虚拟手术中肝脏表面个性化纹理映射方法研究

发布时间：2020-08-08 11:31

【摘要】：虚拟手术系统是现代医学与虚拟现实技术相结合的产物,在计算机图形学领域与生物医学领域中都具有广泛的应用。肝脏是人体中重要的组织器官,同时每个个体的肝脏又各自存在着微小的差异,因此在虚拟手术系统中突出肝脏的个性化有着重要的研究意义。本文便是从这一角度出发,以人体的肝脏为研究对象,针对传统方法中三维肝脏模型表面纹理映射技术无法突出个性化、出现失真现象、GPU占用率高、运算时间长等问题提出了一种纹理映射方法,其能够独立于网格表面,同一张纹理图像可以应用于不同分辨率的三维肝脏模型,同一种纹理映射机制也适用于多个相似形态的肝脏模型,充分体现出个性化所在。同时还提出了三维肝脏模型表面高质量的参数化方法与网格分割方法,既能够有效抑制纹理映射过程中所产生的失真扭曲现象,还可以减少GPU的占用率、优化运算、缩短运算时间,提高纹理映射的实时性与交互性等。论文的主要工作与研究成果主要有以下几个方面:(1)三维肝脏模型的构建。利用可视化人体计划VHP中的二维肝脏图像进行图像滤波、分割、提取及三角形面片绘制等多个步骤进行医学图像三维重建,构建出本文后续纹理映射研究中所要使用的三维肝脏模型。整个过程在传统算法的基础上根据实际需求作出了相应的改进,优化了运算并构造出了较好形状的三角形网格,为本文的后续研究奠定了基础。(2)肝脏表面全局UV贴图的构建。提出了切割的方法将三维肝脏模型展开到二维的平面上以减少肝脏模型表面纹理映射过程中所产生的不可避免的失真现象。其以体素为基本单位,整个过程包含了体素化、空间映射、去除重叠与封装等多个步骤。(3)基于体编码的肝脏表面个性化纹理映射。其在三维肝脏模型表面体素的基础上提出了一种高质量的参数化方法,通过添加适当的约束条件并引入能量表达式,最后转化为一个最小二乘问题进行求解。整个纹理映射过程兼顾了角度保护和面积保护,并应用改进的切线空间法线贴图方法达成了个性化的映射效果。最后,本文设计了人性化、操作性强且具备良好扩展性的原型系统,实现了各个模块实验内容可视化的集成,并给出了相应步骤的实验结果与分析,验证了核心章节理论算法的正确性及可行性。论文的最后提出了下一阶段的工作展望与研究方向。
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;R-05
【图文】：

医学图像,三维重建,过程框架,三角形面片

但是这种方法往往运算量过于庞大，对计算机各项性能都要求太高［１９］，目逡逑前并不是人体组织器官三维重建技术中的主流方法。医学图像三维重建过程框逡逑架如图１－２所示。逡逑４逡逑

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逦虚拟手术中肝脏表面个性化纹理映射方法研究逦逡逑还能减少ＧＰＵ占用率与运算量、缩短运行时间、提高实时性与交互性并且能逡逑够充分体现出肝脏表面纹理映射的个性化。最后完成原型系统的搭建，并且在逡逑每一章节末尾都将给出本章理论内容的实验结果。本课题的基本研究框架如图逡逑１－５所示。逡逑

切片图像,切片图像,均值滤波,肝脏

逡逑图２－１邋ＶＨＰ数据集中编号为ＤＲＣ１０Ｃ００１５１２的肝脏切片图像逡逑医学图像的灰度层次丰富，先将肝脏图像进行灰度化处理再进行后续的操逡逑作可以取得良好的效果。将肝脏图像转化为灰度图后紧接着要进行图像的滤波逡逑去噪处理，这是因为医学图像在采集或传输的过程中经常会受到各式各样噪声逡逑的影响和千扰，容易导致图像生成噪声［３５］，从而影响图像分割的速度、效率和逡逑准确率，因此，这一步骤十分关键也十分必要，去除噪声的目的就是在不损坏逡逑图像边缘及轮廓等重要信息以及最大限度地保持原有图像信息不变的情况下逡逑尽量降低图像中的噪声，从而达到改善图像的目的［３６］。医学图像通常采用均值逡逑滤波等线性滤波的方法进行去噪［３７］，但是线性滤波方法是一把双刃剑，它既能逡逑有效去除强噪声，但同时也会将图像中一些有用的边缘信息一并消除，例如这逡逑里采用均值滤波的方法就会使图像的轮廓边缘细节模糊化

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