一种病毒三维显示的简易方法

李晶，赵海燕

1.中国人民解放军昆明总医院 医学工程中心，云南 昆明 650032；2.云南省第一人民医院 眼科，云南 昆明650032

一种病毒三维显示的简易方法

李晶1，赵海燕2

1.中国人民解放军昆明总医院 医学工程中心，云南 昆明 650032；2.云南省第一人民医院 眼科，云南 昆明650032

本文阐述了一种简易的基于表面显示的病毒三维显示方法。采用移动立方体（MC）算法提取病毒三维结构体数据的等值面获取三角形片面并对其进行归并处理，通过OPenGL图形程序接口进行三角形片面的绘制，再调用OPenGL中的明暗和光照函数对绘制的三角形片面进行光照处理，得到病毒的三维显示图像。

病毒；三维显示；等值面提取；数据归并；图像处理

病毒严重威胁着人类健康，研究病毒的结构从而防治病毒侵害，是人类多年来对付病毒的有效方法。冷冻电镜单颗粒技术，是重建病毒结构与功能的主要手段[1]，其中三维显示是解析病毒结构的重要方法。现有的病毒三维显示方法均不同程度地存在有显示速度慢、显示参数较多、设定较为复杂、操作不便、域值对噪声的敏感度较低等缺点[2]。为此，本文提出了一种简易的基于表面显示的病毒三维显示方法，仅设定域值为三维显示参数，就可以快速对病毒进行三维显示，显示的病毒细节清晰，较现有方法有显示速度快、参数设置少、操作简便等优点，为病毒结构研究提供了新方法。

1 材料与方法

1.1 材料

以冷冻电镜单颗粒技术重构出的病毒，包括：①分辨率为1.3 nm的家蚕质多角体病毒（BmCPV）；②分辨率为1.3 nm的家蚕质多角体与抗体复合物（BmCPV＋mab）；③ 分辨率为2.5 nm的中蜂囊装幼虫病病毒（CSBV）；④ 分辨率为1.4 nm的C6/36浓核病毒（C6/36DNV）[3]。本文以上述4种病毒的三维结构体数据作为研究对象，用图像处理技术中的表面显示方法，对病毒进行三维显示。

1.2 方法

首先对病毒三维结构体数据进行等值面提取，用三角形片面来拟合数据集中的等值面，等值面的值设定为域值，域值的大小决定了绘制内容的取舍。等值面的提取采用比较成熟的移动立方体（Marching Cubes，MC）算法[4]。该算法首先由给定的阈值将每个数据体元的8个顶点的数值二值化，然后根据这8个顶点二值化后的相互间的拓扑关系，分成15种情况进行等值面的匹配生成处理。该算法可以快速生成等值面，将体素与多边形联系起来，能产生很好的可视化效果。当病毒重构数据场的密度很高时，采用此法产生的三角形小片面像素往往比显示屏幕上的要小，不再需要插值过程。对于冗余数据采取归并处理，从而压缩不必要的三角形片面，达到既满足显示质量又精简显示内容，保证显示速度的目的。所采用的数据归并的具体步骤为：① 将所有体数据看成一个大Cube，并将它分为Cube1和Cube2；② 对Cube1和Cube2分别用MC算法抽取出等值面Sur1和Sur2；③ 判断Sur1和Sur2能否用大Cube中的等值面Sur代替；如果Sur1+Sur2=Sur，就以Sur代替Sur1和Sur2，实现归并；④ 对Cube1和Cube2按上述步骤进行递归式归并，直至不能归并为止；⑤ 输出达到最大归并程度的Cube中的等值面。

具体方法：病毒的三维结构体数据，通过MC算法抽取等值面得到所有符合条件的三角形片面；用上述归并方法对三角形片面进行归并；最后用OPenGL（Open Graphic Library）图形程序接口进行三角形片面的绘制，再调用OPenGL中的明暗和光照函数对绘制的三角形片面进行明暗光照处理，得到具有三维真实感的病毒的三维显示图像。

2 结果

图1～4为病毒三维显示结果。其中，图1为家蚕质多角体病毒（BmCPV）的三维显示结果；图2为家蚕质多角体与抗体复合物（BmCPV＋mab）的三维显示结果；图3为中蜂囊装幼虫病病毒（CSBV）的三维显示结果；图4为浓核病毒（C6/36DNV）的三维显示结果。

3 讨论

表面显示法最早应用于医学图像的三维显示技术，它是通过平面元来近似和逼进显示物体表面，因而又称为表面绘制，分为面向多边形法和面向体素法两种。面向多边形法先在一系列的二维切面上生成等值线，然后将这些等值线连接成等值曲面，通常采用三角形贴面技术，用三角形将层与层间的轮廓线连接起来，最后进行表面明暗处理，得到有立体感的三维表面。面向体素法不生成二维切面上的等值线，而是直接在数据场中抽取等值面，把体数据看成是某个空间区域内关于某种属性的采样集合，该空间区域内所有具有某一个相同值的点的集合将定义一个或多个曲面，作为等值面[5-6]；因为不同的物质具有不同的物理属性，因此可以选定适当的值来定义等值面，该等值面表示不同属性的交界；一个适当值定义的等值面可以代表显示体某种属性的表面，由于等值面是3次代数曲面，构造等值面的计算复杂，也不便于显示，而多边形的显示则非常方便，所以，等值面的三角片拟合是常用的手段[7]；由于该方法只对显示体的等值面进行多边形拟合显示，显示内容大大压缩，数据处理大为减少，有显示速度快、便于实时显示以及人机交互操作的优点；但这种方法只能显示显示体的各个等值面，不能显示等值面之间的部分。

对于通过冷冻电镜重构技术获得的病毒三维体数据，等值面可反映出病毒在电子显微镜下成像性质的相同性，对病毒在电子显微镜下密度图相似的部分进行显示，可以将病毒的不同特性通过图像的三维显示区分出来。因此，表面显示可以真实地反映病毒蛋白衣壳的外观形态结构，但不能反映病毒蛋白的内部结构。由于电子显微镜分辨能力的限制，不可能得到病毒蛋白的一、二级结构[8-9]，所以表面显示法对电子显微镜病毒三维结构的显示以及病毒三维结构总体形态的认识是有一定意义的。

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A Simple Method for Three-Dimensional Display of Virus

LI Jing1，ZHAO Hai-yan2
1.Department of Medical Engineering, Kunming General Hospital of PLA, Kunming Yunnan 650032, China; 2.Department of Ophthalmology, First People’s Hospital of Yunnan Province, Kunming Yunnan 650032, China

This paper introduced a simple method for three-dimensional display of virus based on surface display. Marching Cubes (MC) algorithm was used to extract iso-surface from three-dimensional structure volume data of virus to obtain triangle surfaces which then were merged. Then Graphics program interface OpenGL was used to render the merged triangle surfaces. Then the illumination processing of the rendered triangle surfaces was conducted through light and shade function as well as illumination function of Graphics program interface OpenGL to obtain the three-dimensional display images of virus.

virus; three-dimensional display; iso-surface extraction; data merging; image processing

R373

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.09.041

1674-1633(2014)09-0112-02

2014-01-15

2014-02-10

赵海燕，主治医生。

作者邮箱：li_jingkm@126.com