数据配准的颅骨面貌复原方法

颅骨面貌复原技术在法医刑侦领域具有重要应用,为了估计给定颅骨的未知面貌,提出点云配准与五官(鼻、眼睛、嘴)配准结合的颅骨面貌复原框架及基于软组织厚度的评价方法.首先构建颅面数据库并进行坐标校正;然后确定配准点集及其对应关系,采用ICP算法和薄板样条函数两次配准实现参考颅骨与待复原颅骨的精确配准,并将参考模型的软组织厚度作为待复原颅骨的软组织厚度实现面貌初步复原;最后提出一种五官配准方法以提高面貌复原的准确性.提出基于软组织厚度比较的评价方法来验证面貌复原结果的正确性.实验结果证明,文中方法可以有效地实现给定颅骨的面貌估计.

面部软组织厚度测量及其在面貌复原中的应用

软组织厚度作为颅骨面貌复原的基础,具有重要的应用价值。本文借助计算机技术对西安地区132例成年人颅面数据样本开展软组织测量、分析及应用研究,结果表明,1)通过分析特征点处软组织厚度和面部软组织分布图,发现面部软组织分布具有一定的规律,额头区域软组织厚度薄且样本间差异小,脸颊区域软组织厚且样本间差异大;2)通过比较不同年龄段男性软组织厚度的均值,发现20-30岁阶段软组织厚度均值最小,50-60岁阶段软组织厚度均值其次,30-40岁阶段软组织厚度均值最大,但30-40岁和40-50岁两个年龄段的软组织厚度近似;通过比较不同年龄段女性软组织厚度的均值,发现20-30岁阶段软组织厚度均值最小,30-40岁阶段软组织厚度均值其次,40-50岁阶段的软组织厚度均值最大;3)特征点处软组织厚度标准差可以反映面貌体态的差异,因此根据10个脸颊特征点的软组织厚度均值和标准差实现面貌体态分类;4)根据不同性别、年龄、体态对应的软组织平均厚度,应用计算机技术实现给定颅骨的三维面貌复原,复原结果相比于传统手工复原的结果更加科学。

磁共振颅脑图像的脑组织自动获取方法

提出了一种针对MRI磁共振图像通过两次分割实现颅脑图像脑组织自动获取的方法.通过基于Catt扩散模型的各项异性滤波,实现了在保持图像细节的同时有效地消除图像的噪声.然后通过改进的基于相似性区域合并的分水岭算法解决了过分割问题,实现了脑组织区域的初次分割.由于颅脑图像不同组织之间边缘模糊且自身容易受到噪声的影响,导致区域合并过程中可能会误将非脑组织作为脑组织合并,因此,采用水平集方法将初次分割获得的脑组织轮廓作为初始轮廓曲线,实现了脑组织的自动分割.实验结果验证了算法的可行性和实用性.

一种结构对称的破碎青铜文物的数字修复方法

为有效解决结构具有对称性的破碎文物的数字修复问题,本研究利用计算机技术,提出了一种针对结构具有对称性的破碎青铜器文物的数字修复方法。首先利用三维激光扫描仪实现破碎文物的三维建模,然后采用基于特征点集的最小二乘方法计算破碎文物的对称平面,进而利用对称性实现破碎文物的数字修复。针对对称性计算的镜像模型与原始模型几何造型不完全一致的问题,采用非刚性配准方法实现了镜像模型的几何变形。实验结果表明,本方法能够实现破碎文物的数字修复,将为实体修复提供借鉴和指导。

基于数字图像处理的EAN13码识别

主要研究通过数字图像处理的方法识别ENA13条形码图像条码信息的问题。首先介绍了条码结构。然后针对传统方法的缺陷引入基于图像处理的识别方法,通过图像预处理、图像分割、图像矫正和译码4个步骤识别条形码。阐述了针对含有噪声点的模糊图像和输入角度随机两种情况的条码识别。最后通过给出相关实验结果验证了算法的可行性和实用性。

