[發明專利]一種基于渲染的快速體數據骨架提取方法

有效

• 申請號: 201410363994.3
• 申請日: 2014-07-28
• 公開（公告）號: CN104156997B
• 公開（公告）日: 2017-02-01
• 發明（設計）人: 王莉莉;戚慶林;侯飛;李帥;郝愛民
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T15/00
• 分類號: G06T15/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,顧煒

1.一種基于渲染的快速體數據骨架提取方法，其特征在于包括如下步驟：

(1)在X、Y、Z，3個坐標軸的正負方向即上下前后左右上設置六個視點，用RayCasting直接體繪制算法對三維體數據進行渲染，得到6個2D圖像；

(2)利用輪廓線檢測方法對得到的6個2D圖像進行輪廓線的提取時，直接提取的輪廓需要收縮以獲得有效輪廓線，并用Canny算子提取所有2D圖像的部分關鍵特征線，將輪廓線與部分關鍵特征線融合以獲得有效2D曲線，這些2D曲線體現了體數據的幾何及拓撲結構；所述部分關鍵特征線即關節部位的特征線；

(3)對步驟(2)提取的2D曲線反投射回三維，由于每條2D曲線與3D曲線是一對多的關系，故定義一個能量最小化函數，利用動態規劃算法求解最優解，得到2D曲線所對應的最優3D曲線；該過程是在GPU上實現，每個線程控制一條曲線的求解過程，大大提高了求解速度；該過程是在GPU上實現，每個線程控制一條曲線的求解過程，大大提高了求解速度；

(4)對空間進行采樣，求得的3D曲線在采樣空間內會經過若干采樣點，采用卷積曲面的方法，對經過采樣點一定范圍的曲線進行積分求得采樣點的曲線密度，以構建曲線密度場；由于很多采樣點周圍并沒有曲線經過，因此其曲線密度值為零，對這些點則通過預計算剔除，只需計算剩余采樣點的曲線密度值即可；該過程是在GPU上實現，在預計算階段，每個線程控制一條曲線，將其經過范圍的采樣點標記，沒被標記的點則是被剔除的點；在采樣點曲線密度求解階段，每個線程控制一個剩余采樣點的計算，大大提高了計算速度；

(5)獲得曲線密度場后，用Sobel算子求得采樣點的梯度，由于步驟(4)已經剔除了值為零的采樣點，所以此過程只需計算非零采樣點的梯度值；梯度表征了場的變化率最大的方向，因此采樣點的梯度大致垂直曲線方向，利用最小二乘方法可以在梯度基礎上求得采樣點的曲線方向，該過程是在GPU上實現，每個線程控制一個非零采樣點的計算過程，大大提高了計算速度；

(6)由于3D曲線表征了體數據的幾何和拓撲結構，求得采樣點的曲線方向后，將采樣點的曲線方向賦值給其所對應的體素，以體素的位置和方向為依據構建包圍盒，包圍盒的構建過程是以連通性為依據，將包圍盒內所有體素求平均值，得到表征節點；

(7)用Prim算法將所用表征節點用最小生成樹連接成Polyline曲線，最后用B樣條將求得的Polyline曲線平滑擬合，得到最終體數據骨架。

2.根據權利要求1所述的基于渲染的快速體數據骨架提取方法，其特征在于：所述步驟(1)包括：從X,Y,Z正負軸方向設置6個相機，用RayCasting直接體繪制算法對三維體數據進行渲染，得到6個2D圖像，該過程是在GPU上實現，利用計算統一設備架構CUDA的硬件加速，大大提高渲染速度，并利用PBO，FBO技術渲染到紋理，并保存到2D渲染結果。

3.根據權利要求1所述的基于渲染的快速體數據骨架提取方法，其特征在于：所述步驟(7)具體實現為：以這些表征節點為節點，以表征節點之間的距離為權，構建無向完全圖G，并用Prim算法求解圖G的最小生成森林，檢測出森林中樹的葉節點和分叉點，從而進一步生成Polyline曲線。采用B樣條擬合方法，Polyline上的點作為控制點，計算出更多的插值點，求得B樣條曲線，得到更加的光滑體數據骨架。