三维数据场重构与显示工程软件设计

1.全书将三维数据场重构与显示技术与Delphi编程技术结合，着重实践性、实用性和源码表现。

2.各章之间的理论分析和程序模块具有一定的相关性和独立性。

3.提供完整源代码、资源及素材。

基于计算机的三维数据场重构与显示工程软件在工业、农业、国防、科学研究和医学等各个方面得到了更加全面的应用，定制设计三维数据场重构与显示软件包就必须对三维数据场重构与显示技术的算法和软件设计方法有一个全面而深入的掌握。

Windows软件平台具有极大的使用广泛性，由于计算机软、硬件技术的发展，在Windows操作系统下进行复杂的三维数据场计算和显示已经成为可能。而Delphi作为面向对象的快速开发的工具，以其高速的开发效率深得程序开发员的热爱，在Delphi开发环境下，软件人员的主要精力放在想达到的目的规划上，而不是具体的烦琐细节上。Delphi具有良好的封装性，各种实用控件十分丰富，它在数字计算、图像处理和数据库开发等方面都具有无可比拟的优越性。用Delphi开发的三维数据可视化软件具有运行效率高、安全可靠、开发快捷和模块可重用性强等诸多优点，国内外基于Delphi开发的三维数据场显示的软件也提供了许多成功的范例。

本书主要介绍三维数据场重构与显示的基础理论和程序实现技术，从工程应用的角度介绍三维数据场重构与显示应用软件设计的基本方法和实用技术。全书分为5章，每章都以一个或多个具体的基于不同技术的三维数据场重构和显示软件包开发的实例来叙述其相关的理论和编程技术。

第1章简要介绍三维数据场重构与显示的应用发展、研究内容和基本技术方法，对三维数据可视化在工业、农业、军事、科学计算、医学和气象等方面的应用进行了介绍，并概要介绍三维数据场重构的基于面绘制、基于直接体绘制、基于硬件环境和由二维轮廓线重构三维外表面等技术。

第2章介绍三维数据场的数据类型与转换技术，该章主要介绍了三维数据记录和表达的格式，重点介绍了DICOM文件格式，还介绍了医学图像的文件格式转换和表达三维数据场的不同数据格式转换的软件设计技术，并介绍了自定义三维面模型格式与AutoCAD三维文件格式的转换的程序设计技术。

第3章介绍基于等值面的三维数据场重构与显示的基本理论和程序设计方法，该章详细介绍了Marching Cubes方法的基本原理和实现技术，比较详细地介绍了 OpenGL的基本技术与方法，针对图像的二维预处理和三维预处理对三维图像的重构效果的影响进行了分析对比，重点讲述了基于等值面的三维重构的各程序模块的设计技术。

第4章介绍基于直接体绘制的三维数据场重构与显示基本理论和程序设计方法，该章重点介绍了光线投射法、抛雪球法和错切－变形法等直接体绘制方法和软件设计技术，并介绍了基于三维纹理的直接体绘制技术。

第5章介绍基于二维轮廓线的三维物体重构和显示的理论和程序设计方法，并介绍基于Delaunay剖分的外表面重构技术，主要介绍了在不同高度的二维轮廓线间外表面产生和显示的技术方法。

本书的各章之间的理论分析和程序模块具有一定的相关性和独立性。从应用角度讲，三维数据场重构与显示中的基于等值面的面绘制技术、基于直接体绘制、基于硬件环境和由二维轮廓线重构三维外表面等各种技术的目的都是希望用快捷合理的方法形象地表达三维数据的拓扑和逻辑关系，这些方法可以独立或综合应用而达到工程软件需达到的应用效果，各种方法的配合和协调才能到达最佳的显示效果。本书在章节安排上考虑了一般教课书的层次性、连贯性、系统性，同时也考虑了每个软件包开发的各种技术的组合性和全面性。各章节中的许多技术是交叉引用的，书中各章既可以独立阅读和实验，也可相互贯通地理解和实践。

全书将三维数据场重构和显示技术与Delphi编程技巧结合起来讲述，着重于实践性、实用性和源码表现。本书以讲解实例设计的方式介绍三维数据场重构与显示的理论和相关的程序设计技巧，注重理论、突出实用，提倡在程序的字里行间的理解的基础上去理解三维数据场重构与显示的理论和概念。人的眼睛和大脑对三维物体的真切性感知是最后的判别标准，而三维物体实际的显示效果就是对算法、源码先进性理论理解的最后标尺。程序的实现是理论学习的目的，更是理论正误验证的唯一准则，只有在程序实现和调试的基础上，才能验证新旧算法、技术和方法的效率并产生新的具生产力的源码。

本书可作为大学生、研究生和工程软件人员在三维数据场重构与显示的算法实现技术的掌握及相关应用课程的参考教材，书中的例子全部通过Delphi 7验证实现，书中程例主要涉及三维医学图像显示与手术模拟、无损三维测量、快速逆向加工、科学数据可视化等工程应用。随书所附光盘提供书中所介绍的所有三维数据场重构与显示方面的软件包的完整源程序及编程和运行所需资源、素材和控件。这些软件包及其中的源程序段可不加修改和稍加修改而直接应用于非商业开发的三维数据场重构与显示软件技术研究和相关工程软件包的研究和设计中。

