混凝土ct圖像三維重構方法
2023-04-30 00:04:41
專利名稱：混凝土ct圖像三維重構方法
技術領域：
本發明涉及混凝土 CT圖像處理技術，尤其涉及一種根據對象的二維斷層圖像數據重構其三維圖像的方法。
背景技術：
混凝土是一種工程應用相當廣泛的不均勻材料。由粗骨料、細骨料、水泥水化物、 未水化水泥顆粒、孔隙及裂紋等組成的非均質復介材料。研究各種空間尺度缺陷對混凝土材料的變形、破壞和穩定性所起的作用，或者作用的大小，是目前混凝土材料研究所面臨的最深刻而又最艱難的課題之一。近些年X射線混凝土 CT試驗成為混凝土、巖石材料細觀破裂過程的熱點研究課題，X射線CT觀察混凝土裂紋演化過程最大優點在於它的無損探測性能和較高解析度。對於實驗後的得到混凝土的CT圖像數據分析，採用直接圖像分析法。直接圖像分析是指直接對混凝土受力後的結構變化通過圖像分析。然而混凝土 CT圖像中的許多萌生細微裂紋都無法直接從圖像中直接準確的判斷是否存在；另外由於CT機的掃描原理，所得到混凝土CT圖像只是橫切面圖片，對於混凝土體柱受力後圖像分析，無法直接進行，要想通過二維斷層圖像認識真實物體，就必須完成從二維圖像到三維圖像的恢復工作，需要對混凝土 CT圖像進行三維重構。三維重建結果得到的混凝土真實的細觀結構模型，可以與混凝土細觀數值模擬結果進行試驗比較，並校正數值分析模型。體繪製算法用於完成三維結果圖像的生成和顯示。光線投影算法是最常用的以圖像空間為序的典型直接體繪製算法。利用光線投射法繪製出的圖像質量很高、效果很好，但是此方法存在很大的問題， 那就是處理的數據量比較大，對內存的要求比較高，由於要對每條光線進行重採樣計算，所以繪製速度比較慢。如何進行算法的改進以加快繪製速度已經成為目前光線投射算法研究中最需要解決的問題，也是體繪製技術中最主要的研究方向。目前，人們最常用的加速技術主要從兩個方面考慮一方面從圖像空間的相關性著手使發射出的光線數目儘量減少，另一方面從對象空間的相關性著手，省略灰度、梯度方向相同或相近體素的採樣，從而使獲得的採樣點數目儘量減少。因此，提供一種在不影響繪製圖像質量的情況下，從這兩方面考慮對傳統的光線投射算法進行改進，使繪製速度得到很大提高的方法成目前亟待解決的技術問題。
發明內容
針對現有光線投射算法中存在的問題和不足，本發明的目的在於提供一種混凝土圖像重構方法，利用對象的二維斷層圖像數據重構其三維圖像。運用三維重構可視化技術， 對混凝土 CT圖像進行立體重構，真實反映出混凝土柱應力後結構的變化。為分析混凝土的裂紋擴展及破壞形態，揭示出混凝土材料的損傷破裂機理提供了一種重要的輔助分析手段和方法。本發明的技術方案是一種混凝土 CT圖像三維重構的方法，包括步驟如下
I)採用醫用CT或工業CT掃描混凝土試件斷面，獲得混凝土靜力壓縮CT 二維斷層圖像數據；2)運用三維重構可視化技術對混凝土靜力壓縮CT 二維斷層圖像進行立體重構， 生成混凝土 CT三維顯示圖像；3)對混凝土 CT三維顯示圖像進行三維優化，最終完成混凝土 CT圖像三維重構。本發明進一步的特徵在於所述步驟2)中，運用三維重構可視化技術對混凝土 CT 二維斷層圖像進行立體重構，採用光線投影算法按照設定視線的方向，從混凝土靜力壓縮CT 二維屏幕上的每個像素點出發，發出一條射線，沿著該射線按照一定的步長進行等距採樣；對距離某個採樣點最近的八個體素的屬性值做三線性插值運算從而計算出，得到該採樣點的屬性值(顏色值和不透明度值)，對得到的每個採樣點的屬性值進行逐點合成，從而得到所對應的屏幕上該像素點的顏色值和不透明度值，最終生成混凝土 CT三維顯示圖像。上述對得到的每個採樣點的屬性值按照由後向前的圖像合成和由前向後的圖像合成的圖像合成算法進行逐點合成。所述步驟3)中，圖像進行三維重建化過程包括下述步驟①數據預處理優化使用包圍盒技術對三維空間數據場進行裁剪，在平行光線的投影下，利用規則網格數據場特點，使用Graham方法實現用一個能把三維體數據場中的有用信息都包圍起來的最小長方體包圍盒，把目標體數據限定在其中；把包圍盒投影到成像屏幕上，形成一個投影多邊形；對所得到的最優投影多邊形進行一次掃描轉換實現投射光線的生成；②投射光線體素化及重採樣優化通過圖像空間坐標計算轉換為物體空間坐標， 接著在物體空間坐標系OXYZ中利用Bresenham方法推廣到三維，對投射光線進行體素化和求交處理。