CN106447783B - 一种基于光线投射算法的三维网格生成方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光线投射算法的三维网格生成方法及装置，其中，所述方法包括：获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型；确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置；根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。采用上述技术方案，目标物体的三维网格是在扫查仪器上直接生成，最大程度的还原了扫查仪器上呈现的三维重建图像，满足所见即所得，可以避免现有技术中通过第三方软件生成的三维网格与扫查仪器上呈现的三维重建图像之间存在差异的技术问题。

Description

一种基于光线投射算法的三维网格生成方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种基于光线投射算法的三维网格生成方法及装置。

背景技术

三维(3-dimension，3D)打印技术是快速成型领域的一种新兴技术，它是一种与数字模型文件为基础，利用各种可粘合材料通过逐层叠加方式构造三维模型的技术。3D打印与传统的制造相比有明显的优点，3D打印可以直接以数字模型文件为基础制造几乎任意形状三维实体，而不像传统的机械加工技术通过切削或钻孔等工艺或模具等完成制造过程。

目前3D打印的数字模型获取主要通过三维建模软件的编辑得到三维网格，然后由3D打印机进行打印，医学上主要依靠彩色超声机器对体数据进行网格化编码，然后倒入到支持网格编辑的第三方软件，如3D Studio Max，通过第三方软件对体数据进行剪裁，生成三维网格，然后使用3D打印机进行打印。

这类解决方案的缺陷在于目标物体的网格化呈现是由通过第三方软件的编辑来实现的，这样最终输出的三维网格与超声机器上所呈现的三维重建图像之间是存在差异的，且差异不可控。同时现有技术中第三方软件的三维网格化是通过绘制等值面的方式实现的，这样产生的三维网格质量不高，与超声机器上所呈现的三维重建图像之间存在较大误差。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种基于光线投射算法的三维网格生成方法及装置，以解决现有技术中通过第三方软件生成的三维网格与扫查仪器上呈现的三维重建图像之间存在差异的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种三维网格生成方法，包括：

获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型；

确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置；

根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。

可选的，所述确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，包括：

预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，所述特征参数包括阈值参数和斜率参数。

可选的，所述确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，包括：

记录所述投射光线在所述三维模型上的入射点位置和出射点位置；

根据所述入射点位置、出射点位置和所述透射曲线的特征参数，计算所述投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

可选的，所述确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置之后，还包括：

去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置；

根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格，包括：

根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。

可选的，根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格之后，还包括：

根据所述三维网格生成所述目标物体的表面网格模型；

将所述表面网格模型存储为预设格式；

按照所述预设格式读取所述表面网格模型，进行三维打印。

第二方面，本发明实施例还提供了一种三维网格生成装置，包括：

数据获取模块，用于获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型；

位置确定模块，用于确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置；

网格生成模块，用于根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。

可选的，所述位置确定模块，具体用于预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，所述特征参数包括阈值参数和斜率参数。

可选的，所述位置确定模块包括：

记录单元，用于记录所述投射光线在所述三维模型上的入射点位置和出射点位置；

计算单元，用于根据所述入射点位置、出射点位置和所述透射曲线的特征参数，计算所述投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

可选的，所述装置还包括

去除模块，用于去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置；

所述网格生成模块具体用于根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。

可选的，所述装置还包括：

网格模型生成模块，用于根据所述三维网格生成所述目标物体的表面网格模型；

存储模块，用于将所述表面网格模型存储为预设格式；

三维打印模块，用于按照所述预设格式读取所述表面网格模型，进行三维打印。

本发明实施例提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法和装置，通过获取目标物体的三维扫查数据，根据三维扫查数据建立目标物体的三维模型，利用光线投射算法，确定投射光线在三维模型上的终止点位置，根据所述终止点位置，生成目标物体的三维网格。采用上述技术方案，目标物体的三维网格是在扫查仪器上直接生成，最大程度的还原了扫查仪器上呈现的三维重建图像，满足所见即所得，可以避免现有技术中通过第三方软件生成的三维网格与扫查仪器上呈现的三维重建图像之间存在差异的技术问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成方法的流程示意图；

图3是本发明实施例二提供的透射曲线的示意图；

图4a是本发明实施例二提供的透射曲线低阈值和斜率时投射光线在体数据中传输的示意图；

图4b是本发明实施例二提供的透射曲线高阈值和斜率时投射光线在体数据中传输的示意图；

图5是本发明实施例二提供的确定投射光线在三维模型上的终止点位置的方法的流程示意图；

图6是本发明实施例二提供的外包围盒概念的示意图；

图7是本发明实施例三提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成方法的流程示意图；

图8是本发明实施例四提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成装置的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成方法的流程示意图，该方法可以由基于光线投射算法的三维网格生成装置执行，其中该装置可由软件和/或硬件实现。如图1所示，该方法可以包括：

