CN110524886B - 3d打印方法中三维模型形成方法以及3d打印方法 - Google Patents

Abstract

涉及3D打印技术领域，本申请涉及一种3D打印方法中三维模型形成方法以及3D打印方法，三维模型形成方法用于形成一种物体中目标物质的三维模型；包括：对物体进行断层扫描，获取所述物体的多个断层图像；对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像；扫描分析多个灰度断层图像，确定目标物质在灰度断层图像中的选取阈值；根据所述选取阈值批处理多个灰度断层图像，去除各个断层图像中所述选取阈值确定的区域外的图像信息，获得所述目标物质的多个断层图像；根据所述目标物质的多个断层图像反向扫描生成目标物质的三维模型。可以方便地利用位图格式的断层图像形成模型，并且可以直接形成目标物质的三维模型。

Description

3D打印方法中三维模型形成方法以及3D打印方法

技术领域

本申请涉及3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印方法中三维模型形成方法以及3D打印方法。

背景技术

随着计算机断层扫描(Computer Tomography,CT)、核磁共振(MagneticResonance Imaging,MRI)以及超声等断层成像设备的出现，人们已能方便地获得人体器官和三维物体的断层图像。断层图像所提供的人体或者三维物体在某一层面的影像信息，为深入了解三维物体内部组织结构和形态细节等提供了可靠信息。基于断层图像的三维模型重建在医学三维重建、虚拟可视手术、逆向工程等领域有着广泛的应用前景。

一般来说，CT扫描图像的格式为.dicom，此格式包含了扫描间距、扫描分辨率和扫描格式等信息。但是由于一些特殊情况，比如CT设备的输出限制，造成只能得到位图格式的CT图像，这就给三维还原造成了技术上的困难。现有技术中，还未发现可以利用位图格式的断层图像形成三维模型的有效方法。

特别是，CT扫描图像包含物体或人体组织完整图像，而实际的建模需求中，只是需要其中的制定物质的三维模型，比如人体的CT扫描图像，包含了各种软组织与骨骼的图像，需求中，只需要形成骨骼的三维模型，这利用现有技术更难以获取。

发明内容

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种3D打印方法中三维模型形成方法以及3D打印方法。

第一方面，本申请提供了一种3D打印方法中三维模型形成方法，用于形成一种物体中目标物质的三维模型；包括：

对物体进行断层扫描，获取所述物体的多个断层图像；

对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像；

扫描分析多个灰度断层图像，确定目标物质在灰度断层图像中的选取阈值；

根据所述选取阈值批处理多个灰度断层图像，去除各个断层图像中所述选取阈值确定的区域外的图像信息，获得所述目标物质的多个断层图像；

根据所述目标物质的多个断层图像反向扫描生成目标物质的三维模型。

根据本申请一实施例，按断层扫描同样的顺序反向扫描生成目标物质的三维模型。

根据本申请一实施例，所述对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像步骤之后，还具有步骤：

根据物体轮廓闭合原则确定非闭合的图像区域为无用图像区，通过去除无用图像区进行去噪。

根据本申请一实施例，所述对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像步骤之后，还具有步骤：

对各个灰度断层图像进行批量图像处理，所述图像处理包括对比度处理、亮度处理、色调处理或者色阶处理，以提高各个所述灰度断层图像中有用图像的清晰度。

根据本申请一实施例，所述对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像步骤之后，还具有步骤：

对多个所述灰度断层图像进行批量裁切处理，其中，根据物体在多个断层图像间连接分布原则，将多个所述断层图像间的像素密集区叠合后形成高像素分布的目标区域，对多个所述灰度断层图像进行批量裁切去除目标区域外的图像。

