第1 章 绪 论
1.1 课题研究意义
在假肢外科中的应用、在虚拟手术中的应用以及在解剖教育中的应用等。无论是哪一方面的应用，都有一些共同的要求，三维重建的模型的精度越高，越能更好的描述实际物体形状，有利于医生对病人病情的判断；三维重建的速度越快，越有利于医务人员尽早及时的发现病情，做出方案，尽快解决病人的痛苦。那么，对三维重建后的模型与实际物体形状的相似度越大越好，重建速度越快越好，所以提高精确性和实时性成为科学技术人员研究的重点。而且病人的情况都会在不同程度上造成病人的痛楚，越早治疗越好，所以对医学三维重建的实时性要求非常紧迫，因此，医学三维重建对精确性和实时性的要求迫在眉睫，有待我们科学技术人员去深入研究这项技术。随着计算机技术的不断发展，应用技术的科研成果不断增加，可视化技术跨出科学计算领域，被应用到更多的领域中，比如医学、模具设计、地质勘探、地理图形、城市设计等，这些实际的应用给各行各业的人带来了很大的方便。那么，将这种可视化技术应用到医学领域，用来处理医学图像，就被称为了医学图像可视化技术。
在目前的医学中，医生对病人病灶的诊断只能是凭多年的行医经验和通过医学影像来综合判定，医学影像主要是CT(计算机层面X射线照相)或者MRI(核磁共振成像)二维图像切片，这些二维图像的切片只能提供二维断层图像信息，只能展示某一侧面的病灶解剖信息，医生只能从二维平面上去观察，不能从三维空间上去观察，而且展示出来的方向也有限，只能凭借不是很直观的二维图像切片信息和多年的经验，估计病人病灶的大小和形状。医生用他的立体思维在头脑里构造病灶和周围器官的三维几何关系，那么在医生头脑里构造出来的这种三维几何关系不一定就是正确的，不能完全正确的展现客观事实，这就对诊断的精确性和治疗的有效性带来了很大的困难。在放射治疗中，由多张二维图像的数据信息进行简单的叠加
1.2 研究现状
1.2.1国外研究现状
自从20 世纪70 年代可视化技术被提出以来，随着社会的不断进步，社会科学也在不断发展，例如近代科学，尤其突出的是电子技术和电子计算机技术的发展，可视化技术不再仅仅应用在科学计算和工程计算领域，同时也被应用在医学上，形成一门新的技术——医学可视化技术。20 世纪80 年代，发达国家提出并开始发展医学可视化技术这一新的研究领域1986 年，可视化人体计划(Visible Human Project，简称VHP)是医学可视化技术发展的伊始，是美国国家医学图书馆(The National Library of Medicine，简称NLM)这个计划将两组男、女CT、MRI 数据集放在互联网上供给全球有需求的用户使用。1991年，在委托科罗拉多大学医院，NLM 又建立了一个区分性别的全部解剖结构的数据库。需用户支付少量的费用给NLM，就可以在世界各地获取并使用这个庞大的数据库中的数据，方便地用于教学和科学研究
第2 章 理论知识基础
2.1 可视化技术
为了解决科学计算问题提出了科学计算可视化的思想，并把这种思想定义为科学计算可视化，简称可视化(Visualization in Computing，缩写VIC)是计算机图形学研究领域中的一个重要课题，是计算机图形学领域新的研究热点。科学计算可视化就是运用计算机图形学领域中的原理和方法或者一般图形学领域中的原理和方法，将实际工程中数据的计算与科学研究中数据的计算等产生的大规模的数据转换成图形图像信息，以更加直观的形式展示出来的过程。科学计算可视化涉及了众多的科学研究领域，它包括计算机图形图像学、计算机视觉科学、计算机辅助设计、图像处理及图像用户界面等。
2.1.1科学计算可视化
1987 年，美国国家科学基金会在美国召开首届“科学计算可视化研讨会”，B.H.McCormick 等人根据此次会议的核心内容撰写了一份总结报告，科学计算可视化就是在这份总结报告中被正式地提出。在会议中提出“将计算机图像和图形技术应用在科学计算领域将会是一个全新的科研领域，科学家们不但需要研究分析由计算机经过计算得出的数据，而且还需要掌握在数据计算过程中数据的具体变化情况，这些工作都可以借助计算机图像和计算机图形处理技术来得到满足”。最终把这个新的研究领域定名为科学计算可视化，“Visualiztion in Scientific computing”,可简称为“Scientific Visualization”。那么，科学计算可视化就是研究把通过测量获得的数值、从卫星传回来的图像数据信息、医学计算机层面X 射线照相(CT)或者核磁共振成像(MRI)转换成三维可视化的直观的数据，有助于人理解的计算方法。也就是说，科学计算可视化就是把计算机图形学相关知识与计算机图像相关处理技术应用于科学计算与工程学科。
