三维重建与可视化技术的进展

医学图像的三维重建与可视化技术的进展随着20世纪七十年代计算机断层技术（Computerized Tomography, CT）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等医学影像技术的应用，可以得到病人病变部位的一组二维断层图像，通过这些二维断层图像医生可以对病变部位进行分析，从而使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。

但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像，二维断层图像只是表达某一界面的解剖信息，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，这就给治疗带来了困难。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，也不能给出准确的三维影像，造成病变定位的失真和畸变。

三维重建与可视化技术利用一系列的二维图像重建为具有直观、立体效果三维图像模型，并进行定性、定量分析。该技术不仅给医生提供了具有真实感的三维图形，并让医生从任意角度观察图像，还可以从二维图像中获取三维结构信息，提供很多用传统手段无法获得的解剖结构信息，帮助医生对病变体和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时，三维重建与可视化技术还在矫形手术、放射治疗、手术规划与模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用。

本文首先介绍了医学图像三维重建的几种经典方法，以对该技术有个总体性的大致的了解；然后结合相关文献，深入研究了一个改进的MC（Marching Cubes）算法以及基于寰椎的X线图像的三维形态重建。

一、医学图像的三维重建的几种常见方法

目前，医学图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为基于表面的面绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法，又称直接体绘制方法。其中面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取，并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。近来，产生了结合面绘制和体绘制两者特点的混合绘制方法，可以称为第三类三维重建方法。

（一）面绘制方法

面绘制[1]是最早应用于医学图像三维显示的技术。它通过平面元来近似和逼近物体表面，是一种表面的提取和显示技术。面绘制的基本思想是提取感兴趣物体的表面信息，再用绘制算法根据光照、明暗模型进行消隐和渲染后得到显示图像。其基本过程如图1所示，首先由一组断层图像构造出三维体数据场，然后对规则数据场中的体数据进行待显示物体的表面分割，并从体数据中抽取一系列相关等值面。然后再通过构造几何基元进行多边形拟合近似，内插形成物体表面。最后通过传统的图形学算法,包括光照、纹理映射等进行真实感图形显示。

图1 面绘制流程图

根据面绘制重建过程中处理元素的级别不同，可以将面绘制方法大致分为体素级重建方法和切片级重建方法两类。

（1）体素级重建方法

体素级重建方法【2，3】是在体数据内以体素为单位跟踪表面，在构成表面的体素内进行小面片重建。最后再借助于图形学方法将小面片组成的物体轮廓显示出来。体素级重建方法主要有：

l) 立方体法(Cuberille)：它是最早的体素级重建方法，用边界体素的六个面拟合等值面，即把边界体素中相互重合的面去掉，只把不重合的面连接起来近似表示等值面。

2) 移动立方体法(Marching Cubes)：它是由W.E.Lorenson和H.E.Cline在1987年提出来的三维空间规则数据场构造等值面的经典方法。它可以用于由医疗诊断的扫描仪(CT)及核磁共振仪(MRI)等产生的图像。MC方法的主要步骤如下：首先确定包含等值面的体元，然后求等值面与体元边界的交点及等值面的法向，最后绘制出等值面图像。

3) 移动四面体法(Marching Tetralledra)：它是在MC方法的基础上发展起来的。该方法首先将立方体的体元剖分为四面体，然后在其中构造等值面。

4) 剖分立方体法(Dividing Cubes)：它仍是由W.E.Lorenson和H.E.Cline两人提出的。随着新一代CT和MRI等设备的出现，二维切片中图片的分辨率不断

提高，断层不断变薄，己经接近并超过计算机屏幕显示的分辨率。在这种情况下，提出了DC方法。

（2）切片级重建方法

切片级重建方法【4-7】也可以称为连接轮廓线法，是面向多边形的面绘制方法。其核心是：在每一个二维断层图像中提取边界，得到由边界堆叠的表面线框表示，然后进行表面重建。通常也是用三角形贴面技术，用三角形将层与层间的轮廓线连接起来，最后进行表面明暗处理，得到具有立体感的三维表面。该方法的主要步骤是：

第一步：平面轮廓的提取。平面轮廓的提取一般基于物体与背景间灰度或其它属性的差异进行分割和提取。

第二步：片间轮廓的对应。片间轮廓的对应具有较大的任意性，一般可以通过对不同层面上轮廓重叠部分定量比较，或应用一些能够描述轮廓形状的椭圆拟合、柱体生长等方法判断。

第三步：轮廓拼接。确定了对应的轮廓之后，还需要确定对应轮廓上的对应点，通常采用活动轮廓法(Active Contour)。确定了对应点之后，可以用小三角形或四边形面片将相邻层面上对应点及其邻点连接起来，这些小三角形面片连接起来就构成物体表面的大致表示。

第四步：曲面拟合。小三角面片结构只能是物体表面的粗略表示，较为精确的方法可用曲面拟合，即用通过小三角形顶点的曲面代替三角形平面。常用的有三次B样条插值，更为精细的有非均匀有理B样条(NURBS)。

切片级重建必须解决下面四个问题：

l) 轮廓对应问题：确定相邻切片上轮廓的对应关系；

2) 轮廓拼接问题：用多边形或者三角形连接不同层面上的对应轮廓，以最佳的方式表示物体表面。最关键是确定对应轮廓上点的相互对应关系，并用多边形构造轮廓间的表面；

3) 分叉问题：当一个物体在一对相邻断层上的轮廓数不相等时，就发生了分叉情况。在轮廓对应出现一对多关系的情况下，确定表面的多边形拼接；

4) 曲面拟合问题：根据上述步骤确定的点之间的连接关系和表面拓扑结构，确定最佳拟合曲面。在切片级重建方法中，轮廓对应和拼接都是关键性的问题，

虽然许多人都致力于这些问题的研究，但至今尚未完全解决好。

（3）两类面绘制方法的比较

原始图像分辨率较高时，体素级重建方法比切片级重建方法更可靠、更有效；而当原始图像分辨率较低时，体素级重建方法的精度较低，这时切片级重建方法能够比较好的构造出光滑的表面。总的来说，由于体素级重建方法不考虑分叉问题，全局的拓扑结构已经由局部拓扑处理所确定，所以它比切片级重建有更高的精度和可靠性。但体素级重建方法重建的结果却产生大量的几何图元，占用大量的存储空间，即使对于几何结构非常简单的物体也是如此。因此，在保证一定精度的前提下，减少几何图元的数量就成为体素级重建方法中一个值得研究的问题。切片级重建方法可以实现大幅度的数据压缩，但轮廓对应存在着多义性，特别是在分叉情况下，轮廓对应问题的不确定性更加严重。两种方法都有各自的优缺点，不能简单地说哪一种方法更好，要根据具体的情况进行选择。

（二）体绘制的方法

与面绘制不同，由于体绘制算法认为体数据场中每个体素都有一定的属性（透明度和光亮度)，而且通过计算所有体素对光线的作用即可得到二维投影图像，因此，体绘制可以利用模糊分割的结果，甚至可以不进行分割即可直接进行体绘制。这样做的好处在于有利于保留了三维医学图像中的细节信息，但缺点是加大了计算开销，即使在硬件图形加速支持的机器上，体绘制也比面绘制慢的多。鉴于体绘制的中心思想是为场景中的每个体素指定一个不透名度，因此需考虑每个体素对光线的透射、反射和折射作用。可以用图2来说明体绘制算法的实质。三维空间分布在离散网格点上的数据一般是由三维连续的数据场经过①后作插值运算取得的。图形设备屏幕上的二维图像则是由存放在帧缓存中的二维离散信号经③而成。因此，②的作用就是将离散分布的三维数据场，按照一定的规则转换为图形显示设备帧缓存中的二维离散信号，即生成每个象素点颜色的R、G、B值。

图2 体绘制流程图

①断层扫描、有限元分析或随机采样②体绘制算法③图形硬件重建

根据不同的绘制次序，体绘制方法目前主要分为两类：以图像空间为序的体绘制方法和以对象空间为序的体绘制方法。

（1）以图像空间为序的体绘制方法——体光线跟踪法

该类方法是从屏幕上的每一个象素点出发，根据设定的视点方向，发出一条射线，这条射线穿过三维数据场的体素矩阵，沿这条射线选择K个等距采样点，由距离某一采样点最近的8个体素的颜色值及不透名度值作三维线性插值，求出该采样点的不透名度值及颜色值。在求出该条射线上所有采样点的颜色值及不透名度值以后，可以采用由后到前或由前到后的两种不同的方法将每一采样点的颜色及不透明度进行组合，从而计算出屏幕上该象素点处的颜色值。其主要步骤是：For 每条光线Do

