工业CT三维可视化系统设计与实现

0　引言

射线无损检测技术是对大型工业器件进行缺陷和装配检测的强有力的工具,工业CT在无损检测中的应用有着独特的优越性,它适合于多种材料及构件缺陷的无损检测,特别是对于复杂结构的大型试件,当超声、射线、涡流这些常规检测技术受到限制时,更能体现工业CT的优点。工业CT图像与试件的材料、几何结构、组分及密度特性相对应,多幅二维的断层图像组合实际再现了三维物体,通过这些三维信息不仅能得到缺陷的位置、取向、形状及尺寸大小等信息,结合密度分析技术还可以确定缺陷的性质,使长期以来困扰无损检测人员的细微缺陷空间定位、深度定量及综合定性问题有了更直接的解决途径。在获得多个角度投影数据后,针对不同情况,采用不同的重建算法,得到被检部位横断层的影像。当我们想观察某些特殊结构成分了解某被检部位上下结构关系时,横断面影像还不能满足要求。更重要的是,某些缺陷无法从二维CT图像中检测出来。三维可视化技术正是解决这一问题的有效途径。科学可视化(Scientific Visualization),就是利用计算机自身的功能,借助计算机图形及其相关技术,通过图形、图像等形式,以交互方式帮助科技工作者控制、驾御科学计算的过程,并且更加直观、全面和深刻地洞察各类复杂数据。针对物体的不同特征提出不同的多平面重组方法,并对其进行多平面重组,从而获得矢状、冠状、斜面及曲线面的影像。并进一步采用交互可视化技术重建被检物体的三维实体模型,从而在三维空间中进行观测、检查、标记、测量等工作,使检测人员更加直观、全面和方便地检查海量CT数据,定位测量缺陷。因此,三维可视化系统的大型工业CT检测的重要组成部分,它的研究对于CT应用具有极重要的理论和现实意义。

1　工业CT三维可视化系统分析

1.1　系统的层次结构

核心支持层:可视化系统的核心,包括数据类型库、交互库、图形库、图像库、分析库、端口库等(图1)。是利用面向对象的设计思想,实现数据流图的基础,提供系统的底层实现。模块层:此层实现平台独立,是核心支持层与应用层的中介,提供封装后的各类模块,包括数据I/O、图像处理、可视化算法、交互式图形处理、相关领域算法(如数值分析、信号处理)等。通过模块库,可视化开发人员可利用可视化编程的思想和数据流图,以搭积木方式方便地构造可视化应用程序。

应用层:用户具体需求的实现层,针对特定应用,预编好数据流图,提供给用户二进制代码,满足用户对数据的可视化分析需求。

1.2　系统的运行机制

目前的计算机体系结构主要有两种:VanNeumann模型和数据流(Data Flow)模型,二者本质区别在于:Von Neuman模型是基于控制流,而Data Flow模型是基于数据流的。在基于数据流的可视化系统中,数据流机制被描述成一种结构[1]:将一个可视化应用程序划分成许多相互独立的计算模块,每个模块看作若干数据输入口和若干输出口的黑匣子,模块的功能是对数据作变换。各模块之间依靠数据流的传送来保持联系。这样整个应用系统可用模块之间的数据依赖关系图(数据流图)(图2)来表示。