（生物医学工程专业论文）生物器官模型数字化与纹理映射技术研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t a b s t r a c t d i g i t a lt e c h l o g yi so n eo ft h ea c t i v et o p i c si l lc u 饿斌鲫c ha l l di s 、】l r i d e l y u s e di nm a n yf i e l d s b e n e f i t e d 丘d m 圮r e s e a r c hp m g 佗s so f “d i 西t a lh 啪a n ，m e d i g i t a l3 d 啪d e l so f h u m 眦o r g 缸sb c c o m ee 船i e rt ob eo b t a i n e d b mr e s e a r c ho n 加舱 c o l o rt c 妣l l r em a p p 抽g m e s e | d n d so f3 dm o d e l s 、张s l d o mf o u n d 协p a p e 墙 0 t 1 1 e r 丽，t l l e r ea 佗am 船so f m o d i c a lt e h i i l gm o d e l si nm o s ts c h o o l sa 1 1 dh o s p i t a l s o f o u fc o 眦妇r y i t sv e q m e 肌i i l g f i l it od i 百t a it i l e m o d e i sa n dp u tt c x t i l r e so nt i l e i n ， w i l i c h 埘ub e n e 丘tt o 咖l t i m e d i a 僦t i i i l g ，d i s t a l l e d i l c a t i o n 孤ds e t t i n gu pv i m l a l s u r g e r yp l a t f o 姗f o ra _ b 0 v er e a s o n e s ，t h i st h e s i sm a i n l y 眦ho nd i g i t a l 锄d t c x t i l r em a p p i r 培t e c l l i l o l o g yo fo r g 觚m o d e l s ，m e c tw i mm ed e m a n d so ft l l et l l i r d d i m e 璐i r c n d e r i n g t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n b 觚da c h i e v e m e n 协a r ea r t i c u l a t c da sf o 儿o w s ： 1 t h ei n t e g r a t i o no fq e mt r i - m e s hs i m p u 矗c a t i o na l g o r i t h mo fm i t k a d e 印- r a n g i n gr e s e 盯c hw 嬲d eo nm n k 1 kd i 伍c u l t yo fd a t ae x c h 姐g eb e t w e d i 虢r e md a t ag m l c t i l r e sw 嬲s o l v c d 1 hm o d u l eo fm i t l ( q e m s i i i l p l m c a t i o n a l g o r i t i l i nw 嬲锄e g r a t e d t l l cs i m p l i f i c a t i o no ft r i - n l e s ho r g 锄m o d e l sw 嬲 a c c o m p l i s h c d 2 t b x t l i m 僧g i s t r a t i o nt e c h n o i o 影b a s e do no u u i n ea n d 他g i s t e 聆dt e x t i l m t h e 坞西s 雠a t i o nb yu s i n gt h eo m i i n ew 雒s t i l d i e di nt l l i sp a p e la m 础0 do fu s i i l gn l e 百s t e r e dt c x t i i i l lt c x t i l r er e g i s 仃a t i o nw 嬲p r o p o s c d t h ei n f o m l a t i o ns h o r t a g eo f 璐i i l gs i m p l yo i i t l i i l lr e g i s 仃a t i o nw 勰l i l a d eu p r e s e 鲫c ho no u t l i l l e f c a t u r e e x t r a c t i o nw 勰p f o g r