所述步驟①中，用Graham求解最小包圍盒凸殼的算法過程如下a)先計算平面凸集中所有點的y坐標，記錄y值最小點，之後把它與凸集中所有剩餘點進行連接形成線段，接著計算所得到的線段與水平線之間的夾角；然後對這些點先按照夾角大小進行排序，如果夾角相同，就按照與y值最小點的距離排序，依次連接得到的序列點集pl，p2,…，pn,從而形成一個多邊形；b)通過判斷某兩個點是不是在某一條指定線段的同側，把p3到pn-Ι中不是凸殼頂點的點刪除；c)最後把經過刪除所得到的凸殼頂點進行輸出。所述步驟②中，投射光線體素化及重採樣優化，坐標轉換是通過下述迭代關係式實現的ρ2' ·χ = p2. x+r0 ；p2' . y = p2. y+r3 ；p2' . z = p2. z+r6其中，(p2. x, p2. y，p2. z)是點pi在物體空間坐標系中對應的點pl'的坐標；rQ、 r3> r6分別表示像素在X，y, z軸上的物體空間位置。與現有技術相比，本發明的積極效果是本發明所生成的混凝土 CT三維圖像提供立體的混凝土骨料、砂漿、孔洞和裂紋區域結構，為混凝土細觀破裂研究提供分析研究觀測平臺。本發明方法實時性強、運算效率高，能清晰的分辨骨料、砂漿及孔洞。
本發明具有下述特點I)混凝土圖像重構方法是在光線投射算法基礎上提出了一種加速的光線投射算法，極大的提高了傳統光線投射法圖像繪製的速度，對圖像的繪製質量幾乎沒有影響。並且，由於大部分的加速工作都是在預處理階段完成的，從而使圖像的交互速度也有了很大的提聞。2)混凝土三維重建結果得到了混凝土真實的細觀結構，可以與混凝土細觀數值模擬結果進行試驗比較，校正數值分析模型。3)三維重建技術為混凝土 CT圖像立體細觀研究提供了一定的觀測技術平臺。4)混凝土真實細觀結構的三維重建結果可以作為導入到大型工程軟體(如 ANSYS)的前期技術基礎，從而可以建立起能更加準確表徵混凝土非均質特性的三維有限元模型，為土木工程學者進一步研究混凝土材料的力學特性和細觀破壞機理提供更好的支持。
下面結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。圖I為本發明方法步驟流程圖。圖2(a)-圖2(e)為本發明Graham方法求解投影多邊形凸殼過程；圖3為本發明坐標轉換成像平面相鄰點；圖4為本發明排序兩交點；圖5為本發明光柵化直線方法Bresenham方法；圖6為本發明體素化投射光線。
具體實施例方式本發明的混凝土圖像重構方法，如圖I所示，該方法包括第一步，採用醫用CT或工業CT掃描混凝土試件斷面，獲得混凝土靜力壓縮CT圖像二維斷層圖像數據；第二步，運用三維重構可視化技術對混凝土靜力壓縮CT 二維斷層圖像進行立體重構，生成三維顯示圖像；具體方法如下運用三維重構可視化技術對混凝土 CT 二維斷層圖像進行立體重構，採用光線投影算法按照設定視線的方向，從混凝土靜力壓縮CT 二維屏幕上的每個像素點出發，發出一條射線，沿著該射線按照一定的步長進行等距採樣；對距離某個採樣點最近的八個體素的屬性值做三線性插值運算從而計算出，得到該採樣點的屬性值(顏色值和不透明度值)，對得到的每個採樣點的屬性值按照從後到前或從前到後的順序進行逐點合成，從而得到所對應的屏幕上該像素點的顏色值和不透明度值，最終混凝土 CT生成三維顯示圖像。第三步，對混凝土 CT三維顯示圖像進行三維優化，從而完成混凝土 CT圖像三維重構。①數據預處理優化。A.使用包圍盒技術對三維空間數據場進行必要的裁剪，這樣可以避免很多不必要的數據計算，從而提供繪製速度。
