一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法技术

本发明专利技术涉及提供一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，基于原始医学影像体数据进行图像特征提取、配准和形变的研究，从而更加真实全面地描绘人体内部全部组织信息，为基于体数据的手术模拟、提升高难度手术成功率和医学教学效果奠基，不仅节约培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员进行手术的风险性大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平发展不平衡的现状有着特殊的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法
本专利技术属于医学影像仿真处理领域，涉及计算机图形学中对物体的仿真技术，是一个基于医学手术中人体软组织模拟交互的体数据形变编辑的实现，特别涉及一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法。
技术介绍
自由变形算法通过扭曲变形物体所在空间从而实现物体的变形操作，它使用了类似于贝塞尔曲线的思想，通过能随着控制点而自我调整的样条来拟合获得平滑圆润的曲线、表面以及体积。自由变形算法这一类的基于可变形曲线的变形模型是医学软组织变形领域第一批被发展起来的变形模型，也是第一批被投入于手术仿真领域进行应用的变形模型。它们在计算速度方面有着非常不错的优势，可以满足实时形变的需要。特征点检测广泛应用到目标匹配、目标跟踪、三维重建等应用中，在进行目标建模时会对图像进行目标特征的提取，常用的有颜色、角点、特征点、轮廓、纹理等特征。其中Harris角点检测是特征点检测的基础，提出了应用邻近像素点灰度差值概念，从而进行判断是否为角点、边缘、平滑区域。Harris角点检测原理是利用移动的窗口在图像中计算灰度变化值，其中关键流程包括转化为灰度图像、计算差分图像、高斯平滑、计算局部极值、确认角点。CUDA是一种由NVIDIA推出的通用并行计算架构，该架构使GPU能够解决复杂的计算问题。GPU包含了比CPU更多的处理单元，更大的带宽，使得其在多媒体处理过程中能够发挥更大的效能。例如：当前最顶级的CPU只有4核或者6核，模拟出8个或者12个处理线程来进行运算，但是普通级别的GPU就包含了成百上千个处理单元，高端的甚至更多，这对于多媒体计算中大量的重复处理过程有着天生的优势。利用GPU加速运算可提高计算速度，满足大量计算需求实时交互的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，基于原始医学影像体数据进行图像特征提取、配准和形变的研究，从而更加真实全面地描绘人体内部全部组织信息，为基于体数据的手术模拟、提升高难度手术成功率和医学教学效果奠基，不仅节约培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员进行手术的风险性大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平发展不平衡的现状有着特殊的意义。本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，其特征在于：所述方法的步骤为：1)自由形变算法的实现以及可视化；2)基于B样条的三维mha格式图像的可变形配准的实现及可视化；3)Harris图像特征点提取的实现及可视化；4)基于VTK的二维和三维医学图像的打开读取和显示。而且，所述步骤1)通过OpenGL实现三维自由形变算法和raw文件图像的三维可视化，具体操作为：载入raw格式图像文件，即可在界面展示其三维图像；程序设置若干数目的控制点，安排在三维图像包围盒的若干顶点处，通过调节该设置的控制点位置对三维模型进行形变操作。而且，所述步骤2)对二维和三维图像基于B样条的可变形配准，具体操作为：在二维图像配准中，使用CUDA调用GPU实现加速运算，并且支持对配准结果的放大观察和对变形场的可视化；在三维图像配准中，支持对原三维图像，配准后的三维图像的可视化对比展示。而且，所述步骤3)实现Harris图像特征点提取和可视化，具体操作为：读取选定图片，调用OpenCV库函数实现相应矩阵运算以及高斯滤波操作，将提取出的特征点在图像上使用绿色圆点标注出来进行可视化展示。而且，所述步骤4)基于VTK实现对于二维和三维医学图像文件的读取、打开和展示，具体操作为：对于二维图像，使用vtkImageViewer2类完成对于图像的展示；在三维模型的图像展示上，使用vtkMarchingCubes来构造等值面，使用vtkPolyDataMapper来建立多边形数据和图元之间的映射。