增强现实中的虚实配准方法研究

发布时间：2017-10-19 12:46

  本文关键词：增强现实中的虚实配准方法研究

  更多相关文章： 病灶定位 增强现实 MC算法 虚实配准

【摘要】：在外科诊断和手术中,能否准确定位病灶,对手术的时间长短、难易程度以及最终效果都有直接的影响。颅内有很多人体重要的神经以及血管组织,因此,颅内病灶定位最为复杂和困难。为提高颅内病灶诊断及定位的准确性,本文将增强现实技术引入颅内病灶定位中,设计并建立了一套医用增强现实实验系统,结合医学图像的三维模型重建方法和增强现实中的虚实配准技术,进行虚拟颅骨模型和真实颅骨之间的虚实配准,从而实现对颅内病灶的直观三维显示及定位。本文的研究能够满足颅内病灶定位的初步应用,具有重要的研究意义和应用前景。具体的研究工作包括如下内容:1.在充分考虑真实手术环境的基础上,设计并建立了一套颅内病灶定位增强现实系统。设计制作了配准支架,将其固定在颅骨表面,用于模型重建部分的精度分析和虚实配准过程的辅助操作。2.针对二维医学图像诊断不直观的问题,利用CT图像对颅骨模型进行了三维重建,并在重建的模型内部添加了虚拟病灶。研究了基于MC算法的三维重建方法,并对重建后的虚拟颅骨模型进行优化,使虚拟模型在还原真实颅骨结构的同时,还具有逼真的材质、光照等显示效果,从而增强虚实配准的最终融合显示。3.由于三维颅骨模型的结构较为复杂,针对仅依赖平面标识很难实现虚拟颅骨和真实颅骨在位置和角度上精确配准的问题,提出了结合标识和配准支架的虚实配准方法,并给出虚实配准结果的主观显示和客观数据分析,对该方法的可行性进行了实验验证。4.对本文所有的研究方法进行了实验验证,结果表明,本文的重建算法能够较为准确的还原真实颅骨的三维结构,通过对配准支架上小球的相对距离的误差分析可知,重建精度可达到0.23mm,能够满足本文对虚拟颅骨模型的重建精度要求。本文的虚实配准方法,能够实现虚拟颅骨和真实颅骨的虚实配准和融合显示。选取任意四帧图像,利用图像点和对应的注册矩阵,求得标识坐标下对应点的空间坐标,将其与真实的空间坐标进行对比,计算得到其平均误差为0.88mm,符合本文对虚实配准过程的精度需求。
【关键词】：病灶定位 增强现实 MC算法 虚实配准
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题提出与研究意义10-12
• 1.1.1 课题提出10-11
• 1.1.2 课题的研究意义11-12
• 1.2 增强现实的国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 医用增强现实虚实配准方法研究现状15-18
• 1.3.1 国外研究现状16-17
• 1.3.2 国内研究现状17-18
• 1.4 存在的主要问题18
• 1.5 课题的主要研究内容18-20
• 第2章 颅内病灶定位增强现实系统设计20-30
• 2.1 增强现实系统设计20-23
• 2.1.1 系统组成及配准支架设计20-21
• 2.1.2 系统工作流程分析21-23
• 2.2 虚实配准关键技术分析23-26
• 2.2.1 基于标识的跟踪注册技术25
• 2.2.2 基于自然特征的跟踪注册技术25-26
• 2.3 摄像机成像模型分析26-29
• 2.3.1 坐标系定义及变换26-29
• 2.3.2 非线性畸变优化29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 基于MC算法的虚拟颅骨模型重建及优化30-42
• 3.1 CT图像三维重建过程设计30-33
• 3.1.1 重建过程设计30-31
• 3.1.2 图像预处理31-33
• 3.2 医学图像刚性配准研究33-34
• 3.2.1 刚体变换33-34
• 3.2.2 单模态图像配准函数选取34
• 3.3 基于CT图像的模型重建及优化34-41
• 3.3.1 基于MC算法的虚拟模型重建35-39
• 3.3.2 虚拟模型优化及模型导出39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 基于标识的虚实配准方法研究42-54
• 4.1 ARTool Kit的工作流程分析42-43
• 4.2 基于标识的虚实配准关键技术研究43-46
• 4.2.1 配准标识的提取43-45
• 4.2.2 图像匹配过程的相似性度量分析45-46
• 4.3 摄像机内部参数及注册矩阵求解46-52
• 4.3.1 摄像机内部参数求解46-50
• 4.3.2 注册矩阵求解50-52
• 4.3.3 非线性最小二乘法优化52
• 4.4 本章小结52-54
• 第5章 实验研究54-68
• 5.1 实验系统硬件组成及软件算法流程54-57
• 5.1.1 实验系统的硬件组成54-55
• 5.1.2 软件算法流程55-57
• 5.2 虚拟颅骨模型重建实验57-61
• 5.2.1 基于MC算法的颅骨模型重建实验57-59
• 5.2.2 重建模型的误差分析59-61
• 5.3 虚实配准实验61-66
• 5.3.1 摄像机标定实验61
• 5.3.2 基于标识的虚实配准实验分析61-66
• 5.4 本章小结66-68
• 第6章 全文总结与展望68-70
• 6.1 全文总结68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-76
• 作者简介及科研成果76-78
• 致谢78

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本文编号：1061217