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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 三維體積與多邊形變形技術與系統整合
The Research in 3D Volume and Polygon Morphing Techniques and Integrated System Development
計畫編號：NSC-89-2218-E-006-028
執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日
主 持 人：李同益 執行機構及單位名稱：國立成功大學資訊工程學系 共同住持人：孫永年 國立成功大學資訊工程學系
一、中文摘要
變形技術已廣泛應用於影片、廣告、電 腦動畫等且成效是大家有目共睹，同時 尚有許多生活科技、醫療診斷上等等應 用，它可以說是一個強大製造視覺效果 的工具。本計劃重點將仔細研究 3D 變 形技術的相關技術與開發 3D 變形技術 應用系統: 虛擬醫學整容手術系統。在 所有的外科整形手術中鼻子的整容手 術最為常見，容鼻可使人的容貌更美觀 並且可以加強人的自信心，也可以調正 因意外而產生的變形，還有舒緩呼吸相 關問題。我們實做了一個虛擬鼻子整形 手術系統，此系統可以幫助外科醫生制 定手術程序，根據病人的要求，此系統 可以模擬出整形後的結果以供病人參 考，此系統也提供了各項量化數據，手 術醫生可以依據此數據定出恰當的手 術計劃。我們最後的實驗結果可以用來 評估此系統的可行性如何。
關鍵詞：變形技術、多邊形變形、體積變 形、多邊形網格編輯、虛擬醫學手術模擬。
Abstr act
Morphing or metamorphosis technique has been widely used in movie industries, commercial advertisements, computer animations and something else. These great achievements have been beyond
what we can describe. Additionally, many important applications such scientific exploration, medical visualization and surgical simulation are worthwhile to be investigated using this powerful technique.
In this project, we will aim at improving the past work and also developing new 3D morphing techniques. Additionally, we will finally apply our research results to surgical simulation. Rhinoplasty, or surgery to reshape the nose, is one of the most common of all plastic surgery procedures. Rhinoplasty can enhance patient’s appearance and self-confidence, and may also correct a birth defect or injury, or help relieve some breathing problem. We implement a 3D surgical simulation system, which can assist surgeons in planning rhinoplasty procedures. This system employs computer graphics and image processing techniques for the simulation of a rhinoplasty. According to patients’
expectation of what they would like their noses to look like, our system simulates expected results. Our tools provide quantitative measurements of a nose structure. Using these quantitative results, surgeons can arrange appropriate preoperative plans for patients. Finally, experimental results and experiences are reported to evaluate the usefulness of the proposed system.
Keywor ds: Morphing, Polygon Morphing, Volume Morphing, Polygon Mesh Editing, Virtual Surgical Simulation
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二、計畫執行內容與成果
圖一: 虛擬整容手術系統流程圖。
在虛擬整容手術系統中，最主要的步驟 包含: 影像處理、三維體積著色、三維 體積變形雨量化鼻子體積改變量。圖一 為此系統流程圖，手術醫生依此流程步 驟進行手術模擬，同時病人會依自己所 想要的整形效果向醫生提出需求。首 先，我們在國立成功大學附屬醫院擷取 病人頭部三維 CT 掃描從 GE(高速) CT 掃描器，然後我們應用影像處理技術(包 含了影像分割與影像強化)對 CT 人頭資 料做前處理，為了能即時的從不同方向 對三維 CT 頭部資料著色，我們對 CT 頭 部資料建立了 SB(semi-boundary)，此資 料結構為一個密集的表面表示法並且能 在
PC 個人電腦上做即時著色處理。在我們 的系統中，我們可以同時看到 CT 頭部 資料三維著色及三個垂直方向視角的影 像(如圖二所示)，手術醫生可以直接轉 動 CT 頭部到想要觀察的部分，為了使 醫生更方便對頭部資料的觀察，此系統 提供即時影像分割功能，藉由設定不同 的灰階值來做影像分割，三個垂直的觀 察平面也可以隨著滑鼠在左上視窗的移 動而改變顯示的畫面，在圖二的三個垂 直平面視窗有顯像出骨頭結構而外科醫 師依此可以做詳盡的觀察，這些功能及 資訊是必須的，如此外科醫師才能知道 皮膚、骨頭與肌肉的空間關係，並藉此 定出完善的手術計劃。
此系統中的模擬鼻子型變是使用以特徵 為基礎的三維體積的變形技術，此技術 允許在 PC 個人電腦的環境下做即時模 擬鼻子型變，關於三維體積變形技術更 詳盡的部分可以參考 Lee 等人的文章 [1] 。圖三顯示了使用本系統在虛擬臉 部手術前與手術後結果的比較，圖三-(a) 為手術前的樣子，包含的一個三維視角 的影像、一個平面影像、鼻子外輪廓與 鼻子各區域體積量測的結果，在圖三 _(a) 、(b)分別為此系統模擬手術後的兩 個不同的結果，前一個是把鼻子拉正而 後一個是把鼻子拉短，同時我們也有模
擬手術後各體積量測的結果供外科手術 醫生參考。圖四為鼻子的側面以幾數個 特別地方的名稱，由鼻子的側面圖我們 定義出兩個有用的參數: 高度 h 與角度 r(如圖五所示)，並且劃分出 11 個區域，
在手術前後都會計算出所有先前定義的 參數，在圖六中就顯示了手術前後各個 區域面積的長條圖。在此計畫中我們完 成了虛擬整容手術系統，可以當作整形 外科手術醫生一個手術前診斷模擬工 具。
圖二: 虛擬整容手術系統使用介面。
(a) PreOperative
(b) PostOperative1
(c) PostOperative2
3D head display 3D nasal profile
Cross-sectional
view Quantitative measurment
圖三: 使用此系統，虛擬手術後的結果 (a) 手術前; (b)、(c)手術後。
圖四:鼻子各個區域
3
A B C D E F G H I J K
γ
h
圖五: 鼻子區域分割圖。
0 5000 10000 15000
A B C D E F G H I J K Nose Volume
mm3
Preoperative PostOperative1 PostOperative2
圖六:手術前,手術後各區域體積統計圖。
三、參考文獻
