物体表面重建方法的-研究与实现

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1、第一章绪论随着科技和计算机科学的发展，计算机技术已经深入的渗透到社会生活的各个领域。近年来，计算机图形学取得了长足发展，在科技，教育、文化和娱乐等领域有着越来越广泛的应用。同时，来自超级计算机、卫星、宇宙飞船、CT扫描仪、核磁共振仪以及地质勘探等待处理的数据种类越来越多，数据量越来越大。如何采用各种手段和技术从各种各样的海量数据信息中提取其本质、结构和规律，逐渐形成了近几年迅速发展的科学计算可视化、模式识别、计算机视觉等。而科学计算可视化(VisualizationinScientificComputing)tl】指运用计算机图形学和图像处理技术，将科学计算过程中的计算结果数据转换为图

2、形及图像在屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互技术等几个领域。人们在利用计算机对客观事物进行分析和研究时，需要建立相应的模型来表示实际的或抽象的现象或对象，这个过程称为建模。通过处理所获得的各种海量数据，以图形或者图像的形式显示出来，这样就使得原本抽象的、难以理解的原理和规律变得直观、形象生动和易于理解。因此，三维重建是科学计算可视化、计算机视觉和模式识别等领域研究的重要内容。一般计算机通过各种传感器等多种辅助设备来获取现实世界中物体的各种信息，这个过程称为数据采样。三维重建的任务就是从获取的采样数据中恢复

3、物体的三维结构，即物体的原型。在医学和地学等领域12,31，用不同的方法来获各种采样数据，尽管方法各有不同，但是都是试图从有限离散采样点中恢复完整连续的物体模型。通过重建物体的三维模型，对它们进行定性或者定量的分析，为我们分析和决策提供有力的帮助。1．1研究内容和研究意义物体三维模型可以分为面元模型(facialmodel)和体元模型(volumetricmodel)两类，对应的三维重建可以分为表面重建方法和体素级重建方法两大类12,31。本文研究的物体表面重建算法首先由三维空间数据场构造出中间几何图元(如曲面、平面等)，然后由传统的计算机图形学技术实现画面绘制。最常见的中间几何图元就

4、是平面片(一般是三角形)，从三维数据场抽取等值面(iso．surface)就属于这种情况。本文主要研究基于断层数据的连接轮廓线表面重建方法，该方法一般包括轮廓对应、轮廓线拼接、分支处理等几个问题。表面重建方法和体素级重建方法相Lt,t21，其优点是数据结构简单，数据存储量小，对硬件要求不高，易于掌握，便于修改。而基于断层数据的连接轮廓线表面重建方法在虚拟物体的三维重建中，可以把三维问题转化成二维问题，而且可以有效的利用现有的图形硬件实现绘制功能，使图像生成及变换具有较快的速度。物体的面元模型(facialmodel)在医学，地学等领域有大量的应用。如在医学中应用先进的可视化技术对CT、

5、核磁共振和超声波等图像进行处理、构造三维实体模型以及对其进行剖切显示，有助于医生理解复杂的病人情况和进行辅助医学诊断和治疗，为拟定最佳手术方案提供可靠的依据，以提高手术质量，减少医疗事故。再如，在地学可视化中，输入的数据经常是一序列的二维等高线，由二维等高线重构出具有光照效果的三维地形图像以对实际地形进行仿真，根据实际的需要进行相应的操作模拟。利用地震学探测技术，从这些“声纳"信号断层重构出三维物体模型。或者利机械钻孔获取地下矿床样本，从这些离散的钻孔数据重构出三维物体模型。为地质专家进行地质状况和结构进行分析和研究提供帮助。1．2三维物体表面重建的关键问题及研究现状三维物体表面重建目

6、前有几种较典型的方法，它们的各有优缺点，适应不同的应用领域。如基于断层数据的连接轮廓线表面重建法[4,51处理序Y0酗J-维轮廓线数据，它是一种规则场数据，该方法适用于医学人体器官和地质体的表面建模，而MC方法【6,7,8】从三维空间规则数据场中抽取等值面的标准方法，这种方法属于曲面绘制方法，由于这一原理简单，速度较快，易于实现，目前已经得到了较为广泛的应用。曲面拟合方法【9】基于计算机辅助几何设计(Computeraidedgeometricdesign，CAGD)和数字分析技术，用一组曲面片表示重建物体，它能较好的处理散乱点的曲面重建，在CAD／CAM等领域有较为广泛的应用。本文主

7、要对基于断层数据的连接轮廓线表面重建方法进行研究和实现。由一序N-维轮廓线重建物体的三维表面形状是三维数据场可视化中一种主要的表面绘制方法，可以把它看作是由一组离散采样数据点重建表面模型的问题【Iol，只是这些离散点有规律地分布在各条轮廓线上。下面简要介绍一下轮廓线重建表面的相关技术及其研究发展现状。在体视化中，将从一组平面轮廓重建三维表面的过程称之为基于断层轮廓线重建物体表面(或切片级重建)。当原始图象的分辨率很低时，采用切片级重建方法能够构