[發(fā)明專利]對(duì)三維目標(biāo)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310450402.7
• 申請(qǐng)日: 2013-09-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103489220A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李志成;陳墾;熊璟;陳鳴閩;王麗艷;劉勇;孟書(shū)先;李生廣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00;G06T7/00;A61B6/03
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 沈祖鋒;郝明琴

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及數(shù)學(xué)建模技術(shù)，尤其涉及一種對(duì)三維目標(biāo)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型的方法。

【背景技術(shù)】

統(tǒng)計(jì)形狀模型（Statistical?Shape?Model）是一種包含物體形狀信息的統(tǒng)計(jì)模型，可以通過(guò)對(duì)大量樣本的形狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)將其建立起來(lái)。統(tǒng)計(jì)形狀模型被廣泛應(yīng)用于物體的分割、識(shí)別、跟蹤等領(lǐng)域，特別是在CT（Computed?Tomography，計(jì)算機(jī)斷層掃描）、MRI（Magnetic?Resonance?Imaging，核磁共振成像）的圖像識(shí)別、分割、可視化等醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。

對(duì)于三維物體來(lái)說(shuō)，如何建立統(tǒng)計(jì)形狀模型是一個(gè)難題。一般情況下，三維統(tǒng)計(jì)形狀模型的建立包括如下步驟：首先獲取目標(biāo)物體的大量樣本形狀，并表示為三維點(diǎn)集的形式；然后通過(guò)某種方法在這些點(diǎn)集之間建立點(diǎn)與點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，從而建立起由對(duì)應(yīng)性三維點(diǎn)集構(gòu)成的形狀訓(xùn)練集；最后運(yùn)行主成分分析，獲取統(tǒng)計(jì)形狀信息，從而完成模型的建立。從原始數(shù)據(jù)至最終模型的建成，整個(gè)過(guò)程較為復(fù)雜。建成模型的目的是為了使用該模型進(jìn)行圖像圖形分析處理，這就需要模型準(zhǔn)確、具有魯棒性、且易于建立、易于修改。在模型建立的步驟中，如何濾除大小、旋轉(zhuǎn)和位移的影響，如何生成密集、準(zhǔn)確、表面無(wú)孔洞的點(diǎn)云形狀，如何準(zhǔn)確、魯棒、自動(dòng)地建立起三維點(diǎn)集之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，是關(guān)系到統(tǒng)計(jì)形狀模型實(shí)際性能和實(shí)用性的關(guān)鍵。

現(xiàn)有技術(shù)中建立統(tǒng)計(jì)形狀模型主要有：1）手動(dòng)法，對(duì)于二維形狀來(lái)說(shuō)，通常采用手動(dòng)的方法來(lái)挑選出一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)集，這種方法既不準(zhǔn)確又主觀性太強(qiáng)，對(duì)于三維形狀的情況，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在三維形狀上手動(dòng)選取對(duì)應(yīng)點(diǎn)；2）等間距點(diǎn)法，這種方法較為簡(jiǎn)單，對(duì)所有訓(xùn)練集中的三維形狀等間距的劃分成多個(gè)輪廓線，然后再把每一條輪廓線等間隔的選取多個(gè)點(diǎn)，最終在所有形狀之間建立起點(diǎn)到點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方法雖然簡(jiǎn)單易行，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)建模，但是顯然無(wú)法保證其準(zhǔn)確性與魯棒性；3)基于配準(zhǔn)的技術(shù)，首先選擇一個(gè)形狀作為模板，或者成為參考形狀，其余形狀與模板形狀一一進(jìn)行點(diǎn)集到點(diǎn)集的配準(zhǔn)，從而建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法有時(shí)對(duì)選擇哪個(gè)形狀作為模板比較敏感，同時(shí)配準(zhǔn)過(guò)程有時(shí)需要手動(dòng)進(jìn)行位姿初始化，難以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化；4）參數(shù)化方法，點(diǎn)集一般采用三維笛卡爾坐標(biāo)來(lái)表示，參數(shù)化方法采用某種系統(tǒng)化的參數(shù)方法來(lái)表示形狀。然后通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，來(lái)使某個(gè)定義完好的目標(biāo)函數(shù)取得極值，從而建立點(diǎn)集的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，影響其性能的關(guān)鍵是輸入訓(xùn)練集的屬性和具體的參數(shù)化優(yōu)化方法要保證所生成模型的準(zhǔn)確性和魯棒性，即整個(gè)過(guò)程要濾除尺寸、旋轉(zhuǎn)和位移的影響、形狀表面無(wú)孔洞、易于配準(zhǔn)對(duì)齊。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提出一種對(duì)三維目標(biāo)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型的方法。

本發(fā)明提出的對(duì)三維目標(biāo)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型的方法，包括以下步驟：S10、基于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)獲取所述目標(biāo)的二值原始體數(shù)據(jù)；S20、采用形態(tài)學(xué)閉操作去除所述原始體數(shù)據(jù)中的孔洞；S30、對(duì)去除孔洞后的原始體數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理；S40、采用等值面提取算法將平滑后的原始體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三角化表面三維數(shù)據(jù)；S50、采用保角映射算法將所述三角化表面三維數(shù)據(jù)映射至單位球體表面；S60、獲取與所述單位球體表面頂點(diǎn)距離最短的點(diǎn)集，并進(jìn)行逆映射以及初始對(duì)齊操作，得到第一形狀訓(xùn)練集；S70、采用體素化算法將所述第一形狀訓(xùn)練集轉(zhuǎn)換為中間體數(shù)據(jù)；S80、對(duì)所述中間體數(shù)據(jù)采用兩次非參數(shù)化彈性配準(zhǔn)方法，得到建立對(duì)應(yīng)關(guān)系的第二形狀訓(xùn)練集；S90、對(duì)所述第二形狀訓(xùn)練集運(yùn)行主成分分析，獲取其平均值、非零單位特征根以及特征向量。

本發(fā)明所述的統(tǒng)計(jì)形狀建模方法經(jīng)過(guò)預(yù)處理，濾除了訓(xùn)練集中各個(gè)形狀之間位移、旋轉(zhuǎn)和尺寸的影響，并將可能存在的孔洞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行閉合操作，并進(jìn)一步采用基于兩次彈性配準(zhǔn)的非參數(shù)方法生成形變場(chǎng)，得到精確的點(diǎn)到點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法對(duì)實(shí)際采集的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確性和魯棒性良好，達(dá)到了預(yù)期的目的。

【附圖說(shuō)明】

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的對(duì)三維目標(biāo)建立統(tǒng)計(jì)形狀模型的方法流程圖。

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的采用形態(tài)學(xué)閉操作去除孔洞的方法流程圖。

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的對(duì)單位球體表面進(jìn)行逆映射操作的方法流程圖。

圖4為本發(fā)明中采用保角映射算法將CT腎臟表面數(shù)據(jù)映射至單位球體表面所得效果圖。

圖5所示為采用人腎臟磁共振二值體數(shù)據(jù)為輸入得到統(tǒng)計(jì)形狀模型第一主模式以及第二主模式效果圖。

【具體實(shí)施方式】