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一种2D-3D图像配准方法及系统
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2023-10-13 15:58:56
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：天津市滨海新区| 宋学姮 | 2023-10-25 16:57:21
本发明公开了一种2D‑3D图像配准方法及系统，其采用基于归一化互信息NMI(A,B)和梯度差分GD(A,B)相结合的相似性度量函数NMG(A,B)作为2D‑3D图像配准的目标函数；配准过程中，采用高斯金字塔卷积算法对待配准的图像A和图像B进行多分辨率采样处理；基于常规步长梯度下降算法最小化所述目标函数，以实现2D‑3D图像配准。本发明具有以下有益效果：加权相似性度量函数同时包含了图像的灰度信息和空间梯度信息，配准结果更加精确；引入高斯金字塔卷积算法作为多分辨率策略，对配准图像进行采样处理，减少配准时间，提高整体配准效率；采用常规步长梯度下降算法作为优化算法，提高配准速度，避免陷入局部最优值。
1.一种2D-3D图像配准方法，其特征在于，该方法采用基于归一化互信息NMI(A,B)和梯度差分GD(A,B)相结合的相似性度量函数NMG(A,B)作为2D-3D图像配准的目标函数；其中，NMI(A,B)为图像A和图像B的归一化互信息；GD(A,B)为图像A和图像B的梯度差分；图像A和图像B之一为2D图像，另一为3D图像。
2.根据权利要求1所述的2D-3D图像配准方法，其特征在于，NMI(A,B)、GD(A,B)、NMG(A,B)间满足以下条件：
NMG(A，B)＝α1·NMI(A，B)+α2·GD(A，B)；
其中，α1为预设的与NMI(A,B)对应的第一权重，α2为预设的与GD(A,B)对应的第二权重，α1+α2＝1。
3.根据权利要求1所述的2D-3D图像配准方法，其特征在于，配准过程中，采用高斯金字塔卷积算法对待配准的图像A和图像B进行多分辨率采样处理。
4.根据权利要求1至3任一项所述的2D-3D图像配准方法，其特征在于，还包括：基于常规步长梯度下降算法最小化所述目标函数，以实现2D-3D图像配准。
2D-3D图像配准方法及系统的应用前景非常广泛，涵盖了多个领域。这种技术的主要目标是将二维图像与三维数据对齐，以实现更深入的分析、可视化和决策支持。以下是一些应用前景：
医学影像： 在医学影像领域，2D-3D图像配准可用于将二维医学影像（如X射线、CT扫描、MRI）与患者的三维解剖结构对齐。这有助于医生进行更精确的疾病诊断、手术规划和实时导航。例如，用于外科手术的导航系统可以利用2D-3D图像配准来提高手术准确性。
工业制造： 在工业领域，2D-3D图像配准可用于质量控制、零件检查和装配过程。制造业可以借助这项技术来验证产品的几何尺寸，检测缺陷并确保装配的正确性。
虚拟现实和增强现实： 2D-3D图像配准对虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用至关重要。它可以用于将虚拟对象与真实世界进行对齐，以实现更逼真的虚拟体验或提供增强的信息层。
文化遗产保护： 在文化遗产领域，2D-3D图像配准可以用于数字化文物和历史建筑。这有助于保存文化遗产，并提供更广泛的公众访问。
地理信息系统（GIS）： 2D-3D图像配准在GIS中有着重要作用。它可以用于将卫星图像与数字地球模型对齐，以进行地形分析、城市规划和环境监测。
机器人导航： 在自动化和机器人领域，2D-3D图像配准可用于帮助机器人导航和感知环境。这对于自主驾驶汽车、机器人手术和无人机导航等应用非常重要。
军事和国防： 2D-3D图像配准在军事情报和国防应用中具有关键作用。它可以用于目标识别、情报收集和军事操作规划。
地震监测和地质勘探： 在地质学和地球科学中，这项技术可用于将地下地质数据与地表图像对齐，以帮助理解地质结构和地震活动。
环境监测： 2D-3D图像配准可用于环境监测和资源管理。例如，它可以用于森林覆盖监测、农田管理和水资源保护。
科学研究： 科学家可以利用2D-3D图像配准来分析地球、宇宙和微观世界中的各种现象，以推动科学研究的进展。
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2D-3D图像配准方法及系统可以产生多种效益，这些效益涵盖了多个领域，包括医疗、工业、虚拟现实、文化遗产保护等。以下是一些主要的效益：
精确的诊断和治疗规划（医疗应用）： 在医学影像领域，2D-3D图像配准可用于提高诊断准确性，帮助医生更好地理解患者的解剖结构。这有助于改善疾病早期检测和治疗规划。
精确的手术导航（医疗应用）： 在外科手术中，2D-3D图像配准可帮助外科医生进行更精确的导航，减少手术创伤，提高手术成功率。
质量控制与准确装配（工业应用）： 在工业制造中，该技术有助于确保产品的质量和准确装配。它可以帮助制造商及早发现和纠正问题，减少废品率。
增强虚拟和增强现实体验（虚拟现实和增强现实应用）： 2D-3D图像配准可提高虚拟和增强现实体验的真实感，使用户能够与虚拟对象或信息更加互动和对齐。
文化遗产保存（文化遗产应用）： 2D-3D图像配准有助于数字化文化遗产，并提供可视化工具，以保护和传承历史文化。
高效的地理信息系统（GIS）（GIS应用）： 在地理信息系统中，2D-3D图像配准可以用于更精确的地理数据收集和地图绘制，有助于城市规划、资源管理和环境监测。
自主导航（机器人应用）： 在机器人和自动化领域，2D-3D图像配准帮助机器人感知和导航环境，提高自主驾驶汽车、机器人手术和无人机的性能。
军事情报与国防（军事应用）： 2D-3D图像配准对于军事情报收集、目标识别和军事规划至关重要。
地震监测与地质研究（地质学应用）： 在地质学领域，该技术有助于理解地下地质结构，提高地震监测和资源勘探的准确性。
环境监测与资源管理（环境应用）： 在环境保护领域，2D-3D图像配准可用于监测森林、农田和水资源，有助于资源管理和环境保护。
技术转让
成果可以应用于自动化生产线，以提高生产效率和产品质量。
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