2.2 医学三维重建技术
为了使医疗水平更高，治疗更有效，把二维断层图像转换成三维图像是可视化技术目前研究的热点问题之一。从目前来看，医学三维重建技术总的来说可以分为：体绘制、面绘制和混合绘制三类方法。其中体绘制方法中的算法运算量都比较大，相对来说重建的质量比较高，但是在临床应用中，实时处理以及交互操作的效果不好，无法满足实际的需要。而面绘制方法容易理解，且实现起来也比较简单，所以在实际应用中比较流行的三维重建方法中，面绘制方法的应用更为广泛。混合方法就是面绘制和体绘制算法的综合，为了实现不同的功能，满足不同的需要，不断地在两种方法中取得平衡。
第1 章 绪 论.........................................................1
1.1 课题研究意义.........................................................1
1.2 研究现状........................................................................2
1.3 本文的主要研究内容.......................................4
1.4 本文的组织结构.................................................5
第2 章 理论知识基础..........................................6
2.1 可视化技术..................................................6
2.2 医学三维重建技术.......................................7
2.3 传统移动立方体算法................................8
2.4 GPU .................................................................11
2.5 本章小结.............................................13
结 论
科学可视化的发展促进了医学图像可视化的发展，医学图像可视化技术是将计算机技术中三维重建技术有效地应用在医疗领域，能够有效地提高医疗人员工作效率和诊断科学性的有效手段，对国家的民生具有重大意义。到目前为止，医学图像可视化已经被应用到模拟手术、手术中的引导、医学课程中的教学和训练、远程手术和医疗以及机器人外科手术等诸多医疗领域的各个环节中，在很大程度上改善了医疗人员的工作和社会医疗水平。所以，医学图像可视化的研究具有十分重要的意义。随着社会的不断发展，对医学图像的实时性和精确性越来越高，而且图像的数据规模也在不断增加，要在数据规模比较大的情况下，仍然要保证三维重建的实时性和精确性已经成为瓶颈问题。所以本文针对上述实际应用和目前发展的状况的不足，提出了两种改进的算法，一个是将移动立方体算法进行了改进，并转移到GPU上去运行，另一个对三维模型的优化算法。那么本文的主要工作也就是围绕着这两点展开研究。
(1) 将已经经过预处理的一组二维CT 图像的数据，利用第三章提出来的改进的移动立方体算法进行重建。移动立方体算法是可视化算法中比较经典的算法，而且应用最为广泛，对其中等值面与立方体体素棱边的交点不用传统的线性插值方法，而是用三次线性插值来计算，计算简单且将误差降低到棱边长度的0.125 倍以下，改进的算法本身就能够加快速度。但是为了得到更好的实时性，采用图形处理器的高度并行运算能力和高速的浮点运算能力再次进行加速，使得三维模型重建的时间大大加快，能够满足医疗过程中对医学图像三维重建的高实时性的要求。
(2) 对于第三章重建出来的三维模型，是由三角面片拼接而成，这些三角面片的面积大小不一，提出一种用重心作为分裂点的分裂算法，使得三维模型中的三角面片的面积比较均匀，呈现均匀的正态分布的趋势，使得三维立体模型更加细腻。然后利用提出的一种能量函数进行优化，在不改变三维模型原有结构的同时，利用导数的极值原理得到优化后三角面片顶点的新坐标。使重建出来的三维模型更加接近实际物体形状，增强三维重建的精确性。
参考文献
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