三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示工程軟件設(shè)計

1.全書將三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示技術(shù)與Delphi編程技術(shù)結(jié)合，著重實(shí)踐性、實(shí)用性和源碼表現(xiàn)。

2.各章之間的理論分析和程序模塊具有一定的相關(guān)性和獨(dú)立性。

3.提供完整源代碼、資源及素材。

基于計算機(jī)的三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示工程軟件在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)等各個方面得到了更加全面的應(yīng)用，定制設(shè)計三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示軟件包就必須對三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示技術(shù)的算法和軟件設(shè)計方法有一個全面而深入的掌握。

Windows軟件平臺具有極大的使用廣泛性，由于計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，在Windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行復(fù)雜的三維數(shù)據(jù)場計算和顯示已經(jīng)成為可能。而Delphi作為面向?qū)ο蟮目焖匍_發(fā)的工具，以其高速的開發(fā)效率深得程序開發(fā)員的熱愛，在Delphi開發(fā)環(huán)境下，軟件人員的主要精力放在想達(dá)到的目的規(guī)劃上，而不是具體的煩瑣細(xì)節(jié)上。Delphi具有良好的封裝性，各種實(shí)用控件十分豐富，它在數(shù)字計算、圖像處理和數(shù)據(jù)庫開發(fā)等方面都具有無可比擬的優(yōu)越性。用Delphi開發(fā)的三維數(shù)據(jù)可視化軟件具有運(yùn)行效率高、安全可靠、開發(fā)快捷和模塊可重用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外基于Delphi開發(fā)的三維數(shù)據(jù)場顯示的軟件也提供了許多成功的范例。

本書主要介紹三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示的基礎(chǔ)理論和程序?qū)崿F(xiàn)技術(shù)，從工程應(yīng)用的角度介紹三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示應(yīng)用軟件設(shè)計的基本方法和實(shí)用技術(shù)。全書分為5章，每章都以一個或多個具體的基于不同技術(shù)的三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)和顯示軟件包開發(fā)的實(shí)例來敘述其相關(guān)的理論和編程技術(shù)。

第1章簡要介紹三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示的應(yīng)用發(fā)展、研究內(nèi)容和基本技術(shù)方法，對三維數(shù)據(jù)可視化在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)計算、醫(yī)學(xué)和氣象等方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并概要介紹三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)的基于面繪制、基于直接體繪制、基于硬件環(huán)境和由二維輪廓線重構(gòu)三維外表面等技術(shù)。

第2章介紹三維數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)類型與轉(zhuǎn)換技術(shù)，該章主要介紹了三維數(shù)據(jù)記錄和表達(dá)的格式，重點(diǎn)介紹了DICOM文件格式，還介紹了醫(yī)學(xué)圖像的文件格式轉(zhuǎn)換和表達(dá)三維數(shù)據(jù)場的不同數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的軟件設(shè)計技術(shù)，并介紹了自定義三維面模型格式與AutoCAD三維文件格式的轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計技術(shù)。

第3章介紹基于等值面的三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示的基本理論和程序設(shè)計方法，該章詳細(xì)介紹了Marching Cubes方法的基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，比較詳細(xì)地介紹了 OpenGL的基本技術(shù)與方法，針對圖像的二維預(yù)處理和三維預(yù)處理對三維圖像的重構(gòu)效果的影響進(jìn)行了分析對比，重點(diǎn)講述了基于等值面的三維重構(gòu)的各程序模塊的設(shè)計技術(shù)。

第4章介紹基于直接體繪制的三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示基本理論和程序設(shè)計方法，該章重點(diǎn)介紹了光線投射法、拋雪球法和錯切－變形法等直接體繪制方法和軟件設(shè)計技術(shù)，并介紹了基于三維紋理的直接體繪制技術(shù)。

第5章介紹基于二維輪廓線的三維物體重構(gòu)和顯示的理論和程序設(shè)計方法，并介紹基于Delaunay剖分的外表面重構(gòu)技術(shù)，主要介紹了在不同高度的二維輪廓線間外表面產(chǎn)生和顯示的技術(shù)方法。

本書的各章之間的理論分析和程序模塊具有一定的相關(guān)性和獨(dú)立性。從應(yīng)用角度講，三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示中的基于等值面的面繪制技術(shù)、基于直接體繪制、基于硬件環(huán)境和由二維輪廓線重構(gòu)三維外表面等各種技術(shù)的目的都是希望用快捷合理的方法形象地表達(dá)三維數(shù)據(jù)的拓?fù)浜瓦壿嬯P(guān)系，這些方法可以獨(dú)立或綜合應(yīng)用而達(dá)到工程軟件需達(dá)到的應(yīng)用效果，各種方法的配合和協(xié)調(diào)才能到達(dá)最佳的顯示效果。本書在章節(jié)安排上考慮了一般教課書的層次性、連貫性、系統(tǒng)性，同時也考慮了每個軟件包開發(fā)的各種技術(shù)的組合性和全面性。各章節(jié)中的許多技術(shù)是交叉引用的，書中各章既可以獨(dú)立閱讀和實(shí)驗(yàn)，也可相互貫通地理解和實(shí)踐。

