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基于细分曲面的医学假体CAD关键造型技术研究

作　者: 刘泗岩
导　师: 廖文和
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 医学假体 CAD/CAM 细分曲面实体造型混合CSG/Brep 医学图像三维重建数字几何处理快速原型切片
分类号: TP391.72
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着科技的进步与生活水平的提高,现代外科医学中精确设计制造人工假体来修复病损器官的案例日益增多,这对CAD/CAM技术提出了面向生物医学的特殊要求,也将刺激与推动CAD/CAM技术本身的创新。本文的研究以基于分片光滑细分曲面表示的医学假体CAD系统的开发为目标,从医学图像的输入到假体制造接口的输出,研究了医学图像的三维重建、三角网格模型处理、细分曲面拟合、基于细分曲面的实体造型与RP加工接口表示等关键造型技术,主要研究内容和成果如下:(1)建立了基于细分曲面表示的医学假体CAD系统的总体架构,分别从技术体系与功能模块两个角度来阐述。技术体系包括基础理论、实现工具与临床应用三个层次,为进一步的研究指明了方向;功能模块从软件实现的角度描述了医学假体CAD系统的总体框架,为系统持续开发与完善打下了坚实的基础。(2)研究了医学图像三维重建之MC算法的拓扑稳健与高效运行的实现方法。实现了无拓扑歧义的MC算法;为了提高原MC算法的效率,将区域增长分割的思想纳入到MC算法中,提出了一种基于相邻立方体跟踪的MC算法。(3)研究了面向细分曲面拟合的三角网格简化与形状优化技术。为了得到细分曲面拟合所需要的尽量简单而又形状优良的基网格,现有算法与软件都难以单独奏效,本文采用了多种策略来达此目的。首先在QEM简化算法的边折叠代价计算公式基础上添加了形状优化项,用系数α来控制该项的影响大小,称为αShape-QEM简化算法;其次,将基于切向Laplace平滑的顶点几何优化以及基于边折叠与边交换的网格拓扑优化集成到总体简化过程中,提出了迭代式网格简化优化算法。(4)提出了基于交互式优化的细分曲面拟合算法,可在计算效率与拟合精度之间取得最佳平衡。首先对输入原始网格M_O用前述方法简化优化得到基网格M_B,再用M_B对M_O进行若干次细分重网格化(Remeshing)得到逼近原始网格M_O的细分网格M R,对M R进行细分拟合得到控制网格M_C,使得M_C的细分极限曲面M_∞与原始网格M_O互相贴合。(5)提出了“支持细分曲面的构造实体边界表示(Constructive Solid Boundary Representation with Subdivision Surfaces,CSBrepSS)”实体造型方法。该方法采用混合CSG/Brep表示,实体模型在整体上用CSG树表示,整个模型为基本边界表示的叶节点的组合,叶结点可以是三角网格、细分曲面控制网格或参数表示的基本几何体。(6)提出了一种基于细分曲面的RP加工接口表示方法。RP系统可以用内嵌的细分曲面造型模块读入细分曲面控制网格表示的CAD模型,按照模型中指定的细分规则与特征标记对控制网格进行细分,然后再对细分结果作切片处理与分层加工。这样可以用紧凑的细分控制网格来表示形状复杂的光滑曲面,为大型复杂假体的网络化制造铺平了道路。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-15
第一章绪论  15-37
  1.1 引言  15
  1.2 假体CAD/CAM 系统的技术流程  15-25
    1.2.1 三维医学数据采集  16-20
    1.2.2 扫描数据的三维重建  20-22
    1.2.3 三角网格模型处理与DGP  22
    1.2.4 曲面拟合与曲面造型  22-23
    1.2.5 实体造型技术  23-24
    1.2.6 假体的CAM/RP 制造  24-25
  1.3 CAD/CAM 技术及其医学应用发展现状  25-34
    1.3.1 CAD/CAM 技术发展概况  25-26
    1.3.2 RP 技术及其医学应用情况  26-29
    1.3.3 医学假体CAD/CAM 技术发展现状  29-34
  1.4 本文选题背景和研究内容  34-37