S110、获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型。

示例性的，对目标物体进行三维扫查，获取目标物体的三维扫查数据，具体的，可以使用超声扫查仪器对目标物体进行扫查，也可以使用红外线扫查仪器对目标物体进行扫查，还可以使用激光扫查仪器对目标物体进行扫查，这里对使用的扫查仪器不进行限定，只需满足可以对目标物体进行三维扫查即可。进一步的，获取目标物体的三维扫查数据时，可以使用平行扫查法、扇形扫查法和旋转扫查法中的至少一种扫查目标物体，获取目标物体的三维扫查数据，然后根据获取的三维扫查数据建立目标物体的三维模型。

S120、确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

示例性的，基于光线投射算法，确定投射光线在三维模型上的终止点位置，光线投射算法是一种基于图像序列的直接体绘制算法，可以理解为从图像的每一个像素，沿着固定方向(通常是视线方向)发射一条光线，光线穿越整个图像序列，并在这个过程中，对图像序列进行采样获取颜色序列，最后得到的颜色值就是渲染图像的颜色，这里的颜色值可以理解为三维模型的灰度值。在三维模型中，不同体元的灰度值不相同，不同体元对投射光线的衰减有不同的影响，因此，投射光线在三维模型中终止点位置不同，因此需要确定不同的投射光线在三维模型上的终止点位置。

S130、根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。

示例性的，根据得到的终止点位置，生成目标物体的三维网格，所述三维网格中包括所述终止点位置。具体的，可以使用网格生成算法生成目标物体的三维网格，即可以通过使用网格生成算法，寻找一个最小光滑曲面生成目标物体的三维网格。

本发明实施例一提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法，通过获取目标物体的三维扫查数据，根据三维扫查数据建立目标物体的三维模型，基于光线投射算法，确定投射光线在三维模型上的终止点位置，最后根据终止点位置，生成目标物体的三维网格。采用上述技术方案，目标物体的三维网格直接在扫查仪器上生成，最大程度的还原了扫查仪器上呈现的三维重建图像，满足所见即所得，可以实时地生成与扫查仪器上所显示的三维重建图像一致的三维网格表面，避免因为在第三方软件上生成目标物体的三维网格时，由于操作精度不高造成的三维网格与三维重建图像之间存在差异的技术问题。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成方法的流程示意图，本实施例以实施例一为基础进行优化。在本实施例中，将确定投射光线在三维模型上的终止点位置进行解释说明。具体的，参考图2，基于光线投射算法的三维网格生成方法，可以包括：

S210、获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型。

示例性的，对目标物体进行三维扫查，获取目标物体的三维扫查数据，然后根据获取的三维扫查数据建立目标物体的三维模型。

S220、预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，所述特征参数包括阈值参数和斜率参数。

示例性的，对于每一条投射光线来说，它所对应的入射出射区间内的体元会对光线的衰减有不同的影响，这种影响可以用透射曲线来表示。在医学上，透射曲线可以用于对不同的组织特性进分类。透射曲线函数主要由阈值和斜率来决定，如图3所示，图3中横坐标可以表示体元的灰度值，坐标范围为0-255，纵坐标可以表示不透明度，坐标范围为0-1，体元灰度值越大，体元对应的不透明度越大，也即对投射光线的衰减作用越大。当设置透射曲线的阈值和斜率不同时，投射光线在三维模型中的终止点位置不相同，图4a和图4b为不同的透射曲线对投射光线在体数据中传输的影响示意图，图4a表示选取低阈值平坦透射曲线时，光线在体数据中的传输情况；图4b表示选取高阈值陡峭透射曲线时，光线在体数据中的传输情况。如图4a和图4b所示，图4a中，投射光线可以穿过对应的体元，而图4b中，投射光线终止在体元的表面。因此，通过调节透射曲线的阈值和斜率，可以控制投射光线在三维模型中的衰减，确定投射光线的终止点位置，因此，利用光线投射算法绘制三维模型的三维网格时，透射曲线要尽可能设置较高的斜率，保证投射光线终止在三维模型的表面。因此，建立目标物理的三维模型之后，预设透射曲线，根据投射曲线的特征参数，即根据透射曲线的阈值参数和斜率参数，确定投射光线在三维模型上的终止点位置。

