基于MITK的血管三维重建

利用二维血管内超声图像序列重建三维血管模型,并对三维模型进行虚拟剖切,可以方便地看到内部组织,便于观察和诊断.针对血管内超声图像亮度变化小、形状特征不明显和图像分割效果不好等问题,基于MITK平台,采用光线投射算法对二维超声图像序列进行体绘制三维重建.对重建模型进行旋转、缩放和任意平面裁剪等交互操作,裁剪掉一部分无关体素,有助于医生观察血管的内部结构和细节信息.此外,通过调节体素的阻光度值,可以得到层次清晰的三维血管模型.     

电容层析成像系统三维图像重建的研究

探讨了电容层析成像(ECT)系统中利用二维断层图像进行三维表面重建并由三维图像求取两相流中离散相体积和观察其空间位置的方法。首先对二维断层图像序列进行轮廓抽取和细线化，然后进行轮廓匹配和轮廓插值并进行表面重建。初步的仿真结果表明，使用的三维重建算法简单、重建精度高、成像速率快。     

CT图像三维重建体绘制算法重采样改进

CT断层影像三维重建技术是目前医学可视化研究的热点之一,为了更精准地获取病变部位的信息并使诊断过程更加方便,从一组CT切片图像中重建出三维图像就显得尤为重要.针对三维重建过程中体绘制的光线投射算法成像速度慢的问题,提出了将重采样过程中的三线性插值过程转化到二维数据场再进行插值的改进方法,在相对三线性插值法图像质量基本不变的情况下,成像时间节省约75％.     

基于CUDA的声辐射力弹性成像算法研究

声辐射力弹性成像是一种新的测量组织硬度的超声成像方法。不同于其他超声组织弹性成像方法,声辐射力弹性成像能够定量测量组织的弹性模量数值,并且具有对操作者经验依赖性低的特点。然而,由于成像算法数据处理量大,运算时间长,声辐射力弹性成像还无法进行准实时的二维成像。为了获得实时的二维声辐射力弹性图像,提出并实现了一种适合于在GPU上并行计算的声辐射力弹性成像算法。通过与运行在CPU上的原始声辐射力弹性成像算法进行对比,证明在GPU上实现的算法大幅度地提高了运算速度。在自制弹性仿体上,比较了基于GPU和CPU两种算法所成的二维弹性分布图像的质量,结果证明两者的图像质量没有明显差异。     

实时交互的自由臂三维超声成像系统

传统的自由臂三维超声成像系统不能做到实时交互的重建.介绍了实时交互的自由臂三维超声成像系统RIF-3DUSIS(real-time and interactive freehand three-dimensional ultrasound imaging system),包括其整体设计思想、三维重建方法和软硬件系统结构.RIF-3DUSIS的特点是:(1) 在扫描过程中,实时进行采集和三维重建,并使得操作者能够对重建体模型进行实时的交互操作;(2) 在扫描的同时,不仅通过动态显示重建体提供可视化的反馈信息,而且不断更新显示已重建的比率,以定量地引导扫描重建的进度;(3) 在每一步操作之前都会给出提示信息,引导操作者进行操作.实验结果表明了RIF-3DUSIS实时重建的有效性和动态交互的灵活性.     

基于Legendre多项式展开的双基SAR二维频域成像算法

针对任意构型双基SAR基于传统Taylor级数展开斜距方法的边缘点散焦问题,提出了一种基于Legendre正交多项式逼近的双基SAR二维频域成像算法。该算法基于对斜距函数的Legendre多项式展开推导了点目标二维频谱,解除了回波信号距离—方位的耦合,使成像处理更高效。在二维频域对场景区域的点目标采用二维频域成像算法进行成像。该算法改善了场景边缘点的聚焦效果,增加了场景边缘点的聚焦深度。理论推导和仿真结果验证了该算法的有效性和可行性。     

