三维表面模型的统计形状模型建立方法、系统、存储介质、终端

技术领域

本发明涉及统计形状模型建立的技术领域，特别是涉及一种三维表面模型的统计形状模型建立方法、系统、存储介质、终端。

背景技术

统计形状模型(Statistical Shape Model)是一种通过平均形状和允许的形变来表示物体形状的方法，也被理解为表示边界点属性的点分布模型。统计形状模型在医学图像分析和临床实践中有大量的应用，尤其是应用于医学图像分割和仿生假体制造。

统计形状模型的建立需要大量样本形状，现有技术已经可以实现大量精准样本形状的获取，如基于深度学习方法的图像分割技术，可以稳定的提取高质量的样本形状表面模型数据。

统计形状模型的建立的难点在于如何全自动寻找不同表面模型之间点的一一对应关系。现有技术中，统计形状模型的建模流程通常有以下几种建立点的一一对应关系的方法：

1)对于二维形状手动进行一一对应关系寻找，但该方法费时且主观性强；

2)等间距点法和参数化方法，这两种方法虽然能实现自动寻找一一对应关系但是鲁棒性弱；

3)手动初始化位姿的配准法，此方法虽然鲁棒性好但是需要人工干预，不能实现全自动化。

另外，申请号为201310450402的中国发明专利《对三维目标建立统计形状模型的方法》公开一种对三维目标建立统计形状模型的方法，包括以下步骤：S10、基于医学成像技术获取所述目标的二值原始体数据；S20、采用形态学闭操作去除所述原始体数据中的孔洞；S30、对去除孔洞后的原始体数据进行平滑处理；S40、采用等值面提取算法将平滑后的原始体数据转换为三角化表面三维数据；S50、采用保角映射算法将所述三角化表面三维数据映射至单位球体表面；S60、获取与所述单位球体表面顶点距离最短的点集，并进行逆映射以及初始对齐操作，得到第一形状训练集；S70、采用体素化算法将所述第一形状训练集转换为中间体数据；S80、对所述中间体数据采用两次非参数化弹性配准方法，得到建立对应关系的第二形状训练集；S90、对所述第二形状训练集运行主成分分析，获取其平均值、非零单位特征根以及特征向量；步骤S80具体包括以下步骤：第一次配准、随机选取所述中间体数据中的一例形状作为参考图像，将其余体数据与参考图像进行Demons弹性配准，得到第一形变场，采用所述第一形变场对所述第一形状训练集中的三角化表面形状进行弹性形变，得到中间形状训练集；第二次配准、求取所述中间形状训练集的平均形状，采用体素化算法将所述平均形状与中间形状训练集转化为二值图像体数据A、B，以A为参考图像，将B中体数据与参考图像进行Demons弹性配准，得到第二形变场，采用所述第二形变场对中间形状训练集中的三角化表面形状进行弹性形变，得到所述第二形状训练集。但是上述专利的配准过程首先需要将三角化表面三维数据体素化为中间体数据，然后再通过中间体数据实现配准以及一一对应关系的寻找，为算法增加了不必要的难度和复杂度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维表面模型的统计形状模型建立方法、系统、存储介质、终端，通过全自动的配准技术进行高效精准的点的一一对应关系寻找，实现了三维表面模型的统计形状模型的有效建立。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维表面模型的统计形状模型建立方法，包括以下步骤：对三维表面模型进行数据预处理；将数据预处理后的三维表面模型配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集；将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立所述三维表面模型中点的一一对应关系；根据所述点的一一对应关系构建协方差矩阵，并计算所述协方差矩阵的特征值和特征向量；所述对统一物理空间后表面模型数据集求平均值，根据所述平均值、所述特征值和特征向量构建所述三维表面模型的统计形状模型。

于本发明一实施例中，对三维表面模型进行数据预处理时，对于所述三维表面模型中点集的点数大于5000的样本，采用网格平均下采样法将点数下采样到5000个点以下；所述网格平均下采样法根据点集计算包围点集的边界框，将所述边界框划分为均匀的网格；若一个网格中包含多个点，则根据网格中的所有点计算平均距离并合并为一个点。