e s s e d b y 砷d u c ct l l el 印l a c i 姐趴ds o b e lo p c 髓t 嘟，m e o u t l i n ef e a t i l r c 趾dt e x t l l 地f e a t i l r ee x t r a c t i o n 、嬲r c a i i 乃e d ah i m mc o m p 咖 i i l 把哪c t i v er e 西s 删o nw 勰s u c c e s s f i l ld o n ei na0 p e n g lb 瓣d 、，i s 珊d i z a t i o np i a t f o r n l t h e 卸t o m a t i cm e i l l o do f t c x 眦舀s m 越o nw 船s t l l d i e d 3 t e x t u 他m o 鼢i ct e c h n o i o g yb 嬲e do np a r t i a l 缸x t l i 聃m a p p i n 昏am l et 0 m o 鼢i ct h et c x t i l i m a g ew 鹬i n 仃1 ) d u c c d ，w h i c hc a nb ed e f i n e d 船t l l el i n eo fs i g h t m o s tp 叩e n d i c l l l 甜w i n lt h e 仃i m e s hi st h eb c s ts i l i t a b j et e x t u ；i tc a nm o s a i ca i l d 陀g i s t 盱at e ，【t i l i n 柚yd i f 。c t i o n t l 圮w h o l eo p 删o ni sv e 巧s i i i l p l ya n d 衔c n d l y ， 、v h 砒y o us ，w h a ly o ug a i n ，；as q u a m 砌c n tr e c i l r s i o na i g o t 1 1 mw 嬲p mf 0 州删 锄dr c a l i 盟di nt l l i sp l a t f b n n ；t h et e x t i l m s 硒s 锄b l yi n t 0o n et e x t u mw 勰r c a l i z e d ， 两北工业大学硕十学位论文a b s t r a c t 卸d 廿l et e x t i l r cc o o r d i n a t e sw e r ea u t o m a t i c a l l yo u l p u n e d 4 d e v d o p m e n to fb o v sb a s e do no p 锄g la n dc o r 他l a t 沁ne x p e r j m 钮t b 撇dm co b j e c t o r i e l l t e d p r o g m m m i n gm o u g h t ， a3 d b i o l o g i co r g 锄 、，i 刚i z a t i o ns 姆【e m ( b o v s ) b 嬲e do no p e n g l 、v a ss e tu pb yl l s i n g 圮p l a 响咖o f s l l a ls 砌i oc + + 2 0 0 3 n c t a p a n 舶mm ev i s l l a l i z a t i o n 胁c t i o i l s ，m c s hs i m p i i 觑 t e ) ( t t l r er e g i s 仃砒i o n 卸dt e x t i l r em o s i c aw e r ci m e 掣a t e d e x p e r i m e m a t i o no nm o d e l so f h e a n l i v e r s t o m a c hw e 佗d o n eu n d c rt l l i sp l a 仃o m ，t h ei m a g e sr c g i s t r a t i o n ，m o s a i c 锄do u t p mw e r c a t i z e 吐w i l i c hp r o v o dt h ea l g o r i t l l ma i l di t sf i l n c t i o n sw o r k e d 、e l l t o g e t h e r k e yw b r d s ：o r g 锄m o d e l s ， d i g “a l ，m i t kr e g i s 删o n m o s a i c ， t e x t u r em a p p i n g ，o p e n g l i 西北工业大学硕士学位论文第章绪论 1 1前言 第一章绪论 数字化( d i g i t a l ) 是指将信息用一种数字的形式描述，利用计算机来读、写、 存储以及进一步处理。在当今的信息化时代，在摩尔定律的准确预言下，高性能、 低价位的电脑、存储设备、数码相机等数字化产品越来越普及。