維圖像。十多年來，在廣大科研人員的努力下，已經(jīng)發(fā)展了一些體繪制技術(shù)來分析、理解和繪制數(shù)據(jù)場中包含的物體，并且已在醫(yī)學(xué)、天文、地理、氣象、航天等計算機(jī)模擬中得到廣泛應(yīng)用。本文主要簡單介紹可視化工具包VT的功能及應(yīng)用，并具體實現(xiàn)一個基于VT的利用TCLT語言開發(fā)的體繪制系統(tǒng)。

2 可視化工具包VTK

VT(The Visualization Toolkits是一個基于面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計的、功能強(qiáng)大的可視化和圖形圖像處理的工具箱。它是在三維函數(shù)庫OpenGL 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，VT構(gòu)造在C⁺⁺語言之上，它不僅基于C⁺⁺類庫，還支持腳本語言TCLTk，Java，Python，支持Windows，Unix等操作系統(tǒng)。VT能夠支持和處理多種表示格式的數(shù)據(jù)，如有規(guī)則的或無規(guī)則的點(diǎn)陣 (pointsets，圖像 (image，體元數(shù)據(jù) (volume 等^［2］。此外VT還將在可視化開發(fā)過程中會經(jīng)常遇到的細(xì)節(jié)屏蔽起來，并將一些常用的算法進(jìn)行封裝，同時，用戶還可以在VT基類的基礎(chǔ)上開發(fā)自己的類庫。自從1993年問世以來，VT憑借其開放靈活的特性受到越來越多人的青睞，不斷地被改進(jìn)和完善。

2.1 VTK的繪圖模式

VT的繪圖模式可用于2D，3D等一般圖形的處理，它主要有9種基本對象：

角色(Actor：VTActor代表渲染場景中的繪制對象實體，通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以設(shè)置角色的位置、方向、渲染特性、紋理影射等屬性。

燈光(Light：VTLlight類提供了燈光的位置、燈光的狀態(tài)(開關(guān)、亮度、顏色等。同時也可以設(shè)置光源的照射角度以及衰減程度。

照相機(jī)(Camera：VTCamera類用來設(shè)置視點(diǎn)的位置以及焦點(diǎn)位置及其他屬性。

屬性(Property：Property主要用來說明幾何物體的一些特征。比如光照特性、著色模式、物體灰度等。

映射(Mapper：Mapper指定數(shù)據(jù)與基本圖元之間的關(guān)系，VTMapper的派生類通過一個向上觀察板(LookupTable來映射數(shù)據(jù)，同時控制與圖形庫相連的圖元的生成。

變換(Trasform：VTTrasform是一個放置4×4變換矩陣的堆棧，可以對這個矩陣進(jìn)行平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作。

渲染窗口(RenderWindow：其基類為VTRenderWindow，用于在顯示設(shè)備中生成一個窗口，渲染窗口是用戶圖形界面，可以設(shè)置渲染窗口的大小，也可以產(chǎn)生立體顯示效果，支持雙緩存。

渲染器(Render：基類為VTRenderer，主要用于控制目標(biāo)的渲染過程，管理光源、照相機(jī)位置等屬性。

窗口交互(Render Window Interactor：在VT中，VtkRenderWindowlnteractor是場景交互方法的一種，它作為一種簡單的工具可以用來操作相機(jī)、選取對象、調(diào)用用戶定義的函數(shù)等。

2.2 VT的可視化模式

可視化模式主要用于可視化過程中的數(shù)據(jù)模式如CT，MRI的數(shù)據(jù)輸入及處理。VT使用數(shù)據(jù)流的方式將源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)。這里包含數(shù)據(jù)對象和處理對象2類基本對象。數(shù)據(jù)對象用來表示各種類型的數(shù)據(jù)，它由幾何結(jié)構(gòu)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及屬性數(shù)據(jù)(如向量、標(biāo)量組成。處理對象一般分為源處理對象(Source、過濾器(Filter、映射器(Mapper三類，它用來操作數(shù)據(jù)對象并生成新的數(shù)據(jù)對象。處理對象表示系統(tǒng)中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的算法。將數(shù)據(jù)對象和處理對象連接在一起就形成VT中的可視化流水線^［3］，如圖1所示。

