專利名稱：對(duì)三維的圖像重建執(zhí)行線性內(nèi)插的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及執(zhí)行圖像重建的方法和裝置，尤其涉及對(duì)三維圖像重建執(zhí)行快速線性內(nèi)插的方法和裝置。
三維圖像重建是在80年代的后期發(fā)展的，并可用在許多領(lǐng)域，特別是醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)X射線斷層造影(CT)是一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)例，其中把二維圖像重建成三維目標(biāo)以用于診斷。三維的圖像重建使用一系列二維圖像部分，以便重建一個(gè)原始成像的原始三維目標(biāo)。三維的圖像重建最好是經(jīng)過比較選擇的過程，即切割用于微觀檢查的器官組織。
一般有兩種重建算法，一個(gè)使用線性內(nèi)插，而另一個(gè)使用非線性的內(nèi)插。E.Keppel，的“借助等值線的三角測量的近似合成物表面”一文(IBM研發(fā)月刊，卷19，2-11頁，1975年1月)公開了一種最初的線性內(nèi)插三維重建技術(shù)。如

圖1所示，Keppel的技術(shù)是根據(jù)三角測量，其中之關(guān)鍵是在大量候選三角形中搜索表示該目標(biāo)表面的三角形。假設(shè)第一個(gè)二維圖像部分具有m個(gè)等值線像素，而第二個(gè)二維圖像部分具有n個(gè)等值線像素，則有[(m-1)＋(n＋1)]！[(m－1)！(n－1)！]個(gè)三角形可用于重建原始三維目標(biāo)的表面。而且，如果m＝n＝12，則三角形的數(shù)量是107。
在Keppel的技術(shù)之后發(fā)展了許多算法，以改進(jìn)內(nèi)插結(jié)果，某些算法包括針對(duì)一個(gè)最佳路徑的搜索。然而大多數(shù)的算法是根據(jù)三角測量。
非線性的內(nèi)插技術(shù)也被用于三維重建，并且通常比線性內(nèi)插技術(shù)更有適應(yīng)性。實(shí)例包括W.C.Lin等.的“用于從連續(xù)斷面成像重建3-D目標(biāo)的動(dòng)態(tài)彈性內(nèi)插法”(IEEE通訊，醫(yī)學(xué)成像，卷3，225-232頁1988年9月)和W.C.Lin et al.的“用于從系列的端面圖重建3D目標(biāo)的一種新的表面內(nèi)插技術(shù)”(計(jì)算機(jī)圖形圖象處理，卷48，124-143頁，1989年)這兩個(gè)技術(shù)均獲得頗佳重建結(jié)果；和J.D.Boissnnat的“從平截面重建形狀”(計(jì)算機(jī)圖形圖象處理，卷44，1-29頁，1988年)其能適應(yīng)不同應(yīng)用。
Lin等.的“用于從連續(xù)斷面成像重建3-D目標(biāo)的動(dòng)態(tài)彈性內(nèi)插法”一文公開一種非線性的內(nèi)插技術(shù)，用于在兩個(gè)連續(xù)的部分中的輪廓之間的空缺進(jìn)行填充，以便重獲一個(gè)三維目標(biāo)的外形。其總的想法是標(biāo)識(shí)作用于第一個(gè)輪廓的一個(gè)應(yīng)力場，并且試圖變形該第一輪廓，以便與緊鄰的輪廓相像。該方法的優(yōu)點(diǎn)包括它的控制分支問題的能力以及它把圖解描寫方法應(yīng)用于包括體積象素部分的固體目標(biāo)。用于從連續(xù)剖面重建三維(3-D)目標(biāo)的技術(shù)或在目標(biāo)結(jié)構(gòu)的理解方面給予幫助，或改進(jìn)該目標(biāo)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)操作以及分析。
Lin等的“用于從系列的端面圖重建3D目標(biāo)的一種新的表面內(nèi)插技術(shù)”一文公開了動(dòng)態(tài)彈性輪廓內(nèi)插技術(shù)、仿樣理論和基于二次變分的表面內(nèi)插技術(shù)的結(jié)合。三維目標(biāo)的初始描述是通過執(zhí)行一個(gè)彈性內(nèi)插算法以便產(chǎn)生一系列在每一對(duì)兒連續(xù)截面之間的中間輪廓而形成的。隨后，通過把該輪廓映象成一個(gè)表面函數(shù)域、然后使用仿樣函數(shù)計(jì)算該初始表面值執(zhí)行用于表面計(jì)算的初步處理。根據(jù)該初步處理的輸出，基于二次變分的表面內(nèi)插算法被用于最終表面顯示的計(jì)算。該方法利用高階導(dǎo)數(shù)的連續(xù)性以便產(chǎn)生該三維目標(biāo)的平滑和完整的表面。