这些条件促成数 字化技术广泛应用于医学、军事、航空、航天、汽车、地理、影视、古迹、遗产 保护等多个领域。 1 2数字化技术在医学领域的研究进展 在医学领域中一个重要的研究就是“数字化虚拟人”。它包含四个发展阶段， 即“虚拟可视人”、“虚拟物理人”、“虚拟生理人”和“虚拟智能人”。第一阶段 实际上是人体的形态结构，器官系统的数字化。美国最早在1 9 8 9 年提出“人体 可视化计划”( v i s i b l eh u m a l lp r o j e p ) 。1 9 9 6 年开始，美国橡树岭国家实验 室牵头酝酿“虚拟人创新计划”( 1 k m l a lh 姗觚p r o j e c ti n n i a t i v e ) 。美国华盛 顿大学于1 9 9 7 年发起“生理人计划”( 耽ep h y s i o m ep r o j o 吐) 。韩国在2 0 0 1 年宣 布完成“可视韩国人计划”( v i s i b i ek o r e ah 哪毗v k 娜的数据切片采集及可视化 软件平台工作。2 0 0 1 年我国在香山科学会议提出“虚拟中国人”。2 0 0 3 年，由第 军医大学钟士镇【2 1 院士领导的“虚拟中国人”( 、，j r n l a 】c l l i 鹏h u m a n ，v c h ) 和 第三军医大学张绍祥【3 】教授领导的“中国数字可视化人”( d i 西t a lc h j n e 辩、，i s i b l e h 岫趾，c v h ) 数据采集相继完成，使我国成为世间上第三个拥有自己的“数字 化人”数据集的国家【2 叫。 利用这些人体数据集，科学家们已经完成了不同解剖级别的器官、组织分割， 通过计算机重构出“可视化人”并建立了完整的人体解剖结构模型数据库。“虚 拟可视人”范畴的数字化人已经比较成熟。如华盛顿大学开发的计算机人体模拟 系统、哈佛大学开发的全脑图谱以及外科手术规划、斯坦福大学开发的虚拟内窥 镜系统、汉堡大学开发的v o x c l - m 肌【5 卅系统。我国的香港大学、北京同仁医院、 复旦大学、清华大学等众多科研、教学、医疗单位利用我们的数字人体数据集， 1 西北工业大学硕士学付论文 第一章绪论 共同协作，开发了多种应用软件【2 3 】。 通过利用其他采集方式获得的数据集，对人体局部进行数字化技术的研究也 很多，这种应用多数为临床应用领域。其中一类是对骨质部分的三维重建。如对 牙齿的三维重建、对颅颌面的三维重建【7 】、对关节的三维重建、对颅骨的三维重 建，有的还在重建的基础上进行有限元分析和力学仿真。另一大类就是对可进行 虚拟手术导航的各种虚拟内窥镜系统的研究。 另有一种研究较多的是对人脸的数字化和表情模拟或整个人体的数字化与 动作模拟，这种应用多见于影视创作和游戏创作。 1 3相关技术研究 1 3 1 可视化技术 可视化技术喁叫是数字化技术中最为基础的技术之一，是一种将数字化信息 展示出来的过程。在医学上，体视化可以让医生更直观地观察到患者内部的病灶 情况，具有重要意义。 医学领域的数字化数据主要为一种序列切片数据，如c t 、m 、p e t 等断 层成像的切片数据。在“可视化人”的相关课题中，还通常将人体标本冷冻后用 铣切的方式一层一层切割标本，再用专用数码像机获得高清晰彩色照片。 这类基于序列切片的三维可视化绘制算法主要分为两大类：体绘制f v o l u m e r e i l d 如g ) 和面绘制( s u 描i c er e n d e r i i l g ) 。 直接体绘制以m a f cl e v o y 【l 叫l 】的光线投射法为代表，其最大特点是保留和 利用了序列图像中的所有图像信息，可以对任何位置进行准确的绘制，但其渲染 速度慢一直是影响其性能的瓶颈。 在面绘制方法中，1 9 8 7 年i 栅湖【1 2 】等人提出m a r c h i n gc u b e s ( 移动立方体 法) 即通常所说的m c 法。m c 方法是一个非常有效的面构造方法，它在体素级 上用三角面片拟合物体表面，回避了轮廓拼接方法中不确定的轮廓对应问题，可 以稳定地重建出物体的表面。该方法堪称是体视化中的一个杰作，直至今天该方 法仍被广泛地使用。至今仍有很多论文在考虑实现对上述两种方法的改进算法。 基于面绘制技术的三维表面重建( 3 ds u 嘞c er e c o i l s 咖c t i o n ) 需要构造出等值 面，而这种构造等值面的过程就是图像分割。分割的好坏直接决定了重建的效果。 因此，基于序列图像的表面重建的难点主要体现在图像分割上。当分割完成后， 便可重建出表面三角网格。 2 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 2 三角网格 1 3 2 1 三角形特性 三角网格是一系列满足一定拓扑关系的三角形组成的网格。由于三角形有很 好的拓扑稳定性，在空间作任何变换均能保证其三顶点共面。这对计算机渲染来 说特别有利，而多边形在经过变换后可能变得不共面，容易出现无法渲染的情况。 因此，三角形被广泛用于描绘任意复杂的空间曲面。 1 3 2 2 三角网格定义 一个三角网格【1 3 1 影可以形式上表示为 露k 珍，其中；x 是一个单纯复型 御啤，f 埘耐c b 删，它描述点、边以及三角形之间的连接关系，从而确定了网 格的拓扑关系。