纹理合成技术及其在虚拟手术中的应用

论文摘要

虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用。虚拟手术仿真系统的开发应用不但可以为医生提供内窥镜手术的训练平台,还可以辅助真实的手术治疗。它的出现大大方便了内窥镜手术的推广和应用。因此,虚拟手术具有很好的研究价值和应用前景。实用的虚拟手术系统必须绘制出逼真的手术场景。要展现人体皮肤、各种组织器官和骨骼表面丰富的纹理细节,就需要综合运用纹理合成技术来进行纹理绘制。考虑到人体器官表面纹理的生理特殊性和几何形状复杂性,进行简单的纹理映射不能够满足系统需求。因此,对纹理合成技术进行改进和综合应用也是虚拟手术系统研发的重点内容之一。本文着眼提高虚拟手术系统中的纹理合成速度和合成质量两方面内容,分别对二维纹理合成技术和三维曲面纹理合成技术进行了研究和部分改进。主要内容如下:对二维纹理合成技术的理论基础进行了研究,提出了一种基于样图的逐点纹理合成算法。该算法能够计算识别样本的基本纹元,并自动选择最佳邻域进行二维纹理合成。在此基础上,作者设计了一个通用的图像处理和纹理合成软件Dipper,能够实现对医学纹理样本的快速、有效合成。对一种基于块的三维曲面纹理合成过程进行了改进,在这种算法的基础上,增加了网格简化和矢量场计算两个步骤,从而实现了快速有效的三维曲面纹理合成。采用这种方法不但能够有效消除曲面纹理合成中常见的纹理变形和接缝等问题,并且大大加快了曲面纹理的合成速度。最后,本文结合“虚拟膝关节镜手术系统”实例,设计了虚拟手术中的纹理贴图框架模型,并建立了纹理样本数据库。在系统开发过程中,使用这个纹理贴图框架,能够根据不同场景的不同需求,自由选择二维映射或三维曲面直接合成两种方法来绘制物体的纹理细节。这种混合的纹理贴图框架技术,不但为系统提供了更加逼真、一致的虚拟手术场景,而且加快了系统场景的更新速度,达到了虚拟手术系统的开发要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及课题意义
• 1.2 虚拟手术与纹理合成技术的发展研究现状
• 1.2.1 虚拟手术的发展研究现状
• 1.2.2 纹理的特点及其分类
• 1.2.3 纹理合成技术发展情况
• 1.2.4 虚拟手术中的纹理合成技术特点和要求
• 1.3 本文工作及章节安排
• 1.3.1 本文工作
• 1.3.2 章节安排
• 第二章 对二维纹理合成算法的改进
• 2.1 马尔可夫随机场模型
• 2.1.1 Markov随机场（MRF）
• 2.1.2 Gibbs随机场（GRF）
• 2.2 基于 MRF的纹理合成算法
• 2.2.1 像素点的邻域选择
• 2.2.2 纹理合成的算法实现
• 2.2.3 基于像素点的纹理合成典型算法
• 2.3 自动选取最佳邻域的算法实现
• 2.3.1 器官表面的纹理合成分析
• 2.3.2 最佳邻域尺寸选取
• 2.3.3 最佳邻域选择的算法实现
• 2.3.4 实验结果及分析
• 2.4 本章小节
• 第三章 对虚拟手术中曲面纹理合成过程的改进
• 3.1 曲面纹理合成技术的典型算法
• 3.1.1 Turk的曲面纹理合成算法
• 3.1.2 Wei的曲面纹理合成算法
• 3.2 虚拟手术中的曲面纹理合成面临的问题
• 3.3 虚拟手术中的曲面纹理合成过程的改进
• 3.3.1 算法概述
• 3.3.2 网格简化
• 3.3.3 三角网格分割重构
• 3.3.4 曲面表面参数化
• 3.3.5 矢量场生成
• 3.3.6 纹理合成过程
• 3.3.7 纹理边界融合
• 3.4 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 纹理合成技术在虚拟手术中的综合应用
• 4.1 系统开发环境和结构介绍
• 4.1.1 系统软硬件简介
• 4.1.2 系统框架结构
• 4.1.3 场景数据存储
• 4.2 虚拟手术中的纹理贴图框架
• 4.2.1 定义纹理类
• 4.2.2 获取样本纹理
• 4.2.3 建立样本纹理数据库
• 4.3 二维样本纹理合成软件Dipper开发
• 4.4 虚拟三维韧带纹理合成步骤及效果图
• 4.5 系统实例及效果图
• 4.5.1 系统人机界面
• 4.5.2 虚拟手术场景渲染实例
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果