根据本申请一实施例，还包括步骤：

对目标物质的三维模型进行光顺处理；

对目标物质的三维模型进行消减三角形处理。

根据本申请一实施例，所述按断层扫描同样的顺序反向扫描生成目标物质的三维模型，包括：

根据所述目标物质的多个断层图像中相邻图像之间轮廓差异和总高度，按比例确定断层扫描厚度；

根据断层扫描厚度反向扫描生成目标物质的三维模型。

根据本申请一实施例，所述对物体进行断层扫描，获取所述物体的多个断层图像，包括：

对物体进行等间距的断层扫描，获取所述物体相同间距的多个断层图像。

根据本申请一实施例，所述扫描分析多个灰度断层图像，确定目标物质在灰度断层图像中的选取阈值，包括：

通过手动选取初始设定选取阈值；

根据初始设定选取阈值执行目标物质的三维模型预生成；

根据预生成三维模型效果对所述选取阈值进行精调；

以获得准确的选取阈值。

本申请实施例还可以认为是提供了一种3D打印方法，其包括如前述的3D打印方法中三维模型形成方法。

3D打印方法中，包括步骤：根据前述步骤生成的多个目标图像轮廓，并且是经过后序步骤验证后的优化后目标图像的轮廓，据此对应生成多个切片数据(可以理解是直接的格式转换)，同时将前述步骤中计算分析得到的断层扫描厚度作为切片生成厚度；之后将切片数据与打印参数输入至3D打印设备，最后完成分层实体模型的生成。

当然，若目标图像轮廓的扫描厚度属性大于切片厚度，选择是以厚度方向上两个相邻目标图像轮廓之间按需地插值生成多个插值轮廓。

插值轮廓生成的方法可以是，首先形成多个有序号的插值轮廓文件，以相邻的轮廓进行布尔运算，得到差值选区，之后将差值选区分别复制到多个插值轮廓文件，之后按插值轮廓文件的序号分别相对选区边界以渐边的方式进行等距偏移，以分别生成多个插值轮廓，这些插值轮廓之间相对相邻的轮廓均是有间距的，且各个间距是均匀渐变的。同时可以将目标图像轮廓的扫描厚度属性也均摊到各个插值轮廓。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该方法，可以方便地利用位图格式的断层图像形成模型，并且可以直接形成目标物质的三维模型。复原的打印模型外观光洁细腻、细节真实，能够充分展示骨骼原貌，能够在手术治疗中起到积极的作用，因此受到了相关技术人员的好评。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种3D打印方法中三维模型形成方法的主要流程图。

图2为本申请实施例多个断层图像示意图一；

图3为本申请实施例多个断层图像示意图二；

图4为本申请实施例形成选取阈值的示意图；

图5为本申请实施例进行模型优化效果的示意图；

图6为本申请实施例手骨模型成形的示意图。

图7为本申请实施例脊椎骨模型成形的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示意，本申请提供了一种3D打印方法中三维模型形成方法，用于形成一种物体中目标物质的三维模型；主要包括：

S001，对物体进行断层扫描，获取所述物体的多个断层图像；此步骤中，一般对物体进行等间距的断层扫描，获取所述物体相同间距的多个断层图像。具体可利用计算机断层扫描(Computer Tomography,CT)、核磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)以及超声等断层成像设备对物体进行成像，以获得多个断层图像，且本申请实施例中，仅需获得位图格式的断层图像即可，各方便于数据导出与数据交互，不需要受到设备设定的限制。

S002，对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像；在获得位图格式的断层图像后，对多个所述断层图像进行快速批处理，比如可以选择利用BatchImager、DigitalImage Tool等工具进行批量操作。本申请中，可以建立一个窗口平台，窗口平台可通过目前常用的格式进行搭建，其整体上可以输入断层图像、输出可应用于3D打印的三维模型。通过在这个窗口平台中嵌入比如图像批处理工具，图像扫描分析工具、反向扫描建模工具、模型优化工具等现有工具，以实现本申请的完整操作。

S003，扫描分析多个灰度断层图像，确定目标物质在灰度断层图像中的选取阈值；该操作可利用图像批处理工具的像素分析功能来实现，也可以利用反向扫描建模工具的模型遮罩工具来实现。