净 v ，坨，h ，v f r ，是点位置的集合，它定义了网格的几何 形状，空间三角网格m = 3 ，平面三角网格m = 2 。 一个三角网格的单纯复型k = k ( v e n i c c s ，e d g e s ，仃i a i l g l e s ) 由三个集合构成。这 三个集合是：o 维单形( s i m p l e x ) i ) k 的集合，称为点集合( v e n i c e s ) ；1 维单形 ( 巧) k 的集合，称为边集合( c d g c s ) ：以及2 维单形 o b j e c t 纹理映射技术可以将自然界中所见的景物或细节特征通过一种映射变换，使 我们的三维表面看起来更加真实。正是得益于这种技术，使得我们的计算机虚拟 世界变得像自然界一样的丰富多彩。 0 p 叨g l l l 9 删( 0 p o r a p i l i c sl i b r a r y ) 是近几年发展起来的一个性能卓越的三 维图形标准，它源于美国s g i 公司图形工作站开发的i l i sg l ，在跨平台移植过 程中发展成为0 p e n g l 。 图1 - 30 p e 玎g l 在- i n d o 冒s 平台上的体系结构 图 诵 魏辆溅 溺 s g i 在1 9 9 2 年7 月发布o p e n g l1 o 版，后来成为工业标准。最新版本为2 1 版，2 0 0 6 年8 月发布。0 l 煳g l 作为一个性能优越的图形应用程序设计界面( a p i ) ， 具有广泛的可移植性，它独立于硬件系统，操作系统和窗口系统。 西北1 = 业大学硕士学位论文第一章绪论 0 p g l 是一个与平台无关的三维图形接口，操作系统必须提供像素格式管 理和渲染环境管理。o p c n g l 的体系结构如图1 3 所示。其在w i n d o w s 上的实现 是基于c l i e 州s e r v 盯模式的，应用程序发出o p e n g l 命令，由动态链接库 o p e n g l 3 2 d u 接受和打包后发送到服务器端的w i n s r v 叫，然后由它通过的d d i 层发往视频显示驱动程序。 o p e i l g l 中，三维物体的顶点数据和像素数据最终能在银屏上渲染需经历如 图1 4 所示的渲染流水线刚。几何数据( 顶点、直线和多边形) 经求值程序、顶 点操作和图元装配进入光栅化步骤；像素数据则经像素操作、纹理装配进入光栅 化步骤：最后经片元操作进入帧缓存。帧缓存的数据也可被读取为新的像素数据。 通过显示列表，可将相关操作预先处理，从而加快渲染速度。 在o p c n g l 环境下，通过旋转、平移、缩放、设置投影方式和观察方式，可 以很好的模拟人观察景物的情景。同时还可进行纹理映射、光照、雾等高级操作。 正是由于0 p e n g l 具有如此优越的性能，我们关于生物器官模型数字化与纹理映 射技术的相关研究将应用o p c n g l 来编程实现和验证。 图1 4 0 p e n g l 的渲染流水线 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4论文主要研究内容与意义 综合以上相关内容的研究，在医学领域，通过三维切片数据获取器官【2 1 捌 的表面模型已经有了相对成熟的技术。通过对切片数据分割，已经获得了器官的 三维表面模型。但在器官模型上增加纹理，进行真实感渲染，建立具有真实纹理 的器官模型库方面的研究相对较少。另一方面，目前全国许多学校、医院在医学 教学上拥有大量的教具模型，并仍然使用着这些教学模型进行教学。在多媒体教 学田洲上，缺少具有真实感的数字化三维模型教具。 因此，基于学术研究和实际应用考虑，我们研究将医学器官模型数字化，并 利用纹理映射技术体现其真实感。本文的主要研究内容是：用一种合理的数据采 集方法，尽快获得器官模型的三角网格模型；在此基础上开发一个可视化平台， 实现器官模型的可视化；进一步研究对器官模型增加纹理的方法，最终实现器官 模型的真实感渲染。 1 5 论文的章节安排 第一章绪论 介绍数字化技术在生物医学工程方面的应用情况；探讨本领域的相关技术； 论文的研究内容以及章节安排。 第二章生物器官模型的数据获取与处理 介绍常用的数据采集方法；利用实验室现有的设备完成三个典型脏器心 脏、肝脏和胃脏的三维数据采集；并研究基于m i t k 的三角网格简化算法；完成 模型的纹理采集工作。 第三章基于轮廓线与纹理特征的纹理配准技术研究 本章对基于轮廓线与已有纹理的纹理配准技术进行了较深的研究，对轮廓线 特征与纹理特征的提取进行了深入研究，实现了人机交互式配准，并对自动配准 技术进行了系统研究。 第四章基于分块映射的纹理图像拼接技术研究 本章的主要研究内容有： a ) 研究并实现一种利用三角面片与视线的夹角余弦进行多片可选纹理的最 优判定方法； 。 b ) 研究并实现三维模型的多片纹理的所见即所得的友好拼接技术； c ) 研究并实现对纹理图像的计算及纹理坐标的自动生成： d ) 研究纹理接缝的修正技术； 7 西北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 e ) 提出并实现一种纹理序列的自动组装算法，并实现纹理坐标自动生成。 