论文摘要
近年来出现的锥束CT（Cone Beam Computed Tomography, CBCT）作为一种新型的高分辨率三维透视成像技术,极大地拓展了人类无损获取物体内部信息的能力,已广泛应用于医学、考古、工业无损检测、逆向工程等多个领域。在锥束CT的实际应用中,通常需要在三维成像的基础上将图像中的感兴趣目标快速、准确地分割出来,以用于后续的测量、分析、重构和渲染。作为提高三维成像系统使用效能的关键因素之一,图像分割技术已成为面向各类应用的研究热点。受CT成像系统产生的各类噪声和伪影等因素的影响,自动的图像分割方法通常只能在特定环境下取得较好的效果,适应性差,复杂度高,难以满足实际应用的需求；交互式分割方法在图像分割中引入用户对图像感兴趣目标区域的判断,用户通过对图像分割过程进行引导,可以得到更加准确的分割结果。目前三维图像交互式分割技术的研究主要集中在如何依据三维图像数据特性,充分利用用户的反馈信息,提高三维图像交互式分割方法的实时性和准确性。本文深入分析锥束CT获取的三维图像数据特性,针对数据量大、噪声干扰严重、成像目标复杂等问题,在抑制三维图像目标形态噪声的基础上,结合三维图像中目标的纹理信息和局部特征的相似性,研究针对锥束CT三维图像的交互式分割方法,并设计实现直观易用的用户交互方式,主要创新性工作如下：1.为抑制三维图像噪声对图像分割的影响,构建了一种新的体积形态学处理方法,在抑制噪声的同时,保持图像中目标的三维形态结构细节。该方法从三维空间考虑物体的形态结构,结合体数据的灰度和连通区域的体积两方面信息,构建体积开和体积闭两种基本的非线性算子,在体数据的灰度分解与合并基础上,进行三维空间中的二值形态运算。针对影响体积形态学处理计算效率的瓶颈步骤,提出了基于BitPlane的灰度分解和连通区域复用的改进方法。实验结果表明,该方法在平滑三维区域边界毛刺、填充三维孔洞的同时,有效保护了感兴趣区域的基本形状和细节信息,计算效率高,为后续图像分割提供良好的数据基础。2.针对传统交互式分割方法GrowCut逐体素更新状态造成计算效率低的问题,结合CT图像的三维纹理特性和局部灰度分布,提出了一种基于超体素纹理特征的快速三维图像交互式分割方法。该方法通过SLIC方法将三维图像预分割为一系列超体素以降低运算数据量,在超体素三维图像基础上进行元胞自动机迭代分割,在迭代过程中引入元胞在纹理特征、灰度上的整体分布信息,并动态调整元胞间相似性的度量方法,在提高元胞自动机迭代过程计算效率的同时,防止分割结果陷入局部区域最优。实验结果表明,本文方法能够提高交互式分割的速度,并获得可靠的分割结果。3.针对三维图像数据量大,用户交互繁琐的问题,基于三维图像中局部特征的相似性,充分利用用户的反馈信息,提出了一种基于相似局部特征的三维图像交互式分割方法。在三维空间中对具有相似局部特征的图像区域进行图像分割时,在引入用户标记时也应具有相似性,本方法依据该特点,利用BRISK描述子表示图像局部结构信息和度量相邻切片图像间的相似性,以此为基础利用光流场方法估计三维局部特征的速度场,将用户有限的标记按照速度场方向自动扩展到三维空间具有相似特征的区域,并更新图像分割的结果。实验结果表明,本文方法能够有效减少用户标记,降低交互繁琐程度,同时能够准确地分割出感兴趣区域。4.针对三维图像标记过程复杂、交互响应时间长,用户难以掌握已标记区域整体情况的问题,设计了分割结果预览及标记区域信息统计功能,利于用户对标记区域迅速调整,提高分割成功率。根据交互式分割的应用需求设计了一个新的三维图像交互式分割软件平台,该平台基于模型-视图-控制器的软件框架模式,融合了锥束CT三维图像处理方法和交互式分割方法,具有较好的跨平台可移植性和动态可扩展能力,并利用多线程处理技术提高了软件界面的响应能力,有效提高了交互平台的友好性。