基于可變形模型的輪廓提取與表面重建.pdf

1、輪廓提取與表面重建是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的重要研究課題，其在虛擬現(xiàn)實(shí)、自控車輛、機(jī)器人環(huán)境分析、監(jiān)控系統(tǒng)中的物體跟蹤與識(shí)別、生物醫(yī)學(xué)圖像處理、工業(yè)在線自動(dòng)檢測(cè)、形狀反求等方面有著廣泛的應(yīng)用前景?；跀鄬訑?shù)據(jù)的三維重建是通過(guò)提取被測(cè)物體的截面輪廓曲線以實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的三維反求和重構(gòu)的一種測(cè)量方法，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。根據(jù)斷層圖像提取的實(shí)體輪廓可以通過(guò)表面重建得到物體的CAD模型，或直接應(yīng)用于快速成形系統(tǒng)。在此過(guò)程中，從斷層測(cè)量圖像中提取實(shí)體輪廓

2、是關(guān)鍵的一步。 近年來(lái)，將物理原理引入物體的形狀恢復(fù)吸引了學(xué)者們的研究興趣，基于可變形模型的輪廓提取與表面重建就是其中的一類。可變形模型可視為在內(nèi)力和外力作用下的能量極小化樣條模型，內(nèi)力來(lái)自幾何模型，約束它的形狀；外力來(lái)自圖像特征，引導(dǎo)它的行為，將其吸引至圖像特征處?？勺冃文Ｐ偷奶岢鼋o傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論及應(yīng)用研究帶來(lái)了新的觀點(diǎn)和思維方式，已經(jīng)被越來(lái)越多的研究者成功地應(yīng)用于圖像分割、運(yùn)動(dòng)跟蹤、3D重建、立體匹配等許多領(lǐng)域，并已發(fā)

3、展成為計(jì)算機(jī)視覺(jué)與模式識(shí)別中最為活躍和成功的研究領(lǐng)域之一。 因此，基于可變形模型的斷層圖像輪廓提取與表面重建研究，在科學(xué)研究及工程應(yīng)用中有著重要的意義。本論文主要針對(duì)醫(yī)學(xué)斷層圖像的輪廓提取與表面重建，重點(diǎn)對(duì)B樣條可變形模型進(jìn)行了研究。本文在系統(tǒng)地分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于可變形模型理論與應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于有限元法的B樣條主動(dòng)輪廓模型；并將其應(yīng)用于由斷層圖像導(dǎo)出的截面輪廓數(shù)字曲線的擬合，利用自適應(yīng)有限元技術(shù)提高擬合精度；最后將

4、其推廣到三維，提出了基于有限元法的B樣條主動(dòng)曲面模型。本文主要工作和結(jié)論如下： (1)對(duì)可變形模型的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了論述，并從彈性理論的觀點(diǎn)對(duì)可變形模型的物理本質(zhì)進(jìn)行討論分析；然后從幾何表達(dá)、能量方程及優(yōu)化方法三個(gè)方面對(duì)可變形模型的理論研究與發(fā)展進(jìn)行了綜述，指出了可變形模型理論上存在的問(wèn)題及進(jìn)一步研究的方向。 (2)提出了一種基于有限元法的B樣條主動(dòng)輪廓模型。B樣條方法是當(dāng)前自由曲線曲面造型最為流行的方法，而有限元法是一種

5、有效地求解泛函極值問(wèn)題的數(shù)值方法。該模型以三次B樣條曲線段作為有限單元，運(yùn)用有限元法對(duì)B樣條主動(dòng)輪廓的能量泛函極值問(wèn)題進(jìn)行求解，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的輪廓提取。該模型結(jié)合了B樣條方法與有限元法的優(yōu)點(diǎn)，可快速穩(wěn)定地收斂到目標(biāo)輪廓，得到的B樣條輪廓有利于進(jìn)一步的表面重建處理。 (3)提出了基于自適應(yīng)有限元的B樣條主動(dòng)輪廓模型，并將其應(yīng)用于基于斷層圖像的表面重建。首先對(duì)斷層圖像的邊緣提取方法進(jìn)行了論述，針對(duì)得到的截面輪廓數(shù)字曲線，提出了一種

6、基于自適應(yīng)B樣條主動(dòng)輪廓擬合方法。該方法避免了傳統(tǒng)插值、近似方法中的采樣點(diǎn)數(shù)量、分布及參數(shù)化過(guò)程所帶來(lái)的問(wèn)題，通過(guò)在擬合過(guò)程中插入新的控制點(diǎn)，提高擬合精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字輪廓的整體逼近。最后，由各斷層截面的B樣條輪廓重構(gòu)出物體的三維模型。 (4)將二維的B樣條主動(dòng)輪廓模型擴(kuò)展到三維，提出了基于有限元法的B樣條主動(dòng)曲面模型。通過(guò)在數(shù)據(jù)點(diǎn)與模型之間連接虛擬彈簧，建立光順模型，并以雙三次B樣條曲面片作為單元，運(yùn)用有限元法對(duì)模型在虛擬彈簧作