運用包圍盒技術對其進行裁剪的過程為在平行光線的投影下，利用規則網格數據場的一些特點，用一個能把三維體數據場中的有用信息都包圍起來的最小長方體包圍盒，把目標體數據限定在其中。這樣就可以利用包圍盒對數據場進行有效的裁剪，從而極大的縮小了數據場的規模。我們假設OUVW是圖像空間坐標系，OXYZ是物體空間坐標系。假如用Λχ，Δγ, Λ Z表示三維數據場中X，Y，Z三個坐標軸上每個體素的步長間隔，對體素進行遍歷就可以確定對應的數據場的最小包圍盒的長、寬、高，它們分別是(maxx_minx) * Δ X, (maxy_miny) * Δ y, (maxz_minz) * Δ z,如果體素在包圍盒內部，就可以對其進行採樣；如果它在包圍盒外部就忽略，即認為該體素為空體元。要對體數據進行顯示必須完成體視見變換，即把體數據從物體空間OXYZ轉換到圖像空間0UVW。但是有些體素的體視見變換是不必要的，為了提高算法速度，必須減少這些不必要的變換。把包圍盒投影到成像屏幕上，形成一個投影多邊形，只從投影多邊形中的像素髮出光線進行投射，就可以保證所發射的每條光線都能與三維空間的體數據相交。這種方法不僅能減少了一些不必要的體視見變換，同時也通過減少所包含的像素點使發出的投射光線數目與求交運算也大幅度的下降，並且還能有效的保證數據場中非空體元的遺漏。 這一過程使用Graham方法實現。如圖2(a)-圖2(e)所示,用Graham求解最小包圍盒凸殼的算法過程如下(I)先計算平面凸集中所有點的y坐標，把y值最小的點記作pl，之後把它與凸集中所有剩餘點進行連接形成線段，接著計算所得到的線段與水平線之間的夾角。然後對這些點進行詞典式排序，即先按照夾角大小進行排序，如果夾角相同就按照與Pi的距離排序，依次連接得到的序列點集pl，p2，…，pn，從而形成一個多邊形。因為Pl是凸殼邊界的起點，且plp2和plpn與水平線的夾角分別最小和最大,所以p2和pn也肯定是凸殼的頂點。(2)通過判斷某兩個點是不是在某一條指定線段的同側，把p3到pn-Ι中不是凸殼頂點的點進行刪除。(3)最後把經過刪除所得到的凸殼頂點進行輸出。B.對所得到的最優投影多邊形進行一次掃描轉換實現投射光線的生成。進行掃描轉換的目的就是用一些常用的轉換算法按照顯示器要求的模式進行圖像的精確組織，從而可以用視頻技術來顯示所得到的光柵圖像，採用活化邊表和排序Y桶的有序邊表算法來實現投影多邊形的掃描轉換，從而記錄在圖像空間OUVW中掃描到的有效像素點位置。其具體算法如下(I)數據準備採用位於y+1/2的中心掃描線，對於多邊形的每條邊求出與其相交的最高掃描線。把該多邊形的邊存入與這一掃描線相對應的y桶。把X交點的初值，多邊形邊穿過的掃描線條數Ay以及相鄰掃描線之間的X增量Λχ存入鍊表。(2)數據的掃描轉換對於每條掃描線，檢查相應的y桶是否有新的邊，把新的邊移入活化邊表。在活化邊表中對應交點安X遞增順序排序，即當X1 < X2時，X1位於X2之前。從已X排序的表中
成對地取出交點。在掃描線y上激活X整數值以滿足X1Sx + iS&的像素。活化邊表中每條邊的Ay減I。若Ay r6分別表示像素在X，y, z軸上的物體空間位置。經過這樣的迭代處理，使進行坐標轉換處理時的運算量比之前普通的矩陣運算有了大幅度的減少，極大的提高了繪製速度。對應處在同一掃描線上的所有像素點全都採用這樣的迭代關係式來進行坐標轉換的計算。按照視線方向從點P2發射一條光線，利用投射光線與平面族求交代替直接與體元求交算法，同時結合上一階段找到的體數據場的包圍盒就可以非常快速的求出此投射光線與三維體數據場的起始和終止交點，有效的剪裁了投射光線，這樣就可以避免後面階段的盲目採樣，從而減少了無用採樣點的數目。在求交的過程中，我們只需要考慮光線與長方體包圍盒六個表面Ml，M2，……，M6的相交情況。因為入射光線方向是任意的，它與長方體包圍盒相交的入點和出點有以下三種情況1.交點落在長方體包表面的內點處；2.交點落在長方體稜邊的內點處；3.交點落在長方體頂點處。如果求的的兩個交點重合，那麼該光線對應的屏幕上的像素點顏色值設為背景顏色值；否則需要利用投射光線的方向對這兩個交點進行排序，從而確定出入點。在此我們利用判定兩向量同向的方法對這兩個交點進行排序。在圖4中，我們假設M(xm，yM，zM)、N(xn，yN，zN)是當前入射光線與長方體包圍盒Box的兩個交點，其中I = Oci,表示投射光線的方向，並且它不是零向量。現在對Μ，N進行排序，從而確定出入點。我們先不妨假設M是入點，N是出點，從入點到出點的向量與投射光線的向量f的關係如下I=又2(又>0)，即要斷向量