第五章基于o p g l 的b o v s 原型系统开发与实验验证 对b o v s 的功能模块和数据结构进行了介绍，通过完成器官模型的纹理映 射，对前些章节的主要功能和相关算法进行实验验证。 第六章结论与展望 对本文的研究内容与研究成果进行总结，对本文的不足之处进行探讨并提出 下一步工作的展望。 1 。6本章小结 本章对生物医学工程领域的数字化技术的发展情况作了全面的综述，对相关 背景知识作了全面介绍，并在此基础上提出自己的研究内容与研究目的。最后 对后面的章节安排作了简单介绍。 西北工业大学硕+ 学位论文第二章生物器官模璎的数据获取与处理 第二章生物器官模型的数据获取与处理 2 1前言 数据获取是数字化技术最为基础的一环。数据获取是将模拟量变成数字量的 一个过程。对于我们器官模型表面数据的测量，即是获得模型的三维坐标信息。 尽管从理论上可以获得任意点的数据，但实际中，我们只能用有限点的数据进行 逼近。测量的数据点越多，则逼近程度越高，数字化模型与现实模型的误差也就 越小。但我们在增加测量点的同时也增加了数字化系统处理的复杂度。因此，我 们需要在测量点数量与实际应用环境做一个适当的平衡。 本章的生物器官模型的数据获取是通过采集设备获得模型表面的点云数据， 并将其三角化，得到器官模型的三角网格表面模型。其数据处理主要是对三角网 格进行简化与光顺。以满足应用中的实际需求。因此，本章主要对常用的数据测 量方式、测量原理、测量过程、点云的三角化、三角网格的简化以及三角网格的 光顺等方面展开一定的研究。 2 2常用数据采集方式 数据采集工作是数字化技术的第一步。随着科技的进步，获取待测物体的方 法越来越多，变孚导越来越便捷。常用的数据采集方法可分为接触式和非接触式两 大类方法【l 卅【2 5 】，如图2 1 所示。接触式测量主要有三坐标测量机( 简称c m ) ； 根据测量原理的不同，非接触式测量大致分光学测量、超声波测量、电磁波测量 以及层析x 射线摄影方法( c o 啤，砒，而肼馏印颤简称c d 等。 三坐标测量机测量速度较慢，无法测量测头不能触及的表面，对被测表面性 质也具有一定的要求，不能测量软质材料或超薄物体。其最大优点是成本低，测 量精度高。光学数据采集方法应用广泛，如三角形法、测距法、结构光法、图像 分析法等。采用激光作为光源的三角形法已经走向实用阶段，它是利用光源、物 体表面反射点、成像点之间的三角关系计算出表面反射点的空间位置。结构光法 是正在兴起的一种三维表面测量方法，它的原理是将具有一定模式的光源，如栅 状光条投射到物体表面，然后用两个摄像头获取不同角度的图像，通过图像处理 9 两北工业大学硕+ 学仿论文第二章生物器官模型的数据获取与处理 图2 1 常用测量方式分类 l o 西北工业大学硕士学位论文第二章生物器官模型的数据获取与处理 的方法得到整幅图像上像素的三维坐标。这种方法不仅具有速度快、测量灵活( 无 需运动平台) 的特点，对被测物体的材质和形状也没有特殊限制，更不需要选择 能描述型面特征的特征线，而可以一次或多次从不同的方向对测量对象的整体或 局部进行大量密集采样。随着图像处理以及机器视觉研究的发展，通过图像分析 进行数据采集已近得到了越来越多的关注，这种数据获取方法同结构光法类似， 需要对不同角度获得的图像进行分析，不同的是图像的获取不依赖于栅状投影。 采用电磁学原理进行测量的工具如c t 、i c t 、m r j 的最大特点是能测量物体的 内部数据，精度较高，但价格也非常昂贵。 2 3器官模型数据采集 对于本次论文所需的器官模型，我们选择三个比较有代表性的器官p d 脏、 肝脏、胃) 进行测量。这三个模型大小比较合适，纹理也比较丰富，便于实验验 证。图2 2 是已经贴好标志点并准备测量的实物照片。 图2 - 2 贴好标记点的待测器官模型 图2 3a t o s 光栅式扫描测量机 我们用的数据采集工具为a t o s l ”j 口删光栅扫描测量系统，是我们实验室新购 置的一套基于结构光的非接触式测量设备，如图2 3 所示。它是德国g o m 公 司开发生产的一种可应用于产品开发、逆向工程、快速成型和质量控制的三维 扫描测量设备，具有测量范围大、扫描速度快、无需运动平台、受环境影响小、 性能稳定、携带方便和易于操作等优点。 a t o s 三维光栅扫描仪的硬件部分是一种带有两个c c d ( c h a r g ec o u p l e d d c v i c e ) 摄像机和一个中央投影单元的光学三维扫描仪。它的中央投影单元部分 配备了一个白色的投射灯泡和一个可规则滑动的复杂光栅。a t o s 扫描仪的传感 t l i 西北t 业大学硕士学位论文第二章生物器官模型的数据获取与处理 器被固定在一个三脚架上，并可很方便多方向转动，并通过数据线缆与之配备 的高性能计算机相连。由其配套软件g e o m a g i cs t i l d i o 采集数字图像信息。测量 时，投射灯将规则变化的平行光栅投影到被测工件表面，产生光栅条纹，左右 两个c c d 镜头分别将物体表面的光栅条纹的记录下来，并传送到计算机，经过 计算处理以后求得被测物体表面的三维空间坐标。 由于a t o s 系统的数据采集工作很大程度上由两个c c d 捕获的光栅图像质量 决定。