For 每个与光线相交的体素Do

计算该体素对图像空间对应象素的贡献

（2）以对象空间为序的体绘制方法——体单元投影法

该类算法首先根据每个数据点的函数值计算该点的不透名度值及颜色值，然后根据给定的视平面和观察方向，将每个数据点的坐标由对象空间变换到图像空间。再根据选定的光照模型，计算出每个数据点处光照强度。然后根据选定的重建核函数计算出从三维数据点光照强度到二维图像空间的映射关系，得出每个数据点所影响的二维象素的范围及对其中每个象素点的光照强度的贡献。最后将不同的数据点对同一象素点的贡献加以合成。

体单元投影法的主要步骤:

For 每一体素或单元Do

For 该体素在视平面投影区域内的每一象素Do

计算象素点获得的光照强度

（3）两类体绘制方法的比较

两种方法各有特点，体光线跟踪法要将当前所有体数据存入内存，内存要求高。而体单元投影法只需当前单元的体数据。从走样的情况分析，由于体光线跟踪法采用点采样，走样情况只有通过分布式光线跟踪才能消除。相对地讲，体单元投影法可达到解析解的程度。实质上，图像质量高低的关键在于所采用的重建核函数的精度。高精度的再采样同样能较大地提高光线跟踪的质量。但应注意到，

对象空间往往比图像空间要大的多，所以体单元投影法的计算时间相对要大得多。但体光线跟踪难以并行化，而体单元投影的并行处理要相对容易得多。

（三）混合绘制方法

混合绘制方法组合了面绘制和体绘制的绘制特点，可以同时进行面绘制和体绘制。其特点是保留了原始数据表示，避免了因变换引起的走样和变形。这一方法具体来说有两种不同的混合绘制途径：一种是扩展传统的体绘制光线跟踪方法，使之能对几何面数据也能进行光线跟踪，即混合光线跟踪方法；另一种是对几何数据和体数据分别绘制，用深度分类算法组合结果，即组合绘制方法。

Levoy提出的混合光线跟踪是第一个将多边形面光线跟踪与体绘制光线跟

踪相组合的混合光线跟踪算法。对于从视点出发穿过屏幕象素的每条光线，沿光线在w个等步长位置采样体数据由周围体素的值插值计算出采样点的颜色和不透明度。同时对于每条光线和多边形的所有交点，用Phong等具体的光照模型计算出每一交点的颜色和不透明度。影响一条光线的贡献数等于沿光线的体采样数和光线与多边形的交点数据，由深度分类，从前到后以光线前进方向组合所有贡献点。由于光线跟踪是点采样过程，因而很容易发生走样和形变。为了提高结果图像的质量，可采用以下两个策略：一是根据体采样不透明度的衰减计算出的多边形绘制图像决定是否需要进行超采样；二是用体和多边形的交的类型改变沿光线的采样位置。通过这两种技术，可以较大地提高结果图像的质量，但计算开销也同样增大。

组合绘制方法保留了面绘制和体绘制各自的相对独立性，其绘制过程的相对独立性是很重要的，因为在目前的工作站上体绘制的性能与面绘制的性能相差甚远，应用组合体绘制可以充分发挥现有面绘制模块和现有图形硬件的性能，从而提高混合绘制的速度和质量。Goodsell的工作是最早采用这种技术的尝试，在其分子结构的绘制中提出了对不同的数据类型应用不同的绘制算法。具体而言，是先绘制多边形几何数据，再进行体数据的绘制。Walsum提出了另一种相似的算法，首先绘制多边形曲面，再绘制体数据，而且可利用面绘制的信息来加速体绘制过程。Fruhauf提出的组合体绘制方法解决了半透明多边形几何面的组合绘制问题，他没有简单地使用Z-Buffer进行组合，提出了用图像空间单元表进行组合。

采用组合绘制技术可以将各类图形单元如符号、线段、面片和体数据及图像数据组合在一起绘制，从而增强结果图像的表达力，这在许多场景下是必不可少的。

二、文献研究

（一）一种适用于医学图像重建的改进的MC算法

1、基本思路

MC算法是一种使用广泛的面绘制方法，其原理很简单且易于实施，但存在一些弊端：（1）顺序检测每一个立方体，耗时极多，效率低；（2）产生的三角片数量巨大，大大降低了重建速度；（3）不能保证三角面片所构成的等值面的拓扑一致性。由于该算法对每个立方体的处理都是一样的，因此可以采用计算机中的并行处理技术的原理来克服弊端（1）；由于边折叠静态法（即合并边的两个端点）能够简化网格，且几乎不影响三维重建的质量，因此可以用来克服弊端（2）；由于体素和等值面的相交线通常为双曲线，因此可以利用双曲线的渐近原理来避免弊端（3）的出现。除此之外，增加了一个滤波器模块和图像分割模块，可以消除原始图像中的噪声，并且可以从原始图像中提取感兴趣的部分，从而提高三维重建质量。

2、改进步骤

（1）在三维重建之前增加一个滤波器模块

平均领域法、中值滤波法和保留边缘法是用于图像滤波的三种最流行的滤波器。其中，平均领域法很容易实现且耗时较少，但它会严重损坏原始的图像数据；保留边缘法复杂且耗时较多，但它可以很好地保留原始的图像数据；中值滤波法介于前面两者之间。鉴于这三种滤波器各有其优缺点，作者设计了三个过滤模块。

（2）增加一个图像分割模块

由于人体器官的解剖结构比较复杂，医生有时只对某一器官或组织感兴趣，因此将图像进行分割是有必要的。考虑到时间成本和分割效果，作者采用了边缘检测法，并选择了自动分割方式。

（3）将MC算法中单回路顺序检测法改变成多线同时检测法

由于计算机中的多通道技术（并行处理技术）大大提高了工作效率，所以，作者采用同样的方式对原本的单回路穿越法进行了改进。改进前后的流程如表1

所示：

表1 MC算法改进前后检测立方体的流程比较

（4）取立方体的棱的中点作为交点以代替用线性插值对它进行计算

随着成像技术大大提高，切片层越来越薄，因此，将取棱的中点作为交点来代替用线性插值对它进行计算，在重建结果中几乎没有产生什么不同，误差小于棱长的一半，但重建时间减少了40％。此外，这个方法所产生三角网格可以在局部区域形成平滑的等值面，这样有利于网格的简化。如图3所示，虚线表示的是在改良的方式中所产生的三角网格，实线表示的是在传统的方式中所产生的三角网格。

图3 改进的方法与传统的方法的比较

（5）通过使用渐近原理来避免产生不明确的表面

根据空间几何学知，体素和等值面之间的相交线通常为双曲线。利用体素和双曲线的边界面之间的相对位置可以预先确定是否有可能产生不明确的表面。如图4所示，当双曲线的两个分支都与体素的某一边界面相交时，有可能产生不确定的表面。从图4中可以发现，双曲线会将边界面分为3个区域，渐近线的交点会出现在与某对交点相同的区域中。

假设边界面为z=z0，则双曲线方程为：

c xy b y b x b b =+++3210

其中，0500z a a b +=，0611z a a b +=，0522z a a b +=，0733z a a b +=

双曲线的渐近线的交点坐标为：

00

7452z a a z a a x ++=， 007461z a a z a a y ++= 当发生歧义时，可以获得双曲线的渐近线的交点。然后根据公式

c z y a f z y x =),,(),,( 计算出函数f （x ，y ，z0）。如果f （x ，y ，z0）>C 时，交点应在与f 值远大于c 的那对交点相同的区域中。否则，交点应在与f 值小于c 的那对交点相同的区域中。如图5。

图4 边界面和双曲线之间的相对位置

图5 不确定性的结果

（6）简化网格

作者采用了边折叠的静态简化法。这种方法通过合并边的两个端点来实现简化，并且不影响原始数据的拓扑结构。确定哪边要被折叠以及被折叠的顶点应该在哪，是该方法需要解决的两个问题。对此，作者采用了QEM（二次误差公制）法。其基本原理是：计算点到被当作错误测量的面的距离的平方和。步骤是：首先，为每一个原始网格放置一个4×4的误差矩阵，并计算边折叠的花费和新增顶点的适合性。其次，在花费上升的命令中做边折叠。新顶点的误差矩阵是两个折叠之和。

3、测试与评价

作者在所改进的MC算法的基础上用Visual c++编写了一个程序，并在计算机上进行了测试。原始的对象数据是256×256×124（12位）的CT图像，重建结果如图6所示。

图6 重建结果

左一：一个原始的二维横截面图像；左二：标准MC算法的重建结果；右二：改进的算法的重建结果；

右一：旋转后的结果

标准的MC算法和上述的改进的算法之间的比较如表2所示。

表2 算法比较

可以看出，这一改进后的算法可以减少所产生的三角片的数量，且完成重建所耗费的时间比标准MC算法所耗费的更少，而在重建好的三维图像中几乎没有明显的差异。

4、讨论

作者所提出的改良的MC算法能够顺利地完成重建，调整和旋转，并且很好

地克服了传统的MC算法所存在的弊端。随着计算机硬件的不断发展，本文献中的一些用于重建系统中的方法可以得到改进。例如，随着计算机中存储容量的不断增加，可以采用动态的方法来简化网格，从而可以根据观察点的位置来简化不同区域中的网格。