是否與向量；^同向。本文採用符合函數sign(x)進行判斷 I if X > O
權利要求
1.混凝土CT圖像三維重構方法，其特徵在於，該方法包括下述步驟第一步，採用醫用CT或工業CT掃描混凝土試件斷面，獲得混凝土靜力壓縮CT 二維斷層圖像數據；第二步，運用三維重構可視化技術對混凝土靜力壓縮CT 二維斷層圖像進行立體重構， 生成混凝土 CT三維顯示圖像；第三步，對混凝土 CT三維顯示圖像進行三維優化，最終完成混凝土 CT圖像三維重構。
2.根據權利要求I所述的混凝土CT圖像三維重構方法，其特徵在於，所述第二步驟中， 運用三維重構可視化技術對混凝土 CT 二維斷層圖像進行立體重構，採用光線投影算法按照設定視線的方向，從混凝土靜力壓縮CT 二維屏幕上的每個像素點出發，發出一條射線， 沿著該射線按照一定的步長進行等距採樣；對距離某個採樣點最近的八個體素的屬性值做三線性插值運算，得到該採樣點的屬性值，對得到的每個採樣點的屬性值進行逐點合成，從而得到所對應的屏幕上該像素點的顏色值和不透明度值，最終生成混凝土 CT三維顯示圖像。
3.根據權利要求2所述的一種混凝土CT圖像三維重構方法，其特徵在於，所述對得到的每個採樣點的屬性值按照由後向前的圖像合成和由前向後的圖像合成的圖像合成算法進行逐點合成。
4.根據權利要求I所述的混凝土CT圖像三維重構方法，其特徵在於，所述第三步驟中， 對混凝土 CT三維顯示圖像進行三維優化過程包括下述步驟①數據預處理優化使用包圍盒技術對三維空間數據場進行裁剪，在平行光線的投影下，利用規則網格數據場特點，使用Graham方法實現用一個能把三維體數據場中的有用信息都包圍起來的最小長方體包圍盒，把目標體數據限定在其中；把包圍盒投影到成像屏幕上，形成一個投影多邊形；對所得到的最優投影多邊形進行一次掃描轉換實現投射光線的生成；②投射光線體素化及重採樣優化通過圖像空間坐標計算轉換為物體空間坐標，接著在物體空間坐標系OXYZ中利用Bresenham方法推廣到三維，對投射光線進行體素化和求交處理。
5.根據權利要求4所述的一種混凝土CT圖像三維重構方法，其特徵在於，所述步驟① 中,用Graham求解最小包圍盒凸殼的算法過程如下a)先計算平面凸集中所有點的y坐標，記錄y值最小點，之後把它與凸集中所有剩餘點進行連接形成線段，接著計算所得到的線段與水平線之間的夾角；然後對這些點先按照夾角大小進行排序，如果夾角相同，就按照與y值最小點的距離排序，依次連接得到的序列點集pl,p2,…，pn,從而形成一個多邊形；b)通過判斷某兩個點是不是在某一條指定線段的同側，把p3到pn-1中不是凸殼頂點的點刪除；c)最後把經過刪除所得到的凸殼頂點進行輸出。
6.根據權利要求4所述的一種混凝土CT圖像三維重構方法，其特徵在於，所述步驟② 中，投射光線體素化及重採樣優化，坐標轉換是通過下述迭代關係式實現的p2, . X = ρ2· x+r0 ;p2, · y = ρ2· y+r3 ;p2, · z = p2. z+r6其中，(p2. x，p2. y，p2. z)是點pi在物體空間坐標系中對應的點pi,的坐標；Ivivr6分別表示像素在X，1，z軸上的物體空間坐標位置。
全文摘要
本發明公開了一種混凝土CT圖像三維重建的方法，首先用CT機對混凝土試樣進行斷層掃描；其次光線投影算法對混凝土CT圖像進行三維重建，得到骨料、砂漿、孔洞的真實圖像；最後利用可視化工具VTK對混凝土CT圖像進行三維立體重構。本發明的積極效果是實時性強、運算效率高、能清晰可靠的分辨骨料、砂漿及孔洞。三維重建結果得到了混凝土真實的細觀結構模型，可以與混凝土細觀數值模擬結果進行試驗比較，並校正數值分析模型。
文檔編號G06T17/00GK102609980SQ20121001595
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者黨發寧, 徐勝軍, 李昌華, 王宏波, 趙亮, 陳登峰 申請人:西安萬方工業自動化有限公司, 西安建築科技大學