1、 本 科 毕 业 论 文 基于 VTK 的移动立方体算法研究 Study on Algorithm of Marching Cubes Based on VTK 姓 名： 学 号： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工程 年 级： 校内指导教师： 年 月I 摘 要 科学可视化（ 英文 ： Scientific visualization或 scientific visualisation）是科学之中的一个 跨学科 研究与应用领域，主要关注的是 三维 现象的 可视化 ，如 建筑学 、气象学 、 医学 或 生物学 方面的各种系统。 其中，医学图像的可视化已成为基础医学研究和临床辅助诊断、
2、治疗的重要手段。 Visualization Toolkit 是一个面向对象的可视化类库。它为从事可视化应用程序开发的广大科研工作者提供直接的技术支持。 VTK 具有及其强大的功能。 本文主要介绍了基于 VTK的面绘制常用的一种算法移动立方体算法的原理和实现过程。 本文介绍了二维图片情况下运用 Marching Squares实现图像绘制的原理。再将原理延伸至三维情况，推导出实现 Marching Cubes方法的算法原理。并对 原来算法中会产生不相容的地方进行了尝试性的改进。 软件实现是通过用人体头部的 CT切片数据集进行的，同时优化了显示效果， 讨论了实现效果的优劣。 结果证明移动立方体算
3、法使用灵活，具有重建步骤简单、速度快、交互能力强等优点，可以被广泛应用于医学图像的三维重建中。 关键词： VTK； 科学 可视化； 移动立方体 II Abstract Scientific visualization is an interdisciplinary science among the research and application fields, the main concern is the visualization of three-dimensional phenomena, such as architecture, meteorology, medicine or
4、 biology various systems. Among them, the visualization of medical images has become a basic medical research and clinical diagnosis and treatment of important means. Visualization Toolkit is an object-oriented visualization library. It is engaged in the visualization of large scientific application
5、 development workers to provide direct technical support. VTK has its powerful features. In this paper, the surface rendering based on VTK commonly used Marching Cube Algorithm principle and process. This article describes the case of two-dimensional image using Marching Squares principle of image r
6、endering. Then extended to the principle of three-dimensional case, Marching Cubes method is derived to achieve the algorithm principle. And the original algorithm will produce incompatible places a tentative improvement. Software through the use of human head CT slice data sets, and while optimizin
7、g the display, Discussed the advantages and disadvantages to achieve results. Marching Cube proved flexible in use, with the renewal process is simple, fast, interactive capacity, etc, can be widely used in three-dimensional medical image reconstruction. Key words: VTK; Scientific Visualization; Mar
8、ching Cubes III 目 录 摘 要 . I Abstract . II Content . V 第一章 绪论 . 1 1.1 科学可视化简介 . 1 1.2 科学可视化内容 . 2 1.2.1 科学可视化主题 . 2 1.3 VTK 与 ITK . 5 1.3.1 VTK . 5 1.3.2 ITK . 6 1.3.3 VTK 与 ITK 的局限性 . 6 1.4 本文主要内容 . 8 第二章 算法原理和数据介绍 . 9 2.1 Visualization Toolkit 的机制 . 9 2.2 Marching Cubes 算法工作原理 . 12 2.2.1 Marching S
9、quares 算法的主要步骤 . 12 2.2.2 Marching Cubes 算法的主要步骤 . 13 2.2.3 MC 算法流程小结 . 17 2.3 数据介绍 . 18 2.3.1 头部断层 CT 扫描数据 . 18 第三章 VTK 可视化实例和环境配置 . 21 3.1 可视化实例 . 21 3.1.1 可视化数据 . 21 3.1.2 实现过程 . 21 3.2 Cmake 简介与系统环境配置 . 27 3.2.1 简介 . 27 3.2.2 Cmake 配置 . 27 3.2.3 VC 配置 . 28 第四章 总结与展望 . 31 4.1 论文总结 . 31 IV 参考文献 .