（二）基于寰椎的X线图像的三维形态重建

利用人工髋关节替代的方法来治疗关节变性病已经成为三维形态重建技术的显著应用之一。为使髋关节的生物力学重建独特并且最优，该文献以三维统计形态模型为基础，介绍了一种将X线图像重建出未知的三维形态的新方法。该方法的核心部分是对相似性测度（用来评估X线图像和形态模型的投影图之间的差异性）进行最优化的一个算法。

图7 X线图像的三维重建

1、基本思路

假设摄像机标定值K和线性转换T是已知的并且不必优化，可建立形态模型

(T

b

,

S的距离，通过计算模,

)

S，然后由已知的摄影机标定值K和形态模型)

(T

b

拟射线在形态模型中传播的距离可以得到形态模型的厚度图像。利用体绘制技术可以对X线图像进行合成得到模拟的X线图像。并用Canny边缘探测器提取出厚度图像和模拟的X线图像以及投影图的轮廓。最后可通过对估算模型与X线轮廓这两者的距离来有效地估算出距离D来评价相似性测度并检查最优化程度，为人工髋关节的移植提供比较准确的参考。

2、处理步骤及结果

（1）建立统计形态模型

首先将每个待处理的形态分解成许多相对应的区域，然后在计量失真为最小的情况下，将每一个区域都连续地绘制到一个共用基畴中，直接连接这些参数就

得到了所要的关系图。这样，所有待处理的形态（将形态的表面顶点离散化的抽样点）vi (i = 1, . . . , n)都能够在3m 范畴内公共的向量空间中表示出来。然后对这组向量的主要成分进行分析，得到下面的双线性模型：

)(),(1∑=+=n

k k k p b

v T T b S

其中∑=n v v i /是指平均形态，k p 是协方差矩阵∑--=n v v v v C T

i i /))(( 的本征模。形态分量b 和线性转换T 是该模型的自由度。

（2）估计形态模型的厚度图像

由已知的摄影机标定值K （X 线源的位置和方向决定了图像获得的位面）和已知的形态模型),(T b S 的距离，通过计算模拟射线在形态模型中传播的距离，利用图表加速算法可以有效地可以估算出形态模型在图像的获得面中的厚度图像（见图8顶部）。

（3）模拟X 线

利用体绘制技术可由CT 数据集得到合成的X 线图像（见图8底部）。另外，同样的CT 数据集被用来提取统计形态模型的处理数据，然后用此来评价该方法。因此，可以直接将形态模型的投影图和标准的X 线图像进行比较。

图8 顶部：厚度图像（所设计的形态模型）；底部：模拟后的X 线图像

（4）提取轮廓

利用Canny 边缘探测器从厚度和模拟的X 线图像中提取出突出的轮廓（见

图9），最后从投影图像中提取轮廓。用零级设置（将厚度>0的像素和厚度=0的像素分离开来）自动地从厚度图像中提取轮廓。然后去掉错误边缘或者增加丢失的边缘，得到图10。

图9 Canny 边缘图（顶行: 厚度图像；底行：模拟后的X 线图像） （5）选择相似性测度

最优化问题是)(min arg *x D x x =，其中)(x D 中的x ),,(K T b =是指所设计的形态模型和X 线图像之间的差别。D 的最明显的选择方法有下面两种：

方法一：D 的全自动选择在于厚度和X 线图像之间的强度关系。例如，利用平方差之和或者交互信息。由于增加的结构在X 线图像中有显示而在厚度图像中没有显示以及该方法没有考虑到不均一性的存在这两个原因，作者按这方法所得到的实验结果不太乐观（如图8所示）。

方法二：第二个最明显的选择在于测量边缘图像之间的距离。

??∈∈+='2'),(),(s x s x dx s x d dx s x d D 其中'),(min '

''x x s x s x d -∈=为点x 在厚度图像中的轮廓设置s 和在X 线图

像中的轮廓设置'

s 之间的距离。

作者选择了第二种方法，并作了一些改善。例如，计算了模型和X 线轮廓这两者的距离以有效地估算距离D ；用物体的轮廓代替完整的边缘图像s 和's 以缓和轮廓难以规定对应部分的问题。

图10 左: X线中Canny 边缘探测器探测到的边缘；右: X线中的边缘（6）最优化

因为距离函数D是非线性的，通常显示出了很多局部最小值，所以作者通过一个以很长的间隔时间为限制条件的估算距离的方法计算出了一个更合适的查找方向，并用它取代下降的梯度D

，以避免去解决在局部最小值中出现的问题。另外，作者认为轮廓在最优化期间是处于不同的分辨率中，故采用了一个多分辨率的方法来作记录，大大地减少了计算时间。

3、方法测试

该方法中需要测试的主要部分是统计形态模型和相似性测度。作者使用了23个腹部的CT数据集（分辨率为1×1×5 mm）对此方法进行论证。因为对所有的数据集，骨盆骨的手动分割作为定量分析的黄金标准是可用的。作者假设摄像机标定值K和线性转换T是已知的并且不必优化。所有的实验要一张X线图像（冠状物：CO）和两张X线图像（CO加上矢状的：CO-SA）。通过计算优化结果和黄金标准之间的均衡的中间表面距离，估算出误差。进行了三个不同的实验：

（a）保留所有的形态（LI）：作为相似性测度和获得准确的三维形态的最优化方案的测试，统计形态模型（包含要被重建的形态）实现了重建。其几乎被降低到零。

表1 实验结果（越过23个数据集的的平均数和标准偏差）

（b）移除要被重建的形态（LO）：要重建的图像被从形态模型中除去。这显示了“真实世界”的情况。

（c）表面最优化（SO）：作为测试（b）的参考值，形态模型直接与测试（b）中的黄金标准表面相匹配。在测试（b）中直接最小化两个形态的表面距离，这样产生由一个已知的统计形态模型所得到的最佳结果。结果如表1所示。

4、优缺点分析

本文献成功地实现了由X线图像重建出三维形态模型。主要有以下几个方面的创新之处：

（1）直接将形态模型的投影图和标准的X线图像进行比较。

（2）在相似性测度的选择过程中，提出了估算模型与X线轮廓这两者的距离来有效地估算出距离D；并针对“很多轮廓没有很好地规定对应部分”这个事实所导致的不好的结果这个问题，作者提出了用物体的轮廓来代替完整的边缘图像s和's。

（3）在最优化过程中，作者计算出了一个更合适的距离变化方向来替代使D最小化的常规公式)

?，避免了去解决局部最小值出现

x-?

=中的梯度D

t

(

)

(x

D

的问题。

缺点是：所测量的单个投影像的平均误差不够小，达到了几毫米。

今后可以在以下几个方面发展：

（1）可以将该方法扩展到对股骨的研究，进而在人工髋关节移植方面可以得到一个更加完整的负荷分析方案。

（2）测试（b）说明了误差的最大部分是由统计模型的不完整造成的。因此，今后可以用更多的待处理的数据集对该模型加以扩充。

（3）可以把更多信息从X线数据和形态模型中并入相似性测度的过程中，也可以尝试将带有改良的厚度图像的轮廓信息与记录过程结合起来，以此来进一步提高准确性。

目前，关于医学图像三维重建与可视化的研究仍处在发展阶段，我们取得了较大的进展，但是仍然还有许多问题有待于进一步的研究解决。例如，不同影像设备获取的体数据之间的融合问题，数据在计算机里的存储需求与计算效率之间矛盾的问题等等。另外，目前对可视化的研究工作主要集中在体数据的显示和分析上，对体数据的操作都是比较简单的，并且还没能真正地实现逼真的动态模拟。

不过，如果将可视化技术与近几年兴起的虚拟现实技术结合起来，那么很有可能真正创造出符合人操作习惯的三维工作环境，使用户可以方便而直观地对体数据所表示的世界进行操作和探索,也才能进行逼真的动态模拟。有专家说，将超级计算机、光纤高速网、高性能图形工作站及虚拟现实四者结合起来将成为三维（乃至更高维）可视化这一领域技术发展的重要方向。相信在未来几年内，三维重建与可视化技术将从理论、方法到实用系统都会有个新的飞跃。

