[發(fā)明專利]基于文物CT圖像輪廓線的三維建模方法、系統(tǒng)及設(shè)備

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210143583.8
• 申請日: 2022-02-16
• 公開（公告）號: CN114612318A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張英哲;張順利;張珮琦
• 申請（專利權(quán)）人: 西北大學(xué)
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T5/20;G06T7/13;G06T7/181;G06T3/40;G06T17/20
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發(fā)明屬于三維建模技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于文物CT圖像輪廓線的三維建模方法、系統(tǒng)及設(shè)備，通過八鄰域輪廓提取算法進(jìn)行輪廓提取處理；使用基于廣義柱體和輪廓樹結(jié)合的算法進(jìn)行輪廓匹配，識別相鄰斷層的每個輪廓，并擬合成橢圓，排除無效輪廓及雜質(zhì)點，輪廓樹是以一棵樹的分枝關(guān)系表示一對相鄰切片間各輪廓間嵌套關(guān)系的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，樹的一個節(jié)點對應(yīng)層中的一個輪廓，每一個輪廓一一對應(yīng)一個數(shù)組，根據(jù)數(shù)組比對得知層間輪廓的分組對應(yīng)關(guān)系，提取了文物的內(nèi)外多層輪廓；通過最短對角線法進(jìn)行輪廓拼接處理。本發(fā)明實施重建效果好，保證了在有效時間內(nèi)結(jié)果的精確性，有效縮小了輪廓匹配搜索范圍，提高了輪廓對應(yīng)的準(zhǔn)確性和自動化程度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于文物CT圖像輪廓線的三維建模方法、系統(tǒng)及設(shè)備。

背景技術(shù)

目前，文物是人類社會歷史文明發(fā)展時期的重大遺存物，透過對文物保護(hù)的深入研究能夠更多地探索發(fā)展史的未解之謎，但如何對文物進(jìn)行無損檢驗卻是當(dāng)前文物保護(hù)科學(xué)研究的關(guān)鍵問題。目前文物保護(hù)科學(xué)研究和保護(hù)領(lǐng)域主要使用的兩種數(shù)字化技術(shù)手段，分別為三維掃描建模和X光透射成像。但由于三維掃描建模技術(shù)僅僅獲取了物件的外部表面結(jié)構(gòu)，而無法掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；X光透射成像技術(shù)獲取的內(nèi)部結(jié)構(gòu)重疊影像也只是二維信息，對一些內(nèi)部構(gòu)造細(xì)節(jié)的空間分析無法給出更為全面有效的數(shù)據(jù)信息。因此，近年來更多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)將工業(yè)CT(Industrial Computerized Tomography,ICT)這一技術(shù)運用到文物保護(hù)領(lǐng)域中。工業(yè)CT技術(shù)，即工業(yè)用計算機(jī)層析成像技術(shù)，是一種先進(jìn)的射線無損檢測技術(shù)，它能在對被檢物體無損傷條件下以二維或三維數(shù)字化圖像的形式清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被檢物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成、材料及缺損狀況，因此，該技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)學(xué)、航天、航空、兵器、電力等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

三維重建的方法大致可以分為兩種：一種是體繪制，另一種是面繪制。體繪制又稱為直接體繪制方法，它是指不重建中間圖元，直接以體素集合來表示實體，將原始數(shù)據(jù)通過光線傳輸規(guī)律方程投射到二維投影平面進(jìn)行繪制。體繪制認(rèn)為每一個體素都具有一定的屬性，比如透明度、光亮度，然后根據(jù)光照模型和體素介質(zhì)屬性分配一定的不透明度和光強(qiáng)度，并在視線方向上積分計算，最后將計算得出的半透明圖像在屏幕上顯示出來。面繪制是先提取物體的幾何信息，構(gòu)造中間幾何圖元，再采用計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)生成物體的三維表面。面繪制分為體素級重建和切片級重建。體素級重建也稱為基于等值面的重建，首先依次對每個體素進(jìn)行處理，確定出其所包含的等值面片然后將所有的體素的面片連接起來形成整個物體表面。所謂等值面就是指如果把體數(shù)據(jù)看成是某個空間區(qū)域內(nèi)關(guān)于某種物理屬性的采樣集合，通過插值來估計非采樣點和鄰近采樣點上的采樣值，則該空間區(qū)域內(nèi)所有具有某一個屬性的點集合定義成為一個或多個曲面，稱之為等值面。切片級重建也稱為基于輪廓線的重建，在得到輪廓線后，采用三角面片來覆蓋物體的表面，由于滿足條件的頂點連接方式很多，不適當(dāng)?shù)倪B接會引起重建表面的扭曲，所以為了保證重建表面自然光滑，通常還需要采用一定的優(yōu)化準(zhǔn)則對頂點連接加以約束，來實現(xiàn)物體的表面重建，例如體積最大準(zhǔn)則、表面積最小準(zhǔn)則、跨距最短準(zhǔn)則。

通過上述分析，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及缺陷為：

(1)由于體繪制在計算中需要對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行大量的處理和運算，大大增加了體繪制的計算開銷，而且對硬件設(shè)備有較高的要求，導(dǎo)致了圖像繪制速度比較慢，從而很難達(dá)到實時交互的效果。

(2)現(xiàn)有面繪制中的體素級重建方法會產(chǎn)生大量的幾何圖元，占用大量的存儲空間，即使對于幾何結(jié)構(gòu)非常簡單的物體也是如此。

(3)現(xiàn)有的面繪制中切片級重建方法約束性不強(qiáng)，導(dǎo)致它們具有很大的隨意性。在輪廓線形態(tài)復(fù)雜多變，輪廓線位置、方向和形狀差異較大的情況下，重建的效果不理想。

解決以上問題及缺陷的難度為：