Boissonnat的文章構(gòu)造一個(gè)體積，其邊界是具有三角形面的多面體，沿著給定的輪廓相交該切割平面。通過刪除在兩個(gè)相鄰截面之間形成的Delaunay三角形而逐部分地獲得此體積。能夠使用一個(gè)算法有效率地計(jì)算Delaunay三角形，該算法只使用二維操作優(yōu)化輸入和輸出的尺寸。該形狀重建方法從該三角形測量析取無奇點(diǎn)的最大連續(xù)值，并且在輪廓的數(shù)量從一種剖面到另外一個(gè)剖面的變化中有效，因此限定被分支和有孔的目標(biāo)的輪廓。
然而，如上所述的非線性內(nèi)插技術(shù)通常是復(fù)雜的，并且需要大量的計(jì)算。
結(jié)果是，需要能適應(yīng)的并且不根據(jù)三角測量的高速和高自適應(yīng)性的線性內(nèi)插，用于三維圖像再現(xiàn)。
本發(fā)明旨在一種方法和裝置，用于對(duì)三維圖像再現(xiàn)執(zhí)行快速線性內(nèi)插。本發(fā)明的總構(gòu)思包括對(duì)相鄰的原始部分成像中的像素進(jìn)行連接，以便獲得一個(gè)內(nèi)插的部分成像，并且使用該原始的部分成像和該內(nèi)插的部分成像來恢復(fù)該三維的目標(biāo)。
在一個(gè)最佳實(shí)施例中，本發(fā)明旨在一種包括三個(gè)主要步驟的方法一個(gè)預(yù)處理步驟、一個(gè)內(nèi)插步驟、和一個(gè)三維目標(biāo)恢復(fù)步驟。在該預(yù)處理步驟中，輸入的部分成像被準(zhǔn)備內(nèi)插。這可以包括保證相鄰的輸入部分成像是在正確的相關(guān)取向?？梢酝ㄟ^把標(biāo)志相加到輸入部分成像來實(shí)現(xiàn)正確的取向，其可以被排列在內(nèi)插之前，以便保證正確的相關(guān)取向。該預(yù)先處理步驟還可以包括檢測大致的輪廓、析取特征和設(shè)置輪廓分段點(diǎn)(手動(dòng)地或自動(dòng)地)。
在內(nèi)插步驟中，確定從第一部分成像中的每一輪廓像素到在相鄰部分成像中的每個(gè)輪廓像素的距離。在相鄰的部分成像中的具有距離在該第一部分成像中的每個(gè)輪廓像素最短距離的輪廓像素被聯(lián)結(jié)，即與該輪廓像素配對(duì)。一輪廓像素可以具有零、一或一個(gè)以上的配對(duì)。該像素配對(duì)用于確定在內(nèi)插的部分成像中的像素的坐標(biāo)。該內(nèi)插步驟可選擇包括一個(gè)分支處理子步驟，其中所有可能的分支的聯(lián)合被用于確定多個(gè)分支。
作為內(nèi)插步驟的連接特征的結(jié)果，生成三維目標(biāo)的表面是平滑和完整的。該內(nèi)插步驟是線性的并且不根據(jù)三角測量。而且，由于該內(nèi)插步驟的低計(jì)算復(fù)雜性，本發(fā)明的方法以及裝置有快速和非常高的適應(yīng)性。
圖1示出根據(jù)三角測量的一個(gè)已有技術(shù)的線性內(nèi)插技術(shù)。
圖2示出本發(fā)明一最佳實(shí)施例的方法。
圖3示出本發(fā)明一最佳實(shí)施例的中的兩個(gè)相鄰輸入部分成像和一個(gè)內(nèi)插的部分成像。
圖4-6示出本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例中的對(duì)于分歧問題的解決方案。
本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例在圖2中示出。本發(fā)明包括三主要步驟預(yù)處理步驟100、內(nèi)插步驟200和三維目標(biāo)恢復(fù)步驟300。該預(yù)處理步驟100準(zhǔn)備和定向一系列的輪廓或部分成像110，其構(gòu)成本方法的輸入；該內(nèi)插步驟200把相鄰的部分成像的像素相關(guān)，以便產(chǎn)生內(nèi)插的部分成像210；而該三維的目標(biāo)恢復(fù)步驟300根據(jù)輸入的部分成像110和內(nèi)插部分成像210產(chǎn)生該三維目標(biāo)。
為了保證內(nèi)插步驟的正確執(zhí)行，輸入的部分成像110必須在右邊定位，以使它們可以被彼此正確地相對(duì)取向。一種用于實(shí)現(xiàn)正確的相關(guān)取向的技術(shù)是，當(dāng)每個(gè)部分成像110是切割時(shí)在每個(gè)部分成像110中放置標(biāo)志。圖3示出兩個(gè)相鄰的部分成像1102、1104，每個(gè)包括三個(gè)標(biāo)志112。在預(yù)處理步驟100過程中，標(biāo)志112被用于正確地使部分成像1102和1104相對(duì)定向。雖然圖3示出三個(gè)標(biāo)志112，但是根據(jù)期望的精確度可以使用任何大于二的數(shù)目。
