虚拟肝脏手术中的美兰注射实现技术研究

肝脏肿瘤切割手术中美兰注射过程是准确找到肿瘤所在位置的关键步骤之一。真实地模拟出美兰注射过程对虚拟肝脏肿瘤切割手术而言至关重要。针对虚拟手术中真实感的需求,提出了一种结合纹理映射技术的美兰注射模拟算法。运用扩散方程模拟了美兰在纹理表面的扩散过程,并结合保角映射算法将变化的纹理映射到虚拟手术中的三维网格表面。扩散方程能够真实地模拟出液体在物体表面扩散的过程,保角的纹理映射算法能够得到三维网格点的纹理坐标。实验结果表明,美兰注射过程的模拟算法能够模拟出虚拟肝脏肿瘤切割手术过程中的肿瘤标定,满足虚拟手术中的真实感需求。     

基于场向参数化的肌肉纤维纹理合成研究

虚拟手术系统研究是计算机图形学的一个重要领域,为了提高肌肉纤维纹理合成的真实感与实时性,文章采用了基于场向参数化的方法,并结合最光滑方向场进行了三维模型上的肌肉纤维纹理映射与合成,通过布置奇异点,模拟肌肉纤维损伤的状态。该系统实现了场向参数化的可视化及肌肉纤维纹理合成的简单交互,实验结果表明,系统的实时性与真实感均得到提高。     

特征控制下的多样图地形纹理合成算法

针对三维虚拟室外场景的建模与绘制需求,提出一种多样图地形纹理合成算法。以地形数字高程模型数据和样图集为基础,根据用户自定义的纹理合成规则控制地形的高程值和坡度特征,并自动合成地形纹理。实验结果表明,利用该算法合成的纹理能够较好地反映自然界地形的分布情况,增强三维场景绘制的真实感。     

源自样图的树皮纹理合成技术研究

树皮的真实感表达是树木可视化中的一个重要问题。树皮表面纹理具有丰富的细节,并且树干不同部位的纹理质地可能会发生渐变,要真实模拟树皮纹理的这些效果并不简单。提出一种真实感树皮纹理的合成方法。该方法基于块纹理合成的思想,可以根据几块树皮样图纹理,实现树干部分整张树皮纹理的合成。采用这种合成方法,有效避免了采用一般纹理拼接方法所造成的纹理接缝问题。并且,该方法采用一种控制合成概率的策略有效实现了不同质地的树皮纹理之间的渐变,从而能够真实表现出树皮由老到嫩逐渐变化的效果。基于样本及边缘融合的方式实现了树皮疤痕效果的生成。实验表明,该方法可以有效生成带有生长变化特征的真实感树皮纹理,满足真实感绘制的需求。     

采用贝塞尔曲面纹理合成模拟三维真实感鱼体

针对三维真实感鱼体模拟的必要性及其纹理细节表现困难的问题,提出一种简单高效的真实感鱼体模拟方法.首先,通过调整双三次贝塞尔曲面的控制顶点完成鱼体左侧的各部分建模,根据鱼体的对称特性,实现整个鱼体的快速准确建模;其次,为真实模拟鱼体纹理细节及消除纹理合成中容易出现的接缝现象,对鱼体纹理合成单元做无缝预处理并将其转换成法向图,保证合成后的鱼体纹理光滑连续且细节表示真实自然.最后,利用Bezier曲面的u、v参数进行网格划分,u、v方向和跨度取值决定网格的方向和大小,体现出网格上鱼体纹理合成的方向和渐变细节.实验结果表明,该方法能够生成逼真的鱼体,且可任意改变鱼体的色泽和特征.     

虚拟手术中肝脏体实时切割系统

在检测二维医学图像的过程中利用医学图像的三维可视化技术有利于医生更加全面地分析图像数据,从而对病情做出准确的应对措施.以肝脏为例,首先提取可视人体数据集中连续横断面图像,采用区域生长的图像分割算法从连续的横断面图像中提取出肝脏轮廓的区域.然后对肝脏轮廓进行层间插值,利用VTK工具包结合面绘制方法构建出肝脏的三维模型.接着对初始模型进行一定程度的网格削减,降低数据冗余度,完成虚拟肝脏体的三维重建.采用CUDA架构进行肝脏体纹理的合成与映射工作,兼顾了体纹理的真实感和虚拟手术系统的实时性,对虚拟肝脏手术的发展有着重要的促进作用.     