3 體繪制系統(tǒng)介紹與實現(xiàn)

這里使用TCLT語言，利用VT函數(shù)庫實現(xiàn)一個簡單的體繪制系統(tǒng)。通過這個系統(tǒng)主要介紹如何通過調(diào)用VT函數(shù)庫實現(xiàn)圖像重建，并且通過一個切片數(shù)據(jù)bolt.slc向大家展現(xiàn)不同的繪制方法所表現(xiàn)出的不同的效果。它可大體分為前臺交互及后臺計算2部分。其中前臺交互是通過Tk實現(xiàn)的，后臺的計算則以TCL為開發(fā)平臺，通過對VT中封裝的對象及方法的調(diào)用來實現(xiàn)。在整個系統(tǒng)中，對三維數(shù)據(jù)的繪制使用4種不同的方法：最大密度投影法；合成法；等值面法；二維紋理映射法。

3.1 TCLT

TCI 代表“ Tool Command Language” ，是一種簡單的腳本語言，它幾乎在所有的平臺上都可以解釋運(yùn)行，功能強(qiáng)大。TCL主要用于發(fā)布命令給一些交互程序如文本編輯器、可視化工具軟件、仿真工具等。它語法很簡單，并有很強(qiáng)的擴(kuò)充性。T是對 TCL的圖形工具箱擴(kuò)展。T發(fā)行版與 TCL 的發(fā)行版是在一起的^［4］。在創(chuàng)建 T小部件時，幾乎很少使用命令，一半以上都是按鈕或文本小部件的變體。選用TCLTk作為開發(fā)語言，是因為它靈活的特性和簡單的語法可以很方便地與VT進(jìn)行融合。

3.2 常用繪制算法介紹

(1 MC算法：Marching Cubes 算法是一種應(yīng)用很廣泛的由體密度數(shù)據(jù)重構(gòu)三維等值面的方法。MC算法也被稱為“等值面提取”(Isosurface Extraction，其本質(zhì)是將一系列兩維的切片數(shù)據(jù)看作一個三維的數(shù)據(jù)場，從中將具有某種域值的物質(zhì)抽取出來，以某種拓?fù)湫问竭B接成三角面片。MC算法流程如下：每次讀出2張切片，形成1層，2張切片上下對應(yīng)的8個點(diǎn)構(gòu)成1個立方體，然后按從左到右，從前到后的順序處理1層中的立方體，抽取每個立方體中的等值面，然后從下到上直至處理到n-1層，所以稱為移動立方體算法。MC算法屬于面繪制，也可以稱為間接體繪制。

(2 光線投射算法：光線投射算法(Ray Casting是直接體繪制中最常用的算法，它的基本思想是：從屏幕上的每一像素點(diǎn)發(fā)出1條視線，這條視線穿過三維場的體元矩陣，沿這條視線等距設(shè)置采樣點(diǎn)，將距離采樣點(diǎn)最近的8個數(shù)據(jù)點(diǎn)所組成體素的顏色值及不透明度進(jìn)行三次線形插值，求出該采樣點(diǎn)的不透明度及顏色值。然后可以按從前到后或從后到前的合成公式對所有采樣點(diǎn)的顏色和不透明度進(jìn)行合成。當(dāng)對所有像素點(diǎn)都進(jìn)行以上過程后，就會得到此數(shù)據(jù)場的體繪制結(jié)果圖像。

3.3 四種繪制方法分析與實現(xiàn)

