本文關(guān)鍵詞： 三維數(shù)字圖像相關(guān)法 實(shí)時(shí)跟蹤 手術(shù)導(dǎo)航 數(shù)字化脈診 表情重建 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：三維數(shù)字圖像相關(guān)法(Three Digital Image Correlation,3D-DIC)是一種非干涉式、非接觸式,用于全場(chǎng)形貌、變形與運(yùn)動(dòng)的光學(xué)測(cè)量方法。經(jīng)過(guò)近二十余年的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)力學(xué)擴(kuò)展到生命科學(xué)、醫(yī)療、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域,同時(shí)也對(duì)3D-DIC方法提出了更高的要求,如實(shí)時(shí)性,魯棒性等。立足于實(shí)際應(yīng)用需求,本文致力于三維數(shù)字圖像相關(guān)的實(shí)時(shí)性研究以及解決3D-DIC方法在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。雖然眾多學(xué)者對(duì)3D-DIC的計(jì)算效率問(wèn)題進(jìn)行了大量研究,但仍無(wú)法滿足對(duì)全場(chǎng)大范圍密集采樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)計(jì)算的要求,只能實(shí)現(xiàn)小范圍和小變形假設(shè)下的實(shí)時(shí)計(jì)算。而特定的應(yīng)用場(chǎng)合,如機(jī)器人導(dǎo)航、人體虛擬動(dòng)畫(huà)等,只需評(píng)估關(guān)鍵點(diǎn)的位移及運(yùn)動(dòng)。因此,退而求其次,我們嘗試使用3D-DIC方法來(lái)對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤,在第二章中提出了一種設(shè)置間隔的整像素搜索方法。實(shí)驗(yàn)證明,相比于傳統(tǒng)方法,該方法可提升計(jì)算效率4-10倍。本章還比較了計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的特征方法與3D-DIC方法、圓形標(biāo)記點(diǎn)與散斑標(biāo)記點(diǎn)的不同特點(diǎn)。第三章中,基于優(yōu)化的3D-DIC散斑點(diǎn)跟蹤方法,本文設(shè)計(jì)了針對(duì)于顱頜面手術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng),并制作原理樣機(jī)驗(yàn)證了其精度和可行性。同傳統(tǒng)的紅外手術(shù)操作系統(tǒng)所使用的球形標(biāo)記點(diǎn)相比,散斑標(biāo)記點(diǎn)具有布置方便,占用空間少的優(yōu)勢(shì),可以滿足對(duì)于各種小型物體的實(shí)時(shí)跟蹤需求。在系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)中,較好的解決了系統(tǒng)注冊(cè)、拉格朗日坐標(biāo)下的姿態(tài)解算、跟蹤中斷再續(xù)等問(wèn)題。第四章中,通過(guò)模擬傳統(tǒng)脈診過(guò)程中醫(yī)生使用三個(gè)手指對(duì)不同穴位施加壓力以獲得脈搏信號(hào)反饋的過(guò)程,本文搭建了基于3D-DIC方法的脈搏信號(hào)采集系統(tǒng),并針對(duì)不同壓力下、不同穴位的脈搏信號(hào),結(jié)合中醫(yī)理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析,驗(yàn)證了傳統(tǒng)中醫(yī)"寸浮尺沉"的觀點(diǎn)。文中還計(jì)算并討論了脈搏波波速。在較低的壓力值下,脈搏波波速的計(jì)算較為準(zhǔn)確。第五章主要研究了基于自然紋理的人臉表情重建與動(dòng)畫(huà)制作。文中針對(duì)自然紋理相關(guān)度較差、大變形等問(wèn)題優(yōu)化了計(jì)算參數(shù),并解決了重建中的壞點(diǎn)過(guò)濾、空洞修補(bǔ)等問(wèn)題。第六章介紹了 3D-DIC在手背皮膚、捕蠅草閉合的變形測(cè)量以及印制線路板的三維形貌的應(yīng)用,主要解決了照明、制斑等一系列工程問(wèn)題。同其他方法相比,3D-DIC能夠進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量,在后期的數(shù)據(jù)處理與分析中具有極大的優(yōu)勢(shì)。
[Abstract]:Three Digital Image correlation (3D-DICs) is a kind of non-interference and non-contact method, which is used for full-field morphologies. After more than 20 years of development, its application field has gradually expanded from traditional experimental mechanics to life science, medical treatment, industrial detection and so on. At the same time, the 3D-DIC method is also put forward higher requirements, such as real-time, robustness and so on, based on the actual application requirements. This paper is devoted to the real-time research of 3D digital image correlation and the practical application of 3D-DIC method in biomedical field, although many scholars have made great efforts to solve the computational efficiency problem of 3D-DIC. Quantitative research. However, it still can not meet the demand of real-time correlation calculation for large-scale dense sampling points. It can only realize real-time calculation under the assumption of small range and small deformation, and specific applications, such as robot navigation. Human virtual animation only needs to evaluate the displacement and motion of the key points. Therefore, we try to use 3D-DIC method to track discrete points in real time. In the second chapter, an integer pixel search method with interval is proposed, which is compared with the traditional method. This method can improve the computational efficiency 4-10 times. This chapter also compares the characteristic method and 3D-DIC method in computer vision, the different characteristics of circular marking point and speckle marking point. Chapter 3. Based on the optimized 3D-DIC speckle tracking method, a navigation system for craniomaxillofacial surgery is designed. Compared with the spherical marking points used in the traditional infrared surgery operation system, the speckle marking points have the advantages of convenient layout and less space. It can meet the real-time tracking requirements for a variety of small objects. In the system framework design, the system registration, Lagrange coordinate attitude solution, tracking interruption and other issues. Chapter 4th. By simulating the process of doctors applying pressure on different acupoints to obtain pulse signal feedback during traditional pulse diagnosis, a pulse signal acquisition system based on 3D-DIC method is built in this paper. And according to different pressure, different acupoints pulse signal, combined with TCM theory and practical experience to analyze. This paper verifies the traditional Chinese medicine's viewpoint of "cun floating ruler sinking". The pulse wave velocity is also calculated and discussed under the lower pressure value. The calculation of pulse wave velocity is more accurate. Chapter 5th mainly studies facial expression reconstruction and animation production based on natural texture. In this paper, the calculation parameters are optimized for the poor correlation of natural texture and large deformation. In chapter 6th, the application of 3D-DIC in the skin of the back of the hand, the deformation measurement of fly grass closure and the 3D appearance of printed circuit board are introduced. A series of engineering problems, such as lighting and spot making, are mainly solved. Compared with other methods, 3D-DIC is able to carry out full-field measurement and has great advantages in data processing and analysis in the later stage.
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R318;TP391.41

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