颅骨面貌形态学的几何分析

论文摘要

面貌是人与人之间识别的最直接依据。颅骨是人类面貌的内在生物特征。研究面貌和颅骨的生长变化规律、外观形态规律和相互关系,形成了颅面形态学的研究领域。本文以国家自然科学基金重点项目“颅骨面貌的形态学研究”为背景,针对颅骨面貌形态学的几何关系这一基本问题,将数字拓扑相关概念引入到图像分割算法之中,使得颅骨与面皮数据具有较高准确性。给出了颅面形态学几何分析的理论基础、实现算法,完成了颅骨面貌形态学的几何分析原型系统的设计,主要的研究成果有:1)基于拓扑约束的图像分割算法。将代数拓扑引入到图像分割之中,提出了计算图像拓扑数的相关算法,并以此为基础,给出了基于拓扑约束的图像分割算法和相关的实验结果,并分别比较了它们的效率;2)面皮与颅骨参数平面的转化与几何分析方法。将三维面皮和颅骨外表面数据看作二维光滑流形的三维嵌入问题,给出了将三维面皮数据和颅骨外表面数据转化为二维参数空间的算法,并给出了在参数空间上进行几何分析的方法及相应的误差分析;3)基于标志点的颅面几何分析方法。以三维面皮和颅骨数据为基础,分别给出了基于公安法医学标志点和人体测量学标志点的几何分析主要途径和方法,确定了几何分析的主要参量,并给出了相关的计算方法,为建立颅面统计模型奠定基础;4)基于球面调和函数的颅面形态学的几何分析方法。针对面皮与颅骨外表面数据的三维空间复杂曲面,以球面调和函数的逼近理论为基础,以球面调和函数逼近系数为基础,给出面皮与颅骨模型表示理论方法、几何参量分析主要途径,并给出了相关的实验结果;5)颅面形态学的几何分析原型系统设计。以Visual C++ 6.0为编程语言工具,结合CGAL和VTK开源软件包,实现了本文所涉及到到相关算法,完成了原型系统的集成,验证了算法的正确性和有效性,效果良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 颅骨面貌复原技术简介
• 1.1 颅骨面貌复原技术的研究背景
• 1.2 颅骨形态学研究当前存在的主要问题
• 1.3 本文的研究工作安排
• 第二章 代数拓扑的数学基础
• 2.1 代数拓扑学的基本概念
• 2.2 离散拓扑定义和有关结论
• 2.3 从离散图像到曲面
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于拓扑约束的颅骨数据的分割
• 3.1 基于拓扑约束的水平集的分割算法
• 3.2 基于分水岭的拓扑约束分割算法
• 3.3 基于等周图的拓扑约束分割方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 颅骨与面貌面在参数平面的转化与几何分析
• 4.1 颅骨与面貌常见的数据表示方法
• 4.2 数据采集及预处理
• 4.3 面貌参数平面转化算法
• 4.4 颅骨外表面的二维参数平面转化算法
• 4.5 基于面貌与颅骨二维参数平面转化的几何形态学分析
• 4.6 颅骨与面貌参数平面转化误差分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于标志点的颅骨与面貌的几何分析
• 5.1 颅骨与面貌几何分析的意义
• 5.2 颅骨几何分析
• 5.3 面貌几何参数分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于球面调和函数逼近的颅面形态学几何分析
• 6.1 球面调和函数基础
• 6.2 球面调和函数在颅面几何分析中的应用
• 6.3 本章小结
• 第七章 颅骨与面貌形态学几何分析的系统设计
• 7.1 几何分析的软件简介
• 7.2 颅骨面貌形态学几何分析原型系统设计以及实现
• 7.3 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