S230、根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。

示例性的，根据上述S220中得到的终止点位置，利用网格生成算法生成目标物体的三维网格。

本发明实施例二提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法，获取目标物体的三维扫查数据，根据三维扫查数据建立目标物体的三维模型，预设透射曲线，根据透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，根据终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。采用上述技术方案，通过预设透射曲线，保证投射光线可以终止在三维模型的表面，得到的终止点的位置比较准确，因此可以得到高质量的三维网格，避免现有技术中采用等值面绘制网格时产生误差、网格绘制质量不高的技术问题。

进一步的，图5是本发明实施例二提供的在S220中确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，可以包括：

S221、记录所述投射光线在所述三维模型上的入射点位置和出射点位置。

示例性的，基于光线投射算法，投射光线投射到三维模型的过程可以形象地理解为使用相机对物体进行拍照的过程，投射光线可以理解为相机拍照时发出的光线。对于投射光线在三维模型上的入射点和出射点位置，可以使用外包围盒的概念进行描述，外包围盒可以理解为一个比待测物体体积大的规格的长方体，使用外包围盒包围待测物体，其中，外包围盒内中空的位置可以理解为体元灰度值为0的地方，即中空的区域对投射光线的阻挡率为0，这里，待测物体即三维模型。如图6所示，投射光线投射到外包围盒上，并进一步投射到三维模型上。通过设置透射曲线的阈值和斜率，保证投射光线终止在三维模型的表面。具体的，假设投射光线发出的平面为投射面，则投射面的大小可以表示为[ImageWidth*ImageHeight]，对于某一条确定的投射光线[i，j]，其在三维模型上的入射点位置可以表示为Inpos_ij，出射点位置可以表示为Outpos_ij，其中i∈(1，ImageWidth)，j∈(1，ImageHeight)。

S222、根据所述入射点位置、出射点位置和所述透射曲线的特征参数，计算所述投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

示例性的，基于光线投射算法生成三维网格时，每一条投射光线Ray_ij在三维模型上只有一个终止点位置，投射光线终止点位置可以表示为PayStopPos[i][j]，并且投射光线终止点位置与入射点位置和出射点位置有关系，因此，终止点位置、入射点位置和出射点位置之间的关系用函数表达式的形式可以表示为：PayStopPos[i][j]＝f(Inpos_ij，Outpos_ij)。可以理解的是，投射光线终止点位置可以理解为投射光线衰减到0的位置，当投射光线的积分到达1时，可以计算投射光线在三维模型上的终止点位置，即其中，x表示投射光线的当前位置，具体的，x可以表示从投射面位置作为起始位置，沿投射光线传播方向的变量，T(x)表示x位置处的不透明度，Inpos_ij表示投射光线入射点位置，StopPos_ij表示投射光线终止点位置。进一步的，当光线能穿透物体时，StopPos_ij≥Outpos_ij；当光线不能穿透物体时，StopPos_ij≤Outpos_ij；因此，一个简单的选取光线终止点的方式为PayStopPos[i][j]＝min(Outpos_ij，StopPos_ij)。或者，我们也可以采用利用透射曲线来计算的投射光线终止点位置，其基本思想是利用透射曲线的值作为距离的权重做积分运算，其中，x表示当前光线的位置，I(x)表示在x处的体元灰度值。T(I(x))表示对应的透射曲线上的取值。这样，就得到了投射光线投射光线在所述三维模型上的终止点位置Vertex_ij＝(i，j，PayStopPos[i][j])。

基于上述技术方案，通过透射曲线进一步计算得到终止点位置坐标，结果更加精确

实施例三

图7是本发明实施例三提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成方法的流程示意图，本实施例以上述实施例为基础进行优化。在本实施例中，将根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格进行解释说明。具体的，参考图7，基于光线投射算法的三维网格生成方法，可以包括：

S310、获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型。

示例性的，对目标物体进行三维扫查，获取目标物体的三维扫查数据，然后根据获取的三维扫查数据建立目标物体的三维模型。

S320、确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

示例性的，基于光线投射算法，确定投射光线在三维模型上的终止点位置，具体可以是预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

S330、去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置。

示例性的，由于噪声或者其他组织的遮挡的原因，通过上述方法得到的终止点位置中可能会有噪声干扰。可以利用平滑滤波器或者中值滤波器对得到的终止点位置进行滤波处理。具体的，平滑滤波器是一种低通滤波器，可以通过缩小高频，扩大低频取出终止点位置中的奇异点位置，得到平滑的终止点位置，例如，一个简单的三阶平滑滤波器可以表示如下：中值滤波器是一种非线性数字滤波器，中值滤波器通过使用奇数个采样组成的观察窗实现对终止点位置中的奇异点进行去除。

