非完备几何特征测量数据建模及其在颜面缺损修复中的应用研究

摘要

非完备几何特征的测量数据建模技术因其通过分析已知数据的信息特点，来推知缺损区域数据的信息，从而最大限度地恢复缺损区原貌的特性，在医学工程、产品设计与制造、虚拟现实、人体测量、文物保存等领域都有很大的应用发展潜力，已成为逆向工程领域近年来的一个研究热点。特别是在颜面整形和缺损修复的医学领域，利用非完备几何特征的测量数据建模技术，可以准确地构建赝复体的三维设计模型，从而可以满足患者对修复精度高，效率高，美学效果好的要求。传统逆向工程建模技术的主要任务是完整几何特征的再现和再设计;而非完备几何特征的测量数据建模技术则侧重于如何有效地利用已有信息的特点来恢复非完备几何特征的信息。因此本文的研究目标是在对非完备几何数据特点分析的基础上，研究非完备几何特征的恢复技术，并以颜面整形和缺损修复为应用背景，开发一套具有临床应用价值的颜面缺损修复CAD系统。
　　多视角测量数据的全局拼合的精度对完整测量数据的精度至关重要。论文研究了典型的全局拼合优化方法，发现存在两个影响系统全局拼合优化的问题:1）不合格两两拼合的存在对系统拼合精度产生较大影响;2）针对局部细节测量的补测数据，容易产生误差累积。针对这两问题，论文提出基于两视图重叠程度的计算来有效去除不合格两两拼合，同时提出基于图的算法与基于主视图的算法的融合用于基于局部细节测量的处理。实验表明视图间的最大间隙相对于包围盒的最短边的最大比值仅为0.0047，从而提高多视角测量数据的全局拼合优化的拼合精度，达到对系统全局拼合误差的控制。
　　具有对称特征的非完备数据的几何建模技术，其核心问题是如何获取一个高精度的对称而。通过对称面，可以将完好区的信息准确地镜像到缺损的区域，从而实现对非完备数据的建模。论文在研究现有三维数据的对称面求取技术的基础上，发现限制对称面精度进一步提高的问题是:完好区的数据往往在缺损区找不到正确的对应点，错误的对应点对将影响最终的迭代结果。针对这一问题，论文提出了基于M估计的健壮ICP算法的对称特征模型构建方法，能够有效控制迭代过程中找不到正确的对应点的外点，从而保证了一个高精度的中心对称面的成功获取。实验表明最大距离偏差与数据包围盒的最小尺寸的比值为0.0046。中心对称面的比较试验表明该算法能够适用于较大面积的缺损情况下的对称面求取。
　　对于自身没有相似的信息可利用的非完备数据，可以利用特征相似性，从非完备数据自身以外获取与缺损区信息相符的数据源;通过调整该数据源，实现与缺损区周边的数据能够保持比例等方面的协调。针对这一问题，论文在研究现有外部的相似特征信息来辅助获取缺损区与完备区拓扑关系的方法的基础上，分析了非完备数据限制模型重建质量进一步提高的冈素，并针对性的提出了基于健壮区域的特征相似性的数据搜索技术，同时还提出了基于约束的非刚性的模板模型映射技术，实现了非完备数据的有效恢复，并且满足有关的约束要求。模拟患者颜面的实验表明正常颜面模型以及修复后模型的中心对称面在包围盒上的截线长度差的最大值为-0.036mm，可见修复后的鼻区对称面与原始颜面的对称面是基本相符的。
　　在非完备几何特征的构建的基础上继续研究非完备重建特征与相邻数据几何光顺处理技术，对于进一步提升非完备特征的边界质量具有非常重要的意义。本文在研究几何光顺处理技术的基础上，分析了现有几何光顺处理技术中存在的限制光顺质量进一步提高的因素，并针对性的提出了一种改进非完备重建特征的初始边界条件，基于双伞形迭代平滑运算的几何光顺处理方法。该方法保证了非完备重建特征与相邻数据的几何平滑过渡质量，使得过渡曲面的颜色能够光顺过渡，从而提高非完备特征与相邻数据几何光顺精度，达到对模型光顺误差的控制。实例验证边界处的距离偏差在-0.1034～0.1316mm之间，过渡曲面的曲率连续平和变化。
　　在对非完备几何数据建模技术研究的基础上，展开颜面缺损修复领域的医学应用研究，形成了一套人体颜面缺损修复CAD系统，可以实现赝复体的三维建模，镜像，组织面贴合匹配以及边缘处理，保证赝复体的适配性和贴合部位的美观性。该系统在上海交通大学第九人民医院（10例）和中国人民解放军总医院（3例）等四家三级甲等医院进行实际临床应用，实例证明了系统能够满足人体颜面赝复体的数字化建模的要求，从而形成了一套具有自主知识产权的人体颜面数据快速获取与逼真建模系统，将在颜面修复等医学领域乃至服装设计等领域具有极大推广价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 传统逆向工程建模技术

