[发明专利]一种适用于脑外科虚拟手术仿真的高沉浸感视觉呈现方法

摘要

一种适用于脑外科虚拟手术仿真的高沉浸感视觉呈现方法，包括将图像分割为光斑区域Us和脑组织区域Ub、光斑区域线性放大为Us'图像、光斑图像Us与Us'进行质心配准、脑组织区域进行图像修复为Ub'图像、Us'与Ub'进行视频合成、视频解帧生成纹理、消除首尾帧跳变、手术背景动态纹理循环映射、手术肿瘤镜面环境映射等步骤。本发明通过采用摄像机获得的视频序列进行动态纹理映射方法建立高真实感场景信息，通过进行镜面环境映射获得手术的虚拟器官的真实感纹理，极大地提升了手术仿真的真实感和沉浸感，实习医生在训练过程中可以更身临其境地体验到真实手术一样的动态视觉效果，有助于更快速高效的提升实习医生的手术操作水平。

主权项

1.一种适用于脑外科虚拟手术仿真的高沉浸感视觉呈现方法，其特征是按如下步骤：步骤1：对脑外科手术视频进行区域分割，并分别进行预处理：(a)对手术视频进行图像分割：设视频单帧图像为U，U＝Us+Ub，其中，Us为光斑区域图像，Ub为脑组织区域图像；利用Otsu法计算出两个区域的类间方差，获得分界阈值k，根据k值将图像U分离为光斑区域Us与脑组织区域Ub；(b)对光斑区域Us进行线性放大和质心配准：采用双线性插值将光斑区域Us放大1.1倍获得Us'图像；设源图像Us大小为M×N，则目标图像Us'大小为1.1M×1.1N，通过对四邻域点的像素值进行加权求和获得Us'图像的像素值；分别计算原光斑区域Us的质心点p1，和放大区域Us'的质心点p2，通过重叠p1和p2两点对两个区域进行质心配准，使用Us'覆盖Us区域；(c)对脑组织区域Ub进行图像修复：对Ub中移除光斑后的剩余区域进行图像修复，获得完整的脑组织图像Ub'；对视频中每帧图像，通过对相邻帧画面像素采用加权求和窗口，获得第k帧图像中的修复区域各点的像素值；步骤2：动态纹理映射渲染高仿真脑组织区域背景：(a)从完成预处理的视频中解出帧画面、生成纹理图像：从视频中提取video流、获取视频信息，利用视频流时长信息计算出每帧持续时间mpf，选取适当间隔时间t，将视频离散为有限帧画面序列；获取帧信息，利用帧的边界信息计算帧画面的尺寸，将帧处理为符合映射规则的纹理格式位图，大小为2N×2N，以便进行纹理映射；(b)进行动态纹理映射、消除循环点跳变：对手术中的大脑组织区域进行不限时长的实时动态映射循环作为仿真手术系统的环境背景，将结束点画面跳变引起的图像差分散到整个循环周期中从而消除视觉跳变；对帧图像进行帧剖，分成若干网格，考察网格的运动轨迹，提取具有完整运动轨迹的网格，找出视频停止点的中断缺损网格，将其替换为具有完整轨迹的网格序列，保证初始网格完成运动；步骤3：对虚拟脑肿瘤模型进行镜面环境纹理映射：采用立方体镜面环境映射，将脑肿瘤的表面纹理模拟为周围大脑组织环境的反射效果，保持脑瘤纹理与周围的纹理同源，进行实时同步的准确映射；建立边长为D的立方体模型，在纹理平面的中间区域取正方形纹理覆盖至立方体顶面，再取正方形纹理之外的环形区域覆盖到立方体剩余的侧面，纹理映射前后的面积之比为K，建立纹理平面上的点P(u,v)到立方体上的点Q(x,y,z)之间的映射f(u,v,x,y,z)。