一种人体面元数字模型变形方法、存储介质及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种人体面元数字模型变形方法，包括步骤：通过旋转矩阵实现骨骼面元顶点坐标旋转变换，进行骨骼变形；根据骨骼变形，对每个关节周围区域的顶点网格进行变形，以实现软组织变形；进行内部器官变形。本发明专利技术还提供一种存储介质及人体面元数字模型变形系统，采用一种人体面元数字模型变形方法、存储介质及系统可实现模型对人体真实姿态的准确重现。系统可实现模型对人体真实姿态的准确重现。系统可实现模型对人体真实姿态的准确重现。

【技术实现步骤摘要】
一种人体面元数字模型变形方法、存储介质及系统


[0001]本专利技术属于辐射防护领域，具体涉及一种人体面元数字模型变形方法、存储介质及系统。

技术介绍

[0002]人体数字模型是人体电离辐射剂量评估必不可少的，基于该模型利用蒙特卡洛仿真技术可以便捷的计算出人体全身各处所受剂量，在放射性作业前的剂量预测和事故等情况下的剂量重建中具有重要作用。
[0003]剂量计算用人体数字模型在发展中经历了数学模型、体素模型和面元模型三个阶段。数学模型由简单几何体来表示人体各部分，对人器官组织的描述过于简单，因此计算结果不够准确，其相关应用已经越来越少；体素模型则是由大量相同大小的立方体(体素，voxel)构成，可根据人体CT、MRI图像或者尸体的彩色图片建立，较数学模型在精度上有了大幅提高，但无法进行几何变形，只能在固定的直立姿态下进行计算，与实际场景中人体不断变化的姿势不相符，因此限制了其应用价值。2010年前后最新的一种人体数字模型被开发出来，即面元模型，它是一种全新的基于封闭曲面表示数字模型，包括非一致有理B样条型(Non
‑
Uniform Rational B
‑
Spline，NURBS)和多边形网格(Polygonal Mesh，PM)型等。面元模型的最大优势在于其可进行变形，模拟人体各种姿态，从而能准确重现人体真实受照场景，完成更高精度剂量计算。鉴于人体数字面元模型的可变形特征，其越来越成受辐射剂量计算领域的重视。
[0004]目前，针对人体面元数字模型基本没有成体系的研究报道，因此亟需建立完整的面元模型变形算法流程。由于面元模型在数学形式上的复杂性，其变形没有标准、通用的方法，且不同方法精度、仿真度均有差异。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种人体面元数字模型变形方法、存储介质及系统，实现模型对人体真实姿态的准确重现。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是：一种人体面元数字模型变形方法，包括步骤：通过旋转矩阵实现骨骼面元顶点坐标旋转变换，进行骨骼变形；根据骨骼变形，对每个关节周围区域的顶点网格进行变形，以实现软组织变形；进行内部器官变形。
[0007]进一步，所述旋转矩阵表示为：
[0008][0009]其中，R
i
为绕轴旋转θ角的变换矩阵，u
x
、u
y
、u
z
分别为向量在x、y、z坐标轴的分量。
[0010]进一步，所示对每个关节周围区域的顶点网格进行变形时，使用体积图拉普拉斯算子法，以实现所述软组织变形。
[0011]进一步，所述使用体积图拉普拉斯算子法包括步骤：
[0012]根据带变形软组织占据的面元顶点网格，构造填充网格内部的体图和覆盖网格外侧的体图；选定网格上的初始变形点集合，并设置其变形后的位置；求解代表线性变分的目标函数的极值，得到变形后网格所有点的最终坐标。
[0013]进一步，所述目标函数为：
[0014][0015]其中，v
i
为网格中各点变形前坐标；L
M
是网格M的离散Laplace算子；ε
i
是形变后网格各点的Laplace坐标；δi是形变后子图g中点的Laplace坐标；α、β为自定义的调节因子。
[0016]进一步，所述目标函数分为三个部分，分别刻画对网格表面几何细节、用户指定约束和体图细节的保持程度。
[0017]进一步，所述进行内部器官变形，采用近似刚体变化算法。
[0018]进一步，所述近似刚体变化算法进行内部器官变形时包括步骤：对待变形器官构造变形函数；迭代求解变形函数的极小值。
[0019]本专利技术还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种人体面元数字模型变形方法。
