[發(fā)明專利]一種物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011003357.7
• 申請(qǐng)日: 2020-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN112330723B
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳志杰;熊體超;凌永權(quán);李康榮;唐會(huì);龐康高;李觀華;林宇恒;鮑浩能
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T7/33
• 分類號(hào): G06T7/33
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 張金福

1.一種物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1：輸入標(biāo)記物模板的三維圖像，構(gòu)建標(biāo)記物模板的特征向量h_template，包括：

步驟(1)：對(duì)標(biāo)記物模板的三維圖像進(jìn)行體素化質(zhì)心降采樣，形成新的但點(diǎn)數(shù)量更少的三維圖像；

步驟(2)：對(duì)降采樣后的三維圖像進(jìn)行法線估計(jì)；

步驟(3)：將所有點(diǎn)法線方向指向模板外部，同時(shí)進(jìn)行單位化處理；

步驟(4)：設(shè)置標(biāo)記物模板搜索半徑，利用KD-tree提取標(biāo)記物模板的特征點(diǎn)f_template在標(biāo)記物模板搜索半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)和點(diǎn)法線，把法線的起點(diǎn)平移至原點(diǎn)(0,0,0)；由于法線經(jīng)過了單位化處理，法線的終點(diǎn)會(huì)落在半徑為1的球面上；

步驟(5)：構(gòu)建標(biāo)記物模板參考立方體，并且等分成27個(gè)體素，把參考立方體的中心移動(dòng)到球心，統(tǒng)計(jì)法線終點(diǎn)在每個(gè)體素中的數(shù)量，生成27維的特征向量h_template；

輸入目標(biāo)模型的三維圖像，構(gòu)建目標(biāo)模型的特征向量h_j，包括：

步驟一：對(duì)目標(biāo)模型的三維圖像進(jìn)行體素化質(zhì)心降采樣，使體素化參數(shù)與標(biāo)記物模板的降采樣參數(shù)一致；

步驟二：對(duì)降采樣后的三維圖像進(jìn)行每個(gè)點(diǎn)法線m_j估計(jì)和曲率估計(jì)；

步驟三：將所有的點(diǎn)法線m_j方向指向模型外部，同時(shí)進(jìn)行單位化處理；

步驟四：按照曲率值，提取出處于所有平坦區(qū)域的點(diǎn)以及點(diǎn)法線

步驟五：遍歷平坦區(qū)域的點(diǎn)及點(diǎn)法線設(shè)置目標(biāo)模型搜索半徑，利用KD-tree提取每個(gè)在目標(biāo)模型搜索半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)和法線，設(shè)其集為把的起點(diǎn)平移至原點(diǎn)(0,0,0)，即是其終點(diǎn)會(huì)落在半徑為1mm的球面上，記為旋轉(zhuǎn)球面使得與z軸重合；

步驟六：構(gòu)建目標(biāo)模型參考立方體，并且等分成27個(gè)體素，把目標(biāo)模型參考立方體的中心移動(dòng)到球心，統(tǒng)計(jì)法線終點(diǎn)在每個(gè)體素中的數(shù)量，生成27維的特征向量h_j；

S2：對(duì)特征向量h_template和特征向量h_j進(jìn)行特征匹配，從模板模型中識(shí)別出與標(biāo)記物模板的標(biāo)記點(diǎn)最接近的特征點(diǎn)；

S3：求出標(biāo)記物表面上的點(diǎn)，并打上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽；

S4：輸出帶有標(biāo)記物表面標(biāo)簽的目標(biāo)模型三維圖像。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，步驟(2)具體為：采用KD-tree數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)快速尋找圖像中每個(gè)點(diǎn)的近鄰點(diǎn)集；

以每個(gè)點(diǎn)與其近鄰點(diǎn)集構(gòu)成了局部表面，計(jì)算該局部表面的法線作為每個(gè)點(diǎn)的點(diǎn)法線。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，步驟(1)和步驟一中的體素化質(zhì)心降采樣公式為：

其中，v_j為第i個(gè)體素的質(zhì)心即為采樣點(diǎn)，M為體素內(nèi)包含的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，P＝{p_r:r＝1,...,M}為體素內(nèi)的點(diǎn)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，步驟五中旋轉(zhuǎn)球面使得與z軸重合的操作中所旋轉(zhuǎn)的角度的計(jì)算公式為：

其中，Z為z坐標(biāo)軸正方向的單位向量。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，步驟五中旋轉(zhuǎn)球面使得與z軸重合的操作中的旋轉(zhuǎn)公式為：

其中，為球面經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后得到的全新的球面；w_j為旋轉(zhuǎn)軸，w_jx,w_jy,w_jz分別為w_j在x、y、z軸上的分量。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，S2所述特征匹配，是根據(jù)特征向量的余弦相似度來進(jìn)行匹配。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述特征匹配的是標(biāo)記物的表面。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述物理到圖像/圖像到物理的自動(dòng)配準(zhǔn)方法，其特征在于，S3具體為：從特征向量集合計(jì)算得與h_template最相似的h_j的所在索引J，對(duì)應(yīng)的特征向量記作h_J，h_J確定后，從h_J對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)v_J出發(fā)，利用KD-tree對(duì)搜索半徑范圍內(nèi)的點(diǎn)打上標(biāo)簽，其中索引J的計(jì)算公式為：

其中，N為三維圖像被分解成體素的個(gè)數(shù)。