基于工业CT的文物图像重建与三维建模方法研究

Building 3D model for solid cultural relic is an important part of cultural relics digitization. Traditional 3D modeling method, such as 3D optical scanning technology and image based technology, can only reconstruct the external surface model of cultural relics, but cannot reconstruct its internal structure. This project intends to carry out the 3D digital modeling of cultural relics based on industrial CT (computed tomography) via combining theoretical analysis, analog simulation and actual scanning technology. Firstly, a fast Köhler projection algorithm based on cone-beam line integral model, and an efficient algorithm for computing weight coefficients of volume integral model are proposed. Thus the multi-core and GPU hybrid parallel technology are used to realize the fast and high quality reconstruction of the cultural relics based on the SART(simultaneous algebraic reconstruction techniques) algorithm. For under-sampling projection of cultural relics, an image reconstruction method based on compressed sensing is proposed, which incorporate prior information of the cultural relics. On these basis, a high precision contour extraction method of slice image constrained by 3D laser scanning is proposed. A method guided by the vertical CT slice image edge information to solve the problem of correspondence and branching of layer contours is also proposed. Finally, the fast and high precision 3D modeling of cultural relics is realized by parallel computing. The research of this project is of great significance to reveal the internal and external geometry structure of cultural relics and realize the digital protection for cultural relics.

为实体文物建立三维模型是文物数字化的一项重要内容。传统方法只能重建文物的外表面模型，无法对其内部结构进行建模。工业CT(Computed Tomography, CT)技术能在无损条件下测量和计算出被测物体的密度分布，以图像形式清晰直观地呈现出物体内外结构。本课题拟采用理论分析、模拟仿真和实际扫描相结合的方法，开展基于工业CT的文物三维建模研究。首先提出锥形束线积分模型Köhler投影算法及体积分模型权因子高效计算算法，采用多核和GPU混合并行技术实现基于SART算法的文物图像快速高质量重建；针对文物欠采样投影，提出融合先验信息的压缩感知文物图像重建方法。在此基础上，提出三维激光扫描约束的断层图像高精度轮廓提取方法；以纵向CT断层图像边缘信息为导引来解决层间轮廓对应和分支问题，最后实现文物的快速高精度三维建模。本项目的研究对于揭示文物内外几何结构，实现文物的数字化保护具有重要意义。

本项目围绕文物的工业CT图像重建及三维建模展开研究。主要研究内容及重要结果如下：.图像重建方面，提出了一种Köhler投影的系统矩阵计算方法，有效提高了迭代算法图像重建质量；提出了一种基于DDM快速投影算法，实现了基于DDM模型的快速迭代重建。针对ART+TV压缩感知图像重建，提出了一种快速权因子计算方法，利用多核+GPU混合并行技术取得了约23倍的加速比。针对锥束FDK算法，提出了一种多GPU快速重建方法，该方法考虑了射线几何对称性及相邻层之间的关系，与传统方法相比取得了约511倍的加速比。.三维建模方面，针对具有不同尺度比例点云的配准问题，提出一种基于自适应邻域的点云配准方法。提出先用三点对齐法进行粗配准，并去除误匹配点对后，再使用ICP算法进行精配准的方法；提出一种保留强特征点的点云精简算法，在保持精度的同时，大幅降低了点云数据量，提高了建模效率。提出了一种激光扫描轮廓控制点约束下的断层图像轮廓提取方法，提高了建模精度。分别采用GPU和多线程技术实现了MC算法的快速建模。引入Blinn-Phong光照模型，使用OpenGL平台进行真实感渲染，实现了文物真实感建模。.此外，在投影仿真方面，针对UG模型仿真投影计算，提出了一种多核多进程并行投影计算方法，与传统方法相比取得了近乎线性的加速比。针对文物UG模型锥束CT仿真计算速度慢的问题，提出一种UG模型体素化的方法，利用体素化的模型结合GPU纹理硬件加速，实现了基于UG模型的快速仿真投影计算。.本项目的研究对于文物的数字化、保护和修复等具有重要的意义。