于本发明一实施例中，将预处理后的三维表面模型数据配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集包括以下步骤：

随机选择一例预处理后的三维表面模型数据作为参考表面模型；

对于关注尺度差异特征的物体，将其余预处理后的三维表面模型数据使用刚性条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型；对于不关注尺度差异特征的物体，将其余预处理后的三维表面模型数据使用仿射条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型，以获取统一物理空间后表面模型数据集。

于本发明一实施例中，将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立表面模型中点的一一对应关系包括以下步骤：

在所述统一物理空间后表面模型数据集中，选取一参考表面模型，将所述其余表面模型使用弹性条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型，得到弹性配准后表面模型数据集；

对于所述参考表面模型的任意一个点，都从所述弹性配准后表面模型数据集中找到欧氏距离最近的点作为该点的对应点；遍历所述参考表面模型的所有点，获取所述参考表面模型的点与其余表面模型数据的点的一一对应关系。

本发明提供一种三维表面模型的统计形状模型建立系统：包括预处理模块、获取模块、建立模块、计算模块和构建模块；

所述预处理模块用于对三维表面模型进行数据预处理；

所述获取模块用于将数据预处理后的三维表面模型配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集；

所述建立模块用于将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立所述三维表面模型中点的一一对应关系；

所述计算模块用于根据所述点的一一对应关系构建协方差矩阵，并计算所述协方差矩阵的特征值和特征向量；

所述构建模块用于所述对统一物理空间后表面模型数据集求平均值，根据所述平均值、所述特征值和特征向量构建所述三维表面模型的统计形状模型。

于本发明一实施例中，所述预处理模块对三维表面模型进行数据预处理时，对于所述三维表面模型中点集的点数大于5000的样本，采用网格平均下采样法将点数下采样到5000个点以下；所述网格平均下采样法根据点集计算包围点集的边界框，将所述边界框划分为均匀的网格；若一个网格中包含多个点，则根据网格中的所有点计算平均距离并合并为一个点。

于本发明一实施例中，所述获取模块将预处理后的三维表面模型数据配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集包括以下步骤：

随机选择一例预处理后的三维表面模型数据作为参考表面模型；

对于关注尺度差异特征的物体，将其余预处理后的三维表面模型数据使用刚性条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型；对于不关注尺度差异特征的物体，将其余预处理后的三维表面模型数据使用仿射条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型，以获取统一物理空间后表面模型数据集。

于本发明一实施例中，所述建立模块将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立表面模型中点的一一对应关系包括以下步骤：

在所述统一物理空间后表面模型数据集中，选取一参考表面模型，将所述其余表面模型使用弹性条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型，得到弹性配准后表面模型数据集；

对于所述参考表面模型的任意一个点，都从所述弹性配准后表面模型数据集中找到欧氏距离最近的点作为该点的对应点；遍历所述参考表面模型的所有点，获取所述参考表面模型的点与其余表面模型数据的点的一一对应关系。

本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的三维表面模型的统计形状模型建立方法。

本发明提供一种三维表面模型的统计形状模型建立终端，包括：处理器及存储器；

所述存储器用于存储计算机程序；

所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述三维表面模型的统计形状模型建立终端执行上述的三维表面模型的统计形状模型建立方法。

