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基于断层图像的三维实体重建

作　者: 张峰
导　师: 沈连婠
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 图像处理图像分割三维重建实体模型 Web ANSYS
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 189次
引　用: 4次
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内容摘要

随着断层图像的三维重建在医学领域的广泛应用,人们要求三维重建模型不仅限于三维可视化的显示,还要能进行编辑修改、测量和定量分析。这就要求其重建模型必须是实体模型(Solid Model)。根据实体模型进行定量分析使医学研究取得了巨大进步。本文对基于断层图像的三维实体重建进行了研究。针对CT(Computed Tomography)扫描、MRI(Magnetic Resonance Imaging)、仿真计算等产生的断层图像,提出了多幅图像自动处理与分割、多孔复杂模型的三维重建和基于三维表面模型的实体模型构建方法,采用Java、Java3D编程实现了相关算法,并以这些算法为核心,构建了基于Web的图像处理与三维重建系统平台,即医学影像工程师(Medical Image Engineer,简称MIE)。对于图像的处理与分割,我们首先研究了单幅图像的自动处理与分割方法。采用阈值法,基于Otsu准则选取最佳阈值,实现了图像的初始分割;利用数学形态学的理论,对分割出来的区域的边缘进行检测;利用GVF Snake模型的能量最小化原理对初始轮廓进行优化,实现了弱边缘图像目标的精确分割与轮廓提取。对于多幅图像的处理,利用了多个相邻层图像信息,先采用单幅图像分割的方法对目标轮廓清晰的图像进行分割,然后以已分割好的相邻图像的精确轮廓为初始轮廓,最后仍然采用GVF Snake方法实现了所有其它目标轮廓模糊的图像的分割。本文提出的多幅图像的自动分割方法,除了能对多幅图像自动处理外,最大的特点就是处理的图像边缘无重影,清晰地表达了物体的表面轮廓,而且轮廓连续、封闭。这样高质量的二值图像不仅为三维实体重建的成功提供了保障,还可以应用到很多其它方面,比如目标跟踪,医学临床检查等等。为了实现多孔复杂模型的三维实体重建,提出将基于轮廓线的局部优化方法与移动立方体法(Marching Cubes,即MC)相结合,通过采用辅助轮廓法精确提取等值线,制定模型复杂程度的分类原则,合理选择与配置方法,克服了多分支轮廓拓扑重构的困难,重建出了由三角面片组成的三维形体表面模型。最后,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)在ANSYS中实现了面模型向实体模型的转化,使重建后的模型不仅限于三维显示,还可直接用于有限元分析,增强了本文提出的三维重建方法的实用性。为了方便其他研究人员利用本课题的成果,提出了构建基于Web的图像处理与三维重建的系统平台。采用Java、Java3D编程,以上述算法为核心,实现了图像浏览与自动处理、人工交互处理、三维重建和实体模型构建等功能。在输入图像序列之后,可以方便地浏览各个图像,可以采用人工交互处理或自动处理方法进行图像处理与分割,并能根据分割结果自动进行三维重建,完成实体模型的生成。该系统采用了集成化设计、模块化设计和人性化设计,支持在多平台下使用,支持在网络上运行。论文最后对所做的工作进行了总结,并对以后的工作提出了展望。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-17
  1.1 研究背景与意义  11-12
  1.2 国内外研究概况  12-16
    1.2.1 图像处理与分割  12-14
    1.2.2 三维重建  14-15
    1.2.3 图像处理与三维重建软件平台  15-16
  1.3 研究目标、内容及论文的组织架构  16-17
第二章图像处理与分割  17-32
  2.1 图像处理与分割的目的及要求  17-18
  2.2 图像自动处理与分割方法  18-21
    2.2.1 单幅图像自动处理与分割方法  18-20
    2.2.2 多幅图像自动处理与分割方法  20-21
  2.3 图像处理与分割的技术细节  21-30
    2.3.1 图像预处理  21-23
    2.3.2 基于Otsu 准则的图像自动阈值分割  23-24
    2.3.3 基于数学形态学的边缘检测  24-25
    2.3.4 轮廓跟踪法提取初始轮廓  25-26
    2.3.5 基于GVF Snake 的弱边缘图像目标分割  26-30
  2.4 应用实例  30-32
第三章三维表面重建  32-46
  3.1 概述  32-34
    3.1.1 三维重建的目的及要求  32
    3.1.2 数据特点与来源  32-34
  3.2 多孔复杂模型的三维重建  34-44
    3.2.1 最短对角线法  34-35
    3.2.2 Marching Cubes（MC）算法  35-39
    3.2.3 多孔复杂模型的三维重建策略  39-42
    3.2.4 最短对角线法与MC 算法结合的关键  42-44
  3.3 实例验证  44-46
第四章基于三维表面模型的实体模型的构建  46-53
  4.1 ANSYS 的参数化设计语言（APDL）  46-47
  4.2 实体模型构建策略  47-48
  4.3 实体模型构建关键技术  48-49
    4.3.1 由点构建面  48-49
    4.3.2 由面构建体  49
  4.4 实体模型构建步骤  49-50
  4.5 实例验证  50-53
第五章基于 Web 的图像处理与三维重建系统  53-63
  5.1 开发工具  53-54
  5.2 系统总体设计  54-58
    5.2.1 设计目标  54
    5.2.2 体系结构  54-56
    5.2.3 系统界面  56-58
  5.3 系统主要模块  58-63
    5.3.1 图像浏览与处理模块  58-59
    5.3.2 三维表面重建模块  59-62
    5.3.3 实体构建模块  62-63
第六章总结与展望  63-67
  6.1 总结  63-65
  6.2 展望  65-67
参考文献  67-70
致谢  70-71
硕士期间发表的论文  71

基于断层图像的三维实体重建

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