基于超二次曲面模型的超声阵列成像算法

针对基于二维超声阵列的三维目标成像问题,提出了一种基于渡越时间法与超二次曲面模型的三维目标成像算法。利用改进的Unitary-ESPRIT算法得到特征点的方位角,利用渡越时间法(TOF)得到空间特征点的距离,将特征点的方位角与距离相结合,利用三角几何关系,将其转换为特征点的坐标。利用改进的Levenberg-Marquardt算法进行参数拟合,最终实现三维目标的成像。仿真结果表明:该算法能够实现基于超声阵列的三维目标的成像,且最终得到的拟合参数的误差基本控制在10%以内。     

三维曲面的特征描述和特征匹配

本文提出了一种新的三维曲面特征描述算法,将二维图像上的特征描述思想推广到三维网格。算法将三维网格表示成从顶点到高斯曲率的映射函数,从而获得可类比于二维图像的相似性。借助于法线和梯度建立局部球坐标系,通过二维统计直方图对特征点邻域的几何信息进行描述,使得特征描述具有平移、旋转和缩放不变性,最终生成128维的特征向量(特征描述符)。基于特征向量,我们实现了多分辨率和异拓扑网格下的特征匹配,展示并分析了实验结果。本文的研究动机来源于三维扫描建模以及多视点三维重建技术中对特征描述和特征匹配的需求,主要的应用方向包括:扫描配准、模型注册、动画跟踪、对称检测和模型检索。     

基于几何造型的有限元前处理技术

本文在综述了有限元网格生成技术的基础上,着重介绍一个基于几何造型系统的有限元分析的前处理系统。这个系统作为几何造型系统与有限元分析程序之间的接口,主要功能是对几何造型系统的二维任意形体进行有限元网格的划分,并能够进行局部加密,自动节点编号,交互划分定义单元组,定义单元节点信息、载荷信息、边界条件等,最终生成有限元分析程序所需的输入文件。同时,还能够处理平移扫描体和旋转扫描体等二维半形体。本文主要算法可以推广到三维形体的网格生成,实现对更广泛的三维结构的有限元网格生成。     

一种水下声成像算法研究及扩展

本文阐述了水下声成像的基本原理与研究的重要意义,利用Kraken简正波模型进行了水下声场传播模型的仿真,分析了水中声波在距离上和深度上的衰减情况。推导了一种三阵元水听器系统的成像方法并给出了仿真结果,最后将算法由二维成像扩展到三维成像。     

基于二维超声- 三维 CT 配准的肾脏穿刺定位方法可行性研究

医学影像引导的经皮肾穿刺手术是经皮肾镜取石术中建立手术通道的重要手段,高质量的 实时医学图像可以提高术中穿刺精度,减少手术风险。针对自由呼吸下经皮肾穿刺靶点的导航定位问 题,该研究提出了一种基于术中二维超声-术前三维 CT 实时配准的肾脏穿刺定位方法。首先对肾脏轮 廓特征的二维超声图像和三维 CT 图像进行由粗到精的快速配准,然后通过超声探头标定,将配准融合 后的图像注册到手术空间,实现穿刺靶点的实时定位。人体腹部模型实验结果表明,超声探头标定均 方根误差为 0.998 mm,二维超声和三维 CT 数据配准误差为 0.709 mm,平均配准运算时间为 1.15 s,最 终的平均定位误差为 2.265 mm。     

数字孪生水下三维实景数据底板获取技术研究

为了获取高精度的水下三维模型细节纹理结构,满足数字孪生建设对水下三维实景数据底板获取的需求,实现对水下构筑物的实时可视化动态监测,基于GNSS技术、USBL技术研究构建了水陆一体化定位技术,融合水陆一体化定位技术、有缆ROV和水下摄影测量设备等研发了水下摄影测量系统,实现了数字孪生水下三维实景数据底板的获取,并采用多波束测深系统、水下三维全景成像声纳系统等对水下摄影测量系统获取的三维实景模型数据成果精度进行了验证,结果表明：水下摄影测量系统获取的三维实景模型精度满足规范要求,可用于数字孪生流域、工程等水下基础数据底板的建设,也可为水下高精度三维场景重构再现和水利工程水下构筑物实时动态监测提供技术支撑。     

