虚拟牵开器:使用基于物理变形的交互式数据探索系统 (Virtual Retractor: An Interactive Data Exploration System Using Physically Based Deformation)

在三维数据的探索中,视觉遮挡往往是一个比较严重的问题。数据内部重要的信息会被表面的元素遮挡住,影响了人们对这类数据的探索和认知。尽管可以有一些手段来处理遮挡,但是在这一过程中如何尽力保留所探索目标附近的上下文信息(例如一些辅助性的关键特征)也非常重要。这些都给三维数据的探索带来了比较大的挑战。实际上与之相类似的是,在我们的日常生活中,我们经常会通过直接打开的方式检查一个物品的内部情况,例如,通过拉动拉链打开一个手提包就可以看到里面的东西。在医学上,医生们做手术时经常会用到医疗牵开器,将切开的患处表面组织牵开,从而显露出需要手术的范围。受这一思想的启发,今年的PacificVis会议上就有一篇文章[1],使用一种虚拟牵开器的方法,通过物理变形将三维数据从表面“切开”,让用户可以对数据内部的信息进行探索。

图1 基于四面体网格变形的虚拟牵开器原理图。

图1 基于四面体网格变形的虚拟牵开器原理图。

该方法的思路很简单,用户指定虚拟牵开器的位置,并将牵开器包围的数据范围组织称三维四面体网格。在此基础上,用户可在表面切开并将遮挡区域通过网格变形的方式牵引开,从而可以让用户直接看到感兴趣的区域。系统的原理图如图1所示。接下来会介绍这里面的具体细节。

方法的第一步是建立物理变形所需要的四面体网格。虚拟牵开器所覆盖的数据范围是一个长方体区域,长方体可以看成是很多个小的立方体,而每个立方体可以由5个四面体组成。通过这样的方式,作者将虚拟牵开器覆盖的区域组织成四面体网格形式。

用户确定数据表面的切口后,这个切口需要被牵引开来,从而显露出用户所选定的感兴趣的区域。这个过程是通过网格的物理变形来实现的。这里面需要对网格点施加斥力,并且给每个四面体一个刚度。

图2 (a) 施加在网格点的斥力;(b) 在斥力作用下一个粒子数据的牵开效果

图2 (a) 施加在网格点的斥力;(b) 在斥力作用下一个粒子数据的牵开效果

施加在网格点的斥力可以将网格点互相推开,即模拟牵开的效果。如图2(a)所示,这种斥力仅仅对于切口处的点有效,并且垂直于用户的视线。随着推开的距离的增加,网格点上斥力的作用会减弱。图2(b)展示了一个粒子数据的牵开效果。

四面体的刚度起到了抵抗的作用,可以与网格点上施加的斥力一起使得变形的过程得以收敛,另外还可以保持某些特性的形状。这里面作者使用了数据驱动的刚度,即根据其包含的区域内的某个局部特性来设置每个四面体的刚度。在这篇文章中,作者使用了三种设置方法,分别是基于密度的,基于转换后密度的,和基于梯度的方法。基于密度的方法将四面体内包含的粒子总数或密度值总和的统计作为其刚度,基于转换后密度的方法将原始体素值进行转换后(例如体数据中使用传递函数)的值作为新的密度,再用密度统计计算刚度。基于梯度的方法则使用数据值之间的梯度来计算刚度,能够更好地将数值变化大的不同特征区分开来。图3-5分别展示了这三种刚度计算方法的应用实例。

图3 基于密度的刚度计算方法。在斥力作用下黄色区域的粒子聚类的形状仍然保存的比较好

图3 基于密度的刚度计算方法。在斥力作用下黄色区域的粒子聚类的形状仍然保存的比较好

图4 基于转换后密度的刚度计算方法。表面密度低的区域刚度更大,起到了更好地牵开效果

图4 基于转换后密度的刚度计算方法。表面密度低的区域刚度更大,起到了更好地牵开效果

图5 基于梯度的刚度计算方法。黄色区域表示的头骨和大脑皮层能够更好地被区分开来

图5 基于梯度的刚度计算方法。黄色区域表示的头骨和大脑皮层能够更好地被区分开来

为了使用虚拟牵开器对数据进行更加方便的交互探索,作者还提供了多种交互方法,包括常规的利用鼠标和屏幕的二维设备,以及新颖的三维输入输出设备。对于前一种交互,用户可以使用鼠标直接在屏幕上划一条线段作为切口,不过线段的深度不好确定,因此需要设置缺省的深度值。对于后一种交互,作者使用了Leap Motion,用户可以使用手指的动作和位置在三维数据里面确定切口的深度,不过这种手势符号可能被三维数据所遮挡,另外用户对于三维设备往往也需要一个熟悉的过程。

事实上,这篇文章提出的在三维数据探索避免遮挡的方法对我们而言也很有借鉴意义。随着目前新颖交互方式和交互设备的发展,人们越来越多地将其运用到数据的探索中。实际上这个工作也是原文作者系列工作的延续。我们在进行可视数据探索的时候,可以通过更好的交互形式绕过传统方法的限制,去直接看到数据中的隐藏特征。除了本文工作提到的体数据和粒子数据,我们可以将类似的方法扩展到更多的数据中。

Reference

[1] Cheng Li, Xin Tong and Han-Wei Shen. Virtual Retractor: An Interactive Data Exploration System Using Physically Based Deformation. In Proceedings of IEEE Pacific Visualization Symposium 2017, pages 51-60, 2017.

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