体绘制是探索和分析三维图像的主要可视化技术。在该技术中,首先设计合适的传递函数对三维图像所包含的内容进行分类,并相应地对不同类型体素赋予不同的颜色、阻光度等光学特性;其次,基于光线投射或其它二维投影技术把三维图像的内容投影到计算机屏幕进行二维的直观显示。人们通过观察投影图像来理解三维图像的内容。传递函数设计是体绘制的关键环节,决定着三维图像的内容是否能得到正确的分类与可视化。因此,在过去的十多年中传递函数设计一直是体可视化领域的研究热点。但是,由于三维图像的种类繁多,内容复杂且多样化,这使得传递函数设计问题变得非常复杂。特别,Pat Hanrahan在1992年的体可视化研讨会上把传递函数设计列为体可视化领域十大困难问题之一。目前已有多种类型的传递函数被设计,但是它们存在分类能力弱或交互操作过于复杂等缺陷。本文针对传递函数设计中的诸多重要问题进行了深入的研究,包括如何改进低维传递函数的分类能力?如何对复杂的腹部平扫CT图像中的不同器官进行分类?如何修正由传递函数设计不合适所导致的体绘制结果的缺陷?本文也将改进的传递函数设计应用于临床医学影像的可视化,很好地改进了肺癌切除手术和心血管疾病的影像诊疗的效果。本文的主要贡献及创新点由以下几部分组成:1.本文首先提出一种低维传递函数空间中属性相似结构的分离方法,解决低维传递函数分类能力差和高维传递函数设计过于复杂等问题。具有相似属性的不同结构在低维传递函数空间具有重叠的分布区域,体绘制时这些结构和非感兴趣曲面片以及碎片结构会同时体绘制出来,即低维传递函数面对这个问题具有有限的分类能力。根据属性相似结构之间的空域拓扑关系,本文把边缘重叠类型分为三类:?1—属性相似的不同结构在空间上远离;?2—属性相似的不同结构在空间上紧密相邻;?3—属性相似的不同结构在空间上紧密接触。针对每种类型分别提出不同的解决方法,这样就把复杂的分类问题分解为简单的几个分类问题。针对?1类型的结构边缘主要通过空域连通性计算直接分离;针对?2类型的结构边缘主要通过边缘体素的集合运算进行分离;针对?3类型的结构边缘本文提出低维传递函数组合的分离方法。针对以上分离技术,本文把连通性、空域拓扑关系和集合运算加入传递函数设计中构造一个分层分类框架。实验结果证明本文方法显著提高了低维传递函数的分类能力,同时避开了高维传递函数设计的复杂性。2.其次提出基于先验知识引导的传递函数设计,提升复杂体数据中传递函数的分类能力。由于腹部平扫CT图像本身固有的复杂性:器官位置和形状具有个体差异性以及器官之间灰度梯度属性差异小,基于传递函数空间划分的方法很难正确分类腹部平扫CT图像中的感兴趣器官。为了克服这些困难,本文首先利用多图谱所包含的先验知识引导生成特定器官的两种概率图。第一种是特定器官在CT图像中的空间分布概率图:通过多图谱与目标CT图像配准生成特定器官的多个分割结构,然后融合每个分割结果估计此器官在CT图像中的空间分布。第二种是特定器官在CT图像中的属性分布概率图:利用多图谱标记图像统计特定器官的灰度-梯度属性分布,然后根据这个分布估计此器官在CT图像中的分布位置。其次,融合特定器官的空间分布概率和属性分布概率图生成此器官在CT图像中的显著图。同理依据上述步骤可以计算每个器官的显著图。为进一步提升特定器官的体绘制质量,再次把模糊连通性引入到框架中,对特定器官的显著图进行模糊连通性计算生成每个器官的模糊亲和图。最后,通过加权融合每个器官对应的亲和图对CT图像中的每个体素赋予不同的颜色和阻光度。实验结果证明基于多图谱引导的传递函数设计方法能够正确分类和显示腹部器官。3.再次提出一种基于平均曲率流运动的体绘制边缘修复方法,解决由传递函数设计不合适引起的体绘制边缘缺陷等问题。体绘制中传递函数设计不合适则会引起部分结构体素丢失,体绘制时会形成具有洞的粗糙边缘。实际上,丢失的边缘体素可以通过已知的边缘体素进行修复,这里已知边缘体素是指体绘制时被赋予高阻光度值的体素集。这样体绘制时的边缘缺陷修复问题就转换为已知边缘在3D图像中的约束扩散问题。本文通过改进的Allen-Cahn方程修复边缘缺陷,即根据已知边缘的平均曲率流运动速度决定是否对当前体素进行修复。修复过程中,如果平均曲率比较高边界移动速度就会比较快;相反,如果平均曲率比较低边界移动速度就会比较慢。根据这个思想,移动较慢的界面将被拉回到原界面,移动较快的界面（粗糙和有洞的地方）就会被周围相近的体素进行填补。实验结果证明本文提出的方法能够解决边缘缺陷修复问题并提高体绘制图像的质量。4.最后本文提出的传递函数设计及体绘制方法应用到医学临床影像中。在肺癌切除手术中,为临床医生提供直观的肺、肺结节和肺间裂之间的空域位置关系,解决肺段切除术中肺结节定位不准而引起的误切问题。在心血管疾病诊疗中,为临床医生提供单独可视化的动脉和心脏,解决支架介入手术中血管支架与血管结构不吻合引起的脱落问题。针对临床可视化中的这些问题,本章开发一套计算机辅助诊疗平台。目前,本平台已经分别在上海市第九人民医院和上海市胸科医院进行了临床测试和应用。