一种基于3DGS的适形轨迹CT重建方法及系统

本发明涉及工业ct，尤其涉及一种基于3dgs的适形轨迹ct重建方法及系统。

背景技术：

1、计算机断层扫描（computed tomography, ct）是物体内部三维重建的重要手段之一，已在工业检测、医学诊断等领域得到了广泛应用。然而，传统的固定圆轨迹ct模式在针对印制电路板（pcb）等扁平状样品进行成像时存在显著局限性。由于此类样品的平面尺寸远大于其厚度，为了满足成像视野其成像放大比一般较低，导致面内分辨率严重不足。为了解决这一矛盾，适形轨迹ct技术通过在成像过程中动态移动样品，依据样品尺寸与成像系统几何关系调整射线源与物体距离，并且使得感兴趣区域始终处于成像系统的最佳放大倍率下，从而突破了传统ct的物理分辨率瓶颈。

2、尽管适形轨迹ct在物理成像层面提供了潜在的高分辨率数据，但从非一致性分辨率的投影中重建高质量三维图像本质上仍是一个不适定问题，所获取投影代表的成像分辨率不一致，与稀疏角度重建类似，其本质上是一种频域数据的缺失的重建问题，其会导致重建结果含有的混叠伪影。

3、现有适形轨迹重建方法主要仍沿用解析重建、迭代重建或数据驱动重建的技术路线。解析重建方法虽然计算速度快，但对几何变化和频域缺失较为敏感；迭代重建方法虽能引入先验约束，但计算量较大，难以满足高效率工业检测需求；数据驱动方法虽然能够改善部分伪影，但往往侧重于投影补全或图像后处理，难以直接兼顾复杂几何、局部高分辨恢复和稳定的三维结构表达。

4、因此，针对适形轨迹ct，更关键的问题在于：如何在不同视角分辨率不一致的条件下稳定利用多视角投影信息，如何仅对真正存在重建误差的局部区域执行结构增密，以及如何将优化后的表示形式直接输出为可用于检测和测量的三维体数据。现有技术尚缺乏一套同时覆盖多视角训练、选择性致密化与体素化输出的统一技术方案。

技术实现思路

1、为了解决适形轨迹ct中由于视角分辨率不一致而导致的重建不稳定、局部细节恢复不足、冗余高斯增长以及难以直接输出体数据的问题，本发明提出一种基于3dgs的适形轨迹ct重建方法及系统。通过构建分组三视角多视角训练机制、高信息视角驱动的渐进式致密化机制以及体素化积分输出机制，实现适形轨迹投影条件下的稳定局部三维重建。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一方面提出一种基于3dgs的适形轨迹ct重建方法，包括：

4、步骤1：利用适形轨迹采集的多视角投影数据进行初始三维重建，确定目标物体所处的重建区域及其轮廓尺寸，并在该重建区域内构建初始高斯点云；

5、步骤2：通过生成各视角下的投影区域掩码，在致密化窗口内采用多方向视角分组联合训练，在窗口外切换为单视角训练，并联合投影差异与正则化约束优化高斯点云参数；

6、步骤3：在优化过程中动态选取高信息视角，依据预测投影与真实投影的误差分布识别高误差区域，根据各高斯对高误差区域的贡献度执行克隆或分裂增殖，并删除低贡献高斯以实现细节增强与冗余控制；

7、步骤4：将优化后的高斯点云通过体素化积分转换为三维体密度数据，输出目标区域的重建体数据及任意方向断层切片。

8、进一步地，所述步骤1包括：

9、对所述多视角投影数据执行解析重建，得到初始三维体密度结果；

10、对所述初始三维体密度结果进行阈值分割和连通域分析，提取目标物体所在的连通区域，以该连通区域的体素索引范围确定所述重建区域及其轮廓尺寸；

11、在所述重建区域内采样初始点，并利用所述初始三维体密度结果对各采样点赋予初始密度值，生成初始高斯点云集合。

12、进一步地，所述解析重建采用fdk重建算法；所述轮廓尺寸根据所述主要连通区域的最小体素索引和最大体素索引结合体素物理间距计算得到。

13、进一步地，所述步骤2包括：

14、根据所述重建区域生成各视角下的投影区域掩码；

15、将训练视角按方向划分为多个视角组，在致密化窗口内从各视角组中联合选取视角构成训练批次以施加多方向几何约束，在窗口外切换为单视角采样训练；

16、基于掩码后的预测投影与真实投影计算投影差异，并联合正则化约束优化高斯点云参数。

17、进一步地，所述投影区域掩码的生成方式为：在与重建体一致的体素空间内，将所述重建区域赋值为1、其余区域赋值为0，按扫描几何参数进行前向投影并二值化，得到各视角下的投影区域掩码；对于任一视角，依据放大倍率计算目标区域在探测器平面上的理论投影区域，掩码在该区域内取1、区域外取0。

