专利名称：对三维的图像重建执行线性内插的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及执行图像重建的方法和装置，尤其涉及对三维图像重建执行快速线性内插的方法和装置。
三维图像重建是在80年代的后期发展的，并可用在许多领域，特别是医学和生物医学的领域。计算机X射线断层造影(CT)是一个应用领域的实例，其中把二维图像重建成三维目标以用于诊断。三维的图像重建使用一系列二维图像部分，以便重建一个原始成像的原始三维目标。三维的图像重建最好是经过比较选择的过程，即切割用于微观检查的器官组织。
一般有两种重建算法，一个使用线性内插，而另一个使用非线性的内插。E.Keppel，的“借助等值线的三角测量的近似合成物表面”一文(IBM研发月刊，卷19，2-11页，1975年1月)公开了一种最初的线性内插三维重建技术。如
图1所示，Keppel的技术是根据三角测量，其中之关键是在大量候选三角形中搜索表示该目标表面的三角形。假设第一个二维图像部分具有m个等值线像素，而第二个二维图像部分具有n个等值线像素，则有[(m-1)＋(n＋1)]！[(m－1)！(n－1)！]个三角形可用于重建原始三维目标的表面。而且，如果m＝n＝12，则三角形的数量是107。
在Keppel的技术之后发展了许多算法，以改进内插结果，某些算法包括针对一个最佳路径的搜索。然而大多数的算法是根据三角测量。
非线性的内插技术也被用于三维重建，并且通常比线性内插技术更有适应性。实例包括W.C.Lin等.的“用于从连续断面成像重建3-D目标的动态弹性内插法”(IEEE通讯，医学成像，卷3，225-232页1988年9月)和W.C.Lin et al.的“用于从系列的端面图重建3D目标的一种新的表面内插技术”(计算机图形图象处理，卷48，124-143页，1989年)这两个技术均获得颇佳重建结果；和J.D.Boissnnat的“从平截面重建形状”(计算机图形图象处理，卷44，1-29页，1988年)其能适应不同应用。
Lin等.的“用于从连续断面成像重建3-D目标的动态弹性内插法”一文公开一种非线性的内插技术，用于在两个连续的部分中的轮廓之间的空缺进行填充，以便重获一个三维目标的外形。其总的想法是标识作用于第一个轮廓的一个应力场，并且试图变形该第一轮廓，以便与紧邻的轮廓相像。该方法的优点包括它的控制分支问题的能力以及它把图解描写方法应用于包括体积象素部分的固体目标。用于从连续剖面重建三维(3-D)目标的技术或在目标结构的理解方面给予帮助，或改进该目标结构的自动操作以及分析。
Lin等的“用于从系列的端面图重建3D目标的一种新的表面内插技术”一文公开了动态弹性轮廓内插技术、仿样理论和基于二次变分的表面内插技术的结合。三维目标的初始描述是通过执行一个弹性内插算法以便产生一系列在每一对儿连续截面之间的中间轮廓而形成的。随后，通过把该轮廓映象成一个表面函数域、然后使用仿样函数计算该初始表面值执行用于表面计算的初步处理。根据该初步处理的输出，基于二次变分的表面内插算法被用于最终表面显示的计算。该方法利用高阶导数的连续性以便产生该三维目标的平滑和完整的表面。
Boissonnat的文章构造一个体积，其边界是具有三角形面的多面体，沿着给定的轮廓相交该切割平面。通过删除在两个相邻截面之间形成的Delaunay三角形而逐部分地获得此体积。能够使用一个算法有效率地计算Delaunay三角形，该算法只使用二维操作优化输入和输出的尺寸。该形状重建方法从该三角形测量析取无奇点的最大连续值，并且在轮廓的数量从一种剖面到另外一个剖面的变化中有效，因此限定被分支和有孔的目标的轮廓。
然而，如上所述的非线性内插技术通常是复杂的，并且需要大量的计算。
结果是，需要能适应的并且不根据三角测量的高速和高自适应性的线性内插，用于三维图像再现。
本发明旨在一种方法和装置，用于对三维图像再现执行快速线性内插。本发明的总构思包括对相邻的原始部分成像中的像素进行连接，以便获得一个内插的部分成像，并且使用该原始的部分成像和该内插的部分成像来恢复该三维的目标。
