一種基于測地線的躺臥三維顱面模型的直立矯正方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及對躺邱=維顧面模型進行直立矯正的方法，特別設及一種基于測地線 該種曲面幾何量來實現(xiàn)從躺邱=維顧面模型到直立=維顧面模型矯正的方法。主要用于刑 偵、頌面手術、法醫(yī)人類學等領域。
【背景技術】
[0002] 人臉是人類個體差異性判別最主要的部分，人面部軟組織厚度的測量、顧面形態(tài) 分析、基于顧骨的面部重構等顧面形態(tài)學研究是法醫(yī)人類學中的基本內(nèi)容。隨著計算機科 學W及計算機斷層掃描（computed tomography, CT)和核磁共振掃描（ma即etic resonance imaging，MRT)等數(shù)據(jù)采集技術的發(fā)展，我們可W獲取到不同人、不同年齡層的顧面數(shù)據(jù)，從 而能夠W科學的手段來進行顧面形態(tài)學研究。但是，由于醫(yī)療儀器設備的限制W及其他一 些因素，所獲取的顧面數(shù)據(jù)一般都是躺邱姿態(tài)的。由于重力的作用，躺邱姿態(tài)與直立姿態(tài)下 的數(shù)據(jù)會有很大的不同，而我們?nèi)粘Ｉ钪兴吹降亩际侵绷⒆藨B(tài)下的人臉，直立姿態(tài)下 的人臉更符合大眾的視覺習慣，并且顧面形態(tài)學的很多研究都需要直立姿態(tài)的=維顧面模 型，因此如何高效、準確的對大量的躺邱姿態(tài)的顧面數(shù)據(jù)進行姿態(tài)矯正是十分必要的。
[0003] 目前，國內(nèi)外在該方面鮮有研究，僅有我們項目組于2012年北京師范大學碩±學 位論文《基于躺邱姿態(tài)的顧面姿態(tài)矯正與應用》中提出通過求解躺邱姿態(tài)與直立姿態(tài)之間 顧面軟組織厚度的差異來進行矯正。該種方法先獲取顧骨上每一點在相應顧面上的投影點 的軟組織厚度，計算與統(tǒng)計兩種姿態(tài)下軟組織厚度的差異，再根據(jù)該種差異來進行躺邱顧 面模型矯正。對于待矯正的顧面數(shù)據(jù)，首先要知道其顧骨數(shù)據(jù)，然后在顧骨數(shù)據(jù)集中找尋與 該個顧骨較接近的參考顧骨數(shù)據(jù)集，獲取相似顧骨數(shù)據(jù)在兩種姿態(tài)下的軟組織差值，最后 疊加到待矯正的顧面數(shù)據(jù)上來完成數(shù)據(jù)的矯正。該種方法對顧骨相似性的比較要求很高， 找尋的參考顧骨要和待矯正顧面對應的顧骨非常相似。在實際應用中，非常相似的顧骨樣 本很難找到。此外，該種方法對兩種姿態(tài)下的數(shù)據(jù)模型的處理要求非?？量蹋荒Ｐ蛢煞N 姿態(tài)下的數(shù)據(jù)點數(shù)要一致，而且相同部位的點要一一對應。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種更科學的、適用范圍廣、精度 較高的躺邱=維顧面模型直立矯正的方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是從生理學和幾何學出發(fā)，利用測地線 尋找在躺邱和直立兩種姿態(tài)下容易發(fā)生形變的部位的特征點，通過建立該些特征點的統(tǒng)計 運動模型來表示顧面在兩種姿態(tài)下的形變，通過統(tǒng)計模型匹配來確定待矯正顧面上特征點 的運動向量，根據(jù)特征點的運動確定躺邱顧面模型到直立顧面模型的變形。
[0006] 本發(fā)明所述的方法的主要步驟包括：
[0007] 1)運動模型建立：
[000引 1. 1)數(shù)據(jù)預處理；對訓練樣本集中的躺邱和直立=維顧面模型進行光順、去噪等 處理，將每個=維顧面模型變換到一個統(tǒng)一的坐標系下。
[0009] 1. 2)特征點提??；對每個=維顧面模型，從鼻尖點出發(fā)提取模型中的等角度測地 線，并按鼻尖點到測地線另一端點的測地距離等分每條測地線，該些測地線上的等分點即 為=維顧面模型的特征點。
[0010] 1. 3)建立特征點的運動模型；計算樣本空間中每個樣本的躺邱S維模型上的特 征點到其直立模型上對應特征點的運動向量，并對該些特征點及其運動向量建立統(tǒng)計模 型。
[0011] 。躺邱模型矯正：