因此，高分辨率的c c d 和能否快速获取准确的图像成为影响测量精度的 重要原因。 利用a t o s 测量前，需要做如下准备工作： 1 ) 对扫描仪进行软硬件的标定，调整好各种测量参数。a t o s 系统提供有一块 标准的标定板，其中心处为g o m 标志，四周均布有中心为白色外裹黑色同心 圆环的阵列点，可通过标定向导分步完成。 2 ) 表面过于光滑的被测物体还需要对待测物体表面喷上粉末，使之能产生漫 反射。同时，若被测物体表面颜色过于丰富，也将影响图像中的有用信息。 3 1 在被测物体表面贴上标记点。标记点是尺寸均匀的标准点。其中间为白色 圆点，周围为黑色圆环。其标记点的大小由被测物体与c c d 的距离查表求得。 标记点最好贴牢在平面上，贴在曲面上的标记点很难被系统识别，成为无效的 标记点，失去标记意义。 测量时，首次测量应选择一个合适的角度，将物体中心在c c d 发出的两个 红色光点附近，使得能读取到较多的表面数据，并至少保证读入四个以上的标 记点。由于一次测量只能获得一个角度范围内的表面数据，我们需要对被测物 体旋转一定的角度，进行多次测量，每次测量过程中必需保证有三个以上的标 记点能被两个有一定的夹角的c c d 同时获得。其中至少有三个是以被系统识辨 的“老点”，其在软件界面中以绿色显示。能识辨的“新点”则以红色显示。因 此，如何选择下次测量的放置位置，也是很有技巧的。在测量过程中，待测物 体应保证相对静止，使采集的图像精确有效。否则，测量系统将无法求出三维 坐标，或者使得测量误差偏大，造成测量失败或失效。 当所有方向的测量均告完成时，系统会对点云三角化，生成三角网格。我们 需要将冗余的测量信息剔除。在导出m e s h 时，会自动将连在一起的m e s h 分成 很多组，数据量最大的一组m e s h 通常为我们所需要的数据，其他的可根据需 要选择删除。对边界处的网格可通过交互式编辑来完成。 测量过程中难免有些地方很难测到或无法测到。所有的标记点处会形成孔 洞。而在有些曲率变化较大的棱尖处或凹槽处很难保证能有三个己被识辨的参 西北工业大学硕士学位论文第二章生物器官模型的数据获取与处理 考点被c c d 获得，或者被测物体表面很难被两个c c d 照射到，将使得这些地 方数据空缺，这都需要对网格进行修补。由于参考点较小，而且是贴在近似平 面范围内，系统能很好的进行网格修复。对其它地方的修补工作则相对要困难。 尽管g c 0 m a g i cs t u d i o 能较好的对很多平滑的曲面处完成孔洞的修补，但有时仍 需在其他的平台下完成。 2 4 测量数据导出 当以上操作均告完成，我们就可以导出测量结果，满足各自不同的需求了。 g e o m a 西cs t i l d i o 支持多种格式文件的输出。我们选择输出s t l 文件和p l y 文 件。这两种文件格式均有a s c n 和b i m r y 两种类型。现对s t l 文件稍作介绍。 s t l ( s t e r l i m o 掣a p i i y ) 格式的文件是由3 ds y s t e m s 公司开发出来，它采用 三角面片来表示三维实体模型，现已成为c 雠a m 系统间进行数据交换的标 准接口之一。绝大多数造型系统均支持此类文件，特别是在快速原型制造系统 内，它更是得到广泛使用。 ，在二进制的s 1 乙文件中，前8 0 个字节存储零件名，接着4 个字节存储三角 形面片的个数，然后存放每一个三角形面片的信息。每一个三角形面片的信息 占用5 0 个字节，它们依次是：( 1 ) 三角面片法向量，占有1 2 个字节，每一个坐 标分量占有4 个字节( n o a t 类型) ；( 2 ) 三个顶点的坐标，占有3 6 个字节，每一个 坐标分量占有4 个字节( n o a t 类型) ；( 3 ) 属性项，占有2 个字节。二进制s t l 文 件所占空间小，尤其是复杂零件的二进制s t l 文件容量约为a s c i i 格式的l 6 。 s t l 的a s c 格式文件结构如下： i i d 【零件名】 臼c c tn o n a ln x ，n y n z o 咖l o o p v e n e x 朋x ，w y ，阳：( 顶点坐标v 1 ) v e n e x 眩。，p ，2 p ，2 z，( 顶点坐标v 2 ) m x 玎。，聆y ，刀。( 顶点坐标v 3 ) e n d l o o p e n d f h c e t e n d l i d 【零件名】 p 【，y 则是s t a r i f b r d 大学的一种扫描测量文件标准，适合用于可视化平台中。 在数字米开朗基罗工程d 0 1 中广泛应用。其它的一些通用的三维模型格式，如 1 3 西北1 二业大学硕十学付论文第二章生物器官模犁的数据获取与处理 + o b j ，+ w r l ，+ i g s 等，有数十种之多，所幸匈牙利人z o l t 缸k 矗r p 矗：t i 【3 1 1 发布 了一个共享软件3 do b j e c tc o n v c r t c r ，最新版本为v 3 8 0 ，于2 0 0 6 年8 月发布， 使得大部分文件格式可以相互转化。 