在一个最佳实施例中，本发明旨在一种包括三个主要步骤的方法一个预处理步骤、一个内插步骤、和一个三维目标恢复步骤。在该预处理步骤中，输入的部分成像被准备内插。这可以包括保证相邻的输入部分成像是在正确的相关取向。可以通过把标志相加到输入部分成像来实现正确的取向，其可以被排列在内插之前，以便保证正确的相关取向。该预先处理步骤还可以包括检测大致的轮廓、析取特征和设置轮廓分段点(手动地或自动地)。
在内插步骤中，确定从第一部分成像中的每一轮廓像素到在相邻部分成像中的每个轮廓像素的距离。在相邻的部分成像中的具有距离在该第一部分成像中的每个轮廓像素最短距离的轮廓像素被联结，即与该轮廓像素配对。一轮廓像素可以具有零、一或一个以上的配对。该像素配对用于确定在内插的部分成像中的像素的坐标。该内插步骤可选择包括一个分支处理子步骤，其中所有可能的分支的联合被用于确定多个分支。
作为内插步骤的连接特征的结果，生成三维目标的表面是平滑和完整的。该内插步骤是线性的并且不根据三角测量。而且，由于该内插步骤的低计算复杂性，本发明的方法以及装置有快速和非常高的适应性。
图1示出根据三角测量的一个已有技术的线性内插技术。
图2示出本发明一最佳实施例的方法。
图3示出本发明一最佳实施例的中的两个相邻输入部分成像和一个内插的部分成像。
图4-6示出本发明一个最佳实施例中的对于分歧问题的解决方案。
本发明的一个最佳实施例在图2中示出。本发明包括三主要步骤预处理步骤100、内插步骤200和三维目标恢复步骤300。该预处理步骤100准备和定向一系列的轮廓或部分成像110，其构成本方法的输入；该内插步骤200把相邻的部分成像的像素相关，以便产生内插的部分成像210；而该三维的目标恢复步骤300根据输入的部分成像110和内插部分成像210产生该三维目标。
为了保证内插步骤的正确执行，输入的部分成像110必须在右边定位，以使它们可以被彼此正确地相对取向。一种用于实现正确的相关取向的技术是，当每个部分成像110是切割时在每个部分成像110中放置标志。图3示出两个相邻的部分成像1102、1104，每个包括三个标志112。在预处理步骤100过程中，标志112被用于正确地使部分成像1102和1104相对定向。虽然图3示出三个标志112，但是根据期望的精确度可以使用任何大于二的数目。
预处理步骤100还可能包括检测大致的轮廓和析取。这两个功能可以通过任何本专业普通技术人员公知的传统技术执行。该预处理步骤100还可以包括设置轮廓分段点(手动地或自动地)，并且使用本专业普通技术人员公知的任何传统技术追踪每个部分成像110，以便获得一系列连续、平滑的组成该部分成像110的单一像素。一个示范的常规方法是Seitz算法，但也可以使用其它普通技术。
内插步骤200的目标是产生内插的部分成像210。如图3示出，假设C1和C2是部分成像1102和1104分别在平面Z1和Z2中的轮廓曲线，则C1＝{PI，l≤I≤n1} (1)C2＝{Pi，l≤j≤n2}(2)如果n1≥n2和k＝n2/n1，则该内插步骤200的像素配对子步骤202可以执行如下。如果像素配对从像素P1开始，第一步骤是计算在P1和C2中的每个轮廓像素之间的距离，比如Dj(l≤j≤n2)。如果Dm＝min(Dj)，则在C2中的像素Qm是P1像素的配对。进行像素配对步骤200，以便使得其它象素Pj＋1，Pj＋2…，Pn1，P1…，Pj＋1与像素Qm，Qm＋1…，Qn2配对。图3中，Ql…，Qm－1，Pj＋1与Qint(m＋k)配对，Pj＋2与Qint(m＋2k)配对等。
如上阐述，C1在平面Z＝Z1中而C2在Z＝Z2中。如果C′是在部分成像1102和1104之间的内插的部分成像210(为了明确没有示出)，则C′是在平面Z＝Z′中。如图3所示，P1的坐标是(xi，yi，Z)，Qm的坐标是(xm，ym，z2)，并且内插的部分成像C′的内插像素S的坐标是(x，y，z)。
由此x＝xi－(xi－xm)x[(z1－z)/(z1－z2)]和(3)x＝yi－(yi－ym)x[(z1－z)/(z1－z2)] (4)如果Δx＝xi－xm，Δy＝yi－ym，Δz＝z1－z2，Δz′＝z1－z，则x＝xi－Δxx(Δz′/Δz)并且 (5)y＝yi－Δxx(Δz′/Δz)，(6)其限定了在输入部分成像1102和1104之间的内插的部分成像210中的每一像素的坐标。
方程式(5)和(6)可以被重复，以便得到在部分成像110的每一相邻对之间的内插的部分成像210的坐标。
