1.全書將三維數據場重構與顯示技術與Delphi編程技術結合，著重實踐性、實用性和源碼表現。

2.各章之間的理論分析和程序模塊具有一定的相關性和獨立性。

3.提供完整源代碼、資源及素材。

基于計算機的三維數據場重構與顯示工程軟件在工業、農業、國防、科學研究和醫學等各個方面得到了更加全面的應用，定制設計三維數據場重構與顯示軟件包就必須對三維數據場重構與顯示技術的算法和軟件設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，由于計算機軟、硬件技術的發展，在Windows操作系統下進行復雜的三維數據場計算和顯示已經成為可能。而Delphi作為面向對象的快速開發的工具，以其高速的開發效率深得程序開發員的熱愛，在Delphi開發環境下，軟件人員的主要精力放在想達到的目的規劃上，而不是具體的煩瑣細節上。Delphi具有良好的封裝性，各種實用控件十分豐富，它在數字計算、圖像處理和數據庫開發等方面都具有無可比擬的優越性。用Delphi開發的三維數據可視化軟件具有運行效率高、安全可靠、開發快捷和模塊可重用性強等諸多優點，國內外基于Delphi開發的三維數據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據場重構與顯示的基礎理論和程序實現技術，從工程應用的角度介紹三維數據場重構與顯示應用軟件設計的基本方法和實用技術。全書分為5章，每章都以一個或多個具體的基于不同技術的三維數據場重構和顯示軟件包開發的實例來敘述其相關的理論和編程技術。

第1章簡要介紹三維數據場重構與顯示的應用發展、研究內容和基本技術方法，對三維數據可視化在工業、農業、軍事、科學計算、醫學和氣象等方面的應用進行了介紹，并概要介紹三維數據場重構的基于面繪制、基于直接體繪制、基于硬件環境和由二維輪廓線重構三維外表面等技術。

第2章介紹三維數據場的數據類型與轉換技術，該章主要介紹了三維數據記錄和表達的格式，重點介紹了DICOM文件格式，還介紹了醫學圖像的文件格式轉換和表達三維數據場的不同數據格式轉換的軟件設計技術，并介紹了自定義三維面模型格式與AutoCAD三維文件格式的轉換的程序設計技術。

第3章介紹基于等值面的三維數據場重構與顯示的基本理論和程序設計方法，該章詳細介紹了Marching Cubes方法的基本原理和實現技術，比較詳細地介紹了 OpenGL的基本技術與方法，針對圖像的二維預處理和三維預處理對三維圖像的重構效果的影響進行了分析對比，重點講述了基于等值面的三維重構的各程序模塊的設計技術。

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

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

本書的各章之間的理論分析和程序模塊具有一定的相關性和獨立性。從應用角度講，三維數據場重構與顯示中的基于等值面的面繪制技術、基于直接體繪制、基于硬件環境和由二維輪廓線重構三維外表面等各種技術的目的都是希望用快捷合理的方法形象地表達三維數據的拓撲和邏輯關系，這些方法可以獨立或綜合應用而達到工程軟件需達到的應用效果，各種方法的配合和協調才能到達最佳的顯示效果。本書在章節安排上考慮了一般教課書的層次性、連貫性、系統性，同時也考慮了每個軟件包開發的各種技術的組合性和全面性。各章節中的許多技術是交叉引用的，書中各章既可以獨立閱讀和實驗，也可相互貫通地理解和實踐。

全書將三維數據場重構和顯示技術與Delphi編程技巧結合起來講述，著重于實踐性、實用性和源碼表現。本書以講解實例設計的方式介紹三維數據場重構與顯示的理論和相關的程序設計技巧，注重理論、突出實用，提倡在程序的字里行間的理解的基礎上去理解三維數據場重構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準，而三維物體實際的顯示效果就是對算法、源碼先進性理論理解的最后標尺。程序的實現是理論學習的目的，更是理論正誤驗證的唯一準則，只有在程序實現和調試的基礎上，才能驗證新舊算法、技術和方法的效率并產生新的具生產力的源碼。

本書可作為大學生、研究生和工程軟件人員在三維數據場重構與顯示的算法實現技術的掌握及相關應用課程的參考教材，書中的例子全部通過Delphi 7驗證實現，書中程例主要涉及三維醫學圖像顯示與手術模擬、無損三維測量、快速逆向加工、科學數據可視化等工程應用。隨書所附光盤提供書中所介紹的所有三維數據場重構與顯示方面的軟件包的完整源程序及編程和運行所需資源、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用于非商業開發的三維數據場重構與顯示軟件技術研究和相關工程軟件包的研究和設計中。