由于作者的水平有限和研究总结的时间限制，加之三维数据场可视化技术仍在不断发展过程中，书中介绍的三维数据场可视化的相关技术、软件包及源程序还有许多功能需要进一步完善和改进，如有错误和可商讨的地方，敬请读者提出宝贵意见和建议。作者通信地址：江西南昌华东交通大学。E-mail：jxg_2@tom.com。

作 者

2009年7月

前言

第1章 绪论 1
1.1 三维空间数据场可视化概述 1
1.2 三维数据场重建的发展与应用 2
1.3 三维数据可视化系统的开发步骤与
技术方法 8
1.3.1 三维数据可视化系统的开发步骤 8
1.3.2 三维数据场可视化的主要技术方法 10
第2章　三维数据场的数据类型与转换 18
2.1　三维空间数据场的数据类型与表达 18
2.1.1 三维数据场的数据类型 18
2.1.2 三维空间数据场的通常表达方式 19
2.2 医学图像格式格式介绍 21
2.2.1 医学图像格式DICOM基本介绍 21
2.2.2 DICOM标准中涉及的基本概念
和定义 22
2.2.3 DICOM标准的组成 23
2.2.4 DICOM在医学图像信息系统中
的应用 24
2.2.5 DICOM 图像文件结构 24
2.3 三维空间数据场的数据转换 27
2.3.1 各种三维数据转换接口技术及应用 27
2.3.2 三维数据模型转换功能模块的设计 27
2.3.3 医学图像格式转换 42
第3章 基于等值面的三维空间数据场重构
与显示 47
3.1 基于等值面的三维空间数据场重构技术 47
3.1.1 Marching Cubes算法的基本概念 47
3.1.2 Marching Cubes算法介绍 48
3.1.3 Marching Cubes算法的程序实现 51
3.1.4 其他基于面的三维重构算法介绍 53
3.2 基于面表达的基本三维重构基本软件
包设计 54
3.2.1 医学器官三维重构软件包系统的
基本技术要求 54
3.2.2 医学器官三维重构软件包系统的
基本软件系统的构成 55
3.2.3 基于Marching Cubes的等值面产
生的程序实现技术 57
3.2.4 三维重构算法的程序流程 64
3.2.5 Marching Cubes算法中三角形片
构成的效率比较与分析 65
3.2.6 三维重构软件系统各功能模块
的设计 66
3.2.7 三维重构系统各功能模块的协调 81
3.3　图像预处理对三维重构效果的作用 82
3.4 OpenGL在三维数据场显示中的应用 83
3.4.1 OpenGL基本技术简介 83
3.4.2 图形变换基础 86
3.5 OpenGL的程序应用技术 90
3.5.1 OpenGL应用功能 91
3.5.2 Delphi下的OpenGL绘制过程 92
3.5.3 Delphi下的OpenGL编程 93
3.6 基于面表达的复杂三维重构软件包
的设计 108
3.6.1 基于面表达的复杂三维重构软
件包的功能要求 108
3.6.2 基于面表达的复杂三维重构软
件包的功能实现技术 109
第4章 基于直接体绘制的三维空间数据
场的显示 188
4.1 直接体绘制技术简介 188
4.2 体绘制中的光学模型 190
4.2.1 光吸收模型 190
4.2.2 光线发射模型 190
4.2.3 光线吸收与发射模型 190
4.3 体绘制方程 191
4.3.1 体绘制方程一般公式 191
4.3.2 体绘制近似合成公式 192
4.4 图像空间扫描的体绘制技术 193
4.4.1 光线投射算法的基本原理 193
4.4.2 光线投射算法的实现技术 195
4.5 物体空间扫描的体绘制技术 201
4.5.1 抛雪球法 201
4.5.2 错切—变形法（Shear-Warp） 203
4.6 基于直接体绘制的基本三维重构软
件的设计 218
4.6.1 基于直接体绘制的基本三维重
构软件包的框架设计 218
4.6.2 基于直接体绘制系统的主要功
能模块设计 220
4.6.3 传递函数的设计 231
4.7 由三维纹理映射硬件支持的直接体
绘制 238
4.7.1 三维纹理映射及其硬件实现的
基本原理 238
4.7.2 基于三维纹理映射硬件支持三
维显示软件的设计 239
4.8 基于GPU的三维绘制技术 258
4.9 各种体绘制算法的实验与比较 260
第5章 基于二维轮廓线的三维重构与显示 262
5.1 由二维轮廓线重构三维形体的基本
原理 262
5.2 单轮廓线之间的三维形体重构的
基本方法 264
5.2.1 最短对角线法 264
5.2.2 最大体积法 265
5.2.3 相邻轮廓线同步前进法 265
5.2.4 基于Delaunay剖分的外表面重构 266
5.3 图像的滤波和边缘轮廓求取与应用 274
5.3.1 图像的滤波处理 274
5.3.2 图像的阈值分割 277
5.3.3 图像的边缘检测 282
5.3.4 图像的边界提取 287
5.3.5 提取轮廓线上的网格点 290
5.3.6 由二维轮廓线的点构成三维曲面 296
5.3.7 显示二维轮廓线组成的三维曲面
的技术 305
5.3.8 基于轮廓线的三维表面重构实验
与结果分析 307
5.4 由二线轮廓线重构三维形体显示软件
的设计 307
参考文献 312