基于視覺傳達(dá)技術(shù)的三維圖像虛擬重建系統(tǒng)

黃振彬

摘? 要： 針對(duì)原有的三維圖像虛擬重建系統(tǒng)生成的圖像噪聲較大，邊緣出現(xiàn)偽影的問題，提出基于視覺傳達(dá)技術(shù)的三維圖像虛擬重建系統(tǒng)。優(yōu)化原有硬件結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展時(shí)鐘模塊，利用CY25400芯片與CDCVF2510芯片提高數(shù)據(jù)處理效率;在二維圖像中，讀取主要信息，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以三維立體形式展現(xiàn)，選定特征區(qū)域，提取圖像特征，計(jì)算得到關(guān)鍵物理坐標(biāo)點(diǎn)，完成主要代碼編寫;利用視覺傳達(dá)技術(shù)，將顯示性視覺元素反饋到三維圖像中，完成三維圖像虛擬重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用對(duì)照形式測(cè)試所設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能，測(cè)試結(jié)果表明，與原有系統(tǒng)重建結(jié)果對(duì)比，將視覺傳達(dá)技術(shù)應(yīng)用到三維圖像虛擬重建中，能夠有效去除噪聲，使圖像邊緣區(qū)域顯示清晰，能夠滿足用戶需求。

關(guān)鍵詞： 三維圖像; 圖像虛擬重建; 視覺傳達(dá)技術(shù); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 圖像特征提取; 性能測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN911.73?34; TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）19?0045?04

Abstract： In order to solve the problems that the image generated by the original 3D image virtual reconstruction system has big noise and some artifacts appear on its edges， a 3D image virtual reconstruction system based on the visual communication technology is proposed. With this system， the original hardware structure is optimized and the clock module is expanded. The data processing efficiency is improved by using CY25400 chip and CDCVF2510 chip. The main information is read in 2D image， and is displayed in a three?dimensional form after the data conversion. The feature areas are selected to extract the image features. The key physical coordinate points are obtained by calculation to complete the main code compiling. The display visual elements are fed back into the 3D image by means of the visual communication technology to realize the design of 3D image virtual reconstruction system. In comparison with reconstruction results of the original system， the test results show that the designed system based on the visual communication technology can effectively remove the noise， make the image edge areas have clear display and meet the needs of users.

Keywords： three?dimensional image; image virtual reconstruction; visual communication technology; system design; image feature extraction; performance testing

0? 引? 言

三維圖像的虛擬重建需要借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將圖形化的表達(dá)呈現(xiàn)在智能終端上，是一種全新的表達(dá)形式。虛擬現(xiàn)實(shí)包含電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及仿真技術(shù)等，主要利用計(jì)算機(jī)模擬環(huán)境，使人產(chǎn)生沉浸感，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸成為了一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[1?3]。三維圖像與傳統(tǒng)二維圖像相比，更具有視覺沖擊力，層次分明且色彩更加鮮艷，在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，能夠更好地展示開發(fā)過程，同時(shí)能夠支持遠(yuǎn)程瀏覽，為用戶節(jié)省了時(shí)間，提高了效率[4?6]。而視覺傳達(dá)技術(shù)能夠通過視覺媒介，將其所要表現(xiàn)的信息更好地傳達(dá)給用戶，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維表達(dá)方式，采用新型的視覺傳播方式，將所要表達(dá)的信息滲入到各個(gè)方面。將視覺傳達(dá)技術(shù)應(yīng)用到三維圖像的虛擬重建中，通過計(jì)算機(jī)完成圖像的處理，利用視覺符號(hào)傳遞圖像所要表達(dá)的信息，通過視覺媒介表現(xiàn)并傳達(dá)給用戶[7?8]。

1? 三維圖像虛擬重建系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1? 硬件總體結(jié)構(gòu)

三維圖像虛擬重建系統(tǒng)主要由傳感器模塊、上位機(jī)三維成像模塊以及電路模塊三個(gè)部分組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在上述系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)與指令的交互，以及系統(tǒng)協(xié)調(diào)的管理，以主控芯片為核心，結(jié)合微控制器與千兆以太網(wǎng)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)三維圖像的虛擬重建功能[9?10]。

1.2? 時(shí)鐘擴(kuò)展設(shè)計(jì)

