一種基于里奇流的表面配準(zhǔn)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于里奇流的表面形狀配準(zhǔn)方法。該方法首先將閉合表面根據(jù)改進(jìn)的里奇流方法進(jìn)行參數(shù)化，將閉合表面映射到球面上。同時(shí)在計(jì)算過程中記錄里奇流能量變化情況，建立多尺度里奇流能量矩陣。然后對(duì)多尺度里奇流能量矩陣進(jìn)行拉普拉斯變換，計(jì)算其拉普拉斯矩陣，并根據(jù)該矩陣提取基于里奇能量的多尺度特征點(diǎn)。繼而將全局里奇流能量與局部特征點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，建立配準(zhǔn)方程。從而利用該配準(zhǔn)方程將多個(gè)不同表面在球面域上進(jìn)行配準(zhǔn)。最終將配準(zhǔn)結(jié)果映射至原始表面，完成整個(gè)配準(zhǔn)過程。應(yīng)用本發(fā)明專利技術(shù)的技術(shù)方案減少了參數(shù)化過程中的計(jì)算時(shí)間，并將全局屬性與局部特征進(jìn)行有效結(jié)合，提高了配準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域，特別涉及一種基于里奇流能量及特征點(diǎn)的，將全局特征與局部特征點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合的表面配準(zhǔn)方法。
技術(shù)介紹
圖像配準(zhǔn)是將不同時(shí)間、不同傳感器(成像設(shè)備)或不同條件下獲取的兩幅或多幅圖像進(jìn)行匹配、疊加的過程。其配準(zhǔn)的精度直接影響后續(xù)分析的準(zhǔn)確度。針對(duì)表面配準(zhǔn)，尤其是醫(yī)學(xué)圖像處理中的表面配準(zhǔn)，目前已有很多種方法。大部分的方法基于表面曲率或者其他全局屬性進(jìn)行配準(zhǔn)，這類方法可以較好的進(jìn)行全局配準(zhǔn)，但在某些需要重點(diǎn)研究的部分有時(shí)會(huì)造成配準(zhǔn)結(jié)果不準(zhǔn)確。另一類方法是采用特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)。研究證明，基于手動(dòng)劃分特征點(diǎn)的配準(zhǔn)方法的配準(zhǔn)效果往往優(yōu)于基于全局屬性的配準(zhǔn)， 但手動(dòng)劃分特征點(diǎn)需要較好的相關(guān)背景知識(shí)，并且工作量較大，無法應(yīng)用到大規(guī)模數(shù)據(jù)上。 因而，如何有效地自動(dòng)提取特征點(diǎn)，并將特征點(diǎn)與全局屬性相結(jié)合是配準(zhǔn)方法研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。在配準(zhǔn)過程中需要將表面參數(shù)化到一個(gè)統(tǒng)一表面上，以簡(jiǎn)化配準(zhǔn)過程。目前的大部分方法采用平面參數(shù)化，而對(duì)于虧格為O的閉合表面而言，球面參數(shù)化可以提供更好的參數(shù)化效果。但是，目前，大多數(shù)的球面參數(shù)化方法需要將閉合表面進(jìn)行切割，轉(zhuǎn)化為平面后處理，因而參數(shù)化的準(zhǔn)確程度往往依賴于切割的位置及質(zhì)量。而部分直接進(jìn)行球面參數(shù)化的方法往往計(jì)算復(fù)雜，需要較長的時(shí)間。因此，在需要進(jìn)行精準(zhǔn)球面參數(shù)化時(shí)需要尋求更加有效的參數(shù)化方法。里奇流首先于1988年提出，其最初目的是為了證明龐加萊猜想。與平均曲率等其他表面屬性相比較，里奇流是表面形狀的固有屬性，不受旋轉(zhuǎn)縮放等操作的影響。隨著圓填充算法的發(fā)展，離散表面里奇流于2003提出，此后，Guo等人證明了離散表面里奇流在歐氏幾何與雙曲幾何條件下的收斂性。但在球面幾何下，離散里奇流不能有效收斂。因而，需要找到一種有效的方法，實(shí)現(xiàn)基于里奇流的球面參數(shù)化過程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
(一 )要解決的技術(shù)問題本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是提供一種自動(dòng)的表面配準(zhǔn)方法，以對(duì)虧格為O的閉合表面進(jìn)行準(zhǔn)確、自動(dòng)的配準(zhǔn)。