[发明专利]混凝土CT图像三维重构方法

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土CT图像处理技术，尤其涉及一种根据对象的二维断层图像数据重构其三维图像的方法。

背景技术

混凝土是一种工程应用相当广泛的不均匀材料。由粗骨料、细骨料、水泥水化物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹等组成的非均质复介材料。研究各种空间尺度缺陷对混凝土材料的变形、破坏和稳定性所起的作用，或者作用的大小，是目前混凝土材料研究所面临的最深刻而又最艰难的课题之一。近些年X射线混凝土CT试验成为混凝土、岩石材料细观破裂过程的热点研究课题，X射线CT观察混凝土裂纹演化过程最大优点在于它的无损探测性能和较高分辨率。对于实验后的得到混凝土的CT图像数据分析，采用直接图像分析法。直接图像分析是指直接对混凝土受力后的结构变化通过图像分析。然而混凝土CT图像中的许多萌生细微裂纹都无法直接从图像中直接准确的判断是否存在；另外由于CT机的扫描原理，所得到混凝土CT图像只是横切面图片，对于混凝土体柱受力后图像分析，无法直接进行，要想通过二维断层图像认识真实物体，就必须完成从二维图像到三维图像的恢复工作，需要对混凝土CT图像进行三维重构。三维重建结果得到的混凝土真实的细观结构模型，可以与混凝土细观数值模拟结果进行试验比较，并校正数值分析模型。

体绘制算法用于完成三维结果图像的生成和显示。光线投影算法是最常用的以图像空间为序的典型直接体绘制算法。

利用光线投射法绘制出的图像质量很高、效果很好，但是此方法存在很大的问题，那就是处理的数据量比较大，对内存的要求比较高，由于要对每条光线进行重采样计算，所以绘制速度比较慢。如何进行算法的改进以加快绘制速度已经成为目前光线投射算法研究中最需要解决的问题，也是体绘制技术中最主要的研究方向。目前，人们最常用的加速技术主要从两个方面考虑：一方面从图像空间的相关性着手使发射出的光线数目尽量减少，另一方面从对象空间的相关性着手，省略灰度、梯度方向相同或相近体素的采样，从而使获得的采样点数目尽量减少。因此，提供一种在不影响绘制图像质量的情况下，从这两方面考虑对传统的光线投射算法进行改进，使绘制速度得到很大提高的方法成目前亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有光线投射算法中存在的问题和不足，本发明的目的在于提供一种混凝土图像重构方法，利用对象的二维断层图像数据重构其三维图像。运用三维重构可视化技术，对混凝土CT图像进行立体重构，真实反映出混凝土柱应力后结构的变化。为分析混凝土的裂纹扩展及破坏形态，揭示出混凝土材料的损伤破裂机理提供了一种重要的辅助分析手段和方法。

本发明的技术方案是：一种混凝土CT图像三维重构的方法，包括步骤如下：

1)采用医用CT或工业CT扫描混凝土试件断面，获得混凝土静力压缩CT二维断层图像数据；

2)运用三维重构可视化技术对混凝土静力压缩CT二维断层图像进行立体重构，生成混凝土CT三维显示图像；

3)对混凝土CT三维显示图像进行三维优化，最终完成混凝土CT图像三维重构。

本发明进一步的特征在于：

所述步骤2)中，运用三维重构可视化技术对混凝土CT二维断层图像进行立体重构，采用光线投影算法按照设定视线的方向，从混凝土静力压缩CT二维屏幕上的每个像素点出发，发出一条射线，沿着该射线按照一定的步长进行等距采样；对距离某个采样点最近的八个体素的属性值做三线性插值运算从而计算出，得到该采样点的属性值(颜色值和不透明度值)，对得到的每个采样点的属性值进行逐点合成，从而得到所对应的屏幕上该像素点的颜色值和不透明度值，最终生成混凝土CT三维显示图像。

上述对得到的每个采样点的属性值按照由后向前的图像合成和由前向后的图像合成的图像合成算法进行逐点合成。

所述步骤3)中，图像进行三维重建化过程包括下述步骤：

①数据预处理优化：使用包围盒技术对三维空间数据场进行裁剪，在平行光线的投影下，利用规则网格数据场特点，使用Graham方法实现用一个能把三维体数据场中的有用信息都包围起来的最小长方体包围盒，把目标体数据限定在其中；把包围盒投影到成像屏幕上，形成一个投影多边形；对所得到的最优投影多边形进行一次扫描转换实现投射光线的生成；

②投射光线体素化及重采样优化：通过图像空间坐标计算转换为物体空间坐标，接着在物体空间坐标系OXYZ中利用Bresenham方法推广到三维，对投射光线进行体素化和求交处理。

所述步骤①中，用Graham求解最小包围盒凸壳的算法过程如下：