黄振彬

摘  要： 针对原有的三维图像虚拟重建系统生成的图像噪声较大，边缘出现伪影的问题，提出基于视觉传达技术的三维图像虚拟重建系统。优化原有硬件结构，扩展时钟模块，利用CY25400芯片与CDCVF2510芯片提高数据处理效率;在二维图像中，读取主要信息，通过数据转换，以三维立体形式展现，选定特征区域，提取图像特征，计算得到关键物理坐标点，完成主要代码编写;利用视觉传达技术，将显示性视觉元素反馈到三维图像中，完成三维图像虚拟重建系统设计。采用对照形式测试所设计系统性能，测试结果表明，与原有系统重建结果对比，将视觉传达技术应用到三维图像虚拟重建中，能够有效去除噪声，使图像边缘区域显示清晰，能够满足用户需求。

关键词： 三维图像; 图像虚拟重建; 视觉传达技术; 系统设计; 图像特征提取; 性能测试

中图分类号： TN911.73?34; TP391                  文献标识码： A                   文章编号： 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

三维图像的虚拟重建需要借助于虚拟现实技术，将图形化的表达呈现在智能终端上，是一种全新的表达形式。虚拟现实包含电子信息技术、计算机技术以及仿真技术等，主要利用计算机模拟环境，使人产生沉浸感，随着科学技术的发展，逐渐成为了一个独立的科学技术领域[1?3]。三维图像与传统二维图像相比，更具有视觉冲击力，层次分明且色彩更加鲜艳，在产品开发的过程中，能够更好地展示开发过程，同时能够支持远程浏览，为用户节省了时间，提高了效率[4?6]。而视觉传达技术能够通过视觉媒介，将其所要表现的信息更好地传达给用户，代替传统的二维表达方式，采用新型的视觉传播方式，将所要表达的信息渗入到各个方面。将视觉传达技术应用到三维图像的虚拟重建中，通过计算机完成图像的处理，利用视觉符号传递图像所要表达的信息，通过视觉媒介表现并传达给用户[7?8]。

1  三维图像虚拟重建系统硬件设计

1.1  硬件总体结构

三维图像虚拟重建系统主要由传感器模块、上位机三维成像模块以及电路模块三个部分组成，其具体结构如图1所示。

在上述系统硬件结构的基础上，完成数据与指令的交互，以及系统协调的管理，以主控芯片为核心，结合微控制器与千兆以太网等设备实现三维图像的虚拟重建功能[9?10]。

1.2  时钟扩展设计

在原有的硬件结构中，对其时钟模块扩展设计，利用时钟芯片CY25400与CDCVF2510芯片，扩展时钟得到48路同步DDS参考时钟，使系统的时序保持在标准范围，具体信号连接情况如图2所示。

如图2所示，采用高度成本优化的FPGA Spartan?6扩展采样时钟，调制正弦波频率以及相位、幅度，实现信号频率可调节，使数据采集效率大幅提高[11?13]。

2  三维图像虚拟重建系统软件设计

2.1  三维重建功能模块总体设计

完成硬件结构优化后，在其基础上扩展系统的可维护性以及可扩展性。在各系统模块之间，建立相互独立的關系，便于系统的维护与扩展，保障用户具有良好的使用体验，其具体模块设计如图3所示。

在图3中，将系统分为序列图像读取模块、多平面重建模块、图像绘制模块、三维立体绘制模块以及人机交互模块几个部分。在二维图像的基础上，读取主要信息，压缩分解并转化为三维立体图像，增加任意切面的测量显示功能[14]。并在人机交互模块当中设置三维图像的旋转缩放和放大平移等功能，方便用户对图像的浏览以及更改。

2.2  三维图像特征提取

在三维图像虚拟重建的过程当中，首先需要提取图像当中的主要特征信息，将感兴趣的图像区域裁剪提取，假设其区域大小为[Lm×Ln]，但该数值只能代表图像的逻辑尺寸，而非物理尺寸。为此根据其深度卡尺信息，间接得出图像中各像素点的物理距离间隔，具体操作如图4所示。