S004，根据所述选取阈值批处理多个灰度断层图像，去除各个断层图像中所述选取阈值确定的区域外的图像信息，获得所述目标物质的多个断层图像；其中可通过手动选取初始设定选取阈值；之后根据初始设定选取阈值执行目标物质的三维模型预生成；根据预生成三维模型效果对所述选取阈值进行精调；以获得准确的选取阈值。

S005，根据所述目标物质的多个断层图像反向扫描生成目标物质的三维模型。根据本申请一实施例，按断层扫描同样的顺序反向扫描生成目标物质的三维模型。其中，可以根据所述目标物质的多个断层图像中相邻图像之间轮廓差异和总高度，按比例确定断层扫描厚度；之后可以根据断层扫描厚度反向扫描生成目标物质的三维模型。

根据本申请一实施例，S002步骤之后，还可以具有步骤：根据物体轮廓闭合原则确定非闭合的图像区域为无用图像区，通过去除无用图像区进行去噪。

根据本申请一实施例，S002步骤之后，还可以具有步骤：对各个灰度断层图像进行批量图像处理，所述图像处理包括对比度处理、亮度处理、色调处理或者色阶处理，以提高各个所述灰度断层图像中有用图像的清晰度。

根据本申请一实施例，S002步骤之后，还可以具有步骤：对多个所述灰度断层图像进行批量裁切处理，其中，根据物体在多个断层图像间连接分布原则，将多个所述断层图像间的像素密集区叠合后形成高像素分布的目标区域，对多个所述灰度断层图像进行批量裁切去除目标区域外的图像。

根据本申请一实施例，以上S005步骤之后还可以包括步骤：

对目标物质的三维模型进行光顺处理；以及/或者

对目标物质的三维模型进行消减三角形处理。

本申请实施中，基于断层轮廓线提取和拼接的方法来实现。主要包括如下两个关键步骤：(1)利用图像提取算法获取每一断层图像中的有用图像的点云图像，经图像批处理精确到目标区域，获得目标物质的清晰点云图像；(2)在获得目标物质的清晰点云图像的基础上，利用点云外轮廓拼接处理算法，建立相邻断层间点云外轮廓点的对应关系，然后连接对应的点构成三角面片，从而实现面皮模型的三维表面重建。

本申请实施例中可以利用点云图像生成点云轮廓，从而完成目标轮廓精简，而不需要进行轮廓线上点的精简运算。

点云轮廓生成的实施例中，一个具体示例方法主要包括：

1.捕捉点云，生成一个种子点区域；

2.查找种子点周围的临近点(这里会用k-d树加快速度，k-d树【k-dimensional树的简称】，是一种分割k维数据空间的数据结构。主要应用于多维空间关键数据的搜索【如：范围搜索和最近邻搜索】。K-D树是二进制空间分割树的特殊的情况)，然后以临界点作为种子点再次查找，一直找到没有新的点加入为止；

3.计算出轮廓是不规则多边形的,要进行规则化,这里规则化为曲线,当然也可以规则化为其他图形(比如规则化为矩形、圆形、椭圆形、或其他多边形)。将不规则多边形规则化为闭合曲线,有一个重要方法是,选择多边形的每一条边作为x轴,并选该边的一个端点作为原点建立直角坐标系,再求其包围盒。所有包围盒里最小的那个就是所要求得的闭合曲线轮廓。

闭合曲线可以包括直线、圆弧以及样条线。特别是针对目标物质为骨骼的实施例是，闭合曲线主要选择为闭合样条线，闭合样条线。

而如果目标物质是常见的工业产品则闭合曲线主要选择为直线、圆弧的集合。

4.求得了闭合曲线轮廓。

参照如图2至图6所示，本申请实施例的具体示例性说明如下：

S101，对人体手掌进行断层扫描，获取人体手掌的多个断层图像；此步骤中，对人体手掌进行等间距的断层扫描，获取相同间距的多个断层图像。

S102，对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像；在获得位图格式的断层图像后，对多个所述断层图像进行快速批处理，比如可以选择利用BatchImager、DigitalImage Tool等工具进行批量操作。