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医学图像三维重建的体绘制技术综述

医学图像三维重建的体绘制技术综述 摘要：体绘制技术是目前医学图像三维重建的主要方法之一，是一种能够准确反映出数据内部信息的可视化技术，是可视化研究领域的一个重要分支，是目前最活跃的可视化技术之一。本文首先分析了医学图像三维重建的两大方法及其基本思想，并将体绘制技术与面绘制技术进行了比较；然后分别描述了射线投射法、足迹法、剪切-曲变法、基于硬件的3D纹理映射、频域体绘制法以及基于小波的体绘制等典型算法；最后通过比较分析给出了各类算法的性能评价，并在此基础上展望了体绘制技术研究的发展前景。 关键字：体绘制；三维重建；可视化；性能评价 Abstract：Volume rendering techniques is one of the main methods of 3D reconstruction of medical images currently. It's also an important branch of visual technology which can reflect the inside information of data.It is one of the most active visualization technology.This paper first introduces are the two methods of 3D reconstruction of medical image and the basic thought of them,then volume rendering technology and surface rendering technology are compared.Secondly,the author introduces some kinds of algorithm for volume rendering：Ray Casting ,Splatting,Shear-Warp,3D Texture-Mapping Hardware,Frequency Domin V olume Rendering,Wavelet .Based V olume Rendering.The differences of their performances are compared and discussed in the last. Then some results are presented and their perspective are given in the end. Key words:Volume rendering techniques;3D reconstruction of medical images;visual technology;Performance evaluation

三维重建与可视化技术的进展(精制知识)

医学图像的三维重建与可视化技术的进展随着20世纪七十年代计算机断层技术（Computerized Tomography, CT）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等医学影像技术的应用，可以得到病人病变部位的一组二维断层图像，通过这些二维断层图像医生可以对病变部位进行分析，从而使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。 但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像，二维断层图像只是表达某一界面的解剖信息，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶与其周围组织的三维几何关系，这就给治疗带来了困难。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，也不能给出准确的三维影像，造成病变定位的失真和畸变。 三维重建与可视化技术利用一系列的二维图像重建为具有直观、立体效果三维图像模型，并进行定性、定量分析。该技术不仅给医生提供了具有真实感的三维图形，并让医生从任意角度观察图像，还可以从二维图像中获取三维结构信息，提供很多用传统手段无法获得的解剖结构信息，帮助医生对病变体和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时，三维重建与可视化技术还在矫形手术、放射治疗、手术规划与模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用。 本文首先介绍了医学图像三维重建的几种经典方法，以对该技术有个总体性的大致的了解；然后结合相关文献，深入研究了一个改进的MC（Marching Cubes）算法以及基于寰椎的X线图像的三维形态重建。 一、医学图像的三维重建的几种常见方法 目前，医学图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为基于表面的面绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法，又称直接体绘制方法。其中面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取，并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。近来，产生了结合面绘制和体绘制两者特点的混合绘制方

三维可视化机房智能监控系统

三维可视化机房智能监控系统 随着计算机技术的迅速发展，数字交换技术的日新月异，计算机通信已经深入到社会生活并对社会经济的发展起着决定性的作用，而在这其中计算机机房数据中心作为载体更是整体生态链中的重中之重。尤其是近年来，云技术的突飞猛进，计算机机房数据中心所承受的压力越来越大：机房计算机系统的数量与日俱增，其环境设备也日益增多，机房环境设备（如供配电系统、UPS 电源、空调、消防系统、保安系统等），由于各类设备各自独立，如果没有统一的监控系统进行管理，主要是依靠值班人员的定时巡检来进行系统监控，由于值班人员知识面和安全管理的问题，值班人员不可能详细地检查每套系统，所以存在较大的安全生产隐患。 为满足工作需要，提高机房维护和管理的安全性，北京金视和科技股份有限公司建立一套“可视化、智能化、远程化”的监控系统，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。 三维可视化机房智能监控系统对机房实现远程集中监控管理，实时动态呈现设备告警信息及设备参数，快速定位出故障设备，使维护和管理从人工被动看守的方式向计算机集中控制和管理的模式转变。突破性的三维仿真技术是智能可视化数据中心建设的一个重要的组成部分，机房设备具有数量大、种类多、价值高、使用周期长、使用地点分散、缺少实时性管理、管理难度大等特点。全三维可视化监控平台，形象化的虚拟场景和真实数据相结合，增强机房设备、设施数据的直观可视性、提高其利用率。 系统特点 三维虚拟可视化平台 在现有资源管理系统数据库的基础上，以三维虚拟现实的形式展现数据中心的运行情况。实现可视化管理和服务器设备物理位置的精确定位。三维虚拟现实方式对机房楼层、设备区、设备安装部署情况及动力环境等附属设施的直观展示，实时展现监控和报警数据。可实现360度视角调整。 IT资产可视化管理 在三维环境中通过鼠标点击实现楼层、机房、机房子区域、机柜、设备的分级直接浏览。实现机房可用性动态统计，包括空间可用性、用电量分布、温湿度分布情况和机房承重分布情况统计。当上架设备物理位置发生变化时，设备位置根据数据库变化自动变更。用户也可通过维护工具自行调整。

基于Skyline校园三维可视化的技术发展

基于Skyline校园三维可视化的技术发展本文从网络收集而来，上传到平台为了帮到更多的人，如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载本文档（有偿下载），另外祝您生活愉快，工作顺利，万事如意！ 0 引言 三维数字校园是运用Sketchup、WebGIS等三维技术构建校园三维虚拟场景。传统的校园宣传工作主要是依赖于照片，文字介绍等，满足不了全方位展现校园特色的需求。以数字化、网络化为特征的信息科学技术成为推动社会可持续发展的强大动力。在这种背景下，数字校园系统将成为校园新的信息源，任何与校园有关的信息都将给予定位并与空间数据联系起来[1]。 三维虚拟校园系统逐步兴起，逐渐成为各大高校宣传校园文化，展示校园风貌的平台。并且三维校园的建立使得我们对校园的观察方式有了很大的改变。逼真的模型和校园场景可以让我们从各个角度欣赏校园的景色。三维数字校园系统还可为参观者提供便利的条件，且对于学校自身的管理和办公效率也有很大的帮助。目前，我国多所大学均已完成数字化校园信息系统建设，使得校园信息化服务水平空前提高。 本文以太原师范学院校园为例，探讨采用

Sketchup建模软件以及Skyline可视化软件实现校园的三维可视化，为后续的三维数字校园做准备。 1 Skyline 简介 Skyline是由美国Skyline公司推出的一套优秀的三维数字地球平台软件。主要包含TerraBuilder、TerraExplorer、TerraGate三个子系统。其中Terraexplore 是一个桌面应用程序，使得用户可以浏览、分析空间数据，并对其进行编辑，添加二维或者是三维的物体、路径、场所以及地理信息文件。Terraexplore与TerraBuilder所创建的地形库相连接，并且可以在网络上直接加入GIS层。在三维GIS与虚拟现实等方面，Skyline系列软件可为用户提供各种解决三维空间应用的决策方案[2]。 2 数据获取 地形图数据的获取建模时需要高精度的地形图作为底图，如DWG格式的地形图数据作为模型构建的基础，如只在影像上画出建筑物的二维平面图，精度不是很高，对于建模精度要求较高的建筑物建模需要地形图作为底图，导入到SketchUp下进行三维建模。 建筑物高度信息获取高度信息是三维模型的一个重要参数，当前主要通过以下几种方式获得建筑物

浅谈三维建模技术的研究与应用

浅谈三维建模技术的研究与应用 兰文涛 新疆油田公司风城油田作业区 摘要：以应用为主的三维地理信息系统模型，通过Skyline TerraExplorer Pro和3ds Max模型制作，并发布应用到GIS,从而推进了GIS应用，实现了油田设施在计算机中的展示、研究与管理步伐，加快了数字油田建设，并促进了克拉玛依标志性建筑三维模型的早日完成。 关键词：3ds Max；Skyline TerraExplorer Pro；建模；GIS；应用 1.1 前言 2000年，中国石油天然气股份有限公司新疆油田分公司（以下简称油田公司）在“数字地球”技术背景下，提出了数字新疆油田的宏伟战略，并制定了“数字新疆油田”信息建设“三个阶段”的战略部署。不仅将从根本上建立从分散到集中，从无序到有序的信息化建设新秩序，而且标志着“数字新疆油田”规模化建设的开始。 但是“数字油田”是一个庞大，复杂的工程，涉及的内容之多，之广，它涉及数据建设，信息系统建设，网络工程建设等，其中信息系统的建设，是由二维地理信息来表示的。二维 GIS始于二十世纪六十年代的机助制图，今天已深入到社会的各行各业中，如土地管理、电力、电信、城市管网、水利、消防、交通以及城市规划等。但二维GIS存在着自身难以克服的缺限，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受。随着应用的深入，第三维的高程信息显得越来越重要。一些二维GIS 和图象处理系统现已能处理高程信息，但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的地形，但地形下面的信息却不具有，因此它们在国际国内也被俗称为2.5维的系统。考虑到2.5维这一概念并不严密，作者称之为“地形面三维”或简称面三维。我们认为，面三维的GIS本质上仍然是二维GIS系统。 二维GIS只能处理平面X、Y轴向上的信息，不能处理铅垂方向Z轴上的信息。它在表达上通常是将Z值投影到二维平面上进行处理，因此对于同一（x, y）位置的多个Z值不能表达。 世界的本原是处在三维空间中的，二维GIS将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力，克服这一缺陷迫切需要真正的基于三维空间的GIS的问世。三维地理信息系统就是在这一前提下进行的开发，它充分体现了三维建模技术，对三维物体进行了真实再现，从而满足生产、科研、管理、决策等对空间信息的可视化需求。 2.1 三维地理信息系统的定义与特点 2.1.1 三维地理信息系统的定义 三维地理信息系统（Geographical Information System）简称三维GIS，三维GIS是近年来迅速发展起来的一门融计算机图形学和数据库技术于一体的新型空间信息技术,它把现实世界中对象的空间位置和相关属性有机地结合起来,满足用户对空间信息管理的要求 ,并借助其特有的空间分析功能和可视化表达,进行各种辅助决策。从而满足了生产、科研、管理、决策等对空间信息的可视化需求。 从不同的角度出发，GIS有三种定义：①基于工具箱的定义：认为GIS是一个从现实世界采集、存