1．2．1 传统逆向工程建模技术的广泛应用

1．2．2 传统逆向工程建模技术的研究现状

1．3 非完备几何特征测量数据建模技术

1．3．1 非完备几何特征测量数据建模技术的定义

1．3．2 非完备几何特征的测量数据建模过程

1．3．3 非完备几何特征测量数据建模技术的应用

1．4 颜面缺损修复的研究现状

1．4．1 颜面缺损修复的分类及技术要求

1．4．2 颜面缺损修复的研究存在的问题

1．4．3 传统逆向工程、非完备几何特征测量数据建模及颜面缺损修复之关系

1．5 论文的主要工作及结构

1．5．1 研究目标及意义

1．5．2 主要研究内容和结构

第二章 多视角测量数据的全局拼合优化

2．1 多视全局拼合技术及其存在问题分析

2．2 基于栅格结构探测环

2．3 细节数据的误差分散处理

2．4 环内及环间的误差分散处理

2．4．1 环内的误差分敢算法

2．4．2 环间的误差分散

2．5 算法评价与验证

2．5．1 测量规划

2．5．2 多视拼合

2．6 本章小结

第三章 基于对称特征的非完备数据的几何建模技术研究

3．1 基于对称特征的非完备数据的几何建模技术及其存在问题分析

3．2 算法原理

3．3 数据预处理

3．3．1 纠正局部变形

3．3．2 算法验证

3．4 求取中心对称面

3．5 恢复非完备特征

3．6 算法评价与验证

3．6．1 文物修复

3．6．2 模拟患者颜面

3．7 本章小结

第四章 基于特征相似性的非完备数据的几何建模技术研究

4．1 基于特征相似性的非完备数据的几何建模技术及其存在问题分析

4．2 算法原理

4．3 基于健壮区域的特征相似性的数据搜索技术

4．4 基于约束的非刚性的模板模型映射技术

4．4．1 模板模型的放置

4．4．2 模板模型的形态调整

4．5 算法评价与验证

4．6 本章小结

第五章 非完备重建特征与相邻数据几何光顺处理技术研究

5．1 过渡曲面的构造技术及其存在问题分析

5．1．1 过渡曲面的定义

5．1．2 过渡曲面的构建

5．2 算法原理

5．3 改进双伞形操作子的几何光顺技术

5．4 连续性评价

5．4．1 法向距离度量

5．4．2 曲线曲率变化图

5．5 算法评价与验证

5．5．1 鼻缺损光顾

5．5．2 颌面缺损光顾

5．6 本章小结

第六章 颜面缺损修复软件系统与应用

6．1 软件开发平台及关系结构

6．2 空间拓扑结构

6．3 软件数据结构的UML描述

6．4 应用实例

6．4．1 基于对称特征的非完备数据的几何建模技术的应用

6．4．2 基于特征相似性的非完备数据的几何建模技术的应用

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 文章创新点

7．3 研究工作展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间申请的专利

攻读博士学位期间获得的软件著作权

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