CN109147414B - 一种可用于射线dr成像检测的虚拟现实训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统及方法，以便获得射线DR成像检测技术的程序化运动，本发明可用于教学目的和职业目的。该系统包括射线检测环境场景、射线检测基本设备、射线检测工件、设备功能设计与实现、射线与工件求交、投影图像计算、虚拟现实训练系统集成和VR眼镜等，虚拟现实训练系统工程文件以Unity文件形式导入VR眼镜，通过佩戴VR眼镜进行真实体验与交互。本发明还提供了一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练方法。本发明与传统仿真软件相比，检测人员可以通过VR眼镜参与到检测过程的每一个环节中，如同身历其境一般，达到更好的模拟实践操作训练效果。
Description
技术领域
本发明属于射线数字成像检测技术领域，涉及一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统及方法。
背景技术
基于平板探测器的射线DR技术是目前最先进的射线检测技术，可以实现被检对象的数字化射线检测，具有广泛的用途。但它技术含量高，价格贵，操作复杂，对射线检测人员综合素质要求高，且射线对检测人员有害，行业内迫切需要对从事射线数字成像检测的人员进行实践操作培训。
传统的射线检测仿真软件具有操作培训的功能，但存在检测人员参与度不高等不足，检测人员无法参与到射线DR成像检测技术的操作全过程，缺乏身临其境的体验，即沉浸性和交互性，这需要发展一种新型的实践操作培训方法。VR技术能够通过计算机对现实中的对象进行实时模拟，为使用者呈现一个三维的虚拟空间。模拟训练一直是国内外军事与航天工业中的一个重要课题，如美国国防部高级研究计划局DARPA的SIMNET虚拟战场系统，医学工程上的虚拟手术等，通过VR技术进行各种模拟训练，尝试通过仿真训练来减少事故。
运用计算机模拟无损检测的现场环境，通过多种传感设备使检测人员“融入”到该检测环境中，实现检测人员与检测环境直接的自然的交互，让检测人员如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察、检测三维空间内的事物。利用该特性进行射线DR成像检测训练系统模拟，不仅可以方便检测人员在不进入DR检测环境的情况下进行DR检测模拟操作，提前进行操作实施，有效的减少了检测环节的意外发生，同时可在人员无法进入的封闭检测环境情况下模拟操作，设计有效的检测方案。
但是，目前国内外并无将虚拟现实技术与工业射线DR成像检测技术相结合的报道，针对于射线DR成像检测的训练也停留于传统的教学模式。由于设备、场地、经费等硬件的限制，利用真实的射线DR成像系统进行人员操作培训时间有限，并没有独立的检测训练系统的研究。
发明内容
本发明通过有机融合射线DR技术与虚拟现实技术，提供一种基于虚拟现实技术的射线DR成像检测训练系统及其操作方法，检测人员可以获得与真实实验一样的体会，能够更加有效地进行射线DR成像检测人员培训。
其技术方案如下：
一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统，包括射线检测环境场景、射线检测基本设备、射线检测工件10和VR眼镜30，射线检测环境场景包括射线机房1、铅防护门2、门锁系统3、铅防护门开关16、检测人员28；铅防护门2、门锁系统3、铅防护门开关16安装在射线机房1进出口墙壁上。射线检测基本设备包括射线机4、射线机机架5、冷却系统6、高压发生器7、电源系统8、机械夹具11、平板探测器12、平板探测器支架13、千兆网线和电源线14、控制线15、射线机控制台17、计算机27、高压电缆29；射线机4固定在射线机机架5上，能沿垂直方向移动，平板探测器12固定在平板探测器支架13上，与射线机4相对设置，能沿垂直方向移动；射线机4与高压发生器7由高压电缆29连接，高压发生器7与电源系统8由电线连接，射线机4与冷却系统6由管路连接，射线机4与射线机控制台17由控制线15连接；射线检测工件10由机械夹具11固定在射线机4与平板探测器12之间；平板探测器12与计算机27由千兆网线14连接。射线机4工作时发射出锥形射线束9，停止工作时锥形射线束消失，射线机4工作时检测人员28位于射线机房1外面。射线机控制台17包括管电压按键18、管电流按键19、曝光时间按键20、大/小焦点调节器21、射线机急停按钮22、绿色射线按键开23、红色射线按键关24、控制器钥匙25、曝光参数液晶显示屏26；管电压按键18、管电流按键19、曝光时间按键20、大/小焦点调节器21、射线机急停按钮22、绿色射线按键开23、红色射线按键关24、控制器钥匙25、曝光参数液晶显示屏26、橙色灯31安装在射线机控制台17合适位置。射线机控制台17与计算机27位于射线机房1的外面。
