CN105809732B - 一种管道ct图像的体绘制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种管道CT图像的体绘制方法，属于CT扫描技术领域。该方法包括以下步骤：1)读入管道CT图像数据并进行去噪滤波处理；2)搜索管道的中心轴线，获得中心轴线离散点的三维坐标；3)等距离选取中心轴上的点并且作为投射光线起点，计算星形的平面法向；4)指定星形平面内光线的角度间隔、光线投射的长度和光线采样的步距；5)对每一根投射光线，采用由前向后的颜色合成公式进行颜色合成，并获得一个像素点的颜色；6)所有像素点颜色组成最终的绘制图像。本发明提出的管道CT图像的体绘制方法特别适合管道或带内腔的工件，能够更清晰更直观地显示工件内部缺陷，给进一步的分析和测量带来了便利。
Description
技术领域
本发明属于CT扫描技术领域，涉及一种管道CT图像的体绘制方法。
背景技术
管道类零部件经过工业CT扫描后可以检测其内部是否有缺陷，管道的三维CT图像经过可视化方法可以显示三维效果图。可视化方法可分为两类：面绘制和直接体绘制；面绘制需要从三维CT图像中构造出几何图元再显示；体绘制直接将三维CT图像按照一定的计算规则转换为可视化效果图显示出来，不必生成的中间几何图元，因此显示细节更多、效果更佳。
体绘制一般分为两类：以图像为序的有光线投射法(ray casting)(参见MLevoy.Display of surfaces from volume data.IEEE Computer Graphics andApplications,1988,8(5):29-37)，以物体为序的有足迹表法(splatting)(参见LWestover.Footprint evaluation for volume rendering.In Computer Graphics,SIGGRAPH 90,Dallas,1990:367-376)，错切形变法(shear-warp)(参见P Lacroute,MLevoy.Fast volume rendering using a shear-warp factorization to the viewingtransform.In Computer Graphics,SIGGRAPH 94,Orlando,1994:451-457)等。其中M.Levoy提出的光线投射算法运用最广，通过设置体素(voxel)的透明度和材质颜色，可以看到扫描对象内部的结构和缺陷的具体位置。
在光线投射法基础上，研究人员又根据实际对象提出了新的方法，如发明申请公布号为CNIO3559733A的中国发明专利提供了一种支持三维体数据内部视点漫游的球面体绘制方法。该方法采用球面坐标表达构造三维体数据的球形代理几何何并以之作为载体,构造三维体纹理，然后进行在光线投射成像。该方法体绘制的对象是球形代理几何，不适合管道的体绘制。发明申请公布号为CNIO3021019A的中国发明专利提供了一种基于膝关节CT图像的高逼真度模型体绘制方法，包括对原始膝关节CT图像进行预处理，采用光线投影法完成对膝关节CT图像的三维可视化，此发明适用于膝关节CT图像三维模型，不适合管道的体绘制。对管道采用光线投射体绘制时，前后管道壁会相互重叠、颜色混合，影响检测人员对管道质量做出正确的判断，同时对管道结构的精确测量带来一定的困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种管道CT图像的体绘制方法，该方法将光线的起点设在管道中心轴线上，产生一种星形的体绘制方法，该方法可以清晰直观地显示管道壁的内部缺陷，方便实用效果好。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种管道CT图像的体绘制方法，在该方法中，采用了用于发射射线的射线源、用于接收光源的线阵探测器和用于承载待测工件的扫描转台，该方法具体包括以下步骤：
S1：读入管道CT图像数据并进行去噪滤波处理；
S2：搜索管道的中心轴线，获得中心轴线离散点的三维坐标；
S3：等距离选取中心轴线上的点并且作为投射光线起点，产生一种星形的光线投射。
进一步，所述步骤S3具体包括：
S31：采用光线吸收和发射模型来合成采样路线上的颜色，从一个投射中心轴出发以星形的方式投射光线；
