激光共焦扫描显微镜中一种新的三维重构算法

引　言

激光共焦扫描光学显微镜(LCSM)是近10年来才迅速发展起来的一种高精度显微成像技术,它是以光学为基础,融机械、电子、计算机为一体的高精度现代化显微测试仪器。其基本原理是:由激光源发出的激光经显微光学系统聚焦到被探测物体上一点,采取精密共焦空间滤波和目标物体分层的快速激光扫描,逐点探测来自目标物体上的微弱光信号,该输出光信号送入计算机经快速处理和图像合成,呈现目标物体的三维图像在操作者面前。它克服了传统光学显微镜把被观察物体一定纵深范围的结构都加以成像的缺点,把物体分为若干光学断层,逐层扫描成像,层与层之间有高的纵深分辨率。它是迄今为止较为理想的三维显微成像系统。LCSM系统采集到的是一系列不同深度上的二维断层图像,想象复杂的三维结构是困难的。因此,最终目的是:根据所采集到的目标物体的一系列断层图像重构出目标物体的三维图形,并在屏幕上进行具有真实感的显示。

三维重构可以追溯到很久以前。BORN曾于1876年根据连续组织切片,用分型浇注蜡膜的方法堆塑那些形体微小、解剖关系复杂的胚胎结构的发生过程。此方法被后人奉为经典的三维重构。因此,三维重构的定义是直接而简单的,即基于二维的图像序列并将这些断层序列堆积起来,从而形成一个三维图像。

LCSM系统在进行扫描成像时,是沿着标本轴向方向进行连续断层扫描成像的,系统的扫描范围以及每次纵向移动的距离均为预先设置,即图像的大小和层与层之间的间距已经给定,因此,可以根据这些数据按成像顺序来构筑一个三维数据场f(x,y,z),该三维数据场是作者研究的基础。

1　常用的三维数据场可视化方法

通常,三维数据场可视化的基本绘制方法分为两大类,即面绘制(surface rendering)和直接体绘制(directing volume rendering)。

面绘制方法是一种基于表面表达模型,以显示表面信息为目的的绘制方法。面绘制主要是按照给定的阈值从三维数据场中抽取出等值面,然后利用传统的曲面绘制方法来绘制此等值面。常用的面绘制方法有二维等值线拼接法、marching cubes方法及diving cubes方法。

直接体绘制方法是一种基于灰度体数据表达模型,以显示整个三维体数据信息为目的的绘制方法。典型的直接体绘制方法是视线投射(ray-cast-ing)方法,从显示屏幕每一像素点发出一根射线穿过数据场各体元,对所穿过的各体元特征值直接进行重采样,再考虑物质的不透明性和光照效果,进行相应的计算,逐个采样点叠加累计,则最终结果被显示出来。这样,处理的数据场便可投射到显示屏幕上,绘制成有多层次透明效果的三维图像。面绘制的最大特点是采用曲面造型技术,生成数据场等值面的曲面表示,再采用光照模型计算出绘制图像。面绘制需要构造中间曲面表示,必然要通过阈值等方法提取出中间曲面,这是一个分割的过程。曲面提取算法的计算量比较大,然而一旦提取完成后,则便于后续处理。作者结合精密物体表面的特点,提出了一种新的基于面绘制的简洁算法,并得到了满意效果。