基于宽波束激励的高帧频超声成像方法研究

超声成像的帧频是影响超声成像应用的一个关键因素,成像系统的帧频决定了系统捕捉运动组织的能力,如3D成像、心脏成像、彩色多普勒等。传统超声成像采用延迟聚焦方法可获得较好的图像,但成像帧频较低。目前提高超声成像帧频主要有平面波成像和宽波束激励成像两种方法。平面波成像是通过激励所有阵元同时发射并同时接收超声波,虽在帧频上获得了显著提高,但由于它使用非聚焦技术,分辨率的提高仍然比较有限,特别是当要维持较高帧率而使用较少的扫描角度时,得到的图像质量仍然不高。宽波束成像技术利用多阵元同时发射超声波、远点聚焦、动态实现孔径变迹等方法可极大地提高图像的帧频、均匀性和空间分辨率。文章通过美国 Verasonics公司 V-1数据采集系统采集宽波束数据,进行波束合成建立宽波束超声图像,并与平面波成像和传统聚焦成像技术进行了对比和分析。实验结果表明,相较于平面波成像和传统聚焦成像方法,宽波束成像具有更好的横向分辨率和轴向分辨率,且可获得比传统聚焦方法更高的帧频。     

Behavioral-model-based freehand tracking in a Selection-Move-Release system

The development of three dimensional (3D) freehand tracking is motivated by the need for 3D freehand-based human computer interface in the Selection-Move-Release (SMR) system. The high dimensionality of articulated hand models is one of the major obstacles for tracking 3D hand in real time. A practical Task-Phase-Trajectory-Mentality (TPTM) model for the SMR system is built and a novel freehand tracking algorithm is introduced by using a camera that is calibrated by a charge-coupled device. The TPTM model is proposed and explained based on the cognitive theory in the proposed method. The manner by which the TPTM model guides the realtime design of freehand tracking is also shown. The proposed method reduces the high dimensionality down to eight degrees of freedom (DOF), optimizes the dynamic number of particles for each frame, and achieves realtime hand tracking and high accuracy of 3D full DOF hand gestures. The algorithm presented in this paper is successfully applied to a 3D virtual teaching system.     

基于图形硬件加速的Freehand三维超声图像滤波与插值技术

本文对采用Freehand超声采集方法得到体数据进行三维重建与可视化问题进行了研究。由于传统基于CPU的方法在数据预处理与三维成像的过程中要耗费大量时间,本文应用可编程图形硬件(GPU)技术,实现快速的纹理查找与计算,并进行图像滤波与插值运算。由于可编程图形硬件将很多算法用硬件并行计算,可以明显缩短成像时间。最后比较了两种滤波方法和一种插值算法来提高三维图像的质量,实验证明,基于GPU的同中心插值法能减少噪声信号干扰,缩短绘制时间。     

开放式的高分辨率超声成像系统

在医学和生物学研究当中,对活体组织进行无创性成像具有重要意义。高分辨率超声成像技术,可以对细微组 织实现高空间分辨率的成像,已被广泛应用于皮肤、眼睛、心血管和小动物成像等生物医学领域。目前领域内的相关研 究需要不同的成像系统参数,例如要求不同的探头性能、数据采集策略、信号处理以及图像重建、显示和保存方法。因 此需要一种灵活和开放的超声成像系统,能让用户根据各种研究需求实现个性化设置并能全面获取原始实验数据。文章 提出了一种实时的、便携式设计的开放式超声成像系统,可支持定制的高分辨率超声成像研究。系统基于高速现场可 编程逻辑门阵列(FPGA)实现灵活多样的超声成像。用户可以轻松地根据个性化应用需求来调整系统结构。测试结果表 明,本系统能实现 B 超成像、编码激励成像、多普勒成像、血管内成像、多模态组合成像等,为高分辨率生物医学应用 研究提供了非常灵活的成像工具。     