基于医学体数据场的大脑皮层重构

研究如何基于一组连续脑部医学切片重构大脑皮层,介绍体数据场和大脑皮层三维重构系统流程。针对插值后的脑部图像提出一种有效的脑灰质分割算法,通过图像预处理和阈值分割方法获取脑灰质图像。针对分割后的体数据,采用改进的Marching Cubes方法重构大脑皮层三维模型,避免提取脑灰质轮廓线。实验结果验证了该算法的可行性和实用性。

山顶洞101号男性头骨的三维颅面复原

山顶洞101号头骨化石是东亚地区保存最为完整的化石之一,是探讨东亚地区现代人起源的重要研究材料。本文依据数据集中现生人的面部软组织平均分布,提出了计算机三维颅面复原方法,实现了101号头骨生前面貌的预测复原。主要包括三个步骤:首先使用CT完成了101号男性头骨和下颌骨仿制模型的三维重建。然后,利用计算机技术将现生人的面部软组织分布作为101号头骨的面部软组织分布,实现了颅面虚拟复原,并采用手工绘画技巧再现了复原面貌的形态特征。最后,提出了一种基于面部软组织分布和面貌统计形状模型的形态分析方法,实现了颅面复原结果的评估。山顶洞101号头骨的复原面貌具有头部较长、额头前倾、眉弓粗壮等特征,与101号头骨的几何形态基本一致。该技术再现了更新世晚期人类的脑颅及面部的形态特征,为古人类颅面复原的研究提供了技术支持和参考资料。

颅面复原技术在体质人类学中的应用

面貌是人类最重要的特征,其形态受到颅骨几何形态、面部软组织分布以及性别、年龄、身体质量指数、营养状况等多种因素的影响。考古遗址出土的古代人类遗骸,其面部软组织大多已经消失,如何根据颅面形态关系推测古人类颅骨的生前面貌已成为人类学家和考古学家关注的热点问题之一。传统手工颅面复原是由人类学家和艺术家使用雕塑技艺在颅骨上用可塑物质生成其生前面貌的技术。近年来,随着医学影像采集和计算机技术的发展,计算机颅面复原技术已经成为信息科学、体质人类学、法医人类学交叉研究的前沿技术之一。本文通过梳理和归纳相关文献的研究方法,对手工颅面复原技术、计算机颅面复原技术和颅面复原结果评价方法作简要综述,并对颅面复原技术在体质人类学中的应用进行了回顾和展望。

基于Leap motion的三维文物虚拟拼接方法

利用三维激光扫描方式采集文物几何信息正变得越来越普遍,借助计算机技术可以实现破碎文物的虚拟复原。针对全自动几何驱动虚拟文物拼接的不足,提出一种利用Leap motion实现碎片交互拼接的方法。通过Leap Motion获得的数据实现手的运动模拟,交互地控制碎片模型的运动,实现两个碎片的初匹配。拼接结果将实时反馈给用户,用户可以通过控制碎片的位置优化碎片间的拼接关系。进一步采用最近点迭代算法实现两个碎片的精确匹配。将拼接结果作为新的碎片迭代地实现多个碎片的匹配和拼接。实验结果表明,该方法可以降低自动拼接技术对数据的高度依赖性实现邻接文物碎片的拼接。

基于K均值聚类和区域匹配的颜色迁移技术

针对色彩丰富的图像之间的颜色传递问题,利用K均值聚类对图像进行分析,并提出最近区域匹配算法,该算法可以避免多个区域匹配到同一个区域的问题,从而更好的实现两幅图像的颜色迁移。将两幅图像从RGB颜色空间转换到lαβ颜色空间中;用K均值模型分别对颜色图像和亮度重映射后的形状图像进行同类数的聚类分析;利用欧式距离和最近区域匹配算法确定两幅图像的区域匹配关系;完成颜色迁移。实验结果表明:该算法能较好地实现色彩丰富图像之间的色彩迁移。

面向手势交互的古建场景快速搭建方法

随着行业快速发展,虚拟现实应用对人机交互方式的要求越来越高,基于非接触手势控制的交互方式日益普及.针对虚拟环境下三维场景构建问题,提出一种面向Leap Motion体感交互设备的古建筑三维场景快速搭建方法.通过Leap Motion获取手部运动数据,实现物理空间与三维空间的实时映射,以及三维模型交互控制与编辑;提出一种基于概率图模型的古建筑构件推荐方法,通过构造贝叶斯网络,实现古建筑各构件之间的概率关系推理;推荐结果实时反馈用户,用户可通过手势选择相应部件,并在三维空间优化模型位置,最终实现古建筑场景的快速搭建.实验证明,相比二维交互方式,本文方法有效利用三维空间信息,并实现模型推荐,因此更加直观、便捷、高效.