S32：星形光线投射的光线起点是投射中心轴，它是一条线段，所有的投射光线都垂直于中心轴；把垂直于投射中心轴平面称为星形平面，在同一星形平面内的所有光线方向是等角地均匀地分布在圆周内；
S33：每根投射光线在投射之后都可以得到一个图像像素点信息；投射中心轴上一点发出的射线，绕中心轴一圈可以得到一组投影射线，每根光线采用由前向后的颜色合成，之后可以得到一行图像像素信息；通过如下公式可以把星形投射结果存储成一幅二维图像：
其中s是中心轴上的投射点到中心轴起点的距离；θ∈[0,2π]是活动投射光线与星形平面内起始投射光线的夹角；
S34：由前向后的颜色合成的过程如下：将射线上各种采样点的颜色值及不透明度值合成在一起，得到图像；设第i个体元的颜色值为Ci，不透明度为αi，进入第i个体元前的合成颜色值为Si，不透明度为，经过第i个体元后合成颜色值为Si+1，不透明度为，则有
在颜色合成过程中，不透明度α逐步增大；当接近于1时，后面的体元不会再对该投射光线点的最终颜色有太多的贡献，可以停止计算，这样就可以加快颜色的合成。
本发明的有益效果在于：本发明的优点在于星形光线投射能够充分展示圆柱形工件的缺陷和结构特征；如果用户改变起始投射光线，将生成循环平移的图像，类似于圆柱形图像纵向分割再平铺的效果。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明体绘制方法的流程框图；
图2为本发明三维星形光线投射示意图；
图3为本发明平面内星形光线投射示意图；
图4为本发明实施例的管道CT连续断层图像；
图5为本发明实施例的坐标系示意图；
图6为实施例中管道CT图像经过本发明所述方法绘制后的结果图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明体绘制方法的流程框图，如图所示，本发明提供的管道CT图像的体绘制方法包括以下步骤：
S1：读入管道CT图像数据并进行去噪滤波处理；
S2：搜索管道的中心轴线，获得中心轴线离散点的三维坐标；如图2所示，管道中心的虚线就是管道的中心轴线；
S3：等距离选取中心轴线上的点并且作为投射光线起点，产生一种星形的光线投射。
其中，所述步骤S3具体包括：
S31：采用光线吸收和发射模型来合成采样路线上的颜色，从一个投射中心轴出发以星形的方式投射光线；
S32：星形光线投射的光线起点是投射中心轴，它是一条线段，所有的投射光线都垂直于中心轴；把垂直于投射中心轴平面称为星形平面，在同一星形平面内的所有光线方向是等角地均匀地分布在圆周内；图3所示为一个平面内的星形光线投射，投射光线的起点在管道中心，终点在管道外部；
S33：每根投射光线在投射之后都可以得到一个图像像素点信息；投射中心轴上一点发出的射线，绕中心轴一圈可以得到一组投影射线，每根光线采用由前向后的颜色合成，之后可以得到一行图像像素信息；通过如下公式可以把星形投射结果存储成一幅二维图像：
其中s是中心轴上的投射点到中心轴起点的距离；θ∈[0,2π]是活动投射光线与星形平面内起始投射光线的夹角；
S34：由前向后的颜色合成的过程如下：将射线上各种采样点的颜色值及不透明度值合成在一起，得到图像；设第i个体元的颜色值为Ci，不透明度为αi，进入第i个体元前的合成颜色值为Si，不透明度为经过第i个体元后合成颜色值为Si+1，不透明度为则有
在颜色合成过程中，不透明度α逐步增大；当接近于1时，后面的体元不会再对该投射光线点的最终颜色有太多的贡献，可以停止计算，这样就可以加快颜色的合成。
星形光线投射能够将管道进行分割展开显示，更直观地显示管道壁上的缺陷信息。具体的实施实例如下：
选取一个圆形钢材质的管道工件，采用6MeV电子直线加速器工业CT对管道进行连续断层CT扫描，视场直径为400mm，扫描分度数为1024，采样时间为0.035s，CT层距为5mm，准直器宽度为0.4mm，重建后获得管道的连续断层图像，重建图像大小为760×760，一共有65层图像，如图4所示。星形光线投射需要确定投射光线的几何参数，参数的求取和图像绘制步骤如下：
步骤一：求投射中心轴的坐标：