基于Arcscene的三维可视化技术

基于ArcScene的三维可视化技术的实现 摘要：三维可视化是运用计算机图形学和图像处理技研究数字地形模型显示、简化、仿真的学科,它涉及到计算机科学与技术、信号与信息处理、通信与信息系统、控制科学与工程、摄影测量与遥感、空间信息科学与技术等诸多学科，广泛应用于计算机视景仿真、虚拟现实、图形图像生成、遥感信息处理和数字地球等领域。本文主要介绍基于ArcScene平台的三维可视化技术的内容，以及三维可视化的实现过程。 关键字：ArcScene，三维可视化 1引言 近年来随着计算机技术的迅速发展，一门新颖的技术在不断涌出。三维可视化技术作为当今世界的一门主流技术它能够利用大量数据，检查资料的连续性，辨认资料真伪，发现和提出有用异常，为分析、理解及重复数据提供了有用工具，对多学科的交流协作起到桥梁作用。与以往的二维技术相比，它能跟直观、可视、形象、多视角、多层次的模拟三维场景，可提供一些平面上无法直接获得或表示的信息。还可以直观的对区域地形起伏的形态及沟、谷、鞍部等基本地形形态进行判读，比二维图形（如等高线）更容易为大部分读者所接受。 2ArcScene简介 ArcScene是美国ESRI公司开发的ArcGIS软件桌面系统3D分析扩展模块中的一部分，是一个适合于展示三维透视场景的平台，可以

在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互，适用于数据量比较小的场景3D分析显示。ArcScene是基于OpenGl的，支持TIN数据的显示。显示场景时，ArcScene会将所有数据加载到场景中，矢量数据以矢量形式显示。它可以更加高效的管理三维GIS数据、进行三位分析、创建三位要素以及建立具有三维场景属性的图层。例如，可以把平面二维图形突出显示为三维结构。与常规的可视化系统如 3dsMAX、Maya等相比ArcScene克服了3DMAX、MAYA难以克服的困难，为诸多问题提供了很好的解决方法。 3三维可视化过程 3.1要素的三维显示 ArcScene提供了要素图层在三维场景中的三种显示方式： （1）通过属性设置基准高程 在要素属性对话框中，选择基本高程选项卡，设置以常量或表达式作为基准高程，填写或点击按钮生成提供Z值的字段或表达式即可，如图1。 （2）使用表面设置基本高程 在设置基准高程时选择由表面获取要素图层的高程，选中Obtain heights for layer from surface单选框，选择所需表面即 可。要素将会以表面所提供的高程在场景中显示。如图2 （3）要素的突出显示 在图层属性对话框的突出标签中，选中对图层中的要素进行突出复选框。并且在文本框中填写或点击按钮打开突出表达式

三维可视化智能安防系统

三维可视化智能安防系统 重点： 数字三维技术、门禁系统、监控系统、陌生人智能分析报警四大系统全方位保护。防止暴力、盗窃和安全事故的综合性安防解决方案。 一、概述 三维可视化智能安防系统，是一套集三维景观漫游、三维场景仿真、视频监控、视频分析于一体的三维可视化安保系统。该系统以虚拟现实技术研发的三维数字模型数据为基础平台，提供给用户直观的三维交互界面，所有操作针对三维实体模型进行数据交互。包括：监控摄像机、报警设备、门禁等系统设备的基础数据、状态控制数据等。所有数据交互到三维实体模型系统中后，由三维实体模型系统进行状态展现，并反馈用户所进行的操作给各系统。

二、功能特点 三维场景交互式操作 系统可完成真实景观快速建模，亦可导入三维模型，形成由大量三维模型组成的三维场景。在场景中可以轻松地对模型进行移动、旋转、复制、缩放等操作。 三维摄像头的操作 主要包括查找、查看、编辑、布局分析等功能。针对摄像头查找功能，系统提供多个检索选项，包括：坐标点检索，按名称检索，摄像头型号检索和模型位置检索等。检索完成后，用户可以选择检索出的某摄像头进入监控画面（画中画）。 属性数据管理 系统可对三维模型进行查询、浏览、统计等操作，支持载入语音、文字、图片等多媒体信息；系统完善的层管理机制可实现对不同层的数据进行各种属性管理操作，支持ODBC数据库接口，可链接各种商用数据库。 门禁显示 门禁开关的动作，非法卡刷卡时报警提示刷卡情况和报警周边的情况，报警状态在三维场景中提醒显示，同时通过信息提示。

视频监控及管理 用户可实时浏览监控点，报警点，查询监控点、报警点的相关属性信息。当发生报警时能自动切换到事发地点，显示报警效果，弹出相关视频。结合在办公楼内部署的红外探测等报警设备，实现对人员通过被检测区域时的报警提示，并在三维场景中表示出来，提供管理员直观了解布防区域的情况。 视频分析 视频行为分析技术——对校园内的相关运动目标（人或物体）进行检测、分类及轨迹追踪，并根据制定的分析（触发）规则，由系统自动分析、判断运动目标的行为信息，并将信息输出到三维可视化系统中。 三、功能阐述： 传统以人来监视的监控系统中越来越多的视频通道变得非常困难，因此，视频分析迅速成为安防应用中的一个关键元素。使用以智能视频分析和传感器输入为中心的数字产品和以虚拟现实技术研发的三维数字模型为平台的系统，可实现系统功能与操作可视化要求的最佳协调。这对于具有不同安防需要的广泛而复杂的地点来说变得日益重要。 门禁控制产品包括： 门控器

三维可视化平台的发展背景

数据中心三维可视化管理平台严格按照数据中心机房建设有关技术的标准和规范来建设实施，采用高标准的三维可视化系统设计原则，达到“国内领先、国际先进”的总体设计目标，并提 供强大的向上/向下接口。 一.三维可视化平台遵循的原则如下： 1.先进性原则：采用国际最新、最先进的三维可视化技术，软硬件均为模块化设计，各模块 间互相独立，互不干扰。对建有冗余热备功能的系统，在系统维护或更换时不影响整个系统 的正常工作，保障系统全天候正常运行，符合国际最新潮流。 2.集中性原则：采用合理的系统体系结构，建立对IT环境各种对象的集中管理，即需要覆盖 眼前需要管理的物理对象，也需要考虑未来的逻辑对象。 3.实时性原则：系统采用先进的API、SNMP等数据通信接口技术，通过内部网络可以实现 与各类机房动环监控系统、资产管理系统、网管系统和IT运维系统的实时数据交互、展示和控制，及时反应各类系统及设备的运行参数和状态，发生故障预警和报警时能第一时间发出 告警通知管理人员查看并解决问题。 4.实用性和高效性原则：系统为管理人员提供直观、易用的图形化操作界面和策略定义工具，支持采用各类WEB浏览器通过互联网络从任意地点管理三维可视化系统，保持各种功能操 作方式的一致性。 5.安全性和稳定性原则：系统必须要达到单位级的安全标准，提供良好的安全可靠性策略， 支持多种安全可靠性技术手段，可充分利用现有的诸如防火墙、入侵检测系统、漏洞扫描、 防病毒系统等基本安全防御系统与外网隔离，保证安全；同时制定严格的安全可靠性管理措施，拥有完善的身份认证和授权，使各类功能具有完善的访问授权安全机制；支持各组件之 间的信息安全传输；设计数据备份、应急处理与灾难恢复等技术措施，防止和恢复由内在因 素和危机环境造成的错误和灾难性故障，确保系统数据的可靠性，实现整个系统的稳定运行。 6.开放性原则：系统预留了南向、北向等多种对外数据通信接口，能向上级IT综合运维平台 提供所有监控数据、报警信息和展示页面，也可以从下级各类监控或管理系统中获取需要展 示和控制的数据，其中数据接口包括API接口、SNMP协议接口、OPC接口以及xmxxxxl接 口等相关的国际标准或行业标准。。 7.灵活性和可扩展性原则：系统的建设采用模块化结构，具有灵活的多级组网功能，模块化 结构有利于扩容与扩展，配置具备可伸缩及动态平滑扩展能力，通过系统框架和相应服务单 元的配置，适应监控范围和内容的变化，即可整合现有其他系统、扩建的新系统、集成新增 的第三方应用等，使得系统具有良好的可扩充性。 8.经济性原则：采用模块化设计，有良好的可扩展性和可伸缩性，系统的安装简单、省时、 安全、可靠，易学习、易管理维护，以获得良好的性能价格比，便于今后的扩展和分步实施，并充分考虑系统的运行成本，并使之达到最小化。