数字壁画病害提取与修复算法研究

数字图像修复为古代石窟壁画的科学保护与修复提供了重要依据,目前数字壁画病害信息的完整提取与合理化修复是文物虚拟修复的重要课题。以麦积山数字壁画为研究对象,分析风化裂隙伴随点状剥落的病害特征与形成机理,病害信息的完整提取以文物修复的最小干预为原则,采用以加权平均为相似性度量的局域最优层次聚类进行提取,并形成病害信息掩膜。以此掩膜图像为对象,其合理化修复利用增加了有效像素估计的曲率驱动扩散模型实现图像修复。该方法使得麦积山石窟壁画病害的虚拟修复更精确,达到了文物修复最小干预原则的效果。

基于断裂面匹配的破碎文物的虚拟修复方法

提出一种基于积分不变量的断裂面匹配算法,并利用3D打印技术实现修复结果的仿制。计算在多尺度下断面点的体积积分不变量,寻找邻域相似特征点集形成匹配约束簇。对约束簇进行特征提取及表示,根据簇表面的凹凸互补性,得到初始匹配簇对。运用空间几何一致性约束投票及寻找最大独立集的方法对非正确匹配对进行剪枝,即把粗匹配问题转成最优化问题。在粗匹配的基础上,采用ICPIF进行两两碎块精确对齐。利用三维快速成型设备,将每个文物碎片进行3D打印实现复原结果的仿制,进而验证匹配结果的正确性。实验结果表明,该算法能较好的实现碎块匹配和拼接,实现文物的虚拟修复。

面向脑血管物联网电子健康平台的分割及重构关键技术研究

在物联网应用中,脑血管诊疗的电子健康平台可以很好地实现脑血管健康异地保健和远程医疗的要求.设计实现了脑血管诊疗的物联网e-health平台层次结构.面对物联网平台网络的普及化应用要求,提出并实现了基于统计模型的脑血管无人工干预分割算法;面向物联网平台组件之间的快速和高可靠性数据传输特点,提出并实现了基于球B样条三维重构模型.基于双高斯模型的脑血管统计分割模型融合改进的SEM算法,无需人工设定初始轮廓、高维进化函数和进化终止条件.脑血管在脑组织中所占比例较低(<5%),成像灰度不均匀,形态复杂且个体差异性大,该方法可获得良好的分割效果.球B样条模型具有严格的数学基础、较小的数据规模、平稳的光滑连续性和良好的交互性,非常适宜在物联网平台上传输.在上述关键技术的基础上,研究实现了光线投射法的GPUCUDA的并行加速体绘制及三维虚拟环境下脑血管的交互漫游和自主漫游.系统可实现脑血管疾病的诊断、医疗方案的制定和治疗过程中的监测以及脑血管疾病的教学和培训.相关研究为物联网平台下精细组织电子健康发展作出了有益的尝试.

犯罪现场三维建模技术研究进展

为了长期保留犯罪现场信息并对其进行测量、观察和模拟,犯罪现场三维场景建模技术已经成为法庭科学研究和应用的热点。与传统以文字和图像为主要形式的记录手段相比较,犯罪现场三维建模技术能够全面、客观、准确地记录犯罪现场的三维信息,并以可视化的方式从不同视角观察和分析犯罪过程。本文综述了犯罪现场三维建模技术,介绍了基于软件的交互建模、基于图像的建模和三维扫描建模三种技术,分析比较了三种技术的优势与不足,给出了三种技术的应用示例,最后对犯罪现场三维建模技术的发展提出了建议。

