利用數碼照片重建頜面部軟組織三維形態的初步研究

[摘要]目的：探索面部軟組織三維重建的新方法。方法：采用數碼相機獲取被攝者兩張正面數碼照片，利用數字化近景攝影測量的原理和方法，在地理信息系統下進行面部軟組織的三維重建。結果：實現了頜面部軟組織三維重建，獲得了逼真的面部軟組織三維圖像。結論：利用數字化近景攝影測量和地理信息系統的原理和技術，進行頜面部軟組織三維重構，是軟組織三維重建方法的新探索。

[關鍵詞]數碼照片；三維重建；近景攝影測量；地理信息系統；面部軟組織

[中圖分類號]R782 [文獻標識碼]A [文章編號]1008-6455（2012）02-0228-03

Primary study of the three-dimensional reconstruction on facial soft tissue based on digital images

FAN Xiao-feng1，WEN Yi-xi2，MA Si-wei2，WANG Shu-sen3，YANG Zhuang-qun4

（1.Department of Orthodontics，Hainan Stomatological Hospital， Haikou 570105， Hainan，China;2.Xi'an Jiaotong University Stomatology Hospital;3.Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Reconnaissance Institute;4.The First Affiliated Hospital of Medical College of Xi'an Jiaotong University)

Abstract: Objective To explore a new method about three-dimensional(3D) reconstruction of facial soft tissue. Methods Two front facial photographs of volunteer were obtained by digital camera.Then，the 3D reconstruction image was generated using close-range photogrammetry technique under the geographic information system (GIS) surrounding. Results The 3D facial soft tissue was obtained and the reconstruction was clear and real. Conclusion The digital close-range photogrammetry and the GIS principle and technique are new exploration on 3D reconstruction of soft tissue.

Key words:digital photograph;three-dimensional reconstruction;close-range photogrammetry;GIS;facial soft tissue

頜面部軟組織的測量、分析和研究在口腔醫學領域，特別是正畸、正頜外科以及美容整形外科的診斷治療中均有十分重要的意義，它不僅為制訂治療計劃提供可靠的數據，而且可客觀地評價療效。隨著經濟的發展及治療的需要，對每個患者拍攝治療前后面部正面、側面及局部相片作為資料保存，已成為臨床常規，這為利用照片進行面部軟組織三維測量和重建提供了思路和便利條件。

近景攝影測量是一門較新的學科，在建筑、考古等方面已應用較多，但在醫學上的應用較少，隨著科學的發展，尤其是近年來數字化近景攝影測量和信息系統的發展，使數字攝影測量和醫學能夠緊密結合，為醫學研究提供更多的手段。本研究用近景攝影測量技術結合地理信息系統技術（Geographic Information System，GIS），進行了面部軟組織三維重建，以期為臨床研究提供一種準確便捷的方法。

1 材料和方法

1.1 實驗硬件：①高精度控制場：由不變形的水平玻璃板以及垂直圓柱體制作而成（具體設計思路如圖1）；②帶有刻度的橫梁﹑三角架﹑三星 Digiax 220 SE數碼相機(相機的固定焦距和像幅的尺寸大小應已知)。橫梁上有精確的刻度，其目的在于控制相機移動的基線長度，最長距離為1.2m，根據需要可以加寬，為保持相機在移動過程中具有相同的攝影姿態，應采用剛性高的材料，以減少橫梁彈性變形。橫梁兩端添加水準氣泡，在攝影時調節橫梁和三腳架之間的螺母以保持氣泡水平，從而保證橫梁保持水平。

1.2 實驗軟件：軟件部分包括數字化近景攝影量測系統和地理信息系統（即Microstation95及ArcView GIS3.3），主要用來實現圖像處理和圖形重建，包括圖像的讀取和處理，相關數值計算，三維圖像的生成及特征分析。以上軟件均由西安煤航現代測繪工程公司中煤航測遙感局測繪工程院引進，并應用于本實驗。

1.3實驗方法：將控制場固定于室內墻上，被測者端坐于控制場前，保持自然頭位并與控制場內設置的頭部位置一致。光線為實驗室的室內燈光。拍攝時，相機先位于被測者左前方，拍攝照片后移動至被測者右前方拍攝第二張照片，移動相機過程中相機平面與承影面始終保持平行。相機移動的距離大約10cm，以保證兩張相片有足夠的重疊部分，重疊度一般應為60%～70%，人與相機之間的距離大約150cm。

將拍攝到的數碼照片輸入計算機，在數字化近景攝影測量系統下，根據由測量控制點所建立的像片和被攝者之間的數學關系，量測軟組織表面特征點的三維坐標。根據軟組織表面特征點三維坐標，建立軟組織數字高程模型（DEM）和正射影像。

在地理信息系統軟件下，利用生成的面部軟組織數字高程模型（DEM）作為后臺支持直接調用正射影像，再現頜面部三維立體形態，并進行三維測量。測量時通過鼠標在模型上點出標志點，系統可自動生成該點的三維坐標，并進行點之間的距離的自動測量。也可以通過局部放大重建后的三維圖像，使標志點的辨認更清楚（如圖2）。