虚拟手术中的模型实时绘制

实时的视觉反馈在虚拟手术中可以加强操作者的沉浸感。该文分析了体绘制和面绘制的优缺点,在系统实时性的要求下,实现了基于立体纹理映射的三维体模型的面绘制。算法在容许实时交互的同时,为操作者提供了真实感较强的视觉反馈。由于文中立体纹理生成及纹理坐标计算的特殊性,对虚拟手术中的拉压变形和切割等操作也能很好地处理。     

基于样图的纹理合成技术研究

基于样图的纹理合成方法是继纹理映射、过程纹理合成方法后发展起来的一种纹理技术,用于解决传统方法中出现的缝隙、扭曲、变形和参数调整等问题。在大规模场景的生成以及真实感图形绘制和非真实感绘制、计算机动画等方面具有广泛的应用前景;同时对图像编辑、数据压缩、网络数据的快速传输也有一定的指导意义。该文首先简要回顾了纹理技术的发展历程,总结出基于样图的纹理合成技术的基本原理,从基于Markov模型、侧重逼真显示、任意曲面等几个方面,对基于样图的纹理合成技术进行了较全面的总结和分析,对该领域未来的研究和应用前景做出了有益的探讨。     

虚拟特定人脸的表情合成技术

通过对一般人脸网格的变形和纹理映射，使得虚拟人脸与真实人脸达到了形似；通过对人脸面部肌肉分布的研究，运用肌肉驱动技术合成了人脸的表情，使得虚拟人脸与真实人脸达到神似；从而合成了具有真实感的形神兼备的虚拟人脸。     

基于径向基函数的虚拟人脸合成方法

提出一种基于径向基函数的虚拟人脸合成方法.该方法根据正侧面图像获取人脸特征点的三维数据;利用基于径向基函数的散乱数据插值方法对通用人脸模型进行整体变形得到特定的人脸模型,并对模型进行Bezier磨光;将合成的人脸无缝拼接纹理图映射到特定的人脸模型.实验结果表明,合成的虚拟人脸具有较强的真实感.     

空间各向异性肝动脉体纹理合成方法研究

针对空间上具有各向异性的体纹理,提出一种基于样本的体纹理合成方法,把二维情况下基于二维纹理样本块的粘贴技术扩展至三维,应用到构建好的肝动脉模型。根据用户在四面体网格上定义的张量场,以四面体为合成单元,粘贴各向异性的三维纹理样本块。实验结果与理论分析表明,该方法可以在任意三维区域根据用户的交互合成预期的纹理效果,且能够较好地模拟肝动脉的内部结构,实现切割的实时可视化。     

Anisotropic Solid Texture Synthesis Using Orthogonal 2D Views

Analytical approaches, based on digitised 2D texture models, for an automatic solid (3D) texture synthesis have been recently introduced to Computer Graphics. However, these approaches cannot provide satisfactory solutions in the usual case of natural anisotropic textures (wood grain for example). Indeed, solid texture synthesis requires particular care, and sometimes external knowledge to "guess" the internal structure of solid textures because only 2D texture models are used for analysis. By making some basic assumptions about the internal structure of solid textures, we propose a very efficient method based on a hybrid analysis (spectral and histogram) for an automatic synthesis of solid textures. This new method allows us to obtain high precision solid textures (closely resembling initial models) in a large number of cases, including the difficult case of anisotropic textures.     

Texture Particles

This paper presents an analytical extension of texture synthesis techniques based on the distribution of elementary texture components. Our approach is similar to the bombing, cellular, macrostructured and lapped textures techniques, but provides the user with more control on both the texture analysis and synthesis phases. Therefore, high quality results can be obtained for a large number of structured or stochastic textures (bricks, marble, lawn, etc.). The analysis consists in decomposing textures into elementary components — that we call ``texture particles'' — and for which we analyze their specific spatial arrangements. The synthesis then consists in recomposing similar textures directly on arbitrary surfaces by taking into account the previously computed arrangements, extended to 3D surfaces. Compared to ``pixel‐based'' analysis and synthesis methods, which have been recently generalized to arbitrary surfaces, our approach has three major advantages: (1) it is fast, which allows the user to interactively control the synthesis process. This further allows us to propose a large number of tools, granting a high degree of artistic freedom to the user. (2) It avoids the visual deterioration of the texture components by preserving their shapes as well as their spatial arrangements. (3) The texture particles can be not only images, but also 3D geometric elements, which extends significantly the domain of application.     