第二章基于细分曲面的假体CAD 系统总体架构  37-43
  2.1 引言  37
  2.2 基于细分曲面的假体CAD 系统技术体系  37-40
    2.2.1 基础理论层  38
    2.2.2 实现工具层  38-39
    2.2.3 临床应用层  39-40
  2.3 基于细分曲面的假体CAD 系统功能模块  40-41
  2.4 基于细分曲面的假体CAD 系统关键技术  41-42
  2.5 本章小结  42-43
第三章医学图像的三维重建  43-59
  3.1 引言  43
  3.2 医学图像三维重建算法流程  43-45
  3.3 AR-MC 算法  45-52
    3.3.1 原MC 算法的歧义性  46-48
    3.3.2 MC 算法正确拓扑连接的判定  48-51
    3.3.3 AR-MC 算法的实现  51-52
    3.3.4 AR-MC 算法的验证结果  52
  3.4 NCT-MC 算法  52-55
    3.4.1 区域增长分割  53
    3.4.2 NCT-MC 算法的实现  53-55
  3.5 实现结果  55-58
  3.6 本章小结  58-59
第四章三角网格简化与优化  59-85
  4.1 引言  59
  4.2 理论基础  59-67
    4.2.1 网格相关定义  59-62
    4.2.2 离散微分几何算子  62-65
    4.2.3 三角网格模型的数据结构  65-67
  4.3 网格平滑  67-70
    4.3.1 网格平滑算法的选择  67-68
    4.3.2 均匀Laplace 平滑算法  68-70
    4.3.3 Laplace 平滑实现结果  70
  4.4 αSHAPE-QEM 网格简化  70-81
    4.4.1 边折叠的QEM 误差计算  71-77
    4.4.2 边折叠的三角形形状代价  77-79
    4.4.3 αShape-QEM 简化算法  79-81
  4.5 迭代式网格简化优化  81-84
    4.5.1 拓扑调整操作  81-82
    4.5.2 拓扑优化算法流程  82
    4.5.3 迭代简化优化法  82-83
    4.5.4 网格简化优化结果  83-84
  4.6 本章小结  84-85
第五章分片光滑细分曲面拟合  85-106
  5.1 引言  85
  5.2 分片光滑细分曲面理论  85-93
    5.2.1 细分曲面的发展史  85-87
    5.2.2 Loop-HS 细分规则  87-89
    5.2.3 Loop-HS 细分模式的收敛性与极限点  89-91
    5.2.4 Loop-HS 细分曲面的连续性与切平面  91-93
  5.3 交互式优化细分曲面拟合算法  93-104
    5.3.1 研究综述  93-96
    5.3.2 基于交互式优化的Loop-HS 细分曲面拟合  96-102
    5.3.3 细分拟合实现结果  102-104
  5.4 分片光滑细分曲面的输出表示  104-105
  5.5 本章小结  105-106
第六章基于细分曲面的实体造型与加工接口  106-117
  6.1 引言  106
  6.2 CSBREPSS 造型方法  106-113
    6.2.1 CSBrep 数据结构  107-109
    6.2.2 CSBrepSS 造型方法  109-113
  6.3 基于细分曲面表示的RP 加工接口  113-116
    6.3.1 RP 加工接口格式的现状  113-114
    6.3.2 基于细分曲面表示的RP 接口方法  114-115
    6.3.3 细分曲面的切片算法  115-116
  6.4 本章小结  116-117
第七章总结与展望  117-119
  7.1 全文总结  117-118
  7.2 研究展望  118-119
附录  119-122
参考文献  122-139
致谢  139-140
在学期间的研究成果及发表的学术论文  140
  一、在学期间发表的学术论文  140
  二、在学期间参加的科研项目  140

基于细分曲面的医学假体CAD关键造型技术研究

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