18、进一步地，所述多个视角组至少包括主视角组、斜视角组和补充视角组；在致密化窗口内的每次迭代中，从所述主视角组、斜视角组和补充视角组中分别选取至少一个视角构成当前训练批次，使单次参数更新同时接收多方向几何约束。

19、进一步地，所述步骤3包括：

20、根据当前训练迭代次数确定本轮致密化所需采样的视角数量及误差阈值，并选取多个高信息视角；

21、对本轮选取的各高信息视角执行高斯投影渲染，计算预测投影与真实投影之间的光度误差，并据此提取高误差像素区域；

22、统计各高斯基元在各高信息视角下覆盖高误差区域的贡献度，据此构建重要性评价指标；

23、当贡献度满足预设条件的高斯基元数量低于停止阈值时，终止致密化；否则，按照当前阶段的增长预算，选取重要性评价指标满足预设条件的高斯基元作为候选基元，并根据候选基元的尺度参数选择执行克隆增殖或对称分裂增殖；

24、依据预设的删除条件删除低贡献高斯基元。

25、进一步地，所述高信息视角从归一化角度位于[-30°, 30°]和[150°, 210°]范围内的视角池中选取，且所选视角中至少包含一个0°或180°的关键视角；所述贡献度通过以下方式确定：针对本轮致密化选取的各视角生成预测投影与真实投影之间的归一化逐像素误差图，依据误差阈值提取高误差像素区域，统计各高斯基元在各视角下覆盖高误差像素区域的次数，并以各视角下的统计平均值作为该高斯基元的多视角重要性分数。

26、进一步地，所述步骤4包括：

27、以预设的重建中心、体素数量和物理尺寸作为体素化参数，将各高斯基元的密度参数与三维高斯核函数在体素网格各位置进行积分累加，得到预测三维体密度数据；

28、输出所述预测三维体密度数据，并从中提取任意方向的断层切片。

29、本发明还提出一种基于3dgs的适形轨迹ct重建系统，包括：

30、初始重建模块，用于利用适形轨迹采集的多视角投影数据进行初始三维重建，确定目标物体所处的重建区域及其轮廓尺寸，并在该重建区域内构建初始高斯点云；

31、多视角掩码优化模块，用于通过生成各视角下的投影区域掩码，在致密化窗口内采用多方向视角分组联合训练，在窗口外切换为单视角训练，并联合投影差异与正则化约束优化高斯点云参数；

32、致密化控制模块，用于在优化过程中动态选取高信息视角，依据预测投影与真实投影的误差分布识别高误差区域，根据各高斯对高误差区域的贡献度执行克隆或分裂增殖，并删除低贡献高斯以实现细节增强与冗余控制；

33、体素化积分模块，用于将优化后的高斯点云通过体素化积分转换为三维体密度数据，输出目标区域的重建体数据及任意方向断层切片。

34、与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

35、（1）本发明通过将训练视角明确划分为主视角组、斜视角组和补充视角组，并在致密化阶段执行分组三视角联合训练，同时结合基于几何放大倍率计算得到的投影区域掩码约束，使单次参数更新能够同时接收多方向几何约束。相比常规随机采样训练方式，该方法能够有效克服适形轨迹扫描中因各视角几何放大倍率不一致所导致的投影分辨率差异问题，提高目标物体局部重建的几何一致性和训练鲁棒性，减少非目标区域背景噪声对参数优化的干扰。

36、（2）本发明通过引入高信息视角驱动的渐进式致密化策略，依据预测投影与真实投影之间的像素误差分布动态识别高误差区域，并根据各高斯基元对高误差区域的覆盖贡献度筛选候选基元，针对不同尺度的高斯分别执行克隆增殖或沿最长轴方向的对称分裂增殖，同时删除低贡献高斯。相比均匀致密化或随机增殖方式，该方法能够将计算资源集中配置于重建质量不足的高误差区域，在有效恢复目标物体细节结构的同时抑制冗余高斯的无意义膨胀，实现重建精度与计算效率的平衡。

37、（3）本发明通过体素化积分方式将优化后的三维高斯场直接转换为标准三维体密度数据，并支持提取任意方向的断层切片。相比直接使用离散高斯点云作为输出结果，体素化后的数据格式兼容现有工业ct体数据处理流程，能够便捷地衔接后续的尺寸测量、缺陷检测、定量评价等实际工业应用需求，具有良好的工程实用价值。