預(yù)處理步驟100還可能包括檢測大致的輪廓和析取。這兩個(gè)功能可以通過任何本專業(yè)普通技術(shù)人員公知的傳統(tǒng)技術(shù)執(zhí)行。該預(yù)處理步驟100還可以包括設(shè)置輪廓分段點(diǎn)(手動(dòng)地或自動(dòng)地)，并且使用本專業(yè)普通技術(shù)人員公知的任何傳統(tǒng)技術(shù)追蹤每個(gè)部分成像110，以便獲得一系列連續(xù)、平滑的組成該部分成像110的單一像素。一個(gè)示范的常規(guī)方法是Seitz算法，但也可以使用其它普通技術(shù)。
內(nèi)插步驟200的目標(biāo)是產(chǎn)生內(nèi)插的部分成像210。如圖3示出，假設(shè)C1和C2是部分成像1102和1104分別在平面Z1和Z2中的輪廓曲線，則C1＝{PI，l≤I≤n1} (1)C2＝{Pi，l≤j≤n2}(2)如果n1≥n2和k＝n2/n1，則該內(nèi)插步驟200的像素配對(duì)子步驟202可以執(zhí)行如下。如果像素配對(duì)從像素P1開始，第一步驟是計(jì)算在P1和C2中的每個(gè)輪廓像素之間的距離，比如Dj(l≤j≤n2)。如果Dm＝min(Dj)，則在C2中的像素Qm是P1像素的配對(duì)。進(jìn)行像素配對(duì)步驟200，以便使得其它象素Pj＋1，Pj＋2…，Pn1，P1…，Pj＋1與像素Qm，Qm＋1…，Qn2配對(duì)。圖3中，Ql…，Qm－1，Pj＋1與Qint(m＋k)配對(duì)，Pj＋2與Qint(m＋2k)配對(duì)等。
如上闡述，C1在平面Z＝Z1中而C2在Z＝Z2中。如果C′是在部分成像1102和1104之間的內(nèi)插的部分成像210(為了明確沒有示出)，則C′是在平面Z＝Z′中。如圖3所示，P1的坐標(biāo)是(xi，yi，Z)，Qm的坐標(biāo)是(xm，ym，z2)，并且內(nèi)插的部分成像C′的內(nèi)插像素S的坐標(biāo)是(x，y，z)。
由此x＝xi－(xi－xm)x[(z1－z)/(z1－z2)]和(3)x＝y(tǒng)i－(yi－ym)x[(z1－z)/(z1－z2)] (4)如果Δx＝xi－xm，Δy＝y(tǒng)i－ym，Δz＝z1－z2，Δz′＝z1－z，則x＝xi－Δxx(Δz′/Δz)并且 (5)y＝y(tǒng)i－Δxx(Δz′/Δz)，(6)其限定了在輸入部分成像1102和1104之間的內(nèi)插的部分成像210中的每一像素的坐標(biāo)。
方程式(5)和(6)可以被重復(fù)，以便得到在部分成像110的每一相鄰對(duì)之間的內(nèi)插的部分成像210的坐標(biāo)。
如上討論，分支的處理在許多三維圖像重建的應(yīng)用中經(jīng)常是一個(gè)問題。兩個(gè)好的實(shí)例是該生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的神經(jīng)或氣管的成像。如圖4所示，部分成像C具有三個(gè)分支，C1、C2和C3。在部分成像C和三個(gè)分支C1、C2和C3之間的內(nèi)插的部分成像210可以重疊，如圖5所示。
該內(nèi)插步驟200可能有選擇地包括一個(gè)分支處理子步驟204。在像素配對(duì)子步驟202中，(C，C1)、(C，C2)、(C，C3)的每一個(gè)被分別地配對(duì)，并且該內(nèi)插的部分成像210包括三個(gè)單獨(dú)的部分成像片段I1、I2、I3。如圖6所示，該內(nèi)插部分成像210被限定為三個(gè)單獨(dú)的部分成像片段的聯(lián)合I1UI2UI3一旦根據(jù)輸入的部分成像110產(chǎn)生足夠的內(nèi)插的部分成像210并且已經(jīng)分解了任何分支，則三維目標(biāo)恢復(fù)步驟300將通過任何公知的常規(guī)技術(shù)產(chǎn)生三維的目標(biāo)。作為內(nèi)插的部分成像210的結(jié)果，生成三維目標(biāo)的表面是平滑的和完整的。該內(nèi)插步驟200是線性的并且不根據(jù)三角測量。而且，由于該內(nèi)插步驟的低計(jì)算復(fù)雜性，圖3的示范方法有高速度和非常高的適應(yīng)性。
雖然上述的最小間距函數(shù)作為配對(duì)相鄰的部分成像的技術(shù)，但是還可以使用本專業(yè)普通技術(shù)人員公知的其它技術(shù)、特性或參數(shù)。
雖然上述的本發(fā)明是結(jié)合輪廓像素描述，但是任何像素的分組的組合都可以被用于內(nèi)插。