物探新方法新技术之七：三维可视化技术(3DVisualization)

7 三维可视化技术 三维可视化(3D Visualization)技术是20世纪80年代中期诞生的一门集计算机数据处理、图像显示的综合性前缘技术。它是利用三维地震数据体显示、描述和解释地下地质现象和特征的一种图像显示工具。它可使地球物理学家和地质学家“钻入”到数据体中，更深刻地理解各种地质现象的发生、发展和相互之间的联系。 7.1 三维可视化技术概述 可视化技术是把描述物理现象的数据转化为图形、图像，并运用颜色、透视、动画和观察视点的实时改变等视觉表现形式，使人们能够观察到不可见的对象，洞察事物的内部结构。 可视化技术有两种基本类型：基于平面图的可视化(Surface Visualization)和基于数据体的可视化(Volume Visualization)，也称为层面可视化和体可视化。 层面可视化指的是地质层位、断层和地震剖面在三维空间的立体显示，其主要用于解释成果的检验和显示。 体可视化是通过对数据体(可以是常规地震振幅数据体，也可以是地震属性数据体，如波阻抗体或相干体)作透明度等调整，从而使数据体呈透明显示，其主要用于数据体的显示和全三维解释。 在体可视化解释中，常用技术有5种：体元自动追踪技术、锁定层位可视化技术、锁定时窗可视化技术、垂直剖面叠合可视化技术和多属性可视化技术。 (1) 体元自动追踪技术 追踪过程是从解释人员定义种子体元(Seed Voxel)开始的，体元追踪是沿着真正的三维路径追踪数据体，因此追踪结果是数据体而不是层位。图7—1给出利用体元自动追踪技术解释某油田含油砂体的过程，即从油层标定、种子点拾取、体元追踪到三维显示。 (2) 锁定层位可视化技术 利用已有的层位数据(或者层位数据做定量时移)作为约束条件，将目的层段的数据从整个数据体中提取出来，然后针对层段内部数据体调整颜色、透明度和光照参数，可以更有效地圈定地质体的分布范围，更准确地判断断层的延展方向

三维重建 ,三维重构

本科毕业论文(设计)调研报告 题目基于二维图形的三维构造 学生姓名张鹏宇 指导教师张昊 学院信息科学与工程学院 专业班级电子信息工程 完成时间2016年1月 本科生院制

摘要 三维重建是指对三维物体建立适合计算机表示和处理的数学模型,是在计算机环境下对其进 行处理、操作和分析其性质的基础,也是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术。在计算机视觉中, 三维重建是指根据单视图或者多视图的图像重建三维信息的过程. 由于单视频的信息不完全,因此三维重建需要利用经验知识. 而多视图的三维重建(类似人的双目定位)相对比较容易, 其方法是先对摄像机进行标定, 即计算出摄像机的图象坐标系与世界坐标系的关系.然后利用多个二维图象中的信息重建出三维信息。 关键词：计算机图形学 目录 前言 (1) 第一章脑电波概述 (1) 1.1情绪的生理基础 (2) 1.2脑电的基本概念 (3) 1.3脑电信号的特点 (3) 1.4基于脑电波的人体情绪分析的意义 (3) 第二章设计中涉及的方法 (4) 2.1情绪诱发方法——保证获得所需的数据 (4)

2.2脑电的采集和预处理——数据采集 (5) 2.3非参数谱估计法——分析数据 (6) 2.2.1周期图法 (7) 2.2.2平均周期图法 (7) 2.2.3相关图法 (7) 第三章基于脑电波的人体情绪分析的总体设计 (8) 3.1前期准备工作 (8) 3.2数据采集及预处理 (9) 3.4 数据分析程序编写 (10) 3.3数据分析 (11) 3.4得出结论 (11) 第四章目前存在问题 (12) 4.1脑电信号的采集 (12) 4.2真实环境对脑电信号的影响 (12) 4.3个体差异性与共同模式 (12) 结论 (13) 参考文献 (14)

顾桥三维可视化技术协议(排版)

淮南矿业集团顾桥矿 矿井安全生产三维可视化系统 技术协议 二零零六年七月

由顾桥矿信息管理中心牵头，矿地质测量部门、上海宝信软件股份公司及北京富力通能源软件技术有限公司参与，在顾桥矿就三维可视化与综合自动化系统集成进行了充分协商，形成如下技术协议：1.协议内容 1.地测信息系统作为三维可视化系统的有机组成部分和必需的数据 来源，三维可视化系统与地测信息系统软件通过数据库表互相共享数据库，并开放数据表格供自动化集成平台及信息系统平台使用，矿地质测量部门通过北京富力通能源软件技术有限公司的演示，认为北京富力通能源软件技术有限公司在三维可视化系统中提供的地测信息系统达不到专业化的地测信息系统的功能，建议北京富力通能源软件技术有限公司外购专业化的由北京龙软科技发展公司开发的地测信息管理系统，并负责有机的集成；北京龙软科技发展公司负责地测信息管理系统的功能实施、软件维护及系统升级，以满足顾桥矿地测部门日常地测信息管理的需求。2.上海宝信软件股份公司承包的综合自动化系统与三维可视化系统 的具体数据接口交换原则与系统调用原则：集成软件平台可以直接启动三维软件应用程序。三维显示、展示方案由三维软件负责完成，三维软件也可以独立运行；集成平台将采集的集成数据信息通过数据库的记录集（提供字段说明）共享给三维软件，三维软件负责在相应的子系统终端上显示对应的场景和数据。综合信息平台保证发送给三维软件的消息的正确性和及时性，三维软件系统保证显示和定位的准确性和时效性。三维软件需要获取的实

时监控数据，可以采用通过发送TCP/IP请求（数据包大小上限定为1024个数据）给集成平台获取数据（备选方案：三维软件需要显示实时参数时，采用分布式访问方式，直接从OPCServer中获取实时数据），数据显示和表达方式的组织工作由三维软件完成。 3.数据录入：三维可视化系统作为地测信息系统软件和集成化平台 的数据使用者，应充分有效使用地测信息系统软件和集成化平台提供的数据，测量数据库与地测数据库建立的原始数据的录入由地测信息系统软件负责，有效避免用户单一数据多次录入，具体为： ●三维可视化系统负责以下数据录入: 1)主副井、风井、巷道、硐室的数字摄像资料。 2)井巷工程造价信息。 3)各种生产与安全设备的类型、功率、工艺参数等资料。 4)安全监测系统、自动控制系统的监测点的位置、类型、报 警上下限、单位、状态、实时数据等（通过软件接口获取） ●地测信息管理系统负责以下数据录入: 1)煤层边界数据、断层数据、陷落柱、熔岩侵入、古河床冲 刷等煤层缺失数据。 2)回采工作面的资料。 3)主副井、风井、巷道、硐室的断面类型、参数等资料。 4)地质勘探的钻孔、测井资料、柱状图、各主副井、风井、 巷道、硐室的测量资料。