全書將三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)和顯示技術(shù)與Delphi編程技巧結(jié)合起來講述，著重于實(shí)踐性、實(shí)用性和源碼表現(xiàn)。本書以講解實(shí)例設(shè)計的方式介紹三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示的理論和相關(guān)的程序設(shè)計技巧，注重理論、突出實(shí)用，提倡在程序的字里行間的理解的基礎(chǔ)上去理解三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示的理論和概念。人的眼睛和大腦對三維物體的真切性感知是最后的判別標(biāo)準(zhǔn)，而三維物體實(shí)際的顯示效果就是對算法、源碼先進(jìn)性理論理解的最后標(biāo)尺。程序的實(shí)現(xiàn)是理論學(xué)習(xí)的目的，更是理論正誤驗(yàn)證的唯一準(zhǔn)則，只有在程序?qū)崿F(xiàn)和調(diào)試的基礎(chǔ)上，才能驗(yàn)證新舊算法、技術(shù)和方法的效率并產(chǎn)生新的具生產(chǎn)力的源碼。

本書可作為大學(xué)生、研究生和工程軟件人員在三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示的算法實(shí)現(xiàn)技術(shù)的掌握及相關(guān)應(yīng)用課程的參考教材，書中的例子全部通過Delphi 7驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，書中程例主要涉及三維醫(yī)學(xué)圖像顯示與手術(shù)模擬、無損三維測量、快速逆向加工、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化等工程應(yīng)用。隨書所附光盤提供書中所介紹的所有三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示方面的軟件包的完整源程序及編程和運(yùn)行所需資源、素材和控件。這些軟件包及其中的源程序段可不加修改和稍加修改而直接應(yīng)用于非商業(yè)開發(fā)的三維數(shù)據(jù)場重構(gòu)與顯示軟件技術(shù)研究和相關(guān)工程軟件包的研究和設(shè)計中。

由于作者的水平有限和研究總結(jié)的時間限制，加之三維數(shù)據(jù)場可視化技術(shù)仍在不斷發(fā)展過程中，書中介紹的三維數(shù)據(jù)場可視化的相關(guān)技術(shù)、軟件包及源程序還有許多功能需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)，如有錯誤和可商討的地方，敬請讀者提出寶貴意見和建議。作者通信地址：江西南昌華東交通大學(xué)。E-mail：jxg_2@tom.com。