进一步，所述门锁系统正常工作时才能发射锥形射线束，当检测人员按下红色射线按键关或射线机急停按钮时，射线机立即停止工作。
进一步，所述平板探测器12为DR平板。
本发明所述可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练方法，包括以下步骤：
(1)一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统，包括射线检测环境场景、射线检测基本设备、射线检测工件、设备功能设计与实现、射线与工件求交、投影图像计算、虚拟现实训练系统集成和VR眼镜等，虚拟现实训练系统工程文件以Unity文件形式导入VR眼镜，通过佩戴VR眼镜进行真实体验与交互；
(2)按射线检测实验室场景1：1比例，在Unity3D引擎平台中进行射线检测场景三维建模，然后进行材质渲染，复原射线机房场景；
(3)参照射线检测实验室基本设备实物，按1:1的比例进行X射线机、平板探测器、机械夹具和控制台等基本设备模型的三维建模，并渲染贴图，使其外观与实物保持一致；在所有基本设备模型建模完成后，将所有基本设备模型文件作为组件导入Unity3D引擎平台创建的射线检测场景中，调整组件位置；
(4)参照射线检测工件实物，按1:1的比例进行工件的三维建模，模型文件存储为STL格式，文件保存地址为指定路径；
(5)在Unity3D平台编写C#代码，依次实现射线机房防护门的开关、检测工件的抓取与布置、控制台曝光参数输入、锥形射线束模拟等功能；当控制台所有参数设置完毕，点击“开启射线”按钮，将触发射线机开始工作，发射锥形射线束，射线穿过工件到达平板探测器，将平板探测器离散化为m×m个单元，单元尺寸设置为a(单位：mm)；
(6)连接射线源中心和每一个探测器单元的中心，生成射线l，根据投影几何关系和射线强度衰减原理，计算射线l与STL格式工件模型的交点，分析射线l穿透工件模型产生交点的情况，得到射线l在工件内的实际穿透长度，给定工件材质和射线能量，计算不同工件材质在不同射线能量下的线衰减系数，根据线衰减系数和射线穿透厚度计算当前射线的强度衰减值；
(7)重复(6)，直到所有探测器单元的射线强度衰减值全部计算完毕；将m×m个射线强度衰减值重组，映射生成DR图像；
(8)将上述工作集成到Unity3D引擎中，在Unity3D引擎中的射线机房场景模型内回调求交点算法，获取射线检测工件当前位置的DR图像，调试完成；
(9)将工程文件以Unity文件形式导入Hololens眼镜，进行真实体验和交互。
进一步，步骤(6)中所述工件材质为密度、元素组成和质量百分比。
进一步，步骤(6)中根据所述产生交点的情况确定是否含有缺陷或空腔：
(a)如果没有交点时，则射线没有穿过工件；
(b)如果只有一个交点，则射线恰好穿过工件的某一边缘位置；
(c)如果有两个交点，则射线恰好穿过工件的上、下表面，没有内部缺陷；
(d)如果有两个以上的交点，则判断工件内部存在缺陷或空腔。
进一步，步骤(6)中所述射线l为根据射线源中心和每一个探测器单元的中心连成的线段。
进一步，步骤(6)中所述STL格式工件模型为有限多个空间三角形组成，每一个空间三角形由三个顶点坐标构成，每一个空间三角形顶点坐标数据为一行数据。
进一步，步骤(6)中所述射线l与STL格式工件模型的交点为依次计算射线l与每一个空间三角形的交点集合。
本发明的有益效果：
本发明与传统仿真软件相比，虚拟现实训练系统必要的组件除VR眼镜、内嵌虚拟现实训练软件外全部只存在于虚拟空间中，射线DR成像检测训练过程必须通过VR眼镜实施，检测人员通过VR眼镜参与到检测过程的每一个环节中，如同身历其境一般，达到更好的模拟实践操作训练效果。
附图说明
图1为本发明可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统的结构示意图；
图2为DR图像计算流程图。
在图中，1、射线机房，2、铅防护门，3、门锁系统，4、射线机，5、射线机机架，6、冷却系统，7、高压发生器，8、电源系统，9、锥形射线束，10、射线检测工件，11、机械夹具，12、平板探测器，13、平板探测器支架，14、千兆网线和电源线，15、控制线，16、铅防护门开关，17、射线机控制台，18、管电压按键，19、管电流按键，20、曝光时间按键，21、大/小焦点调节器，22、射线机急停按钮，23、绿色射线按键开，24、红色射线按键关，25、控制器钥匙，26、曝光参数液晶显示屏，27、计算机，28、检测人员，29、高压电缆，30、VR眼镜，31、橙色灯。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