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出，用于將任意兩個(gè)具有不同形狀的三維表面進(jìn)行配準(zhǔn)，該方法包括如下步驟步驟Si、對(duì)待配準(zhǔn)表面進(jìn)行拓?fù)湫Ｕ蛊浔ＷC虧格為O和網(wǎng)格的連通性；步驟S2、對(duì)待配準(zhǔn)表面和目標(biāo)表面進(jìn)行圓填充，得到圓填充后的形態(tài)矩陣；步驟S3、基于圓填充后的形態(tài)矩陣對(duì)待配準(zhǔn)表面和目標(biāo)表面進(jìn)行改進(jìn)的表面里奇流計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)待配準(zhǔn)表面和目標(biāo)表面的球面參數(shù)化過程，并得到計(jì)算過程中形成的多尺度里奇流能量矩陣及全局里奇流能量分布；步驟S4、根據(jù)多尺度里奇流對(duì)待配準(zhǔn)表面進(jìn)行多尺度特征提取，在待配準(zhǔn)表面的網(wǎng)格頂點(diǎn)及目標(biāo)表面的網(wǎng)格頂點(diǎn)中確定特征點(diǎn)的位置；步驟S5、根據(jù)全局里奇流能量分布及特征點(diǎn)位置建立配準(zhǔn)能量方程，得到從與待配準(zhǔn)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)到與目標(biāo)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)的映射關(guān)系；步驟S6、根據(jù)從與待配準(zhǔn)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)到與目標(biāo)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)的映射關(guān)系，找到與目標(biāo)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)在與待配準(zhǔn)表面對(duì)應(yīng)的球面上的位置，并將該位置反映射至待配準(zhǔn)表面，得到待配準(zhǔn)表面與目標(biāo)表面之間的映射。(三)有益效果本專利技術(shù)利用改進(jìn)的里奇流進(jìn)行球面參數(shù)化，不僅避免了傳統(tǒng)里奇流無法有效計(jì)算球面參數(shù)化的問題，而且大大提高了參數(shù)化的計(jì)算速度。本專利技術(shù)可以有效的將全局屬性與局部特征點(diǎn)的配準(zhǔn)結(jié)合在一起，有效的提高了配準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。此外，本專利技術(shù)利用參數(shù)化過程中形成的多尺度矩陣提取特征點(diǎn)，避免了手動(dòng)選擇特征點(diǎn)所造成的誤差，同時(shí)保證了特征點(diǎn)的有效性，因而實(shí)現(xiàn)了特征點(diǎn)選擇的自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)配準(zhǔn)方法的自動(dòng)化。附圖說明附圖用于幫助理解本專利技術(shù)，但并不構(gòu)成對(duì)本專利技術(shù)的限定，其中圖I是本專利技術(shù)的基于里奇流的表面配準(zhǔn)方法的流程圖2是本專利技術(shù)采用的圓填充算法示意圖3是本專利技術(shù)的方法中得到的頂點(diǎn)混合面積示意圖4是本專利技術(shù)采用的表面配準(zhǔn)映射轉(zhuǎn)化過程示意圖5是本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的待配準(zhǔn)大腦左半球表面的網(wǎng)格示意圖圖6是本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的待配準(zhǔn)大腦左半球表面的局部拓?fù)湫ＵЧ?。圖7是本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的待配準(zhǔn)大腦左半球表面球面參數(shù)化后的結(jié)果； 閱圖8是本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的待配準(zhǔn)大腦左半球表面不同尺度特征點(diǎn)位置示意圖; 圖9是本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例的待配準(zhǔn)大腦左半球表面配準(zhǔn)結(jié)果示意圖。具體實(shí)施方式為使本專利技術(shù)的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本專利技術(shù)的基于里奇流的表面配準(zhǔn)方法是結(jié)合全局與局部特征的閉合表面配準(zhǔn)方法，本專利技術(shù)的方法能夠用于將任意兩個(gè)具有不同形狀的三維表面進(jìn)行配準(zhǔn)。為了描述方便， 我們將兩個(gè)具有不同形狀的三維表面中的一個(gè)稱為目標(biāo)表面，另一個(gè)稱為待配準(zhǔn)表面。由此，本專利技術(shù)的方法是用于使待配準(zhǔn)表面的形狀與目標(biāo)表面的形狀相配準(zhǔn)，以便于與待配準(zhǔn)表面的形狀相關(guān)聯(lián)的信息映射到目標(biāo)表面上。在實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)表面通常選擇為具有標(biāo)準(zhǔn)化的三維表面形狀，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析處理，其可以通過表面模板來構(gòu)建。例如，目標(biāo)表面是標(biāo)準(zhǔn)化的腦皮層表面模板，待配準(zhǔn)表面是實(shí)際掃描得到的腦皮層表面。通常，在實(shí)際掃描過程中，除了得到腦皮層表面形狀信息，還能得到與腦皮層形狀相關(guān)聯(lián)的其他腦皮層信息，為了方便分析該信息，需要將掃描得到的腦皮層表面配準(zhǔn)到目標(biāo)表面，以便掃描得到的腦皮層信息在標(biāo)準(zhǔn)腦皮層表面上得到反映。