[0012] 對一個待矯正的躺邱=維顧面模型，首先進行步驟1. 1)中的預處理，并按步驟 1. 2)確定其特征點；然后利用該些特征點對步驟1. 3)中的統(tǒng)計模型進行匹配來確定每個 特征點的運動向量；最后根據(jù)特征點的運動將躺邱顧面模型變形到直立顧面模型。
[0013] 優(yōu)選地，步驟1. 3)中所述的特征點的運動模型的建立采用主成份分析方法。
[0014] 優(yōu)選地，步驟2)中的躺邱顧面模型變形利用薄板樣條TPS變換來實現(xiàn)。
[0015] 本發(fā)明基于曲面的內(nèi)蘊幾何量一一測地線來進行特征點的提取，通過建立統(tǒng)計運 動模型來確定特征點的運動。與W前的顧面數(shù)據(jù)矯正方法相比，本方法無需進行顧骨相似 度度量，無需數(shù)據(jù)配準，能夠提取到兩種不同姿態(tài)下易發(fā)生形變的部位的特征點來進行準 確的矯正。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明基于測地線的躺邱顧面數(shù)據(jù)的直立矯正方法的總體流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖1對本發(fā)明所述基于測地線的躺邱顧面數(shù)據(jù)的直立矯正方法的具 體實施方式作進一步詳細的說明。
[0018] 假定有n套包含=維躺邱顧面數(shù)據(jù)和直立顧面數(shù)據(jù)的訓練樣本，W下為具體的實 施步驟：
[0019] 步驟1)，運動模型建立，包含如下分步驟：
[0020] 步驟1. 1)，數(shù)據(jù)預處理；對訓練樣本集中的躺邱和直立=維顧面模型進行光順、 去噪等處理，S維曲面的去噪、光順等處理問題都有大量成熟的方法，也可W采用一些商用 軟件來實現(xiàn)，該里利用Geomagic studio軟件直接進行去噪、光順處理；確定鼻尖點，W鼻 尖點為坐標原點，分別W其法方向和最大主曲率對應的主方向為坐標Z軸和X軸，建立每個 S維顧面模型的坐標系，并將模型變換到該坐標系下，由于鼻尖點是面部最突出的點，因此 根據(jù)點的坐標即可確定鼻尖點。
[0021] 步驟1. 2)，特征點提?。皇紫?，確定=維模型的邊界，將=維模型沿著鼻尖點的法 方向投影到其切平面上，則二維投影的邊界對應的S維點構成S維模型的邊界；然后，W鼻 尖點為起點，W其最大主曲率對應的主方向為起始方向，在其切平面上沿順時針每間隔15 度發(fā)出一條射線，計算每條射線與二維投影區(qū)域邊界的交點，把該些交點反投影到=維模 型上即為所尋找的間隔相同角度的邊界點，提取鼻尖點到該些邊界點的測地線，計算測地 距離；最后，根據(jù)測地距離將每條測地線進行L= 10等分，測地線的等分點即為獲取的特征 點。
[0022] 步驟1. 3)，建立特征點的運動模型；計算樣本空間中每個樣本的躺邱S維模型上 的特征點到其直立模型上對應特征點的運動向量，并對該些特征點及其運動向量建立統(tǒng) 計模型。假定每個模型提取到m個特征點，則由每個樣本的躺邱模型上的特征點及其運 動向量可構造一個6m維的特征向量，假定n個訓練樣本的特征向量的均值為巧，對該些訓 練樣本進行PCA主成份分析得到的主方向為Ui，i = 1，2, ...，K，則構建的運動模型為： H(a)=巧+ Ef ar&，其中a =知，32,...，3k)為模型參數(shù)。
[0023] 步驟2)，躺邱模型矯正：對一個待矯正的躺邱顧面模型，首先進行與步驟1. 1)相 同的預處理，并按與步驟1. 2)相同的方法確定其特征點；然后利用該些特征點對步驟1. 3) 中的運動模型進行匹配來確定每個特征點的運動向量，模型匹配的目的是確定模型參數(shù) a，使得H(a)中的特征點與待矯正躺邱顧面模型的特征點重合，有多種方法可W解決該 個問題，該里通過求解運動模型中僅由特征點形成的方程來確定模型參數(shù)，求解出模型參 數(shù)W后即可得到特征點的運動向量；最后，按照特征點的運動向量計算出直立姿態(tài)下對應 的特征點，根據(jù)躺邱顧面模型和直立模型的特征點的對應確定一個薄板樣條TPS變換，并 按該變換對躺邱顧面模型進行變形，從而得到矯正后的直立模型。
