基于VTK的混凝土CT图像可视化技术研究与实现

论文摘要

为了对混凝土非均质复合材料进行准确的力学特性研究,很多人已建立了随机骨料的数学模型,用于对混凝土的细观破坏机理进行研究和分析,虽然此方法建立起来的模型中骨料的形状和分布已越来越接近混凝土的真实结构,但是它们与真实混凝土试件仍有很大差别。所以,越来越多的研究学者希望能够通过更精确的方法反映混凝土的真实细观结构。本文提出运用科学计算可视化的方法,利用可视化工具包VTK完成对混凝土CT图像的三维重建工作,为正确分析混凝土的细观破坏机理和力学特性提供了更加有效、可靠的方法。本文首先对VTK类库进行了系统的介绍和研究,分析了VTK的各种对象模型、运行机制和体系结构,并深入探讨了体绘制技术的实现过程和原理,对几种常用的体绘制算法利用VTK进行了实现,并通过实验结果的比较对它们的性能进行了总结。其次对体绘制的经典算法——光线投射算法的原理及实现步骤进行了深入研究,并分析了其存在的问题,在此基础上提出了一种加速算法,该算法运用包围盒技术和平面簇求交算法对体数据和投射光线进行有效的剪裁,结合多边形扫描转换减少投射光线的数目,并利用自适应的采样方法避免对相同体素重复采样;实验结果证明,该算法在不影响图像质量的前提下极大的提高了图像的绘制速度。本文最后设计实现了一个DICOM格式混凝土CT图像可视化系统,并把改进的算法应用到系统的开发过程中。在本文中,针对每个功能模块给出了具体的设计和实现流程,由此来表明VTK在可视化开发中的特点和优势,并为VTK工具包更好的应用于可视化开发领域提供了实践基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 科学计算可视化应用领域
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文内容和各章节安排
• 2 混凝土图像的获取以及预处理
• 2.1 混凝土试验及图像的获取
• 2.2 DICOM3.0 标准
• 2.2.1 DICOM简介
• 2.2.2 DICOM标准的组成部分
• 2.2.3 DICOM文件结构
• 2.3 混凝土CT图像的预处理
• 2.3.1 混凝土CT图像的滤波
• 2.3.2 混凝土CT图像的锐化
• 2.3.3 图像其他增强技术
• 2.3.4 混凝土CT图像的预处理效果
• 3 可视化工具VTK及体绘制算法研究与实现
• 3.1 可视化工具VTK
• 3.1.1 VTK的功能分类
• 3.1.2 VTK的对象模型
• 3.1.3 VTK的绘制过程
• 3.2 直接体绘制技术
• 3.2.1 体绘制的基本原理和过程
• 3.2.2 体绘制实现的关键技术
• 3.2.3 典型体绘制算法
• 3.3 基于VTK的体绘制算法实现
• 3.3.1 光线投射算法的实现
• 3.3.2 二维纹理映射算法的实现
• 3.3.3 三维纹理映射算法的实现
• 3.3.4 实现结果比较和分析
• 3.4 本章小节
• 4 加速的光线投射算法研究与实现
• 4.1 光线投射算法中存在的问题
• 4.2 传统的光线投射算法
• 4.2.1 光线投射算法原理
• 4.2.2 数据预处理及分类
• 4.2.3 颜色赋值及不透明度赋值
• 4.2.4 重采样
• 4.2.5 图像合成
• 4.3 加速的光线投射算法
• 4.3.1 数据预处理优化
• 4.3.2 投射光线体素化及重采样优化
• 4.3.3 图像合成优化
• 4.3.4 加速算法过程实现
• 4.4 实验结果及分析
• 4.5 本章小节
• 5 混凝土CT图像可视化系统的实现
• 5.1 系统总体设计
• 5.1.1 系统需求分析
• 5.1.2 系统的总体架构
• 5.1.3 系统的开发环境
• 5.2 系统数据结构
• 5.3 系统各功能模块的设计和实现
• 5.3.1 文件输入模块
• 5.3.2 图像预处理模块
• 5.3.3 三维绘制模块
• 5.3.4 交互显示模块
• 5.3.5 三维显示模块
• 5.4 本章小节
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文情况