断层图像的三维重建方法研究

论文摘要

本文主要研究基于断层图像序列构建三维几何模型的方法,对医学断层图像的层间插值技术、面绘制中轮廓的重采样算法和三角化方法以及三维模型网格的合并算法进行了研究分析和改进。由于在多数情况下,两幅相邻断层图像之间的距离过大。为了得到更好的层间分辨率,需要对断层图像进行层间插值。针对直接灰度插值的缺点,本文提出一种根据轮廓寻找匹配对应点的插值方法,解决了插值图像的边界模糊问题。在基于轮廓拼接的三维重建算法中,需要对轮廓进行采样。针对现有的采样算法不能使精简数据和保持形状相统一的问题,本文提出一种基于轮廓压缩的采样算法对轮廓进行采样。该算法可以找到轮廓上的特征点作为采样点,既减少了数据量,又保持了轮廓的形状。根据得到的采样点,结合断层图像的特点,采用改进后的最短对角线法重建出了物体的三维模型。本文还对基于等值面的表面重建和直接体绘制算法做了研究和实现。采用面绘制算法,尤其是采用基于等值面的方法对物体进行三维重建,得到的模型中所含三角面片的数量是非常巨大的。为了满足某些特定场合的需要,要对其进行合并,适当减少三角网格的数目。本文对已有算法进行研究总结,提出一种综合考虑曲率和几何误差的量度准则,并采用半边折叠进行网格合并的算法。此算法在减少网格三角面和顶点数目的同时,尽量保持了原始模型的拓扑结构、边界和尖锐棱边之类的形状特征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 三维重建技术的发展
• 1.2.1 面绘制
• 1.2.2 体绘制
• 1.2.3 现有三维可视化系统
• 1.3 三维重建算法的性能评价标准
• 1.4 论文的主要工作和内容安排
• 1.4.1 论文的内容及创新点
• 1.4.2 论文的章节安排
• 第二章 图像预处理
• 2.1 二维图像滤波
• 2.1.1 邻域平均滤波
• 2.1.2 中值滤波
• 2.1.3 保持边缘滤波
• 2.2 图像的配准
• 2.3 灰度直方图修正
• 2.4 本章小结
• 第三章 断层图像的层间插值技术
• 3.1 已有插值算法研究
• 3.1.1 灰度插值
• 3.1.2 基于形状的插值
• 3.2 根据轮廓寻找匹配对应点的断层图像插值方法
• 3.2.1 算法介绍
• 3.2.2 提取轮廓
• 3.2.3 读取轮廓的坐标
• 3.2.4 轮廓插值
• 3.2.5 寻找对应点
• 3.2.6 确定最佳匹配对应点
• 3.3 试验结果分析
• 3.4 结论
• 3.5 本章小结
• 第四章 三维重建算法的研究
• 4.1 基于轮廓线拼接的表面重建
• 4.1.1 轮廓线的采样
• 4.1.1.1 已有的轮廓采样算法
• 4.1.1.2 改进的采样算法
• 4.1.1.3 采样算法的结果分析
• 4.1.2 三角化
• 4.1.3 存在的其它问题
• 4.1.3.1 轮廓对应问题
• 4.1.3.2 轮廓分支问题
• 4.1.4 轮廓线拼接重建的特点及结果
• 4.2 基于等值面的表面重建
• 4.2.1 体素模型
• 4.2.2 等值面
• 4.2.3 Marching Cubes 算法
• 4.2.3.1 体素中等值面的剖分方式的确定
• 4.2.3.2 求等值面与体素边界的交点
• 4.2.3.3 等值面的法向量计算
• 4.2.3.4 MC 算法抽取等值面的算法流程
• 4.2.3.5 MC 算法生成等值面连接的二义性
• 4.2.3.6 二义性的消除
• 4.2.4 MC 算法重建的特点及结果分析
• 4.2.5 两种面绘制方式的比较
• 4.3 体绘制
• 4.4 本章小结
• 第五章 网格合并算法的研究
• 5.1 网格合并算法分析
• 5.1.1 采样
• 5.1.2 自适应细分
• 5.1.3 顶点聚类
• 5.1.4 增量式删除
• 5.1.4.1 顶点删除
• 5.1.4.2 边折叠
• 5.1.4.3 半边折叠
• 5.2 基于离散曲率及几何误差的三角形折叠简化算法
• 5.2.1 离散曲率的计算
• 5.2.2 三角形的加权离散曲率
• 5.2.3 边折叠代价的计算
• 5.2.4 法向的连续性
• 5.2.5 边界点的处理
• 5.2.6 网格模型简化步骤
• 5.3 结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文