[0020]本专利技术还提供一种人体面元数字模型变形系统，包括：骨骼变形模块，用于通过旋转矩阵实现骨骼面元顶点坐标旋转变换，进行骨骼变形；软组织变形模块，用于根据骨骼变形，对每个关节周围区域的顶点网格进行变形，以实现软组织变形；内部器官变形模块，用于进行内部器官变形。
[0021]本专利技术的效果在于：建立一套完整的剂量计算用人体数字面元模型的变形算法，实现模型对人体真实姿态的准确重现，为国内开展基于面元模型的高精度辐射剂量计算研究提供基础技术支撑。
附图说明
[0022]图1是本专利技术中一种人体面元数字模型变形方法的步骤流程图；
[0023]图2为步骤S2中软组织变形示意图；
[0024]图3为近似刚体变化算法的效果示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步描述。
[0026]人体数字面元模型由大量三角形围成封闭几何体，使用通用的3D模型数据格式，如.obj、.ply、.raw等，下面以.obj格式的人体面元模型为例。
[0027]数据格式如下：
[0028][0029]其中V指示该行为顶点坐标，v后为该顶点的x、y、z坐标，g表示该封闭几何体的名称，usemlt为其材质，f指示该行为面描述，f后为该三角形面的三个顶点序号。
[0030]人体数字面元模型的变形就是要对其面元顶点坐标进行改变，实现符合物理现实的变形效果。人体数字面元模型主要包含骨骼、软组织、内部器官三个部分。由于这三个部分在物理性质、几何特征上存在较大差异，应分别发展对应的变形算法。考虑到从原理上，人体在姿态变化时遵循骨骼带动软组织、软组织带动器官的变形顺序，因此将按照先骨骼、后软组织、再器官的顺序对面元顶点坐标进行变形。
[0031]如图1
‑
3所示，本专利技术提出了一种人体面元数字模型变形方法包括步骤：
[0032]S1，通过旋转矩阵实现骨骼面元顶点坐标旋转变换，进行骨骼变形；
[0033]具体的，对模型中特定骨骼，其上的任意一点p
i
绕该骨骼端面的关节进行旋转。旋转轴为关节中心点处垂直于旋转方向的单位向量。对特定旋转角度θ，按下式确定p
i
点旋转后的位置p
i
’
。
[0034]p
i
’
＝R
i
p
i
[0035]R
i
为绕旋转轴旋转θ角的变换矩阵，其完整形式如下：
[0036][0037]其中，R
i
为绕轴旋转θ角的变换矩阵，u
x
、u
y
、u
z
分别为向量在x、y、z坐标轴的分量。
[0038]在本实施例中，人体骨骼的运动为各部分的关节的旋转运动，关节部位包含15个主要关节，即肩关节(2个)、肘关节(2个)、腕掌关节(2个)、髋关节(2个)、膝关节(2个)和踝关节(2个)、脊柱关节(简化为3个，颈关节、腰关节、骶关本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人体面元数字模型变形方法，其特征在于，包括：通过旋转矩阵实现骨骼面元顶点坐标旋转变换，进行骨骼变形；根据骨骼变形，对每个关节周围区域的顶点网格进行变形，以实现软组织变形；进行内部器官变形。2.如权利要求1所述的一种人体面元数字模型变形方法，其特征在于：所述旋转矩阵表示为：其中，R
i
为绕轴旋转θ角的变换矩阵，u
x
、u
y
、u
z
分别为向量在x、y、z坐标轴的分量。3.如权利要求1所述的一种人体面元数字模型变形方法，其特征在：所示对每个关节周围区域的顶点网格进行变形时，使用体积图拉普拉斯算子法，以实现所述软组织变形。4.如权利要求3所述的一种人体面元数字模型变形方法，其特征在于：所述使用体积图拉普拉斯算子法包括步骤：根据带变形软组织占据的面元顶点网格，构造填充网格内部的体图和覆盖网格外侧的体图；选定网格上的初始变形点集合，并设置其变形后的位置；求解代表线性变分的目标函数的极值，得到变形后网格所有点的最终坐标。5.如权利要求4所述的一种人体面元数字模型变形方法，其特征在于：所述目标函数为：其中，v
i
为网格中各点变...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵日，刘立业，刘兆行，梁润成，张静，刘鑫，陈法国，戴雨玲，令狐仁静，刘娜，王佳，
申请(专利权)人：中国辐射防护研究院，
类型：发明
国别省市：