2 5三角网格模型简化 根据测量数据构建的三角网格含有三角形的数量非常大，网格简化( 脓曲 所厅驴，步，f 0 功的目的是减少模型中三角形的数量，得到一个三角形数量相对少的 稀疏网格，同时要保证稀疏网格尽可能的逼近原始网格。三角网格简化可以提高 渲染( r p 删速度，提高模型在互联网上的传输速度，因此得到了广泛的研究和 应用。 2 5 ，1 三角网格简化方法研究 近年来，三角网格简化算法取得了一定的成果，目前多数网格简化算法以边 收缩( 弦c o 阮筘p ) 为其基本操作。以边收缩为基本操作的网格简化算法的优点 主要在于1 ) 简单易用，算法仅使用边收缩操作；2 ) 效率高，算法中所有的计算 都可以是局部的；3 ) 精度高，得到的稀疏网格同原始网格之间的误差小；4 ) 方 便构建多分辨率模型，边收缩操作的逆过程点分裂( 跆r 触却可以很方便的被 记录，利用边收缩操作构建渐进网格( p m g 彤f f f w 朋曲 ) 也成为多分辨率网格模型 构建的重要方法之一。 边收缩 r - ( a ) 边收缩前( ”边收缩后 图2 - 4 三角网格简化的边收缩过程 基于边收缩的网格简化方法包括5 个主要步骤：1 ) 计算每个点的误差度量 函数；2 ) 选择网格简化的有效边；3 ) 为每一个有效边计算误差度量函数以及收 缩目标点，误差函数的值作为该有效边的权；4 ) 以有效边的权为键值，构建一 个最小堆；5 ) 迭代的从最小堆中取出权最小的边，进行边收缩操作，同时更新 最小堆中同该次边收缩相关边的权。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章生物器官模型的数据获取与处理 网格简化过程中需要考虑的两个主要问题是：1 ) 边收缩操作后，收缩目标 点 s ) 的位置：2 ) 边收缩的顺序。通常情况下，为每个边 s ，f 定义一个度量函数 c 叫( v ) ，通过该度量函数即可决定收缩点的位置以及边收缩的顺序。收缩点位置 通过最小化c 叫( v ) 计算，此时取c “( v ) 的最小值作为每个边的权值，边收缩的 顺序根据权值大小确定，权值小的边优先。 2 5 2 删三角网格简化算法 度量函数的定义有多种不同的方法，在这些方法中，平方误差度量( 删 。比砌妇五p ，d ， 庇打缸) 方法以其快速高效，内存消耗少而得到了广泛的研究和应 用。q j 融，方法由6 缸砌明提出，后经脚1 3 3 】改进使该方法可以进一步处理 属性信息。该方法的基本思想是通过空间点到平面距离的平方和来描述误差，采 用距离的平方求收缩点的过程相对简单，仅需求解一个三阶线性方程组。 对由法矢露以及其上一点p 定义的平面，定义距离函数： c 7 0 ) = ，4 ，v + 2 6 ，1 + p ，( 2 1 ) 其中p 7 ，= 一栉7 p ，爿7 = 朋7 ，6 7 = 砌。该函数定义了一个空间点v ：矿到 由法矢矗以及点p 定义的平面，距离的平方。对三角网格上任一点 m 定义函数： c 9 ( v ) = c 7 ( v ) ( 2 - 2 ) ， j 该函数描述了空间点1 ，e 足到网格点p 各邻接面距离的平方和。对三角网格上的 任一条边伍， ，其平方误差度量函数c ( v ) 定义如下： c ( v ) = c b o ) + c p ( v ) ( 2 - 3 ) 将公式2 1 ，公式2 2 代入公式2 3 ，可得： c p ，( v ) = 1 ，7 4 v + 2 6 v + d 其中彳= 爿7 ，6 =6 7 ，d =d 7 ( ，【5 1 ) “，球 )( ，l j 卜，p ” ， 5 4 f l ， 边收缩后，目标点扣 的位置峙是使误差度量函数c 吖( d 最小时v 的值， c 耵( v ) 的极小值问题相当于梯度v c o 飞v ) = 2 4 v + 2 6 = o 时的v 值，等价于一个 线性方程组 彳，= 而 c 一5 ) 5 两北工业大学硕十学位论文第二章生物器官模弛的数据获取与处理 边收缩目标点的位置根据公式2 - 5 计算，将目标点代入误差度量函数( 公式 2 棚可得到有效边的权值。计算收缩目标点时，公式2 5 可能无解，此时可以选 取两个端点或者有效边中误差最小的一个作为收缩点位置并计算相应的权值。 2 5 3 基于脓的删三角网格简化实现 m i t k i 弭 1 ( m e d i c a li l i l a g i n g1 的l 尉t ) 是由中国科学院自动化研究所医学影像 处理研究组开发的一个优秀的医学影像算法平台，主要包括医学影像的分割、医 学影像的配准以及三维可视化三大研究领域，包含了医学影像领域中常用的成熟 算法。它继承了开源软件l t k ( i n s i g h ts e g m e n t a t i o na n dr e g i s 仃a t i o nt o o i k i t ) 1 3 6 1 、 v t k ( s u a l i z a t i o n1 砷l k i t ) 37 】的优秀思想，并将其两者很好的结合在一起。由于 1 1 k 专做图像分割而v t k 专做可视化，因此实际应用中往往需要采用i t k + v t k 的模式，但i t k 和v t k 的编程风格完全不一样，也就增加了系统集成的难度。 