1、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,1.1 PACS简介,含义Picture Archiving and communication system 功能 优点 国内外开发现状 未来展望,1.2 DICOM标准,含义Digital Imaging and communicat
2、ion in Medicine 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
3、重建 基于图像空间 基于物体空间 基于频域空间,2.1 Marching Cubes算法,算法原理 二义性问题 解决二义性 算法改进,2.1.1 MC算法原理,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 ( 1 byte ),v1,v2,v6,v7,v8,v4,v5,v3,v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,
4、v8,2.1.1 MC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） 中心差分求体元各角点处的梯度 体元边界上采用线性插值求交点梯度 三角面片采用Gourand模型绘制,2.1.2 MC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,2.1.2 MC算法的二义性,拓扑不一致造成孔隙,2.1.3 消除二义性,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，
5、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
6、装OpenGL 程序类图 设计模式的使用,3.1 DICOM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,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。 PolydataMappe
7、r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,CSingleImageView,CMultiImageView,CMy3dView,3.6 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,Class Singleton public: Singleton* Instance(); protected:Singleton(); Private:static Singleton* _Instance; ,Singleton:_I
8、nstance = 0; Singleton* Singleton:Instance()If( _Instance=0 )_Instance = new Singleton;return _Instance; ,使用Singleton:Instance()来访问实例,Singleton模式效果,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 ！,
