激光共焦扫描显微镜中基于体绘制技术的三维重构

    引言

    激光共焦扫描显微镜(LaserC曲focalScanningMicroscoPic，LCSM)是一种典型的高新技术光电仪器。它克服了普通光学显微 镜中平面分辨率与其观察景深间无法兼顾的矛盾，是迄今为止较为理想的三维显微成像系统。作为一种现代化的仪器设备，它无论是在系统结构还是在成像机理上， 都采用了近年来发展起来的多种先进技术。与传统的光学显微镜相比，它既具有比一般光学显微镜更高的横向(平面)分辨率，又克服了普通显微镜观察景深小的缺 陷，达到了较高的纵向(纵深)分辨率。在结构上，在其探测器的前面增加了一个精密空间滤波器，正是由于结构上的这个特点，使得其能抑制共焦点以外的光线进 入到探测器的感光面上，从而提高了系统的分辨率和灵敏度。在成像机理上，共焦扫描显微镜不象普通显微镜那样，将整幅图像同时成像于像面上，而是通过扫描光 束与样品之间相对运动，使样品位于显微镜焦面上的点与像面上的点建立起一一对应的映射关系，这种成像方式使得显微观察易于数字化，便于计算机进行处理。

    激光共焦扫描显微镜，在许多科学领域中都有着重大的现实意义，特别是在生物医学方面起到了巨大的作用。由于激光扫描共焦显微镜采集到的是一系列不同深度上的二维断层图像，因此它的一个重要作用就是取得样本的三维图像。

    1三维建模

    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，如图1所示。系统的扫描范围以及每次纵向移动的距离均为预先设置的，即图像的 大小和层与层之间的间距已经给定，因此我们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)，如图2所示。该三维数据场是我们研究的基础^[1]。

    2基于体绘制技术的三维重构

    三维数据场可视化的基本绘制方法分为两大类，即面绘制(Sllri沮ceRendering)和体绘制(VofumeRendering)。面绘制首先由 三维空间数据场构造出中间几何图素(如曲线、曲面、平面片等)，然后再由传统的计算机图形学技术实现画面绘制。这一类算法中，有代表性的是 MarchingCubes方法。直接体绘制直接研究光线通过体数据场时与体素的相互关系，无需构造中间面，体素中的许多细节信息得以保存，结果的保真性 可大为提高。但是直接体绘制方法的计算量很大，并且一旦视点有变化，就得重复全部计算过程，因此它不便交互操作使用^[2，3]。

    由于用LCSM系统采集到的都是显微图像，而对显微图像的一个基本要求就是要保留其细节特点，因此，我们采用了体绘制算法。