本發(fā)明涉及一種顏面柔性體虛擬評(píng)價(jià)方法，特別涉及一種基于改進(jìn)形狀直方圖方法的顏面柔性體虛擬評(píng)價(jià)方法，屬于測(cè)量數(shù)據(jù)建模領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

對(duì)于顏面柔性體的建模效果的虛擬評(píng)價(jià)是一個(gè)比較難的課題，目前在醫(yī)院的臨床實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，更多地依靠醫(yī)生的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，只能給出較為模糊的估計(jì)。

此外就是將顏面當(dāng)做剛體來考慮，2013年揚(yáng)州大學(xué)孫進(jìn)博士團(tuán)隊(duì)在“Imperfect symmetry transform for orbital prosthesis modelling”(Rapid Prototyping Journal2013年02期)中采用了在三維模型上基于幾個(gè)固定特征骨骼點(diǎn)所構(gòu)建的三維坐標(biāo)系下對(duì)建模效果進(jìn)行對(duì)稱性的評(píng)價(jià)，利用非完備重建特征邊緣區(qū)域與相鄰數(shù)據(jù)的法向距離度量，檢查非完備重建特征與相鄰數(shù)據(jù)的貼合程度；還采用對(duì)非完備重建特征與相鄰數(shù)據(jù)進(jìn)行截面，獲取截面線，對(duì)截面線的曲線曲率進(jìn)行分析來檢驗(yàn)其構(gòu)建的贗復(fù)體與周圍組織的光順程度，由于未考慮顏面柔性體的特點(diǎn)，存在著評(píng)價(jià)的缺陷。

由于顏面柔性體難以表征，在以往的顏面柔性體的幾何建模當(dāng)中往往將其作為剛體來實(shí)現(xiàn)的，此外手術(shù)結(jié)果預(yù)測(cè)只能給出較為模糊的估計(jì)，缺乏有效的定量預(yù)測(cè)方法。這是導(dǎo)致顏面贗復(fù)體往往顯得呆板的根本原因。本發(fā)明擬在此基礎(chǔ)上從顏面柔性體的內(nèi)在特征(包括形狀特征以及拓?fù)涮卣?入手，研究顏面柔性體的建模效果的虛擬評(píng)價(jià)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種融合形狀特征和拓?fù)涮卣鞯念伱嫒嵝泽w虛擬評(píng)價(jià)方法，本發(fā)明引入了重疊投影方法對(duì)形狀直方圖方法進(jìn)行改進(jìn)，利用過球心的旋轉(zhuǎn)平面來切分三維模型的包圍球，從每個(gè)切分單元中提取幾何和拓?fù)湫畔ⅲ粌H提取模型的形狀特征，而且提取模型的拓?fù)涮卣?，可以使形狀描述符包含更多的特征信息，形狀描述符包含的?nèi)容更加充分。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，融合形狀特征和拓?fù)涮卣鞯念伱嫒嵝泽w虛擬評(píng)價(jià)方法，包括以下步驟:

1)顏面柔性體模型的構(gòu)建；

2)基于形狀直方圖方法的顏面柔性體模型幾何特征的表征；

3)基于重疊投影方法提取模型的拓?fù)涮卣鳎?/p>

4)融合形狀直方圖方法和重疊投影方法對(duì)顏面柔性體進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)。

所述步驟1中的顏面柔性體模型的構(gòu)建包括如下過程：

基于采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用逆向工程建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)顏面柔性體完整幾何特征的再現(xiàn)和再設(shè)計(jì)，得到顏面柔性體三維網(wǎng)格模型。

所述步驟2中的基于形狀直方圖方法的顏面柔性體模型幾何特征的表征包括如下過程：

首先利用三維網(wǎng)格模型的蒙特卡羅方法把所有表面的質(zhì)心取平均值后得到的點(diǎn)移到坐標(biāo)原點(diǎn)，按照等面積原則，在三維模型表面采樣大量的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體包括以下步驟：

第一步，將顏面柔性體的三維網(wǎng)格模型表面的所有多邊形剖分成三角形，形成三角網(wǎng)格模型；

第二步，遍歷三角網(wǎng)格模型表面的所有三角形，將訪問到的三角形面片的面積記錄在一個(gè)數(shù)組中，該數(shù)組的維數(shù)即為該三角網(wǎng)格模型的三角面片個(gè)數(shù)；

第三步，生成一個(gè)從零到該模型表面所有三角形面積相加之和的隨機(jī)數(shù)組；

第四步，對(duì)步驟三得到的隨機(jī)數(shù)組進(jìn)行二分法查找，找到對(duì)應(yīng)該隨機(jī)數(shù)組的三角形面片的索引號(hào)；

第五步，在第四步找到的三角形內(nèi)部按照等面積原則隨機(jī)采一個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)該三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別是A，B，C，生成兩個(gè)從0到1的隨機(jī)數(shù)r₁和r₂，利用下面的公式計(jì)算在該三角形內(nèi)部隨機(jī)取到的點(diǎn)P的位置：