(1 最大密度投影法：假設(shè)每一個體元都是能夠發(fā)光的立方體，沿著光線方向，選擇每條與體元相交的直線上的全部點(diǎn)中的最大的密度值作為圖像投影平面密度值，這就是最大密度投影(MIP算法。在MIP描繪過程中，主要實現(xiàn)光線路徑上的點(diǎn)中最大密度點(diǎn)投影的功能。這一過程在VT的定義中屬于光線投射算法的三維數(shù)據(jù)體繪制。在VT實現(xiàn)過程中首先通過調(diào)用vtkSLCReader函數(shù)讀取切片數(shù)據(jù)并設(shè)置讀取路徑，這里與Slice方法不同的是，是通過設(shè)計轉(zhuǎn)換函數(shù)實現(xiàn)顏色和不透明度設(shè)置。在這里通過調(diào)用vtkPiecewiseFunction函數(shù)和vtkcolorTransferFunction函數(shù)將體數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成不透明度和顏色等光學(xué)屬性，并使用vtkVolumeProperty函數(shù)對其顏色、不透明度等屬性進(jìn)行加載，接著調(diào)用vtkVolumeRayCastMIPFunction函數(shù)加載繪制方法，然后使用AddVolume將產(chǎn)生的mip_volume及通過類vtkCubeSource定義的Actor:outline_mapper加入到ren2中。最后調(diào)用vtkRenderer進(jìn)行投影。在MIP中有2種方法可以用來改變最大值操作的行為：SetMaximizeMethodToScalarValue( 方法或SetMaximizeMethodToOpacity(方法。如果采用第一種方法，則沿著射線的每一個采樣點(diǎn)的標(biāo)量值均被考慮，其中具有最大標(biāo)量值的采樣點(diǎn)被選擇，然后這個標(biāo)量值被傳遞給顏色和不透明度轉(zhuǎn)換函數(shù)用來來生成最后的射線值；如果調(diào)用第二種方法，則沿著射線的每一個采樣點(diǎn)的不透明度都將被計算，其中具有最大不透明度的采樣點(diǎn)將被選擇。在這里采用第一種方法，即通過調(diào)用vtkVolumeRayCastMIPFunction類中的SetMaximizeMethodToScalarValue方法來實現(xiàn)最大密度投影設(shè)置。效果圖如圖3所示。

(2 合成算法：合成算法(Composite是對每條光線上的每個像素點(diǎn)的密度進(jìn)行加權(quán)求和，將結(jié)果作為圖像投影像素的密度值。在Composite描繪過程中，主要實現(xiàn)光線路徑上所有點(diǎn)的密度加權(quán)和的投影功能。這一過程在VT的定義中同屬基于光線投射算法的三維數(shù)據(jù)體繪制。它的實現(xiàn)過程基本類似于MIP，在這里借助于類vtkVolumeRayCastCompositeFunction對取得“光線路徑上所有點(diǎn)的密度之和的投影”這一功能做了定義。在vtkVolumeRayCastCompositeFunction 中，有2種方法可以用來改變插值和分類的順序，分別是：SetCompositeMethodToInterPolateFirst(插值優(yōu)先方法和SetCompositeMethodToClassifyFirst(分類優(yōu)先方法。這種設(shè)置僅在采用三線性插值的時候才會產(chǎn)生影響。在第一種情況中，先執(zhí)行插值，以此決定采樣點(diǎn)的標(biāo)量值，然后在將這個值用于分類；在第二種情況中，將先執(zhí)行分類，之后在執(zhí)行插值。插值優(yōu)先通常能產(chǎn)生較好的效果，因此在這里采用默認(rèn)的第一種插值優(yōu)先法。效果圖如圖3所示。

(3 等值面法：等值面法(Isosurface是利用表面的信息對圖像進(jìn)行繪制。雖然該方法同屬基于光線投射算法的三維數(shù)據(jù)體繪制，但是其本質(zhì)更接近于面繪制。在實現(xiàn)過程中借助ShadeOn方法及SetInterpolationTypeToLinear方法對陰影功能和插值功能進(jìn)行定義。并使用類vtkVolumeRayCastIsosurfaceFunction中的方法SetIsoValue設(shè)置等值面的初始值。在Isosurface描繪過程中，主要實現(xiàn)光線路徑上所有密度相同的點(diǎn)組成的等值面的投影功能。效果圖如圖4所示。