在原有的硬件結(jié)構(gòu)中，對(duì)其時(shí)鐘模塊擴(kuò)展設(shè)計(jì)，利用時(shí)鐘芯片CY25400與CDCVF2510芯片，擴(kuò)展時(shí)鐘得到48路同步DDS參考時(shí)鐘，使系統(tǒng)的時(shí)序保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍，具體信號(hào)連接情況如圖2所示。

如圖2所示，采用高度成本優(yōu)化的FPGA Spartan?6擴(kuò)展采樣時(shí)鐘，調(diào)制正弦波頻率以及相位、幅度，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率可調(diào)節(jié)，使數(shù)據(jù)采集效率大幅提高[11?13]。

2? 三維圖像虛擬重建系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1? 三維重建功能模塊總體設(shè)計(jì)

完成硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展系統(tǒng)的可維護(hù)性以及可擴(kuò)展性。在各系統(tǒng)模塊之間，建立相互獨(dú)立的關(guān)系，便于系統(tǒng)的維護(hù)與擴(kuò)展，保障用戶具有良好的使用體驗(yàn)，其具體模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

在圖3中，將系統(tǒng)分為序列圖像讀取模塊、多平面重建模塊、圖像繪制模塊、三維立體繪制模塊以及人機(jī)交互模塊幾個(gè)部分。在二維圖像的基礎(chǔ)上，讀取主要信息，壓縮分解并轉(zhuǎn)化為三維立體圖像，增加任意切面的測(cè)量顯示功能[14]。并在人機(jī)交互模塊當(dāng)中設(shè)置三維圖像的旋轉(zhuǎn)縮放和放大平移等功能，方便用戶對(duì)圖像的瀏覽以及更改。

2.2? 三維圖像特征提取

在三維圖像虛擬重建的過程當(dāng)中，首先需要提取圖像當(dāng)中的主要特征信息，將感興趣的圖像區(qū)域裁剪提取，假設(shè)其區(qū)域大小為[Lm×Ln]，但該數(shù)值只能代表圖像的邏輯尺寸，而非物理尺寸。為此根據(jù)其深度卡尺信息，間接得出圖像中各像素點(diǎn)的物理距離間隔，具體操作如圖4所示。

如圖4所示，將圖像的物理尺寸設(shè)定為[Qm×Qn]，那么可以得出圖像在[m]方向上的像素間隔為：

式中：[Dm]表示[m]方向上的像素間隔;[Dn]表示[n]方向上的像素間隔。

根據(jù)已知的圖像物理坐標(biāo)，則能夠得到：

式中：[MQ]表示像素點(diǎn)的物理坐標(biāo);[ML=mL，nL，0，1T]，表示圖像邏輯坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)像素點(diǎn)的齊次坐標(biāo)向量。

根據(jù)式（1）與式（2）能夠得到如下矩陣：

式中[O]表示平面坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)，且[O=Om，On=0，0]。

通過上述計(jì)算，選定特征區(qū)域，采集二維圖像序列，將采集到的信息數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)程序完成主要代碼編寫：

{

?num

?bgcolor

color=0>

}

完成程序設(shè)置后，將信息數(shù)據(jù)輸出至三維圖像虛擬重建模塊，利用視覺傳達(dá)技術(shù)建立三維圖像的視覺交互。

2.3? 基于視覺傳達(dá)技術(shù)的三維圖像視覺交互

通過上述步驟采集到信息數(shù)據(jù)后，利用視覺傳達(dá)中的視覺交互技術(shù)完成三維圖像的虛擬重建，其視覺元素主要由顯示性視覺元素以及控制性視覺元素構(gòu)成，具體情況如圖5所示。

在圖5中，將視覺傳達(dá)技術(shù)應(yīng)用到虛擬重建當(dāng)中，用戶通過智能終端發(fā)出操作信號(hào)，經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)部處理與存儲(chǔ)，將顯示性視覺元素反饋到三維圖像當(dāng)中[15]。用戶通過反饋信息數(shù)據(jù)完成三維圖像虛擬重建系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3? 三維圖像虛擬重建系統(tǒng)功能測(cè)試

為了驗(yàn)證視覺傳達(dá)技術(shù)的性能，將其應(yīng)用到三維圖像虛擬重建中，設(shè)計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。模擬所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的三維圖像虛擬重建過程，并將模擬結(jié)果與原有系統(tǒng)的重建結(jié)果相對(duì)照，完成功能測(cè)試。