三维可视化建模技术在地质勘查中的应用

三维可视化建模技术在地质勘查中的应用 摘要：根据地质勘查的数据特点，利用三维可视化建模技术。实现了以真三维模型来恢复地表以下地质体的结构、形态特征以及空间展布，能对其进行旋转、漫游、切片分析、虚拟钻探等操作，动态地研究其内部细节，了解目标对象与周围地质环境之间的关系，为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供了强有力的支持。 关键字：地质勘查三维可视化建模技术虚拟钻探 引言 在地质勘查工作中，地质工作者越来越迫切地希望建立一套完善的地质体三维可视化与分析系统，实现对地质体信息的三维可视化仿真，丰富地质勘查成果的表现形式，为地质信息的进一步定量分析、探索与利用提供强有力的支持。随着计算机软件和硬件的飞速发展，针对地质体的三维建模与可视化，综合运用三维仿真、数学地质、计算机图形学、虚拟现实、科学计算可视化、计算机软件开发等成熟的理论方法与技术，实现复杂地质条件下的三维地质建模。 二．三维地质建模数据来源与特点分析 在三维地质建模中，用来反映地质体特征的数据来源多种多样，包括地质勘探数据、地球物理勘探数据、地球化学勘探数据、工程地质数据等等。 由于地质原始数据的多源性、离散性和定性特征在很大程度上阻碍了三维地质建模研究的发展。因此，在三维地质建模工作中需要耦合多源信息，对场区地质构造进行分析、解译，将定性描述的数据定量化，尽量以数值型数据和图形数据来进行表达，将离散不确定的数据通过各种插值拟合的手段转化为连续确定的数据，为三维地质建模提供合适的数据源。 三．三维地质建模的难点与关键技术问题分析 通过对三维地质建模数据来源与特点的分析可知，建立一个客观准确的三维地质模型必须满足三个条件：足够多的原始地质采样数据、能够真实反映复杂地下空间关系的地质解译分析、合适的数据结构。就目前复杂地质体的三维建模主要面临的困难可归纳为以下3点： （1）原始地质数据获取艰难。地质体通常位于地表以下，人们无法直接全面地观察到地质体的各种特征，往往只能通过物探、化探等手段获得地质体的部分特征信息，并通过对这些信息的分析、解释、推断来获得地质体的基本信息。 （2）地下地质体及其空间关系极其复杂。地质条件和地质作用复杂多变，在其影响下，地层被切割成不连续的空间分布，岩体内复杂的岩性变化，以及地

三维可视化技术都有哪些运用

三维可视化技术都有哪些运用 伴随着数据在当前互联网技术迅速发展壮大下变的层面更广，总数更大、构造愈来愈繁杂，大家如果想要更加清楚，迅速的认识和了解一份数据，传统化的二维平面图数据图表现已不能够满足需求，三维可视化技术越融合多媒体技术、互联网技术及其三维镜像技术完成了数据处理的虚拟化，根据对物体展开多方位的监管，搭建根据现实的3D虚拟现实技术实际效果，让数据呈现更加直观和易于了解，现已短时间变成信息内容智能化管理的关键构成部分，被广泛运用到各制造行业中。 一、什么叫数据可视化 简便的来讲数据可视化便是依据数据的特点、特性等属性，根据图像处理等适合的方法，将数据形象化的有概念性的展现出，作用大伙儿更强的、更清楚的了解数据，把握数据中的有效信息内容。 1.数据可视化的发展壮大与运用 数据可视化并不是什么新型技术，其发展历程发源能够上溯二十世纪50年代电子计算机图形学的初期。那时候，大家就可以利用软件建立出了第一批图形图表。伴随着互联网技术、电子计算机技术和优秀人才层面的短时间发展壮大，各种各样的数据可视化呈现在大家

的眼下。伴随着近几年来大数据备受关注，互联网端数据剖析产品盛行。企业历经前些年IT 系统基本建设后累积了很多数据，包含业务流程数据、客户数据、以及他第三方数据。这种数据对公司很有使用价值，探寻和剖析的意向明显，其才被更广泛运用到每个制造行业中。 （1）数据可视化运用可分成三类： ①宏观环境形势可视化：宏观环境形势可视化就是指在特殊环境中对随时间流逝而持续转变的总体目标实体展开觉察，能够直观、灵活、真实地展现宏观环境形势，能够迅速把握某一行业的总体形势、特点。 ②机器设备模拟仿真运作可视化：根据图像、三维动漫及其电子计算机程序控制技术与三维建模相结合，完成对机器设备的可视化表述，使管理者对其所管理的机器设备有品牌形象实际的定义，对机器设备所在的部位、外观设计及全部主要参数一目了然，会大大减少管理者的劳动效率，提升管理高效率和管理水准。 ③数据分析可视化：是现阶段谈及较多的运用，广泛运用于商务智能、政府部门管理决策、公众服务、网络营销这些行业。凭借可视化的数据数据图表，能够很清楚合理的传递与沟通交流信息内容。 2.数据可视化的发展趋向

三维地质自动建模与可视化

三维地质自动建模与可视化 北京国遥新天地信息技术有限公司遥感应用第一事业部柳蛟 （转载请注明出处和作者，侵权必究） 一、前言 1.1项目背景 数字城市建设方兴未艾。现在的数字城市建设正处于基础建设阶段，为完成该阶段的任务，必须采集包括地上、地表和地下等部分的三维数据，并实现其可视化。同时，各城市因其所处地质带的不同而不同程度地受到地震、地面沉降、滑坡、岩溶塌陷等地质灾害的影响。为此，一些城市正在进行有关地质灾害的预警和防治工作。其他很多领域，如城建工程、地下工程、水电工程、交通工程、环境工程、资源开发等都贯穿有地质问题。上述工作的开展和问题的解决迫切需要借助三维可视化技术对地质数据进行可视化，从而为相关工作提供帮助。因而，三维城市地质信息可视化受到很多学者和相关工作者的重视。 基于目前地下管网和地下建构筑物信息的基础，增加地质数据的收集整理，并进行直观的可视化三维建模分析，可更好的为地下工程建设，城市规划等问题提供决策信息支持，使地下空间信息管理单位对相关数据进行有效的管理。 基于现有地质数据采集、处理的成果，结合EV-Globe大型三维地理信息平台，从三维地质数据结构、三维地质钻孔数据展示、三维地质自动建模、三维城市地质信息可视化系统的功能设计等方面对三维城市地质信息可视化进行研究和应用。 1.2历史回顾 2002年开始，当时在海外工作的朱焕春博士和李浩博士试图将他们所应用的一些地质体三维可视化技术推广到国内，即便是在发达国家，当时这项技术也才刚刚开始应用。但是，因为这些国家已经具备了调研和开发过程的积累，以及技术市场商业化体制的优势，推广过程相对很快，到2005年，大部分已经全部采用三维可视化资料，包括地质体几何形态、测试资料、监测数据等全部打包在一个三维计算机图形和信息系统中，电子化和图形化为专业

三维可视化应急预案系统

三维可视化应急预案系统 三维可视化应急预案系统是针对传统文本式预案的不足而研发的一款可视化的应急预案系统。传统文本式预案，注重的是各部门职责范围的描述，以及应急资源的信息，缺少一种有效的手段可以描述事故发生时，各部门如何履行各自的职责。三维可视化预案系统就是针对这种问题，对预案的执行过程进行可视化制作，既可以对预案相关人员进行培训，也可以更好的检验预案的可行性。 传统文本预案的缺陷 ?预案中信息量小、无法包含明确的应急处置环境信息。 ?预案中缺乏事件、时间、角色间关系的明确逻辑定义。 ?应急处置过程某些细节环节可行性无法验证。 ?预案内容不容易传递和推广。 ?由于环境条件限制、很难开展有效的模拟演练。 三维可视化应急预案的优势 ?预案中包含了明确的二、三维应急处置空间环境及场景信息。 ?清晰的组织结构、岗位责任逻辑关系及时间事件演变关系。 ?直观的处置细节可视化描述。 ?可以推演、容易传播、方便理解，可以直接用于模拟演练。 系统功能 文本预案智能提取

系统可以从原有标准化文本式预案中自动提取应急资源、装备工具、组织机构等信息，作为预案的辅助查询内容。 预案流程编制 通过以事件为驱动的各种环节配置，以流程图的方式把预案进行细部分解，制定有针对性的预案应急响应逻辑结构。 预案细节可视化编辑 提供可视化预案细节编辑工具，以时间轴为基础，添加各种元素，形成可视化的预案展现。推演评估 制作完成的预案，可以随时进行可行性推演与播放，并支持对每个环节的执行情况进行评估和总结。 三维可视化应急预案系统是大连伟岸纵横为安监、消防、公安、危化企业应急部门提供的可靠有效的三维可视化预案系统。