(4 二維紋理映射法：二維紋理映射二維紋理映射的體繪制是將體數(shù)據(jù)沿正交方向生成序列二維圖像，產(chǎn)生二維紋理切片，然后將這些二維紋理切片依次堆疊完成體繪制過程。紋理映射算法同屬于體繪制算法，因此同樣需要設(shè)置不透明度、顏色、梯度3個傳遞函數(shù)來控制三維體的外觀。與光線投射算法不同的是，它調(diào)用的映射類型為二維紋理映射。在實現(xiàn)過程中通過vtkPiecewiseFunction函數(shù)將體數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換成不透明度和顏色等光學(xué)屬性， 使用vtkVolumeProperty函數(shù)對其顏色、不透明度、陰影、插值等功能進(jìn)行加載，調(diào)用vtkVolumeTextureMapper2D函數(shù)定義二維紋理映射，使用setCamera設(shè)置視點(diǎn)位置，并使用[ren1 GetActiveCamera] oom來設(shè)置放大系數(shù)，最后調(diào)用Render進(jìn)行繪制。效果圖如圖5所示。

3.4 結(jié)果討論

試驗結(jié)果表明，Slice方法由于是切片投影，數(shù)據(jù)量相對比較小，因此成像速度快，并可以很清楚的觀測到不同的切片面關(guān)于不同數(shù)軸的繪制效果。但是它重建的圖像表面不光滑，容易出現(xiàn)鋸齒效應(yīng)，這可能是由于圖像像素間的距離過大造成的，因此可通過插值計算來緩解這個現(xiàn)象。MIP算法不需要太多的參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)起來比較簡單，但是它對圖像的細(xì)節(jié)顯示得不清楚，在細(xì)節(jié)的描繪上不如Composite算法，這是由于投影密度值選擇方法的不同造成的，因此只能用于對細(xì)節(jié)要求不高的情況下。Isosurface算法是利用表面的信息進(jìn)行重建，因此它的表面繪制效果很逼真，能夠很清楚直觀的顯示物體表面信息。

通過VT提供的封裝算法，在一個普通的PC機(jī)上實現(xiàn)圖像的三維重建只需幾秒鐘的時間，還可以利用鼠標(biāo)直接拖動三維模型，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等操作，便于用戶根據(jù)需要從不同的視角觀察物體，增強(qiáng)了系統(tǒng)的交互能力。與OpenGL和Matlab相比，VT具有使用靈活簡單、重建速度快，可視化效果好等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié) 語

在可視化發(fā)展過程中，VT憑借其開源、靈活、可封裝、可移植等特性被越來越多的開發(fā)人員所采用，它極大地簡化了程序，為開發(fā)人員節(jié)省了很多的時間和精力，在圖像的三維重建中得到了廣泛應(yīng)用。本文所實現(xiàn)的系統(tǒng)就是一個將VT應(yīng)用到體繪制系統(tǒng)中的典型例子。VT將一些常用到的體繪制算法進(jìn)行封裝，系統(tǒng)通過直接調(diào)用這些VT基類實現(xiàn)切片數(shù)據(jù)的三維重建可視化，通過4種不同的繪制方法，展現(xiàn)了不同的繪制效果。這對于幫助人們更好更深層次地分析、理解、掌握圖像信息產(chǎn)生了極大的推動作用。隨著今后信息化進(jìn)程的發(fā)展，可視化領(lǐng)域?qū)懈鼜V闊的發(fā)展空間，體繪制技術(shù)也將會日益改進(jìn)和完善。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］唐澤圣.三維數(shù)據(jù)場可視化［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1999.

［2］Will Schroeder.The VT User′s Guide［M］.itware，2002.

［3］Will Schroeder.Visualization Toolkit［M］.3rd Edition itware，2002.

［4］王道義.TCL/T組合教程[CD2]雙語教材+多媒體教室［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［5］陳琰，梁云，楊海新.基于VT技術(shù)的可視化研究［J］.電腦知識與技術(shù)，2007，2(11:1 282-1 283，1 304.