三维重建算法研究和软件系统实现

三维重建算法研究和软件系统实现答辩人：徐淼华导师：赵振西教授专业：计算机软件与理论内容介绍绪论PACS系统，DICOM格式，三维重建的应用和研究内容，介绍本文工作三维重建算法表面重建、体重建软件系统实现实现中的具体问题、设计模式的应用总结和展望一、绪论PACS简介DICOM简介三维重建的应用三维重建的研究内容本文的工作1.1PACS简介含义PictureArchivingandcommunicationsystem功能优点国内外开发现状未来展望1.2DICOM标准含义DigitalImagingandcommunicationinMedicine发展历史信息模型E-R模型1.3三维重建的应用背景便于观察，从而方便诊断外科手术的计划和模拟放射治疗计划的制定教学帮助修复关节、设计和制作假肢1.4三维重建的研究内容数据预处理三维重建算法医学图象的分割模型的网格简化绘制与显示1.5论文主要工作功能完整的三维重建软件图象预处理MC算法构建表面几何模型以及模型的简化轮廓线编辑和轮廓线拼接三维模型的交互显示设计模式的应用MC算法的改进多轮廓线拼接问题的解决二、三维重建算法研究表面抽取算法基于体素的等值面重建MC算法MT算法剖分立方体算法断层轮廓拼接体重建基于图像空间基于物体空间基于频域空间2.1MarchingCubes算法算法原理二义性问题解决二义性算法改进2.1.1MC算法原理1.确定包含等值面的体元flag(i,j,k)=0(1)28=256→15种情况(i,j,k)(i+1,j,k)(i+1,j+1,k)(i+1,j+1,k+1)(i,j+1,k+1)(i,j,k+1)(i,j+1,k)(i+1,j,k+1)体元状态表(1byte)v1v2v6v7v8v4v5v3v1v2v3v4v5v6v7v82.1.1MC算法原理2.求等值面与体元边界的交点（线性插值）3.求等值面的法向（梯度矢量）①中心差分求体元各角点处的梯度②体元边界上采用线性插值求交点梯度③三角面片采用Gourand模型绘制zffzGradyffyGradxffxGradzyxzyxzyxzyxzyxzyxkjikjikjikjikjikji2)1,,()1,,(_2),1,(),1,(_2),,1(),,1(_2.1.2MC算法的二义性(a)连接方式二义性的二维表示(b)连接方式二义性的三维表示2.1.2MC算法的二义性拓扑不一致造成孔隙2.1.3消除二义性074061074052zaazaayzaazaax+++--++---xyzazxayzaxyazayaxaazyxf76543210),,(2.1.4算法改进改进尝试一：改线性插值为取中点。（失败）2.1.4算法改进改进方法二扫描：假设三角形面片的顶点只能落在立方体体元边界中点和体元中心点，因为生成的形状个数是有限的合并：因为方向取值有限，考虑法向后只有26种情况，所以非常适合合并。合并的过程是：先合并成大的多边形，然后重新划分成三角形插值：通过线性插值计算出最后所得的三角形面片的顶点坐标以及法向量。扫描：合并插值：和MC算法相同2.2轮廓拼接单轮廓拼接凸、单轮廓线拼接全局搜索策略启发式算法最短对角线最大体积、轮廓线渐进非凸单轮廓线拼接多轮廓线拼接最短对角线法非凸单轮廓线拼接多轮廓线拼接连接的困难形体重构转化成体数据中等值面构造体数据的构造场函数判断轮廓线内外的方法－－扫描线算法表面生成MC算法三、三维重建软件的设计与实现DICOM网关高分辨率图像的显示方法轮廓线编辑封装OpenGL程序类图设计模式的使用3.1DICOM网关3.2高分辨率数据的显示方法CT数据格式窗宽窗位调低窗宽窗位调高窗宽窗位3.3轮廓线编辑MultiPoly3dPoly2DerrorRangeimageWidthimageSrcupdateLayer()UpdateAllLayer()setErrorRange()setImageWidth()setImageSrc()MultiPoly3d()Draw()3.4封装OpenGL我们调用Renwindow的函数来请求显示三维模型，Renwindow设置一些相应的窗口属性，然后调用Renderer的相关函数Renderer负责转换世界坐标系、视点坐标系和屏幕坐标系，通过设置视点位置、光源和调用Actor的函数来实现把几何模型转换成图像的功能。Actor是渲染场景中的一项条目，根据对应的属性做适当设置后，调用PolydataMapper的相关函数。PolydataMapper负责解释三维模型中的点如何解释成为OpenGL基本命令里面的参数，几乎所有的OpenGL函数都出现在这个类中。3.5程序类图CSingleImageViewCMultiImageViewCMy3dView3.6设计模式的使用Singleton模式Command模式Strategy模式Adapter模式Singleton模式－－代码示例ClassSingleton{public:Singleton*Instance();protected:Singleton();Private:staticSingleton*_Instance;}Singleton::_Instance=0;Singleton*Singleton::Instance(){If(_Instance==0){_Instance=newSingleton;}return_Instance;}使用Singleton::Instance()来访问实例Singleton模式－－效果原来的代码使用singleton模式后的代码全局变量MultiPoly3d*Poly3d;boolIsPoly3dExist=false;不需要每次要使用实例的地方（注意程序中会出现多处，所以代码简化非常有用）MultiPoly3d*nowVisit;if(IsPoly3dExist)nowVisit=Poly3d;elsenowVisit=newMultiPoly3d();nowVisit-CallFun.....MultiPoly3d::Instance()-CallFun…Command模式四、工作总结和展望成功开发了医学影像三维重建软件My3d既支持自动得到重建模型又允许用户的介入允许用户在图像精度和运算时间间进行取舍功能完整，操作方便化简MC算法重构得到的三角面片解决了多轮廓线拼接的困难四、工作总结和展望模拟手术交互技术模型剖分和手术开窗图像分割的准确性场函数的选择谢谢！