S340、根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。

示例性的，根据得到的平滑终止点位置，利用网格生成算法生成目标物体的三维网格，所述网格生成算法可以为薄板样条(Thin-Plate Spline，TPS)算法。TPS算法是一种插值算法，通过寻找一个通过所有的控制点的弯曲最小的光滑面，即通过TPS算法，寻找一个通过所有平滑终止点位置的弯曲程度最小的光滑面作为三维网格所在的面。具体的，可以是寻找一个函数，例如F(x,y)，使其满足以下条件：F(x,y)＝RayStopPos[x][y]，其中，P≥2。上述函数可以通过最小化如下公式获得

本发明实施例三提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法，获取目标物体的三维扫查数据，根据三维扫查数据建立目标物体的三维模型，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置，根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。采用上述技术方案，根据平滑终止点位置，利用网格生成算法生成目标物体的三维网格，通过去除奇异点，可以保证生成的三维网格更加准确。

进一步的，在生成所述目标物体的三维网格之后，所述基于光线投射算法的三维网格生成方法还可以包括：

根据所述三维网格生成所述目标物体的表面网格模型；

将所述表面网格模型存储为预设格式。

按照所述预设格式读取所述表面网格模型，进行三维打印。

示例性的，将得到的三维网格进行合并，生成所述目标物体的表面网格模型，并将生成的表面网格模型存储为预设格式，具体可以是STL格式，STL格式是在计算机图形应用系统中，用于表示三角形网格的一种文件格式，按照预设的格式，即STL格式，读取所述表面网格模型，对所述目标物体进行打印。

实施例四

图8是本发明实施例四提供的一种基于光线投射算法的三维网格生成装置的流程示意图，该装置可由软件和/或硬件实现。如图8所示，该装置可以包括：数据获取模块801，位置确定模块802和网格生成模块803；

其中，数据获取模块801，用于获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型；位置确定模块802，用于确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置；网格生成模块803，用于根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格。

可选的，位置确定模块802，具体可以用于预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，所述特征参数包括阈值参数和斜率参数。

可选的，所述位置确定模块802可以包括：

记录单元，用于记录所述投射光线在所述三维模型上的入射点位置和出射点位置；

计算单元，用于根据所述入射点位置、出射点位置和所述透射曲线的特征参数，计算所述投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

可选的，所述装置还可以包括

去除模块，用于去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置；

所述网格生成模块具体用于根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。

可选的，所述装置还可以包括：

网格模型生成模块，用于根据所述三维网格生成所述目标物体的表面网格模型；

存储模块，用于将所述表面网格模型存储为预设格式；

三维打印模块，用于按照所述预设格式读取所述表面网格模型，进行三维打印。

本发明实施例四提供的基于光线投射算法的三维网格生成装置，与本发明任意实施例所提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法属于同一发明构思，可执行本发明任意实施例所提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法，具备执行基于光线投射算法的三维网格生成方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明任意实施例提供的基于光线投射算法的三维网格生成方法。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种基于光线投射算法的三维网格生成方法，其特征在于，包括：

获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型；

确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置；

根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格；

所述确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，包括：

预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，所述特征参数包括阈值参数和斜率参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，包括：

记录所述投射光线在所述三维模型上的入射点位置和出射点位置；

根据所述入射点位置、出射点位置和所述透射曲线的特征参数，计算所述投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置之后，还包括：

去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置；

根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格，包括：

根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格之后，还包括：

根据所述三维网格生成所述目标物体的表面网格模型；

将所述表面网格模型存储为预设格式；

按照所述预设格式读取所述表面网格模型，进行三维打印。

5.一种基于光线投射算法的三维网格生成装置，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取目标物体的三维扫查数据，根据所述三维扫查数据建立所述目标物体的三维模型；

位置确定模块，用于确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置；

网格生成模块，用于根据所述终止点位置，生成所述目标物体的三维网格；

所述位置确定模块，具体用于预设透射曲线，根据所述透射曲线的特征参数，确定投射光线在所述三维模型上的终止点位置，所述特征参数包括阈值参数和斜率参数。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述位置确定模块包括：

记录单元，用于记录所述投射光线在所述三维模型上的入射点位置和出射点位置；

计算单元，用于根据所述入射点位置、出射点位置和所述透射曲线的特征参数，计算所述投射光线在所述三维模型上的终止点位置。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括

去除模块，用于去除所述终止点位置中的奇异点位置，得到平滑终止点位置；

所述网格生成模块具体用于根据所述平滑终止点位置，利用网格生成算法生成所述目标物体的三维网格。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

网格模型生成模块，用于根据所述三维网格生成所述目标物体的表面网格模型；

存储模块，用于将所述表面网格模型存储为预设格式；

三维打印模块，用于按照所述预设格式读取所述表面网格模型，进行三维打印。