$P=(1-\sqrt{r_1})A+\sqrt{r_1}(1-r_2)B+\sqrt{r_1{r}_2}C.$

所述步驟3中的基于重疊投影方法提取模型的拓?fù)涮卣鳎ㄈ缦逻^程：

對(duì)三角網(wǎng)格模型進(jìn)行球分割后，旋轉(zhuǎn)任意過球心的平面計(jì)算平面與模型的交點(diǎn)；使用重疊投影線段長(zhǎng)度來代替面積的計(jì)算；在計(jì)算旋轉(zhuǎn)平面與模型外表面的交點(diǎn)時(shí)，利用任意一條球心到最外層球殼之間的線段與模型求交點(diǎn)；這些交點(diǎn)就構(gòu)成了拓?fù)涮卣鞯幕疽兀?/p>

(1)對(duì)這些點(diǎn)定義初始值，如公式所示：

${\mathrm{MAX}}_{q\∈S}{g}_0\left(q\right)=\frac{\left({\mathrm{MAX}}_{q\∈S}G\right(q\left)\right)-G\left(m\right)}{{\mathrm{MAX}}_{q\∈S}G\left(q\right)-{\mathrm{MIN}}_{q\∈S}G\left(q\right)}$

MAX_q∈Sg₀(q)表示從球心按照最短路徑算法可能走過的最長(zhǎng)距離，G(m)、G(q)表示積分測(cè)地距離；

(2)把步驟(1)得到的這些點(diǎn)組成堆結(jié)構(gòu)，算法每執(zhí)行一次就會(huì)把擁有最小值的點(diǎn)從堆中移除，同時(shí)它的相鄰節(jié)點(diǎn)的值相應(yīng)的被修改，這樣測(cè)得的波陣面就會(huì)從一個(gè)點(diǎn)向三角面片的中心方向增長(zhǎng)，當(dāng)兩個(gè)側(cè)地波相交時(shí)就產(chǎn)生了閉環(huán)(拓?fù)湫畔?；然后把這兩個(gè)波合并成一個(gè)波面，直到最后形成一個(gè)波面算法結(jié)束。

所述步驟4中的融合形狀直方圖方法和重疊投影方法對(duì)顏面柔性體進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)，包括如下過程：

當(dāng)使用形狀直方圖方法對(duì)任意待比較的兩個(gè)物體進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)時(shí)，利用步驟2中確定的P點(diǎn)與原點(diǎn)構(gòu)成兩個(gè)三維向量p和q，選用二次型距離函數(shù)作為形狀直方圖特征函數(shù)，該函數(shù)按照距離矩陣A進(jìn)行定義，其中的元素a_ij為矩陣A對(duì)應(yīng)的特征向量的第i個(gè)和第j個(gè)元素之間的相似度，如公式：

$d_A^2(p,q)=(p-q).A.{(p-q)}^T={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^3{a}_{ij}(p_i-q_i)(p_j-q_j)$

用S_{形狀直方圖}代表形狀直方圖特征相似度，

拓?fù)涮卣鞯南嗨贫萐_{拓?fù)?/sub>如以下公式：}

其中，f_A和f_B分別表示任意兩個(gè)待對(duì)比模型的拓?fù)洵h(huán)數(shù)，β_j表示兩個(gè)模型在對(duì)應(yīng)線段上重疊投影線段的長(zhǎng)度，x表示旋轉(zhuǎn)平面的數(shù)量，y表示與模型求交點(diǎn)的線段數(shù)量；顏面柔性體的相似度S_相似度公式是：

本發(fā)明的有益效果是:形狀直方圖方法的不足之處是沒有拓?fù)湫畔⒑椭匾男螤钐卣?，?duì)形狀相似的物體識(shí)別能力不強(qiáng)。由于融合提取顏面柔性體模型幾何 特征的形狀直方圖方法和提取其拓?fù)涮卣鞯闹丿B投影方法，提高了顏面柔性體虛擬評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明融合形狀特征和拓?fù)涮卣鞯念伱嫒嵝泽w虛擬評(píng)價(jià)方法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和融合形狀直方圖方法和重疊投影方法的顏面柔性體虛擬評(píng)價(jià)方法，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。

本發(fā)明融合形狀特征和拓?fù)涮卣鞯念伱嫒嵝泽w虛擬評(píng)價(jià)方法，包括下述步驟:

1)顏面柔性體模型的構(gòu)建；

基于采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用逆向工程建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)顏面柔性體完整幾何特征的再現(xiàn)和再設(shè)計(jì)。

