[发明专利]一种基于断层图像的面皮三维表面模型重建方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机图像图形处理技术领域，特别涉及一种基于断层图像的面皮三维表面模型重建方法。

背景技术

随着计算机断层扫描(Computer Tomography,CT)、核磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)以及超声等断层成像设备的出现，人们已能方便地获得人体器官和三维物体的断层图像。断层图像所提供的人体或者三维物体在某一层面的影像信息，为医生和工程技术人员深入了解人体器官或三维物体内部组织结构和形态细节等提供了可靠信息。基于断层图像的三维模型重建在医学三维重建、虚拟可视手术、逆向工程等领域有着广泛的应用前景。

例如，以活体采集的颅面CT样本数据为输入，采用基于断层图像的三维表面重建算法建立面皮样本表面模型，是建立颅面复原研究所需的大样本量颅面数据库的关键环节，同时可为人脸形态学与人脸识别研究提供数据基础。

目前，针对断层图像的面皮三维表面重建问题，一般采用基于断层轮廓线提取和拼接的方法来实现。该类方法主要包括如下两个关键步骤：（1）利用图像边缘提取算法获取每一断层图像中的面皮外轮廓，经外轮廓线点简化处理，获得轮廓线的关键点序列表示；（2）在获得颅骨断层图像外轮廓线的基础上，利用轮廓拼接处理算法，建立相邻层间轮廓线的点对应关系，然后连接对应的点构成三角面片，从而实现面皮模型的三维表面重建。该方法存在两个主要缺陷：①轮廓提取获得的目标轮廓包含构成它的每一个像素点，数据冗余度过大，必须进行精简处理。现有的轮廓精简算法主要有等距采样法和曲率采样法，前者会导致大量特征点的丢失，而后者虽能在较大程度上保留特征点，但因为曲率计算公式会涉及二级导数的计算，计算过程较复杂；②面皮断层图像中提取的面皮外轮廓线的形态复杂，相邻两条轮廓线之间的局部形状区别很大，甚至完全不同，这给相邻轮廓线拼接带来了很大的困难，经典的轮廓拼接算法——最短对角线法，只能在上下两条轮廓线形状相似、同时点数目接近且较均匀的情况下获得良好的重建效果，将其直接应用于面皮断层图像中相邻轮廓线的拼接处理时，容易造成大量钝角三角形的生成，即椎体现象，影响面皮生成模型的逼真度与光滑性，而改进后的最短对角线方法在一定程度上避免了椎体现象，但仍无法从理论上保证以其重构的面皮模型网格中顶点连接规则是最优的，无法保证重建获得的面皮模型与活体面皮之间的形状差异最小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种计算量小、逼真度高的基于断层图像的面皮三维表面模型重建方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的方法具体如下：

步骤一，对已有的颅面断层数据进行重建，获得面皮三维模型，并按照重建过程中获得网格顶点的先后顺序确定网格顶点的序号；

步骤二，将步骤一获得的面皮三维模型转换到Frankfurt坐标系下：

（1）建立Frankfurt坐标系；

（2）采用三维刚体变换将面皮三维模型转换到Frankfurt坐标系下；

步骤三，建立面皮三维模型的体素模型，该体素模型的各表面分别与Frankfurt坐标系的相应坐标轴垂直或者平行，同时在体素模型的建立过程中在每个体素中存储每个体素各自对应的三维空间区域中包含的网格顶点的序号以及每一网格顶点的一阶邻接顶点序号集，使得体素模型包含面皮三维模型网格中顶点的一阶邻接关系；

步骤四，建立以Frankfurt坐标系原点为中心的长方体包围盒Box，且该长方体包围盒Box表面与体素模型的表面重合；

步骤五，以体素模型为输入，模拟现实世界中自然人眼观察三维物体的过程，利用光的可逆性，结合图的广度优先遍历与多视点可见性检测提取面皮三维模型的外表面顶点：

（1）在面皮三维模型外部的正前、正后、正左、正右、正上五个方位分别设定无穷远处虚拟视点，各虚拟视点发出与Frankfurt坐标系中的相应坐标轴平行的光线；

（2）建立用于保存广度遍历中当前层包含的面皮三维模型表面顶点集的访问队列Q，并且将该Q的初始值置为空；同时建立用于保存面皮三维模型表面顶点的空链表list；

（3）任取面皮三维模型表面上的一个顶点作为广度遍历的初始表面顶点，并将该初始表面顶点同时存入Q和list中；

（4）将Q中的所有表面顶点出队，得到顶点集T；

（5）利用体素模型包含的顶点一阶邻接关系，获取T的一阶邻接顶点集合K；

（6）去除K中已被进行过多视点可见性检测的顶点，然后对K中剩余的每一顶点进行如下的多视点可见性检测：