三维技术对安徽白鹭洲战国墓M566墓主容貌的复原

2011年安徽白鹭洲发现战国时期保存完整的楚国贵族墓葬,因墓主人头发和发簪保存完好、墓主身份显赫而备受关注。该头骨保存完整,具有亚洲蒙古人种的特征,根据骨骼的形态推测其为女性,年龄为35-39岁。为展现该地区战国贵族妇女的容貌、丰富该地区考古多样性提供研究材料。本文首先使用高分辨率CT对该个体的头骨及下颌骨进行了扫描和重建,然后采用基于偏最小二乘回归的颅面复原方法实现生前容貌基本形态的复原。最后,结合考古资料,利用三维模型处理软件对面貌复原模型及其发饰进行了三维建模和纹理贴图等处理,提高了颅面复原模型的真实感,生动形象地再现战国贵族女性面部的形态特征。

面向肌电信号的虚拟现实提线木偶动画研究

泉州提线木偶属于首批中国非物质文化遗产,是中华传统文化的实现形式之一.然而,由于木偶体积庞大,携带与操作不便,直接限制了其受众群体.为了实现提线木偶的有效传承与保护,设计了基于手势识别的虚拟现实提线木偶动画方案,构建了基于 MYO 臂环肌电信号的人体生理信号控制动画原型系统,应用两个用户实验验证了算法的高精确性与易操控性.首先,通过低通滤波与平滑实现多通道肌电信号数据的信号处理.其次,提取八通道时域特征与时频域特征,并通过线性判别器将其降维为六维特征向量,实现特征间关联性消除与算法鲁棒性增强.最后,构造多分类支撑向量机实现特征向量,确定手势识别结果.实验验证算法离线动作平均识别准确率为 95.59%,实时动作平均识别准确率达到 90.75%,在 1.1s 左右完成手势识别.面向提线木偶任务,构造了两个用户体验任务,普通用户人群中,木偶动作识别率较高,用户使用意愿、易学性等方面,系统性能亦显著高于真实木偶操控;专业用户在承认系统可用性的同时,具有较高的接受度.用户任务表明该设计满足了手势识别实时性和准确性的要求,具有良好的交互性和趣味性.相关研究可以广泛地应用于计算机动画等类似的系统,对于体验和保护提线木偶具有现实意义.

3D打印颅骨在颅底解剖教学中的应用

目的旨在探究3D打印技术制作解剖教具应用于医学解剖教育的可行性。方法用CT扫描获取大体颅骨标本影像数据,重建并采用3D打印技术构建颅骨模型。招募26名北京协和医学院三年级医学生,采用3D打印颅骨模型进行颅底解剖学习,并通过主观评价问卷对其在解剖教学中的实用性进行评价。结果 57%试验参与者认为3D打印颅骨能够完整呈现颅底解剖结构,超过90%参与者同意3D打印模型有助于空间理解和解剖学习,88%参与者认为3D打印颅骨能够解决大体解剖标本带来的伦理学问题,84%参与者赞同将3D打印模型应用于颅底解剖教学。结论 3D打印模型在解剖教学中效果得到了肯定,3D打印技术在医学教育中的进一步应用亟待展开。

基于曲率的点云自动配准方法

由于三维扫描仪采集范围的制约,单次扫描仅得到单一视角的深度图像,需研究深度图像的配准问题实现三维建模。现有商业软件大多需要人工标定实现深度图像配准,为改进此问题,提出一种基于曲率约束的三维点云自动配准法。采用4PCS方法实现两个三维点云模型的自动初配准,用点到面的ICP法及最小二乘法,计算三维模型的刚性变换矩阵。为消除迭代过程中的误匹配,将顶点曲率作为约束,提高了点云配准的准确性。实验结果表明:根据曲率约束去除错误匹配点对后,配准精度提高。

基于单幅图像的三维自由曲面浮雕生成

为了保护易受到侵蚀与损坏的浮雕文物,运用单幅图像的三维重建技术生成三维浮雕模型,即利用SFS(Shape From Shading)方法估计浮雕模型的深度矩阵,再通过滤波变换和模型叠加对矩阵进行修复。大多数浮雕的载体表面是不规则的曲面,需要将估计得到的深度矩阵映射到曲面载体模型上。将载体模型放到黎曼几何空间中,通过指数映射将指定位置、大小的局部区域参数化。进而通过纹理映射原理,改变相应顶点坐标,实现三维模型变化。设计实现了生成浮雕文物的半自动化方法,对不同模型的复原适应性良好。