2)基于形狀直方圖方法的顏面柔性體模型幾何特征的表征；

首先利用三維網(wǎng)格模型的蒙特卡羅方法把所有表面的質(zhì)心取平均值后得到的點(diǎn)移到坐標(biāo)原點(diǎn)，按照等面積原則，在三維模型表面采樣大量的三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體包括以下步驟：

第一步，將顏面柔性體的三維網(wǎng)格模型表面的所有多邊形剖分成三角形，形成三角網(wǎng)格模型；

第二步，遍歷三角網(wǎng)格模型表面的所有三角形，將訪問到的三角形面片的面積記錄在一個(gè)數(shù)組中，該數(shù)組的維數(shù)即為該三角網(wǎng)格模型的三角面片個(gè)數(shù)；

第三步，生成一個(gè)從零到該模型表面所有三角形面積相加之和的隨機(jī)數(shù)組；

第四步，對(duì)步驟三得到的隨機(jī)數(shù)組進(jìn)行二分法查找，找到對(duì)應(yīng)該隨機(jī)數(shù)組的三角形面片的索引號(hào)；

第五步，在第四步找到的三角形內(nèi)部按照等面積原則隨機(jī)采一個(gè)三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)該三角形的三個(gè)頂點(diǎn)分別是A，B，C，生成兩個(gè)從0到1的隨機(jī)數(shù)r₁和r₂，利用下面的公式計(jì)算在該三角形內(nèi)部隨機(jī)取到的點(diǎn)P的位置：

$P=(1-\sqrt{r_1})A+\sqrt{r_1}(1-r_2)B+\sqrt{r_1{r}_2}C.$

3)基于重疊投影方法提取模型的拓?fù)涮卣鳎?/p>

對(duì)三角網(wǎng)格模型進(jìn)行球分割后，旋轉(zhuǎn)任意過球心的平面計(jì)算平面與模型的交 點(diǎn)；使用重疊投影線段長(zhǎng)度來代替面積的計(jì)算；在計(jì)算旋轉(zhuǎn)平面與模型外表面的交點(diǎn)時(shí)，利用任意一條球心到最外層球殼之間的線段與模型求交點(diǎn)；這些交點(diǎn)就構(gòu)成了拓?fù)涮卣鞯幕疽兀?/p>

(1)對(duì)這些點(diǎn)定義初始值，如公式所示：

${\mathrm{MAX}}_{q\∈S}{g}_0\left(q\right)=\frac{\left({\mathrm{MAX}}_{q\∈S}G\right(q\left)\right)-G\left(m\right)}{{\mathrm{MAX}}_{q\∈S}G\left(q\right)-{\mathrm{MIN}}_{q\∈S}G\left(q\right)}$

MAX_q∈Sg₀(q)表示從球心按照最短路徑算法可能走過的最長(zhǎng)距離，G(m)、G(q)表示積分測(cè)地距離；

(2)把步驟(1)得到的這些點(diǎn)組成堆結(jié)構(gòu)，算法每執(zhí)行一次就會(huì)把擁有最小值的點(diǎn)從堆中移除，同時(shí)它的相鄰節(jié)點(diǎn)的值相應(yīng)的被修改，這樣測(cè)得的波陣面就會(huì)從一個(gè)點(diǎn)向三角面片的中心方向增長(zhǎng)，當(dāng)兩個(gè)側(cè)地波相交時(shí)就產(chǎn)生了閉環(huán)(拓?fù)湫畔?；然后把這兩個(gè)波合并成一個(gè)波面，直到最后形成一個(gè)波面算法結(jié)束。

4)融合形狀直方圖方法和重疊投影方法的顏面柔性體虛擬評(píng)價(jià)

當(dāng)使用形狀直方圖方法對(duì)任意待比較的兩個(gè)物體進(jìn)行虛擬評(píng)價(jià)時(shí)，利用步驟2中確定的P點(diǎn)與原點(diǎn)構(gòu)成兩個(gè)三維向量p和q，選用二次型距離函數(shù)作為形狀直方圖特征函數(shù)，該函數(shù)按照距離矩陣A進(jìn)行定義，其中的元素a_ij為矩陣A對(duì)應(yīng)的特征向量的第i個(gè)和第j個(gè)元素之間的相似度，如公式：

$d_A^2(p,q)=(p-q).A.{(p-q)}^T={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^3{a}_{ij}(p_i-q_i)(p_j-q_j)$

用S_{形狀直方圖}代表形狀直方圖特征相似度，

拓?fù)涮卣鞯南嗨贫萐_{拓?fù)?/sub>如以下公式：}

其中，f_A和f_B分別表示任意兩個(gè)待對(duì)比模型的拓?fù)洵h(huán)數(shù)，β_j表示兩個(gè)模型在對(duì)應(yīng)線段上重疊投影線段的長(zhǎng)度，x表示旋轉(zhuǎn)平面的數(shù)量，y表示與模型求交點(diǎn)的線段數(shù)量；顏面柔性體的相似度S_相似度公式是：