基于可變形模型的輪廓提取與表面重建.pdf

1、輪廓提取與表面重建是計算機視覺中的重要研究課題，其在虛擬現(xiàn)實、自控車輛、機器人環(huán)境分析、監(jiān)控系統(tǒng)中的物體跟蹤與識別、生物醫(yī)學圖像處理、工業(yè)在線自動檢測、形狀反求等方面有著廣泛的應用前景。基于斷層數(shù)據(jù)的三維重建是通過提取被測物體的截面輪廓曲線以實現(xiàn)被測對象的三維反求和重構的一種測量方法，是目前國內外研究的熱點。根據(jù)斷層圖像提取的實體輪廓可以通過表面重建得到物體的CAD模型，或直接應用于快速成形系統(tǒng)。在此過程中，從斷層測量圖像中提取實體輪廓

2、是關鍵的一步。 近年來，將物理原理引入物體的形狀恢復吸引了學者們的研究興趣，基于可變形模型的輪廓提取與表面重建就是其中的一類。可變形模型可視為在內力和外力作用下的能量極小化樣條模型，內力來自幾何模型，約束它的形狀；外力來自圖像特征，引導它的行為，將其吸引至圖像特征處?？勺冃文Ｐ偷奶岢鼋o傳統(tǒng)的計算機視覺理論及應用研究帶來了新的觀點和思維方式，已經(jīng)被越來越多的研究者成功地應用于圖像分割、運動跟蹤、3D重建、立體匹配等許多領域，并已發(fā)

3、展成為計算機視覺與模式識別中最為活躍和成功的研究領域之一。 因此，基于可變形模型的斷層圖像輪廓提取與表面重建研究，在科學研究及工程應用中有著重要的意義。本論文主要針對醫(yī)學斷層圖像的輪廓提取與表面重建，重點對B樣條可變形模型進行了研究。本文在系統(tǒng)地分析了國內外關于可變形模型理論與應用研究的基礎上，提出了一種基于有限元法的B樣條主動輪廓模型；并將其應用于由斷層圖像導出的截面輪廓數(shù)字曲線的擬合，利用自適應有限元技術提高擬合精度；最后將

4、其推廣到三維，提出了基于有限元法的B樣條主動曲面模型。本文主要工作和結論如下： (1)對可變形模型的基礎理論進行了論述，并從彈性理論的觀點對可變形模型的物理本質進行討論分析；然后從幾何表達、能量方程及優(yōu)化方法三個方面對可變形模型的理論研究與發(fā)展進行了綜述，指出了可變形模型理論上存在的問題及進一步研究的方向。 (2)提出了一種基于有限元法的B樣條主動輪廓模型。B樣條方法是當前自由曲線曲面造型最為流行的方法，而有限元法是一種

5、有效地求解泛函極值問題的數(shù)值方法。該模型以三次B樣條曲線段作為有限單元，運用有限元法對B樣條主動輪廓的能量泛函極值問題進行求解，從而實現(xiàn)對圖像的輪廓提取。該模型結合了B樣條方法與有限元法的優(yōu)點，可快速穩(wěn)定地收斂到目標輪廓，得到的B樣條輪廓有利于進一步的表面重建處理。 (3)提出了基于自適應有限元的B樣條主動輪廓模型，并將其應用于基于斷層圖像的表面重建。首先對斷層圖像的邊緣提取方法進行了論述，針對得到的截面輪廓數(shù)字曲線，提出了一種

6、基于自適應B樣條主動輪廓擬合方法。該方法避免了傳統(tǒng)插值、近似方法中的采樣點數(shù)量、分布及參數(shù)化過程所帶來的問題，通過在擬合過程中插入新的控制點，提高擬合精度，實現(xiàn)對數(shù)字輪廓的整體逼近。最后，由各斷層截面的B樣條輪廓重構出物體的三維模型。 (4)將二維的B樣條主動輪廓模型擴展到三維，提出了基于有限元法的B樣條主動曲面模型。通過在數(shù)據(jù)點與模型之間連接虛擬彈簧，建立光順模型，并以雙三次B樣條曲面片作為單元，運用有限元法對模型在虛擬彈簧作