圖1顯示了本專利技術(shù)的表面配準(zhǔn)方法的流程圖。如圖1所示，本專利技術(shù)的方法包括如下步驟步驟SI、對(duì)待配準(zhǔn)表面進(jìn)行拓?fù)湫Ｕ?，使其保證虧格為O和網(wǎng)格的連通性。所謂虧格為O是指閉合的表面不存在環(huán)，其歐拉示性數(shù)為2，因而可以通過膨脹形成球面，即與球面同坯。表面網(wǎng)格的連通性是指在整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中不存在孤立的點(diǎn)，線及面，即通過網(wǎng)格的邊可以到達(dá)網(wǎng)格上的任意頂點(diǎn)。由于目標(biāo)表面通常已滿足虧格為O等拓?fù)溥B接關(guān)系，因此通常不需要對(duì)目標(biāo)表面進(jìn)行拓?fù)湫Ｕ?duì)表面進(jìn)行拓?fù)湫Ｕɡ猛負(fù)鋽?shù)對(duì)表面進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)利用樹檢索對(duì)空洞進(jìn)行修補(bǔ)。具體方法可參見 Zouina Aktouf, Gilles Bertrand, LaurentPerroton, A three-dimensional holes closing algorithm，Pattern RecognitionLetters，Volume23， Issue5，2002。步驟S2、對(duì)待配準(zhǔn)表面及目標(biāo)表面進(jìn)行圓填充，得到圓填充后的形態(tài)矩陣。所謂圓填充是指利用圓形對(duì)表面進(jìn)行填充，使其覆蓋整個(gè)表面。圓填充的作用是將普通網(wǎng)格表述方式轉(zhuǎn)化為利用頂點(diǎn)及半徑表達(dá)的形態(tài)矩陣，圓填充后的形態(tài)矩陣是用來描述網(wǎng)格頂點(diǎn)與邊之間的關(guān)系情況。圓填充算法是在2003年由Collins提出(參見 Collins, C. R. , Stephenson, K. A circlepacking algorithm. Computational Geometry25(3)，233-256. 2003)。圖2顯示了圓填充的原理圖，如圖所示。其主要思想是將表面S(V，E，F(xiàn))(其中V、 E、F分別表示網(wǎng)格表面的頂點(diǎn)，邊及所形成的面)的每個(gè)頂點(diǎn)V用一個(gè)圓進(jìn)行填充。令圓心在頂點(diǎn)Vi上的圓為Ci，其半徑為Y”假設(shè)邊的長度為Im，則Ci與h間的反向距離可表示為權(quán)利要求1.，用于使待配準(zhǔn)表面的形狀與目標(biāo)表面的形狀本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于里奇流的表面配準(zhǔn)方法，用于使待配準(zhǔn)表面的形狀與目標(biāo)表面的形狀相配準(zhǔn)，以便于與待配準(zhǔn)表面的形狀相關(guān)聯(lián)的信息映射到目標(biāo)表面上，其特征在于，該方法包括如下步驟：步驟S1、對(duì)待配準(zhǔn)表面進(jìn)行拓?fù)湫Ｕ?，使其保證虧格為0和網(wǎng)格的連通性；步驟S2、對(duì)待配準(zhǔn)表面和目標(biāo)表面進(jìn)行圓填充，得到圓填充后的形態(tài)矩陣；步驟S3、基于圓填充后的形態(tài)矩陣對(duì)待配準(zhǔn)表面和目標(biāo)表面進(jìn)行改進(jìn)的表面里奇流計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)待配準(zhǔn)表面和目標(biāo)表面的球面參數(shù)化過程，并得到計(jì)算過程中形成的多尺度里奇流能量矩陣及全局里奇流能量分布；步驟S4、根據(jù)多尺度里奇流對(duì)待配準(zhǔn)表面進(jìn)行多尺度特征提取，在待配準(zhǔn)表面的網(wǎng)格頂點(diǎn)及目標(biāo)表面的網(wǎng)格頂點(diǎn)中確定特征點(diǎn)的位置；步驟S5、根據(jù)全局里奇流能量分布及特征點(diǎn)位置建立配準(zhǔn)能量方程，得到從與待配準(zhǔn)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)到與目標(biāo)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)的映射關(guān)系；步驟S6、根據(jù)從與待配準(zhǔn)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)到與目標(biāo)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)的映射關(guān)系，找到與目標(biāo)表面對(duì)應(yīng)的球面上網(wǎng)格頂點(diǎn)在與待配準(zhǔn)表面對(duì)應(yīng)的球面上的位置，并將該位置反映射至待配準(zhǔn)表面，得到待配準(zhǔn)表面與目標(biāo)表面之間的映射。

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：何暉光，陳雪姣，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：