作 者

2009年7月

前言

第1章 緒論 1
1.1 三維空間數(shù)據(jù)場可視化概述 1
1.2 三維數(shù)據(jù)場重建的發(fā)展與應(yīng)用 2
1.3 三維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的開發(fā)步驟與
技術(shù)方法 8
1.3.1 三維數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的開發(fā)步驟 8
1.3.2 三維數(shù)據(jù)場可視化的主要技術(shù)方法 10
第2章　三維數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)類型與轉(zhuǎn)換 18
2.1　三維空間數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)類型與表達(dá) 18
2.1.1 三維數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)類型 18
2.1.2 三維空間數(shù)據(jù)場的通常表達(dá)方式 19
2.2 醫(yī)學(xué)圖像格式格式介紹 21
2.2.1 醫(yī)學(xué)圖像格式DICOM基本介紹 21
2.2.2 DICOM標(biāo)準(zhǔn)中涉及的基本概念
和定義 22
2.2.3 DICOM標(biāo)準(zhǔn)的組成 23
2.2.4 DICOM在醫(yī)學(xué)圖像信息系統(tǒng)中
的應(yīng)用 24
2.2.5 DICOM 圖像文件結(jié)構(gòu) 24
2.3 三維空間數(shù)據(jù)場的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 27
2.3.1 各種三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口技術(shù)及應(yīng)用 27
2.3.2 三維數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換功能模塊的設(shè)計 27
2.3.3 醫(yī)學(xué)圖像格式轉(zhuǎn)換 42
第3章 基于等值面的三維空間數(shù)據(jù)場重構(gòu)
與顯示 47
3.1 基于等值面的三維空間數(shù)據(jù)場重構(gòu)技術(shù) 47
3.1.1 Marching Cubes算法的基本概念 47
3.1.2 Marching Cubes算法介紹 48
3.1.3 Marching Cubes算法的程序?qū)崿F(xiàn) 51
3.1.4 其他基于面的三維重構(gòu)算法介紹 53
3.2 基于面表達(dá)的基本三維重構(gòu)基本軟件
包設(shè)計 54
3.2.1 醫(yī)學(xué)器官三維重構(gòu)軟件包系統(tǒng)的
基本技術(shù)要求 54
3.2.2 醫(yī)學(xué)器官三維重構(gòu)軟件包系統(tǒng)的
基本軟件系統(tǒng)的構(gòu)成 55
3.2.3 基于Marching Cubes的等值面產(chǎn)
生的程序?qū)崿F(xiàn)技術(shù) 57
3.2.4 三維重構(gòu)算法的程序流程 64
3.2.5 Marching Cubes算法中三角形片
構(gòu)成的效率比較與分析 65
3.2.6 三維重構(gòu)軟件系統(tǒng)各功能模塊
的設(shè)計 66
3.2.7 三維重構(gòu)系統(tǒng)各功能模塊的協(xié)調(diào) 81
3.3　圖像預(yù)處理對三維重構(gòu)效果的作用 82
3.4 OpenGL在三維數(shù)據(jù)場顯示中的應(yīng)用 83
3.4.1 OpenGL基本技術(shù)簡介 83
3.4.2 圖形變換基礎(chǔ) 86
3.5 OpenGL的程序應(yīng)用技術(shù) 90
3.5.1 OpenGL應(yīng)用功能 91
3.5.2 Delphi下的OpenGL繪制過程 92
3.5.3 Delphi下的OpenGL編程 93
3.6 基于面表達(dá)的復(fù)雜三維重構(gòu)軟件包
的設(shè)計 108
3.6.1 基于面表達(dá)的復(fù)雜三維重構(gòu)軟
件包的功能要求 108
3.6.2 基于面表達(dá)的復(fù)雜三維重構(gòu)軟
件包的功能實(shí)現(xiàn)技術(shù) 109
第4章 基于直接體繪制的三維空間數(shù)據(jù)
場的顯示 188
4.1 直接體繪制技術(shù)簡介 188
4.2 體繪制中的光學(xué)模型 190
4.2.1 光吸收模型 190
4.2.2 光線發(fā)射模型 190
4.2.3 光線吸收與發(fā)射模型 190
4.3 體繪制方程 191
4.3.1 體繪制方程一般公式 191
4.3.2 體繪制近似合成公式 192
4.4 圖像空間掃描的體繪制技術(shù) 193
4.4.1 光線投射算法的基本原理 193
4.4.2 光線投射算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 195
4.5 物體空間掃描的體繪制技術(shù) 201
4.5.1 拋雪球法 201
4.5.2 錯切—變形法（Shear-Warp） 203
4.6 基于直接體繪制的基本三維重構(gòu)軟
件的設(shè)計 218
4.6.1 基于直接體繪制的基本三維重
構(gòu)軟件包的框架設(shè)計 218
4.6.2 基于直接體繪制系統(tǒng)的主要功
能模塊設(shè)計 220
4.6.3 傳遞函數(shù)的設(shè)計 231
4.7 由三維紋理映射硬件支持的直接體
繪制 238
4.7.1 三維紋理映射及其硬件實(shí)現(xiàn)的
基本原理 238
4.7.2 基于三維紋理映射硬件支持三
維顯示軟件的設(shè)計 239
4.8 基于GPU的三維繪制技術(shù) 258
4.9 各種體繪制算法的實(shí)驗(yàn)與比較 260
第5章 基于二維輪廓線的三維重構(gòu)與顯示 262
5.1 由二維輪廓線重構(gòu)三維形體的基本
原理 262
5.2 單輪廓線之間的三維形體重構(gòu)的
基本方法 264
5.2.1 最短對角線法 264
5.2.2 最大體積法 265
5.2.3 相鄰輪廓線同步前進(jìn)法 265
5.2.4 基于Delaunay剖分的外表面重構(gòu) 266
5.3 圖像的濾波和邊緣輪廓求取與應(yīng)用 274
5.3.1 圖像的濾波處理 274
5.3.2 圖像的閾值分割 277
5.3.3 圖像的邊緣檢測 282
5.3.4 圖像的邊界提取 287
5.3.5 提取輪廓線上的網(wǎng)格點(diǎn) 290
5.3.6 由二維輪廓線的點(diǎn)構(gòu)成三維曲面 296
5.3.7 顯示二維輪廓線組成的三維曲面
的技術(shù) 305
5.3.8 基于輪廓線的三維表面重構(gòu)實(shí)驗(yàn)
與結(jié)果分析 307
5.4 由二線輪廓線重構(gòu)三維形體顯示軟件
的設(shè)計 307
參考文獻(xiàn) 312