10、32 致 谢 . 34 V Content Chart 1 Preface . 1 1.1 Introduction of Scientific Visualization.1 1.2 Content of Scientific Visualization .2 1.2.1 Themes of Scientific Visualization.2 1.3 VTK & ITK.5 1.3.1 VTK.5 1.3.2 ITK.6 1.3.3 Limitation of VTK & ITK.6 1.4 Main Contents about this Paper.8 Chart 2 Algorith
11、m theory and data description . 9 2.1 Mechanism of VTK .9 2.2 Theory about Marching Cubes .12 2.2.1 Major steps of Marching Squares.12 2.2.2 Major steps of Marching Cubes.13 2.2.3 Process Summary of Marching Cubes.17 2.3 Data description .18 2.3.1 head CT scan data . 18 Chart 3 VTK Visual examples a
12、nd software module division . 21 3.1 Visual examples .21 3.1.1 Visualization Data.21 3.1.2 Implementation process. .21 3.2 Introduction of Cmake & System Environment Configuration .27 3.2.1 Introduction .27 3.2.2 Configuration of Cmake.27 3.2.3 Configuration of VC.28 Chart 4 Summary and future works
13、 . 31 4.1 Summary of this paper .31 References . 32 Acknowledgements . 34 VI 排版需要，放置空白。基于 VTK 的移动立方体算法研究 1 第一章 绪论 1.1 科学可视化简介 科学可视化 (英文 ： Scientific visualization 或 scientific visualisation)是科学之中的一个 跨学科 研究与应用领域，主要关注的是 三维 现象的 可视化 ，如 建筑学 、气象学 、 医学 或 生物学 方面的各种系统。重点在于对体、面以及光源等等的逼真渲染 ，或许甚至还包括某种动态 (时间 )成分
14、。 科学可视化侧重于利用 计算机图形学 来创建 视觉 图像 ，从而帮助人们理解那些采取错综复杂而又往往规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果。 美国 计算机科学家 布鲁斯麦考梅克 在其 1987 年关于科学可视化的定义之中，首次阐述了科学可视化的目标和范围：“利用 计算机图形学 来创建视觉图像，帮助人们理解科学技术 概念 或结果的那些错综复杂而又往往 规模庞大的数字表现形式” 。 此类数字型表现形式或 数据集 可能会是 液体流型 (fluid flow)或 分子动 力学(molecular dynamics)之类 计算机模拟 的输出，或者经验数据 (如利用 地理学 、 气象学 或 天体物理学
15、设备所获得的记录 ) 。就医学数据 (CT、 MRI、 PET 等 )，常常听说的一条 术语 就是“ 医学可视化 (medical visualization)”。 科学可视化本身并不是最终目的，而是许多科学技术工作的一个构成要素。这些工作之中通常会包括对于科学 技术 数据 和 模型 的解释、操作与处理。科学工作者对数据加以可视化，旨在寻找其中的种种模式、特点、关系以及异常情况；换句话说，也就是为了帮助理解。因此，应当把可视化看作是任务驱动型，而不是数据驱动型。 基于 VTK 的移动立方体算法研究 2 1.2 科学可视化内容 1.2.1 科学可视化主题 (1) 计算机动画 计算机动画 是利用计
