Key Techniques of 3D Reconstruction Based on Medical Images for Rapid Prototyping

生物医学工程是21世纪最重要的科学研究领域之一。快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术以分层离散和逐点的材料叠加为特点，为复杂形状的零件制造提供了可行的解决方法。结合医学影像、计算机图形学和RP技术，可以制造出的人体组织器官的代替物，在诊断医学、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用。医学图像三维重建不仅是计算机可视化技术的重要研究内容，也是RP技术应用于医学领域的技术支撑。同时，医学图像三维重建方法可用于基于工业CT（ICT）图像的CAD模型反求。因此，研究基于医学图像的三维重建技术，具有重要的学术意义和应用价值。本文以此背景，对医学图像的三维重建以及相关技术进行了深入系统的研究，主要内容包括医学图像的滤波与分割，组织或器官的复杂三维几何模型重建；重建模型的网格简化与光顺等。本文完成了以下工作： 1. 介绍了基于医学图像的三维曲面重建关键技术的研究背景，总结归纳出现有重建方法的基本原理以及它们的优缺点，结合RP技术在医学中的应用所面临的问题，给出了学位论文的选题意义和主要研究内容。 2. 医学图像的滤波和分割是保证重建模型准确表达组织器官的前提。为了有效地去除噪声和保护边缘，设计出25种掩模用于计算中心像素与邻域像素之间的相似度，提出了一种基于相似度的医学图像滤波方法。由于医学图像的模糊性和复杂性，医学图像的分割仍然是图像处理的难点和热点。提出了一种基于Mumford-Shah泛函的具有全局优化的水平集图像分割方法。该方法对于模糊的、灰度渐进的图像具有较强的分割能力，并且分割质量不受初始轮廓线位置和形状的影响。另外，提出了一种基于矢量距离变换的符号距离函数计算方法，用于水平集函数的初始化，这种方法不但速度快，精度高，而且稳定性好。 3. 对基于体数据场的Marching Cube（MC）曲面重建方法进行了研究。介绍了规则体数据场的构造方法以及等值面的定义，讨论了MC算法抽取等值面的基本原理及实现方法，分析了MC算法中连接方式产生二义性的原因及消除二义性的方法。针对现有曲面重建算法存在拓扑难以保持和精度较差等缺陷，首先对移动立方体内三线性等值面的关键点进行分类，并对其几何属性进行了分析，提出了一种自适应的保持拓扑正确的高精度曲面重构算法。不同于以往的移动立方体算法，新的三维重建算法无需事先生成多边形的基本构造形式列表，也不必进行旋转和互补等操作。 4. 研究了重建后网格模型的简化和光顺等方法。采用MC算法构建的三维几何模型包含了大量的三角面片，不但难以实现实时绘制，也不利于存储、传输和计算等操作。以Garland的二次误差测度简化算法为基础，提出采用顶点平均曲率比值的高斯函数值作为加权系数来重新定义测度矩阵，使得尖锐特征边的折叠代价进一步加大，改变边折叠顺序，从而达到保持网格尖锐特征的目的。通过引入不合法折叠边的判断准则，保证了简化网格与原始网格的具有一致的拓扑结构。提出一种基于单步顶点预测单步位置移动的网格光顺算法。通过分析三角网格的顶点及其邻域之间的几何关系，应用带速度抑制函数的双边滤波器，把原始顶点单步移动到预测的新坐标，再利用基于三角形尖角度的顶点移动算法，得到最终的顶点坐标。该算法在光顺噪声的同时，减轻了过光顺的程度，有效地保持了原始三角网格的特征。 5. 在算法研究的基础上，开发了一个面向RP的医学图像三维重建软件原型系统。简要介绍了原型系统的功能模块、结构和使用方法。为RP技术应用于医学领域提供了强有力的数据前处理工具

Research on Lime-soil and Plain Concrete Multi-type-pile Composite Subgrade

成像设备、所用光谱和拍摄时间等因素的差异给红外与可见光图像匹配带来了较大的困难。考虑到边缘直线段在异源图像中的稳定性,提出一种基于线段上下文的红外与可见光图像匹配方法。首先,采用LSD(line segment detector)算法检测出图像中的直线段,接着按照几何约束规则挑选出关键直线段,并计算它们的交点,将交点与Harris角点一起组成图像特征点;通过计算特征点四象限邻域内线段的得分,得到每条线段对特征点的贡献,在此基础上采用圆形阵列的方式,构建基于线段上下文的特征描述子;最后运用双向匹配策略和RANSAC算法实现红外与可见光图像的匹配。实验结果表明,所提方法能够对灰度差异较大的红外与可..

