基于图像序列的植物维管束的三维绘制技术研究

摘要

植物的维管束犹如人体的血管，负责营养和水分的输送，通过三维重建技术模拟出植物维管束通道，计算出维管束的截面积，从而使用户可以从不同角度观测植物茎的剖切面，这对于推广植物科学知识，普及人们对于植物内部结构的了解等有着重要的现实意义。本文主要研究了几种三维绘制技术，包括基于轮廓的三维绘制、基于体素的面绘制及基于体素的直接体绘制技术。 在论文中，着重探讨并解决了以下问题： 1) 图像的配准问题，提出并实现了基于仿射变换的图像配准方法； 2) 轮廓特征点的提取与保存问题，通过多区域轮廓跟踪法实现了多个轮廓的提取，并利用差分链码表示特征点，把切片图像的所有轮廓数据保存到数据库中，三维绘制则采用相邻轮廓特征点相连，构造三角面片的方法实现； 3) 基于体素的面绘制问题，研究了MC(步进立方体)算法，从三维数据集中抽取等值面，然后进行三维绘制； 4) 基于体素的直接体绘制问题，探讨了光线投射(Raycasting)、溅射(Splatting)、错切-形变(shear-warp)等算法，并借助VTK，用光线投射算法对玉米和黄瓜的序列切片图像实现了直接体绘制。 此外，本文还对多种图像处理算法以及OpenGL、VTK的光源、纹理、深度缓存等作了深入研究，较好地实现了植物茎切片序列图像的三维重建。

目录

文摘

英文文摘

首都师范大学位论文原创性声明及授权使用声明

第一章引言

1.1课题来源和意义

1.1.1本题的来源

1.1.2本题研究的理论意义和实际意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国内已有的研究实例

1.2.2国外已有的研究实例

1.2.3各种理论算法的研究现状

1.3本文的研究内容

1.4实现技术

第二章植物茎切片图像获取及图像处理

2.1显微图像的获取

2.2图像的预处理

2.2.1图像灰度化处理

2.2.2图像的锐化、滤波处理

2.2.3图像的分割

2.3轮廓提取

2.3.1多区域轮廓跟踪

2.3.2单区域轮廓跟踪

2.3.3差分链码表示轮廓

2.3.4实验结果

2.3.5数据库设计

2.4图像配准

2.4.1二维仿射变换

2.4.2利用二维仿射变换实现图像配准

2.4.3实验结果

2.5小结

第三章基于轮廓线的三维绘制

3.1引言

3.2插补模型与特征点匹配

3.2.1插补模型

3.2.2特征点匹配

3.3 OpenGL及特性

3.3.1 OpenGL简介

3.3.2 OpenGL特点及功能

3.4重建用到的数据结构及算法

3.4.1数据结构

3.4.2重建算法主要函数代码

3.5实验结果

3.6 小结

第四章基于体素的面绘制

4.1引言

4.2等值面的抽取

4.2.1体素模型

4.2.2 MC(Marching Cubes)算法

4.3 MT算法

4.4 VTK简介

4.4.1可视化开发工具Visualization Toolkit

4.4.2 VTK三维重建的基本流程

4.5借助VTK实现面绘制

4.5.1读取切片图像构造体数据

4.5.2提取等值面

4.5.3显示结果

4.5.4实验效果图

4.6小结

第五章基于体素的直接体绘制

5.1体绘制技术概述

5.1.1体绘制简介及与面绘制的比较

5.1.2体绘制的分类

5.1.3体绘制的光照模型

5.2常见的体绘制算法

5.3.光线投射算法

5.3.1几个定义

5.3.2光线投射算法的原理

5.4物体空间序的体绘制方法(投影体绘制)

5.5 Ray Casting的改进算法

5.6借助VTK实现体绘制

5.6.1 VTK实现体绘制的流程

5.6.2实验效果图

5.7小结

第六章结论和展望

参考文献

致谢

附录A：软件界面和主要功能介绍