● 摘要
虚拟现实技术作为计算机图形学的一个重要研究领域，其处理的数据是具有一定结构的三维网格模型。这些数据或者是通过逆向工程建模技术重建获得或者单纯使用建模软件通过人工交互的方式构建。如何方便、高效的获取满足应用需求的高精度、逼真的三维模型一直是一个值得研究的热点问题。
三维重建技术作为逆向工程中使用较为普遍的方法，能够反向重建出自然界中丰富多彩、姿态迥异的真实物体，而且具有精度高、对模型损害小、应用场景广泛等优点。而模型配准技术作为重建技术的补充，通过匹配同一物体不同来源或者相同来源的模型数据，实现模型数据的相互补充，构建出更加完善的模型。模型变形技术作为建模技术的延伸，特别是基于样例驱动的模型变形技术，能够在现有稀疏样例模型的基础上很方便的产生更多自然、逼真的新模型，这大大加速了建模的速度。
本文针对以上建模的若干问题，结合医学手术导航系统的研究背景，开展了相关研究工作，并取得以下研究成果：
1. 研究并实现了基于格雷码的结构光三维重建。该方法首先通过相机标定获取双目相机的内部参数以及它们之间的结构关系。在重建阶段，投影仪投射的特定结构光经过物体的调制，被相机获取，通过高精度的编解码，建立相机成像平面与投影仪投影平面之间的一一对应关系，并使用先前标定获得的参数，利用双目视觉几何求解物体在相机坐标系中的空间坐标。该方法的解码结果较好，通过与现有扫描模型对比，获得了低于1mm的模型距离误差。该技术在手术导航系统中可用于术中三维人脸点云的实时重建。
2. 研究并提出了一种基于面部特征的模型配准方法，该方法实现了在异模态数据模型之间的配准，通过在重建的点云空间和现有模型空间分别提取出对应的面部特征点并计算转换关系，完成粗略配准，再通过迭代ICP 算法实现两个模型的精确配准。基于面部特征的方法能够实现快速、方便的粗略配准。结合该方法能够在手术导航系统中较好的实现模型空间和病人空间的配准。
3. 作为建模技术的扩展，本文还研究并实现了一种全新的结合不同尺度方法的基于样例驱动的人脸变形技术。在大尺度变形中，在预处理阶段通过在样例模型上提取控制点坐标，训练获得局部控制点坐标变换与骨骼变换之间的相关性系数，生成回归预测函数。在运行时阶段，输入新的控制点坐标，通过回归函数获得新的骨骼变换，并通过蒙皮权重生成顶点坐标。同时在小尺度上定义了一种特征描述子，构建任意一个姿态的特征描述子和变形到该姿态下的顶点偏移量之间的线性关系，从而在实际预测阶段获得多个姿态的加权预测偏移值，修正细节。结合使用大小尺度，本文实现了较为自然的人脸变形。
4. 基于以上的相关研究成果，本文还设计并实现了手术导航模拟系统。该系统在病人空间通过使用基于结构光的三维重建技术获取脸部点云，并利用基于面部特征的模型配准技术实现重建点云和现有模型的配准，从而求解出病人空间和模型空间之间的变换关系，除此之外本文还实现了特定手术刀的跟踪显示技术，并构建了简单的运动预测模块来解决遮挡和丢帧问题。