S103：对灰度断层图像进行降噪与优化处理。对各个灰度断层图像进行批量图像处理，所述图像处理包括对比度处理、亮度处理、色调处理或者色阶处理，以提高各个所述灰度断层图像中显示骨骼的白色有用图像的清晰度。

S104：对优化的断层图像进行分析，得到断层扫描信息、断层位置信息等相关信息。其中，可以根据所述骨骼的多个断层图像中相邻图像之间轮廓差异和总高度，按比例均摊确定断层扫描厚度；之后便可以根据断层扫描厚度反向扫描生成骨骼的三维模型。分析初始扫描厚度后，便可以根据计算为每幅图像分配位置和生成厚度。

S105：去除每个断层图像中根据图像联通情况而确定的目标图像以外的图像信息。比如可以根据实体物体轮廓闭合的原则确定非闭合的图像区域为无用图像区，通过去除无用图像区进行去噪。

S106：扫描分析多个灰度图像，确定骨骼在灰度断层图像中的选区阈值。该操作可利用图像批处理工具的像素分析功能来实现，也可以利用反向扫描建模工具的模型遮罩工具来实现。其中可通过手动选取颜色范围形成初始设定选取阈值；之后根据初始设定选取阈值执行骨骼的三维模型预生成；根据预生成三维模型效果对所述选取阈值进行精调；以获得准确的选取阈值。

S107：根据选区阈值标记选中目标图像轮廓，并进行标记轮廓优化。标记轮廓的生成以及优化可以具体参照以上介绍的详细方法进行实施。

S108：根据所述骨骼的多个标记断层图像反向拟合成骨骼的三维模型。

S109：对重建的三维模型进行优化，模型表面光顺、减少三角面片等。

如图2所示，将彩色图像批量转化为灰度图像，去除无用的色彩信息。将某部位人体组织的彩色CT图像(.jpg)依据批处理操作全部转化为灰度图像(.bmp)。

之后将灰度图像以源格式导入窗口平台程序(类如Mimics)并设置根据图像分析和计算得到的扫描分辨率、图片分辨率、扫描层厚和图片格式等关键信息。

如图4所示，根据图像分析设置扫描阈值，得到骨骼部分的遮罩。这期间可以调节遮罩阈值，以便于得到最佳的骨骼图像信息。之后可以根据优化过的遮罩，层层累加重建三维模型

如图5所示，可在三维模型表面进行光顺优化，移除骨骼上附着的部分皮肤血管或其他软组织特征；经过光顺和削减三角形处理的骨骼模型如图示意(左：优化前；右：优化后)。

图6为本申请实施例手骨模型成形的示意图，图7为本申请实施例脊椎骨模型成形的示意图。如图所示意，根据以上完成模型重构与优化后，可采用3D打印技术，得到一个完整的CT复原骨骼模型。

其中，在3D打印步骤中，一种方式是利用三维模型数据通过切片生成多个切片数据，通时重新计算各个切片数据对应的生成厚度等参数，之后将切片数据与打印参数输入至3D打印设备，最后完成分层实体模型的生成。

另一种方式是，在3D打印步骤中，根据前述步骤S107生成的多个目标图像轮廓，并且是经过后序步骤验证后的优化后目标图像的轮廓，据此对应生成多个切片数据(可以理解是直接的格式转换)，同时将前述步骤中计算分析得到的断层扫描厚度作为切片生成厚度。