(1)如图1所示，可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统包括射线检测环境场景、射线检测基本设备、射线检测工件10、设备功能设计与实现、射线束与工件求交、DR图像计算、控制系统和VR眼镜30。射线检测环境场景包括射线机房1、铅防护门2、门锁系统3、铅防护门开关16、检测人员28。基本设备包括射线机4、射线机机架5、冷却系统6、高压发生器7、电源系统8、机械夹具11、平板探测器12、平板探测器支架13、千兆网线和电源线14、控制线15、射线机控制台17、计算机27、高压电缆29。
(2)根据射线检测实验室场景，按1：1比例直接在Unity3D引擎平台中进行检测场景三维建模，然后对检测场景进行材质渲染，复原射线机房场景。
(3)参照射线检测实验室基本设备实物，利用3Dmax三维建模软件按1:1的比例进行射线机4、平板探测器12、机械夹具11和射线机控制台17等基本设备模型的三维建模，射线机4按圆柱体建模，平板探测器12按单元尺寸200μm×200μm，成像矩阵1024×1024建模，射线机控制台按功能按键和液晶显示屏建模。基本设备模型建模结束后渲染贴图，使其外观与实物保持一致。将所有基本设备模型文件导出为FBX格式并保存在Unity3D引擎平台创建的检测场景工程文件夹下的Assets文件夹中，作为Assets导入Unity3D中搭建的检测场景内，按照现实中的对象位置设置设备模型坐标来调整摆放位置。
(4)参照射线检测工件实物，按1:1的比例进行工件的三维建模，模型文件存储为STL格式。
(5)在Unity3D平台编写C#代码，依次实现以下功能。检测人员进入射线机工作室前按下铅防护门上的铅防护门开关16，按“开门”按钮，即可打开射线防护铅门；按“关门”按钮，即可关闭防护铅门；检测人员28抓取射线检测工件10，并行走到机械夹具11前安装工件，进行透照布置，通过将三角形顶点沿设置的球坐标旋转实现STL格式模型的任意旋转；在射线机控制台17上大/小焦点调节器设置焦点尺寸调节功能按键，同时设置管电压按键18、管电流按键19、曝光时间按键20等曝光参数输入按键；当射线机控制台所有参数设置完毕，点击射线按键“开”，将触发射线机4开始工作，发射锥角为40度的锥形射线束9，射线穿过工件到达平板探测器12，射线发射过程中射线机控制台橙色灯31常亮橙光并闪烁直至曝光时间结束。
(6)将平板探测器离散化为m×m个单元，单元尺寸设置为a(单位：mm)。
(7)连接射线源中心和每一个探测器单元的中心，根据中心坐标确定射线l，读取检测工件模型STL格式文件，获取所有三角形顶点信息，循环计算射线l与每一个三角形的交点，并验证交点是否在三角形内部。根据产生交点个数确定是否含有缺陷或空腔。
(a)如果没有交点时，则射线没有穿过工件；
(b)如果只有一个交点，则射线恰好穿过工件的某一边缘位置；
(c)如果有两个交点，则射线恰好穿过工件的上、下表面，没有内部缺陷；
(d)如果有两个以上的交点，则判断工件内部存在缺陷或空腔。
(8)对同一条射线l，收集所有在三角形内部的交点，对交点按x轴负方向坐标进行排序。当交点个数<2时，射线穿透长度T＝0；当交点个数≥2时，依次得到射线束l在工件内的分段穿透长度，根据不同工件材质在不同射线能量下的线衰减系数，按下式计算当前射线束的射线强度衰减值I。
(9)重复(7)－(8)，直到所有探测器单元的射线强度衰减值全部计算完毕。将m×m个射线强度衰减值组合成矩阵排列，根据线性映射生成DR图像。
(10)将上述工作集成到Unity3D引擎中，在Unity3D引擎中的射线机房场景模型内回调求交点算法，获取当前位置的DR图像，调试完成。
(11)调试完毕，将工程文件以Unity文件形式导入Hololens眼镜，进行真实体验和交互。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统，其特征在于：包括射线检测环境场景、射线检测基本设备、射线检测工件和VR眼镜；射线检测环境场景包括射线机房、铅防护门、门锁系统、铅防护门开关、检测人员，铅防护门、门锁系统、铅防护门开关安装在射线机房进出口墙壁上；射线检测基本设备包括射线机、射线机机架、冷却系统、高压发生器、电源系统、机械夹具、平板探测器、平板探测器支架、千兆网线和电源线、控制线、射线机控制台、计算机、高压电缆，射线机固定在射线机机架上，能沿垂直方向移动，平板探测器固定在平板探测器支架上，与射线机相对设置，能沿垂直方向移动；射线机与高压发生器由高压电缆连接，高压发生器与电源系统由电线连接，射线机与冷却系统由管路连接，射线机与射线控制台由控制线连接；射线检测工件由机械夹具固定在射线机与平板探测器的合适位置；平板探测器与计算机由千兆网线连接；射线机工作时发射出锥形射线束，停止工作时锥形射线束消失，射线机工作时检测人员位于射线机房外面；射线机控制台包括管电压按键、管电流按键、曝光时间按键、大/小焦点调节器、射线机急停按钮、绿色射线按键开、红色射线按键关、控制器钥匙、曝光参数液晶显示屏；管电压按键、管电流按键、曝光时间按键、大/小焦点调节器、射线机急停按钮、绿色射线按键开、红色射线按键关、控制器钥匙、曝光参数液晶显示屏安装在射线机控制台合适位置；射线机控制台与计算机位于射线机房的外面；虚拟现实训练系统组件除VR眼镜、内嵌虚拟现实训练软件外全部只存在于虚拟空间中。