Mesh Simplification Algorithm of Preserving Topology and Sharp Features

提出了一种有效的保持拓扑和尖角特征的网格简化算法。由于曲率刻画了模型的尖角特征,该文利用顶点曲率的高斯加权函数对经典边折叠算法的二次误差测度矩阵进行了修正,增强了尖角点对新点位置的影响。鉴于网格的拓扑保持具有重要的工程应用,论述了网格简化中各种可能的拓扑错误,并给出了相应的解决措施。平衡二叉树和半边匹配数据结构的引入,提高了拓扑信息重建的速度。最后,几个网格简化实例显示了该文算法的有效性。</p

Visual Display Method for Grating Projection Measurement System

光栅投影测量技术作为一种重要的三维测量方法,已在许多领域得到广泛应用,但是均存在测量结果显示不够直观的问题。针对这个问题,提出了一种直接利用光栅投影测量系统中的投影仪将测量结果投影到被测件表面的可视化显示方法,通过对投影仪内参数及其与相机位置关系的标定,可实现投影的测量结果直接和检测区域相对应,因此可大大提高可视化显示的直观性。针对该方法中的核心问题——投影仪标定问题,提出了一种简便的标定方法,可快速完成投影仪参数及其位置关系的标定。实验结果表明,所提标定方法简单有效,标定的平均反投影误差是0.63像素,具有较高的标定精度,采用该标定结果可准确将测量结果投影显示到被测区域,满足可视化显示的要求

Image retrieval method combining global description and local description

针对基于内容的图像检索中全局描述缺乏空间位置信息及局部描述面临图像分割的问题,提出了一种基于全局颜色特征和局部Gabor小波纹理特征的图像检索方法。在整幅图上提取MPEG-7主颜色描述算子作为全局描述。将图像划分为5个有重叠的子区域,提取Gabor纹理特征与颜色矩构成局部描述,提出了改进的豪斯多夫距离并将其应用在局部描述的整体匹配中,克服了因图像的平移、旋转而造成检索率低的问题。融合全局相似度和局部相似度获得最终相似度。基于Corel数据库的实验结果表明了该方法的有效性

Research on Automatic Detecion of Circular Calibration Plate Based on Projective Transformation

快速准确提取标定板的图像信息是进行相机参数标定的前提,提出了一种基于射影变换的圆点标定板全自动识别方法。使用一种包含两种大小标志圆点的标定板对相机进行参数标定,首先,对标定图像进行阈值分割,获得标定板所在区域;其次,提取标定板上的标志圆并进行椭圆拟合,按一定顺序获得5个用于确定标定板方向的大标志圆;最后,利用射影变换原理对所有的圆点进行精确排序,从而获得图像圆心坐标与已知标定板坐标值的一一对应。通过实际实验验证了该识别方法快速、有效、准确率高,能在一定的角度范围内实现标定板的自动识别。</p

Non-Contact Automatic Correction Method of Pipeline Robot

针对等宽方形管道中车式机器人高精度直线行走的需求,构建了由一台CCD相机以及两个线结构光传感器组成的视觉测量装置。提出一种利用非接触式三维测量计算车体偏离管道中心线距离和角度的方法,将车体姿态在线反馈,利用控制算法消除位姿偏差,使车体中心线与管道中心线保持高度重合性。实验结果表明该方法克服了现有方法无法在缺乏道路信息的管道中直线行走的缺陷,具有较强的鲁棒性和检测精度,在远距离行走中偏移距离精度小于&plusmn;5mm,同时,该方法已经被应用于光传输管道的在线清理系统中

Computer-based binocular vision false-tooth scanning device

本实用新型涉及一种计算机双目视觉的义齿扫描装置,线结构光视觉采集部分、旋转测量台及其控制部分以及箱体,其中:线结构光视觉采集部分包括2台高分辨率数字CCD摄像机,一个线结构光线激光器,2台高分辨率数字CCD摄像机位于旋转测量台及其控制部分中心侧上方,以线结构光线激光器为中心对称分布;旋转测量台及其控制部分包括旋转测量台及其驱动机构和第1、2附件,第1、2附件设于旋转测量台上,第1附件为一放置并夹持义齿牙模的平台,第2附件上设置有标志点,旋转测量台通过驱动机构旋转;上述结构安装于箱体中。本实用新型机械结构和控制方法不需要变速控制,并且对电机的主轴转动没有精度要求,便于操作,扫描精度高

Annular mirror based extrinsic camera automatic calibration

针对相机外部参数标定中参照物不在相机视野范围内的情况,提出了一种基于环形镜面的相机外部参数自动标定方法.使用半径已知的环形镜面作为反射中介,相机通过镜面反射获得参照物的图像;椭圆检测获得镜面内外圆在相平面中的方程,使用外圆方程计算出镜面在相机坐标系中的位置,然后使用内圆进行位置参数优化;在已知相机内部参数的情况下,通过解决Pn P(perspective-n-point)问题获得相机的虚像和参照物之间的旋转平移矩阵;根据平面镜成像原理,最终计算出相机与参照物之间的实际外部参数;最后通过仿真和实际实验,证明该方法简单易用,可自动完成相机外部参数的标定,并且具有较高的标定精度