如上所述，本发明的三维表面模型的统计形状模型建立方法、系统、存储介质、终端，具有以下有益效果：

(1)通过全自动的配准技术进行高效精准的点的一一对应关系寻找，实现了三维表面模型的统计形状模型的有效建立；

(2)能够全自动实现从骨头三维表面模型数据集中构建三维统计形状模型；

(3)通过对实际采集的表面模型数据进行试验验证，结果显示所得统计形状模型的致密性、泛化性和特异性优异。

附图说明

图1显示为本发明的三维表面模型的统计形状模型建立方法于一实施例中的流程图；

图2显示为本发明于一实施例中采用刚性配准将不同股骨表面模型配准后用点云可视化的效果图；

图3显示为本发明于一实施例中采用弹性配准将不同股骨表面模型配准后用点云可视化的效果图；

图4显示为本发明于一实施例中采用股骨表面模型数据集为输入得到统计形状模型第一主成分和第二主成分的变化效果图；

图5显示为本发明的三维表面模型的统计形状模型建立系统于一实施例中的结构示意图；

图6显示为本发明的基于联邦学习的设备异常终端于一实施例中的结构示意图。

元件标号说明

51 预处理模块

52 获取模块

53 建立模块

54 计算模块

55 构建模块

61 处理器

62 存储器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的三维表面模型的统计形状模型建立方法、系统、存储介质、终端通过全自动的配准技术能够实现高效精准的点的一一对应关系寻找，从而建立致密性、泛化性和特异性优异的三维表面模型的统计形状模型，实用性强。

为了便于后续说明，定义符号使用规则如下：上标“T”表示“转置”操作；D是点集的维数；N，M是两组点集的点数；

如图1所示，于一实施例中，本发明的三维表面模型的统计形状模型建立方法包括以下步骤：

步骤S1、对三维表面模型进行数据预处理。

具体地，所述三维表面模型指由点集和点连结成的三角面片连接关系定义的表面数据。在实际应用中，由于不关心点连结成的三角面片连接关系，故在数学推导中较多的使用点集表示所述三维表面模型。

于本发明一实施例中，对三维表面模型进行数据预处理时，对于所述三维表面模型中点集的点数大于5000的样本，采用网格平均下采样法将点数下采样到5000个点以下；所述网格平均下采样法根据点集计算包围点集的边界框，将所述边界框划分为均匀的网格；若一个网格中包含多个点，则根据网格中的所有点计算平均距离并合并为一个点。

步骤S2、将数据预处理后的三维表面模型配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集。

具体地，采用刚性/仿射条件期望最大化的可形变形状配准方法(ExpectationConditional Maximization-based Deformable Shape Registration，ECM-DSR)将数据预处理后的三维表面模型数据配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集。具体包括以下步骤：

21)随机选择一例预处理后的三维表面模型数据作为参考表面模型。

22对于关注长短、大小等明显尺度差异特征的物体，将其余预处理后的三维表面模型数据使用刚性条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型；对于不关注长短、大小等明显尺度差异特征的物体，将其余预处理后的三维表面模型数据使用仿射条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型，以获取统一物理空间后表面模型数据集。

具体地，考虑点集X中的点为高斯混合模型的型点，点集Y为由所述高斯混合模型生成的点集，基于ECM的配准问题可以转化为最小化负对数似然函数：

其中，{∑

其中常数c代表离群点。此时未知参数Ψ求解通过最小化目标方程：

其中ρ是正则化按参数，此时问题可以通过以下两步条件最小化求解：

A)估计正则化参数，通过最小化：

B)对于所有m＝1，2，...，M，近似估计协方差：

记虚拟观测为

显然式(4)和式(6)同解。将(4)式第一项展开并忽略常数项1/2可得：

由于式(7)中第一项与配准参数θ无关，将其改写为

当待求解空间变换为仿射变换时，此时正则化项为0，即||L(Φ)||

其中R是D×D维旋转矩阵，

步骤S3、将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立所述三维表面模型中点的一一对应关系。

具体地，将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立表面模型中点的一一对应关系包括以下步骤：

31)在所述统一物理空间后表面模型数据集中，选取一参考表面模型，将所述其余表面模型使用弹性条件期望最大化的可形变形状配准方法配准到所述参考表面模型，得到弹性配准后表面模型数据集。

32)对于所述参考表面模型的任意一个点，都从所述弹性配准后表面模型数据集中找到欧氏距离最近的点作为该点的对应点；遍历所述参考表面模型的所有点，获取所述参考表面模型的点与其余表面模型数据的点的一一对应关系。

具体地，该步骤中求解空间变换为弹性变换，则||L(Φ)||

Φ(X，θ)＝X+GW (9)