雖然本發(fā)明的方法已經(jīng)結(jié)合圖2-6進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明的裝置可以包括任何類型的處理器，以執(zhí)行上述功能的硬件或者軟件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的描述因此明顯的可以在在許多方面變化。這種變化不被認(rèn)為是背離了本發(fā)明的精神和范圍，并且所有的的這種修改都將是對(duì)本專業(yè)技術(shù)人員顯而易見的。都將包括在下列權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于三維圖像重建的執(zhí)行線性內(nèi)插方法，包括步驟準(zhǔn)備一系列用于內(nèi)插的輸入的部分成像；并且通過配對(duì)在所說輸入部分成像系列中的至少兩個(gè)相鄰的像素，確定至少一個(gè)內(nèi)插的部分成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括步驟根據(jù)該輸入的部分成像系列和該至少一個(gè)內(nèi)插的部分成像而產(chǎn)生一個(gè)三維的目標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中根據(jù)最小間距配對(duì)該像素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中的像素是輪廓像素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，所說的準(zhǔn)備步驟包括，彼此相關(guān)地定向輸入部分成像的系列的每一個(gè)的像素。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中每一個(gè)輸入的部分成像系列的像素使用加到該輸入部分成像的系列的標(biāo)志而被彼此相關(guān)地取向。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括步驟根據(jù)一個(gè)結(jié)合函數(shù)處理輸入的部分成像的系列中的分支，以便產(chǎn)生在至少一個(gè)內(nèi)插部分成像中的分支。
8.被編程執(zhí)行線性內(nèi)插、用于三維圖像重建的一種裝置，包括一個(gè)處理器，準(zhǔn)備一系列用于內(nèi)插的輸入的部分成像，并且通過配對(duì)在所說輸入部分成像系列中的至少兩個(gè)相鄰的像素，確定至少一個(gè)內(nèi)插的部分成像。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所說的處理器輸出該輸入的部分成像系列以及至少一個(gè)內(nèi)插部分成像，以使能夠產(chǎn)生一個(gè)三維的目標(biāo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中根據(jù)最小間距配對(duì)該像素。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中該像素是輪廓像素。
12.根據(jù)權(quán)利.要求8的裝置，其中所說的處理器進(jìn)一步定向彼此相關(guān)的輸入部分成像系列的每一個(gè)的像素。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中每一個(gè)輸入的部分成像系列的像素使用加到該輸入部分成像的系列的標(biāo)志而被彼此相關(guān)地取向。
14.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，所說的處理器還根據(jù)一個(gè)結(jié)合函數(shù)處理輸入的部分成像的系列中的分支，以便產(chǎn)生在至少一個(gè)內(nèi)插部分成像中的分支。
全文摘要
用于執(zhí)行快速、線性內(nèi)插而用于三維圖像再現(xiàn)的方法和裝置,其中相鄰原始部分成像的像素被配對(duì)以便獲得內(nèi)插的部分成像,并且該原始部分成像和內(nèi)插部分成像被用于產(chǎn)生一個(gè)三維目標(biāo)。相鄰的原始部分成像中的像素可以根據(jù)在它們之間的最短距離或其它適當(dāng)?shù)奶匦耘鋵?duì)。一輪廓像素可以具有零、一或一個(gè)以上的配對(duì)。一個(gè)像素配對(duì)用于確定在一個(gè)內(nèi)插的部分成像中的像素的坐標(biāo)。該內(nèi)插步驟是線性的并且不根據(jù)三角測量。而且,本發(fā)明的方法以及裝置有快速和非常高的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)G06T15/00GK1340791SQ0013168
公開日2002年3月20日 申請(qǐng)日期2000年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月29日
發(fā)明者吳曉蕓 申請(qǐng)人:朗迅科技公司