而m i t k 将配准、分割与可视化集成在同一平台下，弥补了这一缺陷。m i t k 可 在w i n d o 啪平台下很好的运行，同时也支持u i l i x ，l i n u x 操作系统。基于对m i t k 的了解与研究，我们的q e m 三角网格简化算法采用了t k 中的 m i 墩q e m s i m p l i 丘c a t i o n 算法器。 在m 1 1 k 中，m 他q e m s i m p l i f i c a t i o n 跚【3 8 。9 l 类的继承关系如图2 5 所示，其 内部调用的相互关系如图2 6 所示。 m i f k o b j e c t t m i t k p r o c e 踮。协e c | t m n k f m e r t m i t k a 重e s 艟b m e s h f l t e r f m i t ( n 记n g l e m e s h s t m p t 承c n t i o n 1 m t 硷e m & 什l p l 诉c n l i o n 图2 - 5m i t k q e m s i m p l i a t i o n 的类继承关系 两北工业大学硕士学位论文 第二章生物器官模犁的数据获取与处理 图2 6 珊f f 蚴e m 研彬p 喱疗哺鲫的内部组织结构图 关于对导入n l i t l 【q e m s i n l p l i f i c a t i o n o 具体的实现过程，比较复杂，不便在此 多叙，可参阅资料【3 4 】【3 8 3 9 】。其难点主要在于我们的数据结构与m 1 1 k 封装的 不同，需要解决两者间的数据交换问题，如图2 - 7 所示。 图2 7m f f 蚴e z 爨m p f 必c 耐泐l 简化算法的数据交换 1 7 两北工业大学硕十学位论文第二章生物器官模犁的数据获取与处理 2 5 4q 肼三角网格简化结果 分别对前述测量器官的三角网格模型进行了简化试验，结果如图2 8 所示。 ( a ) 原始心网格( 4 8 3 ，9 7 6 缸船) ( c ) 原始肝网格( 1 0 l ，1 4 6 f a s ) ( e ) 原始胃网格( 1 1 4 ，2 8 2 协c e s ) ( a ) 简化后( 5 ，0 0 0 ( d ) 简化后( 5 ，0 0 0f a c e s ) ( o 简化后( 1 ，0 0 06 雠s ) 图2 - 3 器官模型q e m 羁格简化 - 1 8 西北工业大学硕十学位论文 第二章生物器官模型的数据获取与处理 2 6纹理数据采集 随着数字化技术的进步，数码产品已经走进了千家万户，获得清晰的纹理数 据变得非常容易。我们的器官模型的数据采集工作主要是通过数码相机拍照采 集的。其特点是对纹理采集的位置并无特别的要求，也不需要进行标记定位， 只需在各个方向采集到所有的侧面即可。其纹理配准方法将在第三章详细阐述。 我们用c 雒i o e x - z 4 0 和c 觚o n p o w 盯s h o t a - 4 0 0 分别对心脏、肝脏和胃在多 个角度测了两组纹理数据，相关参数见表2 1 ，部分纹理见图2 9 。 表2 - l 相机的相关参数 相机型号实际焦距对应3 5 舢相机图像大小图像数 组lc a s i oe x - z 4 05 8 1 7 43 5 1 0 5 姗2 3 0 4 1 7 2 8 7 4 组2 p o w e r s h o t a 4 0 05 9 l 1 3 1 34 5 1 0 0 m m2 0 4 8 1 5 3 66 8 2 7相机视角的确定 图2 9 部分纹理数据 为了保证纹理的正确匹配，我们需要确定拍摄时相机的视角。这是一个与相 机本身有关的参数。为获得摄像机的内部参数。很多对图像数据要求比较精确 场合均需要对相机进行精确的标定，如利用单目或双目视觉原理进行测量的系 统。这种精确的标定都是比较麻烦的，需要依靠专用的标定工具来完成。相对 而言，我们并不需要如此精确的获得相机的其他内部参数，只需考虑相机的视 角，而像机的视角也是比较好确定的。 最直接的一种做法是，测量相机正前方一墙面，墙面上需要有刻度线或标记 点。测得物体与相机的距离，根据照片中对应的刻度线求得其实际高度，通过 1 9 西北工业大学硕十学位论文第二章生物器官模型的数据获取与处理 求反正切函数，可算出视角。当然也可刚好拍下一已知高度的物体。不过，对 于普通的非单反相机而言，其取景器中看到的物体往往和实际拍摄出来的照片 有一定偏差。需要多次尝试才能保证刚好使物体在高度上填满整个图像。 另一种方法是通过相机提供的的其他参数来确定拍摄视角。为此，先简述一 下关于相机的一些专业术语。 通常，在数码相机的参数说明中有一个难懂的专业术语：“相当于3 5 m m 相 机( 1 3 5 相机) 的”。这是因为，在最初的相机都是靠胶片来成像。3 5 m m 胶片的尺寸是3 6 2 4 i 锄，是以前普通相机所用的最为普及的一种胶卷。对于 数码相机来说，其感光元件变成了c c d ，通常c c d 的实际尺寸比3 5 m m 胶片 的尺寸要小很多，而且不同型号的相机可能采用不同大小的c c d ，因此相机的 实际焦距难以反映不同像机的差异，这样就需要用一个通用的标准来衡量成像 时的视角。由于3 5