其中，W是M×D维的弹性变换系数矩阵，G是M×M维对称核矩阵，其系数为

其中

遍历参考点集Y

步骤S4、根据所述点的一一对应关系构建协方差矩阵，并计算所述协方差矩阵的特征值和特征向量。

具体地，根据统一物理空间后表面模型数据集M

根据式(13)计算去心形状模型：

根据式(14)计算协方差矩阵C：

根据主成分分析,可以解得协方差矩阵的前K个非零特征值δ

步骤S5、所述对统一物理空间后表面模型数据集求平均值，根据所述平均值、所述特征值和特征向量构建所述三维表面模型的统计形状模型。

具体地，根据主成分分析,可以解得协方差矩阵的前K个非零特征值δ

其中b

下面通过具体实施例来进一步阐述本发明的三维表面模型的统计形状模型建立方法。

该实施例应用于股骨三维统计形状模型建模，点集的维数D＝3；样本点集数量K＝20。

(1)对三维表面模型进行数据预处理。

具体地，使用点集表示三维表面模型。对于所述三维表面模型中点集的点数大于5000的样本，采用网格平均下采样法将点数下采样到5000个点以下。网格平均下采样法即首先根据点集计算包围点集的边界框，接着将边界框划分为均匀的网格，每个网格中如果包含多个点，则依据网格中的所有点计算平均距离并合并为一个点。

(2)将数据预处理后的三维表面模型配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集。

如图2左侧图片所示，初始股骨三维表面模型在空间上相隔较远，此时需要将所有表面模型统一在同一物理空间下。图2右侧图片采用本实施例所述刚性配准算法，将待配准点集配准到参考点集的效果图。

(3)将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立所述三维表面模型中点的一一对应关系。

图3显示即为采用本实施例所述弹性配准算法，将待配准点集配准到参考点集的效果图。

(4)根据所述点的一一对应关系构建协方差矩阵，并计算所述协方差矩阵的特征值和特征向量。

(5)所述对统一物理空间后表面模型数据集求平均值，根据所述平均值、所述特征值和特征向量构建所述三维表面模型的统计形状模型。

图4所示即为采用本实施例20个股骨三维表面模型为输入，最终建立统计形状模型的第一主成分以及第二主成分变化的效果图。

如图5所示，于一实施例中，本发明的三维表面模型的统计形状模型建立系统包括预处理模块51、获取模块52、建立模块53、计算模块54和构建模块55。

所述预处理模块51用于对三维表面模型进行数据预处理。

所述获取模块52与所述预处理模块51相连，用于将数据预处理后的三维表面模型配准到同一物理空间，获取统一物理空间后表面模型数据集。

所述建立模块53与所述获取模块52相连，用于将所述统一物理空间后表面模型数据集对齐，建立所述三维表面模型中点的一一对应关系。

所述计算模块54与所述建立模块53相连，用于根据所述点的一一对应关系构建协方差矩阵，并计算所述协方差矩阵的特征值和特征向量。

所述构建模块55与所述计算模块54相连，用于所述对统一物理空间后表面模型数据集求平均值，根据所述平均值、所述特征值和特征向量构建所述三维表面模型的统计形状模型。

其中，预处理模块51、获取模块52、建立模块53、计算模块54和构建模块55的结构和原理与上述三维表面模型的统计形状模型建立方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。

需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如：x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现。此外，x模块也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，如中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。这些模块可以集成在一起，以片上系统(System-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。

本发明的存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的三维表面模型的统计形状模型建立方法。优选地，所述存储介质包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

如图6所示，于一实施例中，本发明的三维表面模型的统计形状模型建立终端包括：处理器61和存储器62。

所述存储器62用于存储计算机程序。

所述存储器62包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

所述处理器61与所述存储器62相连，用于执行所述存储器62存储的计算机程序，以使所述三维表面模型的统计形状模型建立终端执行上述的三维表面模型的统计形状模型建立方法。

优选地，所述处理器61可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

综上所述，本发明的三维表面模型的统计形状模型建立方法、系统、存储介质、终端通过全自动的配准技术进行高效精准的点的一一对应关系寻找，实现了三维表面模型的统计形状模型的有效建立；能够全自动实现从骨头三维表面模型数据集中构建三维统计形状模型；通过对实际采集的表面模型数据进行试验验证，结果显示所得统计形状模型的致密性、泛化性和特异性优异。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。