[0024] 總之，本發(fā)明的實施例公布的是其較佳的實施方式，但并不限于此。本領域的技術 人員極易根據(jù)上述實施例，領會本發(fā)明的精神，只要不脫離本發(fā)明的技術方案的基礎的變 形或替換，都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于測地線的躺邱=維顧面模型的直立矯正方法，其特征在于，包括下列步 驟： 1. fe動板型建立： 1.1)數(shù)據(jù)預處理；對訓練樣本集中的躺邱和直立=維顧面模型進行光順、去噪等處 理，將每個S維顧面模型變換到一個統(tǒng)一的坐標系下； 1. 2)特征點提??；對每個=維顧面模型，從鼻尖點出發(fā)提取模型中的等角度測地線， 并按鼻尖點到測地線另一端點的測地距離等分每條測地線，該些測地線上的等分點即為S 維顧面模型的特征點； 1. 3)建立特征點的運動模型；計算樣本空間中每個樣本的躺邱=維模型上的特征點 到其直立模型上對應特征點的運動向量，并對該些特征點及其運動向量建立統(tǒng)計模型； 2) 躺邱模型矯正： 對一個待矯正的躺邱=維顧面模型，首先進行步驟1. 1)中的預處理，并按步驟1. 2)確 定其特征點；然后利用該些特征點對步驟1.3)中的統(tǒng)計模型進行匹配來確定每個特征點 的運動向量；最后根據(jù)特征點的運動將躺邱顧面模型變形到直立顧面模型。
2. 按照權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1. 1)中所述的統(tǒng)一的坐標系，是W每 個顧面模型的鼻尖點為坐標原點，分別W其法方向和最大主曲率對應的主方向為坐標Z軸 和X軸所建立的坐標系。
3. 按照權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1. 2)中所述的等角度測地線，是W鼻 尖點的最大主曲率對應的主方向為起始方向，按固定角度繞鼻尖點法向量旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一組切 向量，沿著該組切向量從鼻尖點出發(fā)到顧面邊界的一組測地線。
4. 按照權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟1. 3)中所述的特征點的運動模型的 建立采用主成份分析方法。
5. 按照權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中所述的統(tǒng)計模型匹配是利用統(tǒng) 計模型中的特征點構成的方程組來確定模型參數(shù)。
6. 按照權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟2)中所述的根據(jù)特征點的運動將躺 邱顧面模型變形到直立顧面模型是按照如下方法：首先根據(jù)特征點的運動向量確定躺邱顧 面特征點對應的直立模型特征點；然后利用該些特征點的對應確定一個薄板樣條TPSCThin Plate Spline)變換；最后運用TPS變換將躺邱顧面模型變形到直立顧面模型。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于測地線實現(xiàn)對躺臥三維顱面模型進行直立矯正的方法。首先，對每個顱面模型，從鼻尖點出發(fā)提取模型中的等角度測地線，并按鼻尖點到測地線另一端點的測地距離等分每條測地線，把這些測地線上的等分點作為三維顱面模型的特征點；然后，計算樣本空間中每個躺臥三維模型上的特征點到其直立模型上對應特征點的運動向量，并對這些特征點及其運動向量建立統(tǒng)計模型，統(tǒng)計兩種不同姿態(tài)下的模型變化規(guī)律。對待矯正的躺臥顱面模型，根據(jù)統(tǒng)計模型確定其特征點的運動向量，根據(jù)特征點的運動確定躺臥顱面模型到直立顱面模型的變形。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)躺臥三維顱面模型向直立模型的精確矯正，在法醫(yī)人類學、頜面整形等領域有重要的應用價值。
【IPC分類】G06K9-66, G06T7-20, G06T17-00, G06T7-00, G06F17-50
【公開號】CN104537708
【申請?zhí)枴緾N201410771056
【發(fā)明人】劉翠婷, 趙俊莉, 段福慶, 武仲科, 周明全
【申請人】北京師范大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月12日