星形光线投射需要确定星形的中心轴，所有的光线都从中心轴发出。工业CT扫描重建的图像构成规则三维数据场，根据体素存储位置可以确定三维坐标Oxyz，管道中心轴不一定垂直数据场坐标轴，那么投射中心轴就需要两个坐标点来确定，如图5所示，直线p1p2不与任何一个轴平行。设p1p2坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，则其直线方程为：
直线的方向矢量也就确定了，为(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，设p1p2上有N层星形平面，p1为中心线段起始点，则相邻两层星形平面投射光线起点pipi+1形成的矢量为(x2-x1,y2-y1,z2-z1)/N，可求出中心轴上第i层投射光线起点的坐标
pi＝p1+i×(x2-x1,y2-y1,z2-z1)/N
步骤二：确定光线路径长度：
光线的终点可以交互设定，如果设置一个固定值，那么重采样的数量都一致。也可以设置默认状态，比如若光线穿出了数据场或者透明度小于预设的阈值，则停止重采样。由于每条光线的长度可能不一样，重采样数也就不一样。
步骤三：星形平面与星形角：
不论中心轴的位置如何，星形平面是始终垂直于中心轴的平面，星形平面内的光线均匀分布在圆周上，星形平面确定后，投射光线的发射点就随之确定；但是要确定发射方向还需要给定光线的星形角，星形角是在星形平面内某一条光线与起始光线的夹角，如图5所示，假设l0是起始光线，l1与l0的夹角为Δθ，我们就说l1的星形角为Δθ。由于圆周没有天然的边界射线，因此起始光线可以自由设定，一般情况把x轴方向的光线作为起始投射光线。起始星形角为0，终止星形角为一个圆周弧度，即2π；但是也可以小于2π，这种情况下观察的目标范围只是局部，但可以减少绘制的时间。
步骤四：投射光线的间距：
在平面光线投射算法中，需要设置数据场在三个方向上相邻两层的间距，cx，cy，cz(单位是像素)；改变层间距会使工件产生伸缩的效果。星形光线投射算法同样可以设置数据场层间距。同时将中心轴光栅化得到N个点，相邻点的间距为一个像素。星形角也需要离散化，设起始角度θ0，星形角以Δθ等间隔分布，则第i条光线的角度为
θi＝θ0+i×Δθ
设终止角度为θm，一层星形平面的光线条数为m，则它们之间的关系可由公式M＝(θm-θ0)/Δθ确定，渲染一帧之后图像的尺寸为N×M。
步骤五：得到一条光线上的采样点坐标后，通过三线性插值，求取采样点的灰度值，然后通过颜色合成公式，获取绘制颜色。图6是图4管道CT图像经过本发明绘制后的结果，深颜色部分是管道的缺陷。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (1)
1.一种管道CT图像的体绘制方法，其特征在于：在该方法中，采用了用于发射射线的射线源、用于接收光源的线阵探测器和用于承载待测工件的扫描转台，该方法具体包括以下步骤：
S1：读入管道CT图像数据并进行去噪滤波处理；
S2：搜索管道的中心轴线，获得中心轴线离散点的三维坐标；
S3：等距离选取中心轴线上的点作为视点，在每个视点建立极坐标系，每个视点作为投射光线起点，产生一种星形的光线投射；
所述步骤S3具体包括：
S31：采用光线吸收和发射模型来合成采样路线上的颜色，从一个投射中心轴出发以星形的方式投射光线；
S32：星形光线投射的光线起点是投射中心轴，它是一条线段，所有的投射光线都垂直于中心轴；把垂直于投射中心轴平面称为星形平面，在同一星形平面内的所有光线方向是等角地均匀地分布在圆周内；
S33：每根投射光线在投射之后都可以得到一个图像像素点信息；投射中心轴上一点发出的射线，绕中心轴一圈可以得到一组投影射线，每根光线采用由前向后的颜色合成，之后可以得到一行图像像素信息；通过如下公式可以把星形投射结果存储成一幅二维图像：
其中s是中心轴上的投射点到中心轴起点的距离；θ∈[0,2π]是活动投射光线与星形平面内起始投射光线的夹角；
S34：由前向后的颜色合成的过程如下：将射线上各种采样点的颜色值及不透明度值合成在一起，得到图像；设第i个体元的颜色值为Ci，不透明度为αi，进入第i个体元前的合成颜色值为Si，不透明度为经过第i个体元后合成颜色值为Si+1，不透明度为则有
在颜色合成过程中，不透明度α逐步增大；当接近于1时，后面的体元不会再对该射线上采样点的最终颜色有太多的贡献，停止计算，这样就可以加快颜色的合成。
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