16、算机创建动态 图像 的艺术、方法、技术和科学。如今，计算机动画的创建工作越来越多地采用 三维计算机图形学 手段，尽管 二维计算机图形学 当前依然广泛应用于体裁化、低 带宽 以及更快实时 渲染 的需求。有时，动 画的目标载体就是计算机本身，而有时其目标则是别的 介质 (medium)，如 电影胶片 (film)。另外，计算机动画有时又称为 电脑成像技术或计算机生成图像 ；在用于电影胶片的时候，甚至还会被称为电脑特效。 (2) 计算机模拟 计算机模拟 ，又称为计算机仿真，是指计算机程序或计算机网络试图对于特定系统 模型 的模拟。对于许许多多系统的 数学建模 来说，计算机模拟都已经成为有效实用的组成
17、部分。比如，这些系统包括 物理学 、 计算物理学 、 化学 以及 生物学 领域的天然系统； 经济学 、 心理学 以及 社会科学 领域的人类系统。在工程设计过程以及新技术当中，计算机模拟旨在深入认识和理解这些系统的运行情况或者观察它们的行为表现。对某一系统同时进行 可视化 与模拟的过程，称为 视觉化(visulation)(注意： 视觉化 不同于 可视化 )。 根据规模的不同，计算机模拟所需的时间也各不相同，包括从只需运行几分钟的计算机程序，到需要运行数小时的基于网络的计算机群，直至需要持续不断运行数日之久的大型模拟。计算机模拟所模拟事件的规模已经远远超出了传统铅笔纸张式数学建模所能企及的任何可
18、能 (甚至是任何可以想像的事情 )：十多年前，关于一支军队进攻另一军队的沙漠战役模拟，采用了 美国国防部 高性能计算机 现代化计划 (High Performance Computer Modernization Program)的多台 超级计算机 。其中，在其模拟的科威特周围地区范围内，所建模的坦克、卡车以及其他的交通工具就多达 66,239 辆。 (3) 信息可视化 信息可视化 的研究对象是大 规模非数字型信息的 视觉 表达 (representation)问题。此类信息如软件系统之中众多的文件或者代码行、图书馆与文献书目数据库以及 国际互联网 上的关系网络等等。 基于 VTK 的移动立方
19、体算法研究 3 信息可视化集中关注的是建立以直观的方式传达 抽象 信息的手段和方法。可视化的表达形式与交互技术则是利用人类眼睛通往心灵深处的广阔带宽优势，使得用户能够目睹、探索以至立即理解大量的信息。 (4) 界面技术与感知 界 面技术 与感知所要揭示的就是，新的 界面 以及对于基本 感知 (perception)问题的深入理解，将会如何为科学可视化领域创造新的机遇。 (5) 表面与立体渲染 在计算机图形学当中， 渲染 是指利用 计算机程序 ，依据 模型 生成 图像 的过程。其中，模型是采用严格定义的语言或 数据结构 而对于三维对象的一种描述；这种模型之中一般都会含有 几何学 、 视角 、 纹
20、理 、 照明 以及 阴影 (shading)方面的信息；渲染所产生的图像则是一种 数字图像 或位图 (又称光栅图 )。“渲染”一词可能是对艺术家渲染画面场景的一种 类比 。另外，渲染还用于描述为了生成最终的视频输出而在视频编辑文件之中计算效果的过程。 表面渲染 (surface rendering)，又称为表面绘制。 立体渲染 ，又称为体 渲染、体绘制或者立体绘制，指的是一种用于展现三维离散 采样 (sampling)数据集 之 二维投影 (2D projection)的技术方法。典型的三维数据集就是利用 CT、 MRI 或 PET 技术所采集和重建出来的一组二维切片图像。通常情况下，这些图像
21、都是按照某种规则的模式 (比如，每毫秒一层 )而采集和重建的；因而，在同样的规则模式下，这些图像分别都具有相同的 像素 数量。这些是一类关于规则立体网格的例子；其中，每个立体元素或者说 体素 分别采 用单独一个取值来表示，而这种取值是通过在相应体素周围毗邻区域采样而获得的。重要的渲染技术方法包括： (1) 扫描线渲染与 栅格化 图像的高级表达形式之中必然含有不同于 像素 方面的一些要素。这些要素被称为 基元 (primitives，又称为图元或者原语 )。例如，就 示意图 (schematic drawing)的绘制而言，线段和曲线可能就属于是其中的基元。在 图形 用户界面 之中，基元则可能是窗口和按钮。在 三维渲染 当中，基元则可能是位于 三维空间 之中的三角形和多边形。 (2) 光线投射 光线投 射 (ray casting)主要用于实时模拟，如三维 计算机游戏 和卡通动画之中