Generating haptic texture using solid noise

Texture enhances haptic interaction by providing unique, distinguishable, and versatile surfaces. In computer haptics, texture can render environments more realistic and provide useful information. In this paper, an algorithm is proposed for virtual texture simulation by using solid noise, where only a few parameters need to be altered to generate a range of realistic and diverse textures by reproducing different frequencies similar to that of real vibrational signals in a virtual environment. The proposed method can capture the textural effect in a haptic simulation while retaining a simple overall geometry and stable update rate. This method also allows the user to change the texture at runtime and can be easily incorporated into any existing code and used in any traditional haptic device without affecting overall haptic-rendering performance. Moreover, the solid noise texture is independent of object geometry and can be applied to any shape without additional computations. We conducted a human-subject study to evaluate the recognition accuracy for each generated haptic texture as well as its realism and correspondence to real texture. The results indicated the high performance of the method and its ability to generate haptic textures with a very high recognition rate that were highly realistic.     

图像的纹理标准性度量及其应用

通过分析纹理合成中子块参数对合成速度及质量的影响,发现对于一类纹理图像,不依赖于参数的选择即可快速高效地进行纹理合成。选择子块灰度平均值作为度量指标,根据纹理标准性强的图像应具有的特征,提出了一种新的计算图像纹理标准性系数的算法。结合大量计算结果,界定了一般图像、强标准性纹理以及弱标准性纹理的分类标准。并将其应用到纹理合成当中,对强标准性纹理图像的合成采用大尺度子块及零搜索的合成方法,提高了合成速度的同时保持合成质量不变。     

虚平面映射:深度图像内部视点的绘制技术

首先推导与归纳了图像三维变换中像素深度场的变换规律,同时提出了基于深度场和极线原则的像素可见性别方法,根据上述理论和方法,提出一种基于深度图像的建模与绘制(image-based modeling and rendering,简称IBMR)技术,称为虚平面映射.该技术可以基于图像空间内任意视点对场景进行绘制.绘制时,先在场景中根据视线建立若干虚拟平面,将源深度图像中的像素转换到虚平面上,然后通过对虚平面上像素的中间变换,将虚平面转换成平面纹理,再利用虚平面的相互拼接,将视点的成像以平面纹理映射的方式完成.新方法还能在深度图像内侧,基于当前视点快速获得该视点的全景图,从而实现视点的实时漫游.新方法视点运动空间大、存储需求小,且可以发挥图形硬件的纹理映射功能,并能表现物体表面的三维凹凸细节和成像视差效果,克服了此前类似算法的局限和不足.     

应用分段遗传算法的视频纹理合成算法

通过对视频纹理定义的分析,将视频纹理合成转化为一个优化组合问题。提出一种应用分段遗传算法的视频纹理合成算法,采用分段遗传算法,对有限长度的源视频进行加工,得到可无限播放的连续视频序列。算法采用更适当的相似性尺度和测量准则,省去了大量复杂的对源视频的预处理,分段的搜索策略只需要用很少的遗传代数即可快速合成出质量很高的视频纹理。与现有的视频纹理合成方法比较,该算法具有较小的计算复杂度,在合成的速度和质量上都有所提高。另外,实验结果给出了种群大小以及最大遗传代数对合成质量和速度的影响。     

基于多视频的虚实融合系统

提出了一种基于多视频的虚实融合可视化系统的构建方法,旨在将真实世界中的图像和视频融合到虚拟场景中,用视频图像中的纹理和动态信息去丰富虚拟场景,提高虚拟环境的真实性,得到一种增强的虚拟环境.利用无人机采集图像来重建虚拟场景,并借助图像特征点的匹配来实现视频图像的注册.然后利用投影纹理映射技术,将图像投影到虚拟场景中.视频中的动态物体由于在虚拟环境中缺失对应的三维模型,直接投影,当视点发生变化时会产生畸变.首先检测和追踪这些物体,然后尝试使用多种显示方式来解决畸变问题.此外,系统还考虑有重叠区域的多视频之间的融合.实验结果表明,所构造的虚实融合环境是十分有益的.     

Texture evolution: 3D texture synthesis from single 2D growable texture pattern

An efficient model-independent 3D texture synthesis algorithm based on texture growing and texture turbulence is presented to create vivid 3D solid texture from a single 2D growable texture pattern. Given a 2D texture pattern of some growable material, our technique is able to create an anisotropic 3D volumetric texture cube to simulate the evolution of the material in 3D. An effective tiling scheme is designed to save computation and storage costs. Target objects are directly dipped into the synthesized 3D texture volume to generate creative, sculpture-like models that can be visualized with interactive speed. Our method is conceptually intuitive, computationally fast, and storage efficient compared with other solid texturing methods. As opposed to conventional 2D texture mapping work on polygonal surfaces, our approach is capable of decorating 3D point-rendering systems seamlessly. Furthermore, our combination of texture turbulence and texture growing techniques provides an attractive way to synthesize and tile natural 2D texture patterns, or generate simple but interesting motion textures.