当然，若目标图像轮廓的扫描厚度属性大于切片厚度，选择是以厚度方向上两个相邻目标图像轮廓之间按需地插值生成多个插值轮廓。生成的方法可以是，首先形成多个有序号的插值轮廓文件，以相邻的轮廓进行布尔运算，得到差值选区，之后将差值选区分别复制到多个插值轮廓文件，之后按插值轮廓文件的序号分别相对选区边界以渐边的方式进行等距偏移，以分别生成多个插值轮廓，这些插值轮廓之间相对相邻的轮廓均是有间距的，且各个间距是均匀渐变的。同时可以将目标图像轮廓的扫描厚度属性也均摊到各个插值轮廓。

之后将切片数据与打印参数输入至3D打印设备，最后完成分层实体模型的生成。按这种方式实现3D打印，便可以不再经历三维模型拟合以及三维模型切片的数据处理过程，便可以直接利用初步处理后的断层图像进行3D打印。可以节约大量的数据处理时间与数据处理资源，使得生成过程对于处理器资源以及操作人员的占用更少，且整个3D打印过程的用时更少。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种3D打印方法中三维模型形成方法，用于形成一种物体中目标物质的三维模型；包括：

对物体进行断层扫描，获取所述物体的多个断层图像；

对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像；

扫描分析多个灰度断层图像，确定目标物质在灰度断层图像中的选取阈值；

根据所述选取阈值批处理多个灰度断层图像，去除各个断层图像中所述选取阈值确定的区域外的图像信息，获得所述目标物质的多个断层图像；根据物体轮廓闭合原则确定非闭合的图像区域为无用图像区，通过去除无用图像区进行去噪；利用图像提取算法获取每一断层图像中的有用图像的点云图像，经图像批处理精确到目标区域，获得目标物质的清晰点云图像；在获得目标物质的清晰点云图像的基础上，利用点云外轮廓拼接处理算法，建立相邻断层间点云外轮廓点的对应关系；

根据所述目标物质的多个断层图像反向扫描生成目标物质的三维模型。

2.如权利要求1所述的三维模型形成方法，其特征在于，按断层扫描同样的顺序反向扫描生成目标物质的三维模型。

3.如权利要求1所述的三维模型形成方法，其特征在于，所述对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像步骤之后，还具有步骤：

对各个灰度断层图像进行批量图像处理，所述图像处理包括对比度处理、亮度处理、色调处理或者色阶处理，以提高各个所述灰度断层图像中有用图像的清晰度。

4.如权利要求1所述的三维模型形成方法，其特征在于，所述对多个所述断层图像进行去色，获得灰度断层图像步骤之后，还具有步骤：

对多个所述灰度断层图像进行批量裁切处理，其中，根据物体在多个断层图像间连接分布原则，将多个所述断层图像间的像素密集区叠合后形成高像素分布的目标区域，对多个所述灰度断层图像进行批量裁切去除目标区域外的图像。

5.如权利要求1所述的三维模型形成方法，其特征在于，还包括步骤：

对目标物质的三维模型进行光顺处理；

对目标物质的三维模型进行消减三角形处理。

6.如权利要求2所述的三维模型形成方法，其特征在于，所述按断层扫描同样的顺序反向扫描生成目标物质的三维模型，包括：

根据所述目标物质的多个断层图像中相邻图像之间轮廓差异和总高度，按比例确定断层扫描厚度；

根据断层扫描厚度反向扫描生成目标物质的三维模型。

7.如权利要求1至6任一项所述的三维模型形成方法，其特征在于，所述对物体进行断层扫描，获取所述物体的多个断层图像，包括：

对物体进行等间距的断层扫描，获取所述物体相同间距的多个断层图像。

8.如权利要求1至6任一项所述的三维模型形成方法，其特征在于，所述扫描分析多个灰度断层图像，确定目标物质在灰度断层图像中的选取阈值，包括：

通过手动选取初始设定选取阈值；

根据初始设定选取阈值执行目标物质的三维模型预生成；

根据预生成三维模型效果对所述选取阈值进行精调；

以获得准确的选取阈值。

9.一种3D打印方法，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的3D打印方法中三维模型形成方法。

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