反求工程中復(fù)雜輪廓的無歧義三維重建及其相關(guān)算法研究.pdf

1、反求工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化信息的技術(shù)，涉及數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、模型重建等一系列操作。隨著反求工程技術(shù)在制造領(lǐng)域的成熟和推廣，最近這些年，許多工程技術(shù)人員已經(jīng)將反求工程技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主要以CT掃描數(shù)據(jù)等重構(gòu)三維實體模型，得到STL等格式的文件，采用快速成型技術(shù)制造人體骨骼或軟組織模型。因此，如何將復(fù)雜輪廓的二維數(shù)字圖像信息以三維模型的方式顯示是一個關(guān)鍵的問題。復(fù)雜輪廓三維重建及其可視化技術(shù)是一種運用計算機(jī)圖形學(xué)、圖

2、像處理、計算機(jī)視覺以及人機(jī)交互技術(shù)，將復(fù)雜輪廓的二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。
　　 由于醫(yī)學(xué)圖像具有典型的復(fù)雜輪廓，本文在深入研究CT等二維圖像及相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，主要對醫(yī)學(xué)復(fù)雜輪廓的二維數(shù)字圖像進(jìn)行三維模型構(gòu)建方法進(jìn)行深入研究。針對二維數(shù)字圖像三維模型構(gòu)建方法的圖像預(yù)處理、拓?fù)湟恢隆⒕W(wǎng)格簡化等核心內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)二維數(shù)字圖像采集

3、及預(yù)處理。本文對CT的成像原理進(jìn)行分析，實現(xiàn)讀取CT數(shù)據(jù)到計算機(jī)中，為了對圖像進(jìn)行后續(xù)分析，編程實現(xiàn)了二維圖像的直方圖。針對CT機(jī)在圖像采集中所存在噪聲問題，我們在分析濾波算法的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高斯平滑濾波算法，從而能有效去除圖像中的高斯噪聲和脈沖噪聲。同時本文介紹了圖像處理的另一技術(shù)分割算法，并實現(xiàn)了閾值分割和區(qū)域生長分割算法，為三維模型構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。
　　 (2)提出了一種新的保持模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致的判定法則。在研究解決拓?fù)淦?/p>

4、義算法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的判定法則。在新算法中，引入了一個橫斷截面，若兩點的鄰域通過單元內(nèi)部連通，則必然在這個橫斷截面內(nèi)也是連通的。由此，找出此平面存在的參數(shù)tm，并據(jù)此推導(dǎo)出了新的判定法則。該判斷法則簡單直觀，便于計算。實驗表明該算法能很好的解決拓?fù)涠x性，重建模型很少出現(xiàn)空洞。
　　 (3)提出了一種新的網(wǎng)格模型簡化算法。傳統(tǒng)三維模型構(gòu)建算法得到的三角網(wǎng)格模型所含的三角面片數(shù)量巨大。本文在研究現(xiàn)有網(wǎng)格算法的基礎(chǔ)上，提

5、出了新的網(wǎng)格簡化算法。該算法利用高斯曲率，定義了折疊邊的曲率特征因子，并將其加入到誤差測度中。采用新的二次誤差測度之后，邊折疊的代價和新頂點的位置將由距離和表面幾何變化共同約束，高曲率與低曲率區(qū)域的邊折疊代價將被漸進(jìn)增大，體現(xiàn)了低曲率區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行邊折疊的思想，從而保證了原始網(wǎng)格中的尖銳特征頂點不會被刪除掉。實驗表明，新算法更好的保持了模型的網(wǎng)格尖銳特征，有效地降低了視覺失真。
　　 (4)設(shè)計了一個數(shù)字圖像模型構(gòu)建原型系統(tǒng)。目前

6、針對三維模型構(gòu)建及其相關(guān)算法，國內(nèi)還沒有一個成熟的、商用的系統(tǒng)。為了對前面的算法進(jìn)行驗證，以及有利于進(jìn)一步的實驗工作，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一個簡單的數(shù)字圖像模型構(gòu)建原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了改進(jìn)的表面重建算法，能夠?qū)︶t(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)讀取及預(yù)處理，能對讀入的圖像進(jìn)行三維重建并顯示，能夠進(jìn)行網(wǎng)格簡化并將結(jié)果顯示，同時能對圖像進(jìn)行分割并利用分割結(jié)果進(jìn)行三維重建，從而實現(xiàn)了一個初步的三維重建系統(tǒng)。同時，導(dǎo)出重建模型后可以輸入快速成型機(jī)進(jìn)行器官制造等應(yīng)用。今