如图4所示，将图像的物理尺寸设定为[Qm×Qn]，那么可以得出图像在[m]方向上的像素间隔为：

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

根据已知的图像物理坐标，则能够得到：

式中：[MQ]表示像素点的物理坐标;[ML=mL，nL，0，1T]，表示图像逻辑坐标系统内像素点的齐次坐标向量。

根据式（1）与式（2）能够得到如下矩阵：

式中[O]表示平面坐标系统的原点，且[O=Om，On=0，0]。

通过上述计算，选定特征区域，采集二维图像序列，将采集到的信息数据通过计算机程序完成主要代码编写：

{

?num

?bgcolor

color=0>

}

完成程序设置后，将信息数据输出至三维图像虚拟重建模块，利用视觉传达技术建立三维图像的视觉交互。

2.3  基于视觉传达技术的三维图像视觉交互

通过上述步骤采集到信息数据后，利用视觉传达中的视觉交互技术完成三维图像的虚拟重建，其视觉元素主要由显示性视觉元素以及控制性视觉元素构成，具体情况如图5所示。

在图5中，将视觉传达技术应用到虚拟重建当中，用户通过智能终端发出操作信号，经过系统内部处理与存储，将显示性视觉元素反馈到三维图像当中[15]。用户通过反馈信息数据完成三维图像虚拟重建系统设计。

3  三维图像虚拟重建系统功能测试

为了验证视觉传达技术的性能，将其应用到三维图像虚拟重建中，设计测试实验。模拟所设计系统的三维图像虚拟重建过程，并将模拟结果与原有系统的重建结果相对照，完成功能测试。

3.1  功能测试准备过程

选用R740型号服务器，保障系统的顺利运行，该服务器能够支持Windows/CentOS/Linux/VMware多种操作平台。最大内存容量为768 GB，四口千兆网卡，采用Xeon SP 可扩展处理器，CPU频率根据CPU具体型号决定，处理器多达28个核心。由于实验过程中需要对三维图像的重建过程模拟分析，为此使用Matlab软件，利用SIFT算法提取图像的特征值，实现三维图像虚拟重建的过程模拟，具体操作界面如图6所示。

通过上述操作完成虚拟重建过程的模拟，并将所得结果与原有系统的重建结果相对照，分析两者之间的差异，验证系统性能。

3.2  测试结果对照分析

通过Matlab模拟利用视觉传达技术对三维图像虚拟重建后的结果，与原有系统的重建结果对比如图7所示。

对图7进行分析可知：原有系统的三维图像虚拟重建结果虽然也能够将图像所表达的内容传递给用户，但其图像噪声较大，且边缘出现伪影;而将视觉传达技术应用到三维图像虚拟重建中后，该系统所生成的三维图像有明显的去噪效果，且图像边缘区域显示清晰，能够更好地向用户传达三维图像中的特征信息。

上述实验结果均以视觉传达技术分析三维图像重建效果，为了科学、直观地分析本文系统的重建效果，设定本文系统的对比系统依次是基于虚拟现实技术的激光多普勒图像三维重建系统、基于MC和RC算法的DICOM图像三维重建系统，设定需要重建的三维图像类型依次为牙齿类、肝脏类、软骨类。测试三种系统对三种三维图像的重建效果，结果如图8，图9所示。

分析图8可知，本文系统的重建精度始终高于基于虚拟现实技术的激光多普勒图像三维重建系统、基于MC和RC算法的DICOM图像三维重建系统，本文系统的重建精度最大值高达0.97。分析图9可知，本文系统的用户满意度显著，满意度高于0.95。

统计三种系统重建后的三维图像特征查全率，以此测试三种系统在重建三维图像特征时的重建全面性。结果如图10所示。

由图10可知，本文系统的查全率较大，查全率高于99%，与另外两种系统相比，本文系统在重建三维图像特征时的重建全面性较高。

综上所述，本文系统对三维图像虚拟重建后，应用性能显著。原因是本文系统使用视觉传达技术，能较好地按照视觉传达的特征实现三维图像虚拟重建。

4  结  语

与二维图像相比，三维立体图像的视觉冲击力更强，且信息传达更为直观，表现能力更加突出，可以应用到各领域中，为此将视觉传达技术应用到虚拟重建系统当中。实验结果表明，视觉传达技术能夠帮助重建的图像去除噪声，减少伪影的产生，优化用户的使用体验，且和基于虚拟现实技术的激光多普勒图像三维重建系统、基于MC和RC算法的DICOM图像三维重建系统相比，本文系统的重建精度最大值高达0.97;用户满意度显著，满意度高于0.95，在应用性能上优于同类重建系统。

由此可见，基于视觉传达技术的三维图像虚拟重建系统能够弥补原有系统的部分缺陷，可以考虑推广普及。

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