如上讨论，分支的处理在许多三维图像重建的应用中经常是一个问题。两个好的实例是该生物医学领域中的神经或气管的成像。如图4所示，部分成像C具有三个分支，C1、C2和C3。在部分成像C和三个分支C1、C2和C3之间的内插的部分成像210可以重叠，如图5所示。
该内插步骤200可能有选择地包括一个分支处理子步骤204。在像素配对子步骤202中，(C，C1)、(C，C2)、(C，C3)的每一个被分别地配对，并且该内插的部分成像210包括三个单独的部分成像片段I1、I2、I3。如图6所示，该内插部分成像210被限定为三个单独的部分成像片段的联合I1UI2UI3一旦根据输入的部分成像110产生足够的内插的部分成像210并且已经分解了任何分支，则三维目标恢复步骤300将通过任何公知的常规技术产生三维的目标。作为内插的部分成像210的结果，生成三维目标的表面是平滑的和完整的。该内插步骤200是线性的并且不根据三角测量。而且，由于该内插步骤的低计算复杂性，图3的示范方法有高速度和非常高的适应性。
虽然上述的最小间距函数作为配对相邻的部分成像的技术，但是还可以使用本专业普通技术人员公知的其它技术、特性或参数。
虽然上述的本发明是结合轮廓像素描述，但是任何像素的分组的组合都可以被用于内插。
虽然本发明的方法已经结合图2-6进行了描述，但是本发明的装置可以包括任何类型的处理器，以执行上述功能的硬件或者软件实现。
本发明的描述因此明显的可以在在许多方面变化。这种变化不被认为是背离了本发明的精神和范围，并且所有的的这种修改都将是对本专业技术人员显而易见的。都将包括在下列权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于三维图像重建的执行线性内插方法，包括步骤准备一系列用于内插的输入的部分成像；并且通过配对在所说输入部分成像系列中的至少两个相邻的像素，确定至少一个内插的部分成像。
2.根据权利要求1的方法，还包括步骤根据该输入的部分成像系列和该至少一个内插的部分成像而产生一个三维的目标。
3.根据权利要求1的方法，其中根据最小间距配对该像素。
4.根据权利要求1的方法，其中的像素是轮廓像素。
5.根据权利要求1的方法，所说的准备步骤包括，彼此相关地定向输入部分成像的系列的每一个的像素。
6.根据权利要求5的方法，其中每一个输入的部分成像系列的像素使用加到该输入部分成像的系列的标志而被彼此相关地取向。
7.根据权利要求1的方法，还包括步骤根据一个结合函数处理输入的部分成像的系列中的分支，以便产生在至少一个内插部分成像中的分支。
8.被编程执行线性内插、用于三维图像重建的一种装置，包括一个处理器，准备一系列用于内插的输入的部分成像，并且通过配对在所说输入部分成像系列中的至少两个相邻的像素，确定至少一个内插的部分成像。
9.根据权利要求8的装置，其中所说的处理器输出该输入的部分成像系列以及至少一个内插部分成像，以使能够产生一个三维的目标。
10.根据权利要求8的装置，其中根据最小间距配对该像素。
11.根据权利要求8的装置，其中该像素是轮廓像素。
12.根据权利.要求8的装置，其中所说的处理器进一步定向彼此相关的输入部分成像系列的每一个的像素。
13.根据权利要求12的装置，其中每一个输入的部分成像系列的像素使用加到该输入部分成像的系列的标志而被彼此相关地取向。
14.根据权利要求8的装置，所说的处理器还根据一个结合函数处理输入的部分成像的系列中的分支，以便产生在至少一个内插部分成像中的分支。
全文摘要
用于执行快速、线性内插而用于三维图像再现的方法和装置,其中相邻原始部分成像的像素被配对以便获得内插的部分成像,并且该原始部分成像和内插部分成像被用于产生一个三维目标。相邻的原始部分成像中的像素可以根据在它们之间的最短距离或其它适当的特性配对。一轮廓像素可以具有零、一或一个以上的配对。一个像素配对用于确定在一个内插的部分成像中的像素的坐标。该内插步骤是线性的并且不根据三角测量。而且,本发明的方法以及装置有快速和非常高的适应性。
文档编号G06T15/00GK1340791SQ0013168
公开日2002年3月20日 申请日期2000年8月29日 优先权日2000年8月29日
发明者吴晓芸 申请人:朗迅科技公司