[发明专利]一种三维图像网格化方法

说明书

技术领域

本发明涉及计算机图形图像处理技术领域，特别涉及一种三维图像网格化方法。

背景技术

在计算机图像的有限元仿真过程中，单元类型的选择对有限元仿真的计算效率、自动化程度、计算精度等都将产生重要影响。在三维有限元仿真领域，常采用的单元类型是四面体或六面体单元。大量研究结果表明：对给定的模型来说，采用六面体单元进行三维有限元仿真可采用较少的网格数量达到较高的计算精度，并且计算结果也最接近试验结果；采用四面体单元需要成倍的网格数量，而且容易产生质量较差的单元(形状畸变)，计算效率和精度较差。因此，六面体单元由于变形特性好、计算效率和精度高等优点而在很多三维有限元仿真领域中得到了广泛的应用。对于六面体单元网格的自动生成方法，已有大量研究，但至今仍未得到真正意义上的解决。

目前得到应用的六面体网格生成方法有原型法、扫描法、栅格法等。其中原型法是通过设置网格剖分模板来对简单几何形体进行网格剖分，比如，将每个四面体分解为4个六面体，而直接形成全六面体网格；这种方法得到的网格质量较差，边界拟合能力弱。扫描法是以二维四边形网格为基础网格，通过旋转、扫描、拉伸等操作而形成六面体网格的方法；这种方法已得到大量应用，但只能适合形状简单的三维物体，并且需要人机交互控制，自动化程度低。栅格法是使用正规栅格或者有限八叉树生成覆盖目标区域的栅格；这种方法可以获得质量优良的六面体，但存在边界光顺和不同规格网格相容性问题。

为了提高有限元模型的建模速度和精度，基于逆向工程思想从图像出发构建目标有限元模型的方法得到受到重视。随着断层扫描成像(CT)和核磁共振成像(MRI)等复杂的成像设备的广泛应用，以及切片制作工艺的进步，获取人体、动植物的高精度断层图像已经不是难题，但从图像建立可用于有限元分析的有限元模型方法还没有统一的方法。一般来说，可将三维图像中感兴趣目标的每个体素视为一个六面体单元，从而建立完全由正六面体组成的六面体网格模型，但这类模型的缺点在于其表面呈现“台阶状”，难以保证求解的稳定性。另外，这种方法通常会生成比其他网格剖分算法更多的单元，单元(节点)数目的巨量增加也导致计算代价过高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术的缺点，本发明为了解决现有技术中三维图像处理缺乏有效的六面体网格自动生成方法的问题，提出了一种三维图像网格化方法，通过对表面四边形网格的处理，有效消除了正六面体网格所固有的“台阶状”表面，在控制网格生成数量的同时保证表面平滑，并且利用内部网格协调形变，生成较高质量的六面体网格模型。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维图像网格化方法，所述方法包括步骤：

S1，获取三维图像并进行目标分割：将切片图像组装成三维图像数据，对感兴趣目标的体素进行分割，并使用重采样插值方法获得用户指定规模的体素分辨率；

S2，建立目标的六面体网格模型：在步骤S1处理后的三维图像数据的基础上，将三维图像数据中体素转换成六面体网格模型中的相应的六面体单元，对六面体网格模型中的单元与节点进行统一编号，并根据六面体网格与体素的对应关系计算各单元与节点的属性值；

S3，六面体网格平滑：在步骤S2处理后的六面体网格模型的基础上，通过边界检测抽取出位于目标与背景之间的所有边界四边形面，并对抽取出的四边形网格模型应用表面平滑方法，再将平滑后的四边形网格模型按照节点对应关系映射到原六面体网格模型上，通过计算表面变形对内部每个六面体单元变形的贡献大小，驱动六面体网格模型表面和内部单元的协调变形，从而建立表面平滑的全六面体网格模型。

优选地，步骤S1中，利用连续的切片图像按照空间关系组装成三维图像数据。

优选地，步骤S1中，所述分割是指将感兴趣目标的体素标记为目标标记值，其他体素标记为背景标记值，根据标记值确定出目标与背景。

优选地，步骤S1中，所述重采样插值方法为最近邻方法、双线性内插方法或三次卷积内插方法；所述用户指定规模是指用户指定的六面体单元大小或者用户指定的生成单元数目。

优选地，步骤S2中，所述将三维图像数据中每个体素转换成六面体网格模型中的一个六面体单元的方法为：

将三维图像数据中每个体素视为一个六面体单元，将该体素的8个顶点视为六面体网格的8个节点，根据三维图像数据的体素数量构造同等规模的六面体网格模型。

优选地，步骤S2中，所述将三维图像数据中每个体素转换成六面体网格模型中的一个六面体单元的方法为：