2.根据权利要求1所述的可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统，其特征在于：所述门锁系统正常工作时才能发射锥形射线束，当检测人员按下红色射线按键关或射线机急停按钮时，射线机立即停止工作；所述平板探测器为影像增强器或DR平板。
3.一种如权利要求1所述的可用于虚拟现实训练系统的虚拟现实训练方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)一种可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练系统，包括射线检测环境场景、射线检测基本设备、射线检测工件、设备功能设计与实现、射线与工件求交、投影图像计算、虚拟现实训练系统集成和VR眼镜等，虚拟现实训练系统工程文件以Unity文件形式导入VR眼镜，通过佩戴VR眼镜进行真实体验与交互；
(2)按射线检测实验室场景1：1比例，在Unity3D引擎平台中进行射线检测场景三维建模，然后进行材质渲染，复原射线机房场景；
(3)参照射线检测实验室基本设备实物，按1:1的比例进行X射线机、平板探测器、机械夹具和控制台等基本设备模型的三维建模，并渲染贴图，使其外观与实物保持一致；在所有基本设备模型建模完成后，将所有基本设备模型文件作为组件导入Unity3D引擎平台创建的射线检测场景中，调整组件位置；
(4)参照射线检测工件实物，按1:1的比例进行工件的三维建模，模型文件存储为STL格式，文件保存地址为指定路径；
(5)在Unity3D平台编写C#代码，依次实现射线机房防护门的开关、检测工件的抓取与布置、控制台曝光参数输入、锥形射线束模拟等功能；当控制台所有参数设置完毕，点击“开启射线”按钮，将触发射线机开始工作，发射锥形射线束，射线穿过工件到达平板探测器，将平板探测器离散化为m×m个单元，单元尺寸设置为a(单位：mm)；
(6)连接射线源中心和每一个探测器单元的中心，生成射线l，根据投影几何关系和射线强度衰减原理，计算射线l与STL格式工件模型的交点，分析射线l穿透工件模型产生交点的情况，得到射线l在工件内的实际穿透长度，给定工件材质和射线能量，计算不同工件材质在不同射线能量下的线衰减系数，根据线衰减系数和射线穿透厚度计算当前射线的强度衰减值；
(7)重复(6)，直到所有探测器单元的射线强度衰减值全部计算完毕；将m×m个射线强度衰减值重组，映射生成DR图像；
(8)将上述工作集成到Unity3D引擎中，在Unity3D引擎中的射线机房场景模型内回调求交点算法，获取射线检测工件当前位置的DR图像，调试完成；
(9)将工程文件以Unity文件形式导入Hololens眼镜，进行真实体验和交互。
4.根据权利要求3所述可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练方法，其特征在于：步骤(6)中所述工件材质为密度、元素组成和质量百分比。
5.根据权利要求3所述可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练方法，其特征在于：步骤(6)中根据所述产生交点的情况确定是否含有缺陷或空腔：
(a)如果没有交点时，则射线没有穿过工件；
(b)如果只有一个交点，则射线恰好穿过工件的某一边缘位置；
(c)如果有两个交点，则射线恰好穿过工件的上、下表面，没有内部缺陷；
(d)如果有两个以上的交点，则判断工件内部存在缺陷或空腔。
6.根据权利要求3所述可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练方法，其特征在于：所述射线机控制台控制射线检测曝光参数和所述射线机发射锥形射线束，所述锥形射线束穿过射线检测工件后到达平板探测器，经由平板探测器成像，成像结果显示在VR眼镜所见虚拟空间中。
7.根据权利要求3所述可用于射线DR成像检测的虚拟现实训练方法，其特征在于：上述虚拟现实训练系统工作时，由训练人员佩戴VR眼镜，训练人员的视野由检测人员的视角提供，所有训练在虚拟空间进行。
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