由于作者的水平有限和研究總結的時間限制，加之三維數據場可視化技術仍在不斷發展過程中，書中介紹的三維數據場可視化的相關技術、軟件包及源程序還有許多功能需要進一步完善和改進，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。E-mail：jxg_2@tom.com。

作 者

2009年7月

前言

第1章 緒論 1
1.1 三維空間數據場可視化概述 1
1.2 三維數據場重建的發展與應用 2
1.3 三維數據可視化系統的開發步驟與
技術方法 8
1.3.1 三維數據可視化系統的開發步驟 8
1.3.2 三維數據場可視化的主要技術方法 10
第2章　三維數據場的數據類型與轉換 18
2.1　三維空間數據場的數據類型與表達 18
2.1.1 三維數據場的數據類型 18
2.1.2 三維空間數據場的通常表達方式 19
2.2 醫學圖像格式格式介紹 21
2.2.1 醫學圖像格式DICOM基本介紹 21
2.2.2 DICOM標準中涉及的基本概念
和定義 22
2.2.3 DICOM標準的組成 23
2.2.4 DICOM在醫學圖像信息系統中
的應用 24
2.2.5 DICOM 圖像文件結構 24
2.3 三維空間數據場的數據轉換 27
2.3.1 各種三維數據轉換接口技術及應用 27
2.3.2 三維數據模型轉換功能模塊的設計 27
2.3.3 醫學圖像格式轉換 42
第3章 基于等值面的三維空間數據場重構
與顯示 47
3.1 基于等值面的三維空間數據場重構技術 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算法的程序實現 51
3.1.4 其他基于面的三維重構算法介紹 53
3.2 基于面表達的基本三維重構基本軟件
包設計 54
3.2.1 醫學器官三維重構軟件包系統的
基本技術要求 54
3.2.2 醫學器官三維重構軟件包系統的
基本軟件系統的構成 55
3.2.3 基于Marching Cubes的等值面產
生的程序實現技術 57
3.2.4 三維重構算法的程序流程 64
3.2.5 Marching Cubes算法中三角形片
構成的效率比較與分析 65
3.2.6 三維重構軟件系統各功能模塊
的設計 66
3.2.7 三維重構系統各功能模塊的協調 81
3.3　圖像預處理對三維重構效果的作用 82
3.4 OpenGL在三維數據場顯示中的應用 83
3.4.1 OpenGL基本技術簡介 83
3.4.2 圖形變換基礎 86
3.5 OpenGL的程序應用技術 90
3.5.1 OpenGL應用功能 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 基于面表達的復雜三維重構軟件包
的設計 108
3.6.1 基于面表達的復雜三維重構軟
件包的功能要求 108
3.6.2 基于面表達的復雜三維重構軟
件包的功能實現技術 109
第4章 基于直接體繪制的三維空間數據
場的顯示 188
4.1 直接體繪制技術簡介 188
4.2 體繪制中的光學模型 190
4.2.1 光吸收模型 190
4.2.2 光線發射模型 190
4.2.3 光線吸收與發射模型 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 193
4.4.1 光線投射算法的基本原理 193
4.4.2 光線投射算法的實現技術 195
4.5 物體空間掃描的體繪制技術 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軟
件的設計 218
4.6.1 基于直接體繪制的基本三維重
構軟件包的框架設計 218
4.6.2 基于直接體繪制系統的主要功
能模塊設計 220
4.6.3 傳遞函數的設計 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現的
基本原理 238
4.7.2 基于三維紋理映射硬件支持三
維顯示軟件的設計 239
4.8 基于GPU的三維繪制技術 258
4.9 各種體繪制算法的實驗與比較 260
第5章 基于二維輪廓線的三維重構與顯示 262
5.1 由二維輪廓線重構三維形體的基本
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法 265
5.2.4 基于Delaunay剖分的外表面重構 266
5.3 圖像的濾波和邊緣輪廓求取與應用 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 提取輪廓線上的網格點 290
5.3.6 由二維輪廓線的點構成三維曲面 296
5.3.7 顯示二維輪廓線組成的三維曲面
的技術 305
5.3.8 基于輪廓線的三維表面重構實驗
與結果分析 307
5.4 由二線輪廓線重構三維形體顯示軟件
的設計 307
參考文獻 312