三维重建与可视化技术的进展

医学图像的三维重建及可视化技术的进展随着20世纪七十年代计算机断层技术（Computerized Tomography, CT）、核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等医学影像技术的应用，可以得到病人病变部位的一组二维断层图像，通过这些二维断层图像医生可以对病变部位进行分析，从而使得医学诊断和治疗技术取得了很大的发展。 但是，这些医疗仪器只能提供人体内部的二维图像，二维断层图像只是表达某一界面的解剖信息，医生们只能凭经验由多幅二维图像去估计病灶的大小及形状，“构思”病灶及其周围组织的三维几何关系，这就给治疗带来了困难。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，也不能给出准确的三维影像，造成病变定位的失真和畸变。 三维重建及可视化技术利用一系列的二维图像重建为具有直观、立体效果三维图像模型，并进行定性、定量分析。该技术不仅给医生提供了具有真实感的三维图形，并让医生从任意角度观察图像，还可以从二维图像中获取三维结构信息，提供很多用传统手段无法获得的解剖结构信息，帮助医生对病变体和周围组织进行分析，极大地提高医疗诊断的准确性和科学性，从而提高医疗诊断水平。同时，三维重建及可视化技术还在矫形手术、放射治疗、手术规划及模拟、解剖教育和医学研究中发挥着重要作用。 本文首先介绍了医学图像三维重建的几种经典方法，以对该技术有个总体性的大致的了解；然后结合相关文献，深入研究了一个改进的MC（Marching Cubes）算法以及基于寰椎的X线图像的三维形态重建。 一、医学图像的三维重建的几种常见方法 目前，医学图像三维重建的方法主要有两大类：一类是通过几何单元拼接拟合物体表面来描述物体的三维结构，称为基于表面的面绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法，又称直接体绘制方法。其中面绘制方法是基于二维图像边缘或轮廓线提取，并借助传统图形学技术及硬件实现的，而体绘制方法则是直接应用视觉原理，通过对体数据重新采样来合成产生三维图像。近来，产生了结合面绘制和体绘制两者特点的混合绘制方法，可以称为第三类三维重建方法。

虚拟场景的三维建模与可视化V1

山西省基础研究计划 项目申报书 项目类别: □自然科学基金□青年科技研究基金项目名称: 三维数字化综采仿真平台 项目申报单位：（盖章） 项目组织单位：（盖章） 申请人： 填报日期： 山西省科学技术厅制

基本信息 项目基本信息项目名称 研究属性 A基础研究 B使用基础研究 指南领域 所属国家或省级重点学科名称 所属国家或省级重点实验室名称 报审学科 学科1 代码1 学科2 代码2 起止年限年月- 年月申请经费 申请者信息姓名性别民族出生年月年月学历学位身份证号码 毕业校名专业 毕业年份学术职务行政职务 通讯地址曾在何国留学或进修 技术职称现主要研究领域 联系电话手机E-mail 申请者所在博士点或硕士点名称 申报单位信息名称单位属性 通讯地址邮编法人代表电话法人代码 联系人电话传真E-mail 开户银行帐号 合作单位1．2．

摘要项目研究内容和意义简介（限400字内） 是针对现代化煤矿开采建立起来的数字化仿真平台，适用于综采的生产作业仿真。为煤矿管理人员提供了可靠的决策支持。实现了矿区布局展示、矿区内部地质构造展示、模拟矿井开采、开采过程实时仿真、机械设备作业实时仿真、安全预警、危险源分析等功能。 在山西整合煤矿大规模开工建设的推动下，煤炭行业固定资产投资增速将从2010年低点20%回升至2011年25%以上，拉动煤机设备行业超预期增长。 机械化率提升空间很大。2015年我国煤炭行业机械化率的目标为75%，相比2010年将提升20%，且不排除机械化率超预期的可能。十二五期间，煤炭机械化开采量CAGR达到12.8%，远超原煤产量CAGR的5.8%，对煤机设备需求形成重要支撑。 而在整个综合采煤过程中每个设备无法实时和准确的表达采煤现实场景，在以往的设计过程中，绝大部分煤机设备都采用二维平面设计，这样容易使产品结构等信息表达有误，不能及时反映采煤面实际采煤状态，同时，由于没有相关联的产品三维装配模型可供分析，给干涉分析及空间设计带来困难。而后续所有的分析，动态仿真等方面都是以三维实体模型为基础，另外还实现了动态交互的设计的设计功能，实现煤机设备的三维可视化和虚拟现实进而提高对采煤设备和实际工况分析，具有很大的实用性于必要性。 关键词（用分号分开，最多4个）山西整合煤矿虚拟现实三维可视化

三维机房可视化运维管理系统

三维机房可视化运维管理系统 系统简介 随着社会信息化程度的不断提高，机房计算机系统的数量与俱增，其环境设备也日益增多，机房环境设备（如供配电系统、UPS电源、空调、消防系统、保安系统等）必须时时刻刻为计算机系统提供正常的运行环境。因此，对机房动力设备及环境实施管理就显得尤为重要。为满足工作需要，提高机房维护和管理的安全性，北京金视和科技股份有限公司建立一套“可视化、智能化、远程化”的三维机房可视化运维管理系统，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。 三维机房可视化运维管理系统对机房实现远程集中监控管理，实时动态呈现设备告警信息及设备参数，快速定位出故障设备，使维护和管理从人工被动看守的方式向计算机集中控制和管理的模式转变。突破性的三维仿真技术是智能可视化数据中心建设的一个重要的组成部分，机房设备具有数量大、种类多、价值高、使用周期长、使用地点分散、缺少实时性管理、管理难度大等特点。全三维可视化监控平台，形象化的虚拟场景和真实数据相结合，增强机房设备、设施数据的直观可视性、提高其利用率。 系统特点 三维虚拟可视化平台 在现有资源管理系统数据库的基础上，以三维虚拟现实的形式展现数据中心的运行情况。实现可视化管理和服务器设备物理位置的精确定位。三维虚拟现实方式对机房楼层、设备区、设备安装部署情况及动力环境等附属设施的直观展示，实时展现监控和报警数据。可实现360度视角调整。 IT资产可视化管理 在三维环境中通过鼠标点击实现楼层、机房、机房子区域、机柜、设备的分级直接浏览。实现机房可用性动态统计，包括空间可用性、用电量分布、温湿度分布情况和机房承重分布情况统计。当上架设备物理位置发生变化时，设备位置根据数据库变化自动变更。用户也可通过维护工具自行调整。 机房环境监控可视化管理 在三维环境中以虚拟现实的方式来展示传统环境监控系统，给管理员一个更加贴近现实场景的操作环境，进一步提升了操作体验。极大的提高的机房监控管理的人性化、真实化。

医学图像三维重建中的关键算法

医学图像三维重建中的关键算法 罗东礼，徐大宏，赵于前 (中南大学信息物理工程学院生物医学工程研究所，长沙410083) 摘要：本文主要讨论了基于序列图像的三维重建中的两个关键算法：特征数据点列的重采样算法与三角化算法。本文把Douglas-Peucker线性简化算法应用在特征边界的重采样上，数据的压缩比得到了明显的改善，也显著地提高了可视化速度。并使用一种简单的三角化算法，对重采样后的数据点列进行三角化，实现目标的三维重建。 关键词：图像序列，三维重建，重采样，三角化 The Algorithm about 3D Reconstruction of Image Sequences Luo Dongli，Xu Dahong，Zhao Yuqian (Institute of biomedical Engineering, School of Info-Physics Geomatics Engineering, CSU, Changsha 410083) Abstract This paper discusses two important algorithms in 3D reconstruction of image sequences, i.e. re-sampling algorithm and triangulation algorithm. An improved algorithm for Doulas-Peucker Line-Simplification is presented. This algorithm can improve the performance of re-sampling and 3D data field visualization. Triangulation is implemented by using a simple triangulation algorithm. Sequentially, 3D object reconstruction is achieved. Keywords Image Sequence, 3D Reconstruction, re-sampling, Triangulation 0 引言 随着计算机软硬件技术，以及医学成像技术的日益发展，基于数字图像技术的医学应用系统也逐渐得到了长足的发展。在这些医学应用系统中，在有效精确地提取出医学图像中相应目标特征量的基础上，进行人体组织或器官的三维重建[1,2]，是很多实用系统的基础，如基于图像的病理分析[3]、基于图像的手术导引与增强[4,5,6,8]、虚拟手术平台[7]等应用系统，因此医学图像的三维重建一直是国内外医学界及图像领域的研究与应用热点之一。 三维重建的目的是从一系列二维切片数据（图像）中得到物体的三维表示，一般使用网格的形式来表示。目前，三维重建过程中经常延用的一种经典算法是Lorensen等人于1987年提出的Marching Cubes方法[10]，其原理简单，易于实现。但这种方法计算效率低，输出的三角网格数量巨大。因此近些年来，仍然有研究者们从不同角度对该算法进行改进[9,11,12]。本文在文献[13]的基础上提出了一种改进重采样算法结合文献[9]基于轮廓的三维重建方法，运用并改进了相关算法，与直接运用文献[9]所提出的算法相比较，本文所提出并改进的方法处理速度更快，输出的三角网格数量也较少，而且三角网格的形态也比较理想。 在第1小节中对算法作了描述，第2小节总结并分析了本文所提出方法的一些性能。 1 算法描述 作者实现基于序列图像三维重建的主要思路如下： (1) 特征提取：在序列图像中提取出需要重建目标的轮廓；