工业机器人加工轨迹双目3D激光扫描成像修正方法

为了提高工业机器人作业柔性,本文提出了一种基于双目CCD激光扫描3D成像的“眼在外”(Eye-to-hand:ETH)工业机器人末端(tool center point, TCP)运动轨迹在线修正方法。以激光切割机器人视觉引导为研究背景,降低加工过程机器人对物理工装定位精度的依赖。首先,为提高机器人视觉控制精度,研究了目标工件双目3D激光扫描成像空间点云坐标精确提取方法;其次,融合ETH控制特点和扫描成像系统结构,建立了一种机器人TCP运动轨迹相对偏差在线补偿方法,并通过实验验证了所提方法的可行性,为工业应用奠定基础。     

3D-freehand-pose initialization based on operator’s cognitive behavioral models

Tracking, recognition and interaction based on 3D freehand are a part of our virtual assembly system, in which monocular camera is used to input online freehand videos and the hand pose tracker requires a reliable initial pose in the first frame. A novel approach to initializing 3D pose and position of freehand is put forward in this paper visualization of 3D hand model and modeling the operators’ cognitive behaviors. Our approach is composed of three phases: hand posture recognition, coarse-tuning and fine-tuning. The operator moves his/her hand onto the to meet the needs of our virtual assembly system. The main contribution of this paper is that the three core techniques are for the first time integrated together, including human–computer interaction (HCI) in the process of initializing, projection of the 3D hand model in the period of coarse-tuning time. Then, the computer repeatedly fine-tunes the 3D hand model until the projection of the 3D hand model is completely superimposed onto the operator’s hand image. We focus on exploring and modeling cognitive behavior of operator’s hand upon which we design our initialization algorithm. Our research shows that cognitive behavioral models are not only beneficial to reducing cognitive loads for operators, because it makes the computers cater for the changes of the operators’ hand poses, but also helpful to address high dimensionality of articulated 3D hand model. Our experimental results also show that the approach presented in this paper is easier, more pleasurable and satisfactory experience for the operators. Our initialization system has successfully been applied to our 3D freehand tracking system and a simulation virtual assembly system.     

A sketch-based approach to human body modelling

In this paper, we present a new approach and a novel interface, Virtual Human Sketcher (VHS), which enables those who can draw, to sketch-out various human body models. Our approach supports freehand drawing input and a “Stick Figure→Fleshing-out→Skin Mapping” modelling pipeline. Following this pipeline, a stick figure is drawn first to illustrate a figure pose, which is automatically reconstructed into 3D through a “Multi-layered Back-Front Ambiguity Clarifier”. It is then fleshed-out with freehand body contours. A “Creative Model-based Method” is developed for interpreting the body size, shape, and fat distribution of the sketched figure and transferring it into a 3D human body through graphical comparisons and generic model morphing. The generic model is encapsulated with three distinct layers: skeleton, fat tissue, and skin. It can be transformed sequentially through rigid morphing, fatness morphing, and surface matching to match the 2D figure sketch. The initial resulting 3D body model can be incrementally modified through sketching directly on the 3D model. In addition, this body surface can be mapped onto a series of posed stick figures to be interpolated as a 3D character animation. VHS has been tested by various users on Tablet PC. After minimal training, even a beginner can create plausible human bodies and animate them within minutes.     

基于FPGA的高性能三维电阻抗成像系统

构建以FPGA为核心控制器的两层32电极的高性能三维电阻抗成像系统,详细描述了系统的软硬件设计、系统性能测试及成像试验,图像重建采用共轭梯度算法。测试结果表明,系统测量精度达0.082%,系统空间分辨率达0.51%,信噪比达60.3 dB。在盛有盐水的实验盐水槽进行成像试验,结果表明该系统能够准确识别待测区域目标物的个数、位置、大小等信息。系统的构建为深入研究三维电阻抗成像等关键技术提供可靠的硬件平台。