3.1? 功能測(cè)試準(zhǔn)備過程

選用R740型號(hào)服務(wù)器，保障系統(tǒng)的順利運(yùn)行，該服務(wù)器能夠支持Windows/CentOS/Linux/VMware多種操作平臺(tái)。最大內(nèi)存容量為768 GB，四口千兆網(wǎng)卡，采用Xeon SP 可擴(kuò)展處理器，CPU頻率根據(jù)CPU具體型號(hào)決定，處理器多達(dá)28個(gè)核心。由于實(shí)驗(yàn)過程中需要對(duì)三維圖像的重建過程模擬分析，為此使用Matlab軟件，利用SIFT算法提取圖像的特征值，實(shí)現(xiàn)三維圖像虛擬重建的過程模擬，具體操作界面如圖6所示。

通過上述操作完成虛擬重建過程的模擬，并將所得結(jié)果與原有系統(tǒng)的重建結(jié)果相對(duì)照，分析兩者之間的差異，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。

3.2? 測(cè)試結(jié)果對(duì)照分析

通過Matlab模擬利用視覺傳達(dá)技術(shù)對(duì)三維圖像虛擬重建后的結(jié)果，與原有系統(tǒng)的重建結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

對(duì)圖7進(jìn)行分析可知：原有系統(tǒng)的三維圖像虛擬重建結(jié)果雖然也能夠?qū)D像所表達(dá)的內(nèi)容傳遞給用戶，但其圖像噪聲較大，且邊緣出現(xiàn)偽影;而將視覺傳達(dá)技術(shù)應(yīng)用到三維圖像虛擬重建中后，該系統(tǒng)所生成的三維圖像有明顯的去噪效果，且圖像邊緣區(qū)域顯示清晰，能夠更好地向用戶傳達(dá)三維圖像中的特征信息。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均以視覺傳達(dá)技術(shù)分析三維圖像重建效果，為了科學(xué)、直觀地分析本文系統(tǒng)的重建效果，設(shè)定本文系統(tǒng)的對(duì)比系統(tǒng)依次是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的激光多普勒?qǐng)D像三維重建系統(tǒng)、基于MC和RC算法的DICOM圖像三維重建系統(tǒng)，設(shè)定需要重建的三維圖像類型依次為牙齒類、肝臟類、軟骨類。測(cè)試三種系統(tǒng)對(duì)三種三維圖像的重建效果，結(jié)果如圖8，圖9所示。

分析圖8可知，本文系統(tǒng)的重建精度始終高于基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的激光多普勒?qǐng)D像三維重建系統(tǒng)、基于MC和RC算法的DICOM圖像三維重建系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的重建精度最大值高達(dá)0.97。分析圖9可知，本文系統(tǒng)的用戶滿意度顯著，滿意度高于0.95。

統(tǒng)計(jì)三種系統(tǒng)重建后的三維圖像特征查全率，以此測(cè)試三種系統(tǒng)在重建三維圖像特征時(shí)的重建全面性。結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，本文系統(tǒng)的查全率較大，查全率高于99%，與另外兩種系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)在重建三維圖像特征時(shí)的重建全面性較高。

綜上所述，本文系統(tǒng)對(duì)三維圖像虛擬重建后，應(yīng)用性能顯著。原因是本文系統(tǒng)使用視覺傳達(dá)技術(shù)，能較好地按照視覺傳達(dá)的特征實(shí)現(xiàn)三維圖像虛擬重建。

4? 結(jié)? 語

與二維圖像相比，三維立體圖像的視覺沖擊力更強(qiáng)，且信息傳達(dá)更為直觀，表現(xiàn)能力更加突出，可以應(yīng)用到各領(lǐng)域中，為此將視覺傳達(dá)技術(shù)應(yīng)用到虛擬重建系統(tǒng)當(dāng)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，視覺傳達(dá)技術(shù)能夠幫助重建的圖像去除噪聲，減少偽影的產(chǎn)生，優(yōu)化用戶的使用體驗(yàn)，且和基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的激光多普勒?qǐng)D像三維重建系統(tǒng)、基于MC和RC算法的DICOM圖像三維重建系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的重建精度最大值高達(dá)0.97;用戶滿意度顯著，滿意度高于0.95，在應(yīng)用性能上優(yōu)于同類重建系統(tǒng)。

由此可見，基于視覺傳達(dá)技術(shù)的三維圖像虛擬重建系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)原有系統(tǒng)的部分缺陷，可以考慮推廣普及。

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