基于ccd图像的三维重建技术研究

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1、硕士学位论文基于CCD图像的三维重建技术研究TECHNOLOGYRESEARCHOF3-DRECONSTRUCTIONBASEDONCCDIMAGE黄锦红2009年6月哈尔滨工业大学工学硕士学位论文于表面的三维面绘制方法(SurfaceRendering)，又称为间接绘制方法；另一类是直接将体素投影到显示平面的方法，称为基于体数据的体绘制方法(DirectVofulneRendering)，又称为直接绘制方法[1−2]。下面分别对两种方法进行介绍分析。1.2.2面绘制面绘制的基本思想是，首先由三维空间数据场构造出中间几何

2、图元（如曲面、平面等），并将面上的数据属性值映射为可视元素，然后再由传统的计算机图形学技术实现表面绘制[3]。表面绘制有多种算法，根据数据场的特点，可以把这些方法分成：基于轮廓线的重建方法﹑基于体素的重建方法以及基于散乱点的方法。1.2.2.1基于轮廓线的重建方法该方法是先对断层图像进行图像分割，然后得到目标物体图像的轮廓线，再根据轮廓线，用三角形或者多边形来拟合三维物体的表面[4−5]。该方法的主要流程如图1-1所示。图1-1轮廓线表面三维重建流程图在基于轮廓线拼接的面绘制中需要首先解决四个子问题：轮廓对应问题(Cor

3、respondenceproblem)、分叉问题(Branchingproblem)、轮廓拼接问题(Tilingproblem)和曲面拟合问题(Suface-fitingProblem)。(1)轮廓对应问题(CorrespondenceProblem)确定相邻切片上轮廓的对应关系，可以分为单轮廓线对单轮廓线，单轮廓线对多轮廓线，多轮廓线对多轮廓线三种情况[6]。如图1-2所示。-2-第1章绪论极值点一对一一对多多对多图1-2轮廓线对应关系图由于约束不足，轮廓对应存在很大的任意性。对应问题的困难程度与切片的采样密度有关，当

4、切片之间的距离充分小时，根据轮廓线之间的重叠即可无歧义地确定轮廓线的对应关系；若相邻切片之间的距离相对轮廓线的尺寸较大，则会产生歧义，轮廓之间的错位也会很大，对应问题就变得愈发难以解决，需要在具体情况中具体分析解决，利用合理的算法来增加约束，减小轮廓线对应中的任意性。到目前为止，还没有完全可靠的解决轮廓对应的全自动方法，因此人工干预在某些场合下是必不可少的。目前常用的手段有广义圆柱、最小生成树、全局对应点等方法都被用来解决这一问题[7]。(2)分支问题(BranchingProblem)当切片上的一条轮廓线与相邻切片的多

5、条轮廓线对应时，表面必有分支，分支问题即如何生成这些轮廓线之间的多个分支表面。在轮廓对应出现一对多关系的情况下，需要确定描述形体表面的多边形拼接。分支发生时的轮廓对应关系一般无法由分支发生的局部信息来确定，分支问题的处理必须依赖于形体全局的拓扑和几何结构。(3)轮廓拼接问题(TilingProblem)用多边形(通常是三角片)连接不同层上的对应轮廓以“最佳”表示物体表面，“最佳”的含义是使某种准则最优。其关键是确定对应轮廓上点的相互对应关系，并用多边形构造轮廓间的表面。因为通过空间中的两个轮廓的曲面可以有无穷多种形式，因

6、此必须额外引入一些约束才能使这个问题有解。常用的约束条件有体积最大、表面积最小、跨度最小或者是使轮廓点匹配方向最大程度地与质心匹配方向一致。轮廓拼接就变成基于这些优化目标的优化问题。(4)曲面拟合问题(Suface-fitingProblem)三角形面片结构只能是物体表面的粗略表示，较为精确的方法可用曲面拟合。即通过三角形顶点的曲面代替三角形平面。常用的有三次B样条插值。更为精细的有非均匀有理B样条(NURBS)。-3-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文基于表面绘制的方法主要优点是可以采用比较成熟的计算机图形学方法进行显示(

7、如裁剪、隐藏面消除和浓淡计算等)，计算量小，运行速度快，借助于专用硬件支持，可以实现实时交互显示。1.2.2基于体素的重建方法体素表面重建方法是指直接从体数据提取物体表面。在物体表面通过每一个体素构造小面片，这些小面片一般是三角片，物体表面就是由许许多多的小三角片组成的。因为这种重建方法是以体素作为最基本的处理单元，所以称为基于体素的重建方法。该类算法的本质是从一个三维的数据场中抽取出一个等值面，所以也被称为“等值面提取”算法。等值面生成的最早研究是从医学图像的应用开始的。由于医学图像数据是三维正交等距网格，组成三维图像

8、的基本六面体单元称为体素(Voxel)。基于体素的等值面构造方法主要有Cuberille方法，MarchingCubes方法和DividingCubes方法[]8。最早的体素重建方法叫做立方块法(Cuberille)，它是用边界体素的六个面拟合等值面，即把边界体素中相互重合的面去掉，只把不重合的面连接起来近似表示等值