本专利技术的优点和有益效果为：1、本专利技术一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，在二维图像配准中采用了GPU加速，处理速度大大提升；基于GPU的实现对于大规模的数据能够达到基于CPU速度的15倍。2、本专利技术一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，采用并行计算的方法，使用CUDA来调用GPU实现了并行计算，对于图像每一部分在GPU上并行地进行处理，再通过算法开始时预处理出的各种查找表来避免重复冗余的运算，最终使得算法的运行速度得到很大的提升。3、本专利技术一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，实验过程中保证了算法实现的编程环境、运行环境、操作系统以及计算机硬件环境不变，就同样一幅图像，Harris角点检测算子耗时最短，速度最快。附图说明图1为软件功能架构图；图2为执行时间关于体数据大小的折线图；图3为左胸腔CT配准图。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，其特征在于：所述方法的步骤为：S0101：用户载入raw格式文件后，即可在界面展示其三维图像；在自由形变部分，需要将物体中需要进行形变的部分提取出来，计算出它的包围盒，然后以此包围盒为基准，经过略微的延伸建立一个平行六面体，对六面体沿着平行于x,y,z轴方向进行均匀地“切割”，最终将其均匀划分为l×m×n个平行六面体小格子，“切割”的操作将需要变形的部分嵌入到一个三维网格之中，每个小格子的顶点都是一个控制点。记控制点坐标为其中i＝0,1,...,l；j＝0,1,...m；k＝0,1,...,n；每个控制点坐标都可以用一个初始点控制点的坐标再加上相应的偏移来表示：公式(1)中，对于物体网格模型上每一点Q，其在三角网格化后相对于x,y,z轴的坐标假设为其局部坐标(s,t,u)的计算可表示如下：假设变形之后控制点的新坐标可以用则原先物体网格上的点Q在进行变形之后的新坐标位置可以表示为：公式(5)中(s,t,u)为变形前求解Q点的局部坐标，Bi,l(s),Bj,m(t),Bk,n(u)均为Bernstein基函数。S0201：配准展示模块采用的是基于样条的配准算法，该类算法是通过在两幅图像对应灰度(体素)之间建立映射关系来实现配准的。在B样条可变形配准算法中，映射通过变形场来描述。一个最佳变形场准确描述了固定图像中的体素相对于它们的原始位置移动到变换图像中的对应体素位置的过程。算法的目标即尝试求出最优变形场。首先用B样条系数来表示变形场，x维度表示如下：y和z维度的分量也可以类似地进行表示。公式(6)中(i,j,k)表示“块”在整个体中的坐标，β是B样条基函数，(u,v,w)是位于(x,y,z)坐标的体素在其所在“块”中的局部坐标。定义代价函数，使用SSD：使用梯度下降方法下降至全局或者局本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，其特征在于：所述方法的步骤为：/n1)自由形变算法的实现以及可视化；/n2)基于B样条的三维mha格式图像的可变形配准的实现及可视化；/n3)Harris图像特征点提取的实现及可视化；/n4)基于VTK的二维和三维医学图像的打开读取和显示。/n

【技术特征摘要】
1.一种体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)自由形变算法的实现以及可视化；
2)基于B样条的三维mha格式图像的可变形配准的实现及可视化；
3)Harris图像特征点提取的实现及可视化；
4)基于VTK的二维和三维医学图像的打开读取和显示。


2.根据权利要求1所述的体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，其特征在于：所述步骤1)通过OpenGL实现三维自由形变算法和raw文件图像的三维可视化，具体操作为：载入raw格式图像文件，即可在界面展示其三维图像；程序设置若干数目的控制点，安排在三维图像包围盒的若干顶点处，通过调节该设置的控制点位置对三维模型进行形变操作。


3.根据权利要求1所述的体数据形变编辑展示软件平台的构建方法，其特征在于：所述步骤2)对二维和三维图像基于B样条的可变形配准，具体操作为：在二维图像配准中，使用C...

【专利技术属性】
技术研发人员：于瑞国，徐少奇，喻梅，于健，赵满坤，徐天一，应翔，姜铁，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12