2 結果

獲得了被測者面部軟組織數字高程模型及正射影像(如圖3～4)，并重建了三維圖像，三維圖像如圖5。

3 討論

3.1 研究背景：在口腔醫學領域，結構光[1]、莫爾云紋[2]、激光掃描技術[3-5]、三維立體攝影測量[6-8]、CT[9-10]等三維重建與測量技術常在文獻中被提及，為口腔頜面部軟組織研究提供了極大幫助。近景攝影測量技術作為立體攝影測量的一部分，已出現了商業化的數字化近景攝影測量系統，由于減少了傳統攝影測量過程中的人為誤差，使攝影測量精度得以很大提高，因此擴充了攝影測量的功能和應用范圍。地理信息系統(GIS）通俗地講，就是能夠輸入、存儲，管理并處理分析地理空間數據的信息系統，它具有強大的數據編輯、空間分析和可視化功能。利用數字化近景攝影測量技術獲得數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和正射影像，以DEM和正射影像為數據源，在地理信息系統下再現空間三維景觀，在各個領域得到了廣泛應用。這為我們在口腔醫學領域應用數字攝影測量技術提供了新的思路和實驗途徑。

3.2 控制場的建立：控制場的建立是攝影測量的關鍵。所謂控制場實際上是照片中被攝物體的空間參照系，以便于照片與目標物之間建立起數學關系，從而利用已知的控制點坐標恢復攝影瞬間時的目標物真實形態。根據不同的生物測量要求，可建立不同測量精度的控制場。控制場的布設應盡量標準化，即讓相鄰點在同一水平線或鉛垂線上，控制點的這種標準化可以使軟件對照片的數據處理速度加快和精度提高。本實驗中控制場精度在0.5mm以內，且制作簡單，方法靈活。從單個牙頜模型、頭部到整個人體，可根據測量要求，建立不同的三維控制場。也可采用X線可穿透的材料制作，這樣可延伸用于X線攝影測量的研究與應用。

3.3 關于圖像的獲取：近景攝影測量獲取圖像的設備分為量測相機和非量測相機。量測相機是為專業測量測繪目的而設計制造的，調焦范圍有限或不可調焦，價格昂貴。而非量測相機，如普通數碼相機，具有多方面的靈活性（任意調焦，可手持攝影，攝影方式任意)，使用起來靈活方便，此外價格低廉。目前非量測相機在近景攝影測量領域已得到了廣泛的應用。本實驗中，采用普通性能的數碼相機（210萬像素），結果顯示達到了一定的精度。

近景攝影測量為獲取被測物圖像，可采取多種方法，如兩臺相機同步攝影法、移動相機法、移動被測物體法和旋轉被測物體法[11]等。白玉興等[7]利用4個高精度的數碼相機獲取頜面部軟組織的三維信息，完成了面部軟組織三維測量分析和旋轉觀察。本實驗中，使用一臺相機，采用移動相機法進行拍攝，以獲得被測物圖像。

3.4 意義：本實驗與以往的實驗相比，采用非量測相機獲取兩張數碼照片，利用數字化近景攝影測量的原理和方法，基于DEM數據和正射影像，在GIS軟件下進行了面部軟組織的三維測量，并實現了面部軟組織的三維可視化。因此，本實驗的意義在于：①這是傳統的生物立體攝影測量的新發展，現代數字化技術和計算機技術的迅猛發展為此提供了先進的手段和條件；②證明數字化近景攝影測量以及GIS技術在醫學上的應用是可行的。目前的數字化近景攝影測量技術主要應用于城市建設、地形、考古，工業測量等大型項目上，具有很高的精度。而面部影像反差甚小，能否應用此項技術并達到一定的精度，本實驗就是最好的證明。

3.5 經驗和不足：盡管本實驗在研究過程中取得了一些成果，然而由于本實驗是一個新方法的初步探索，所以在建模過程中還存在一些問題有待進一步精細和深化：①硬件部分比較笨重，需進一步改造。由于研制時間所限，三角支架采用一般經緯儀支架，它和橫梁的連接直接取材于平板儀，橫梁為保持其剛性取材于模擬攝影測量設備，因此總體而言比較笨重，搬遷時需拆卸，易發生變形。因此需尋求新型材料，既要保持相機攝影時穩定性和相對姿態不變性，又要保持其輕便性。②控制場的制作：本實驗利用玻璃板及PVC管作為制作控制場的材料，特別是PVC管，有可能出現變形。而且玻璃板易碎，使用時不宜過多搬動。因此進一步實驗時需改變控制場的制作材料，可采用不銹鋼鋼板和不同高度的鋼柱制作，鋼柱一端焊接在鋼板上作為z坐標，用數控制刻線機刻出以1cm為單位的橫向和縱向刻度線，分別代表x，y坐標，這種方法制作的控制場的加工精度可控制在0.01mm以內。③由于條件所限，本實驗采用了一臺數碼相機，移動相機過程中可能存在被攝者面部的表情變化，這可能對測量結果造成影響。可考慮利用兩個數碼相機和同步攝影裝置進行拍攝，以達到同步和瞬間采像。

本實驗采用數碼相機作為數據獲取手段，用數字近景攝影測量技術獲得物體真實尺寸，實現了頜面部軟組織的三維測量和重構，是軟組織三維測量方法的新探索。但本實驗只是一個模型建立的初步研究，還存在一些問題有待進一步研究解決。隨著研究的深入開展，將繼續對本方法進行優化處理，以期為面部畸形的診斷和分析，牙頜畸形的矯治，頜面部正頜與整形手術的定量控制及療效評價提供新的技術方法，也希望能為臨床醫師探索新方法的過程中提供一種借鑒。

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[收稿日期]2011-11-10 [修回日期]2011-12-29

編輯/何志斌