大型工业CT中的三维显示与交互检查技术

0　引言

大型工业CT检测设备是当前各国高科技领域竞争迫切需要的尖端检测设备,被广泛用于检查大型发动机、浇铸件、复合材料结构、监测老化情况、检查集装箱防止走私等领域。目前采用射线进行无损检测,具有代表性的两种技术是数字扫描实时成像技术(DigitalRadiography,简称DR)和计算机断层成像技术(Computed Tomography,简称CT)。

数字扫描实时成像技术目前已经广泛的应用于各种扫描式数字辐射成像检测系统中,在机场、车站、码头的货物检查中发挥了很大的作用。我国也在八五期间研制成功大型集装箱检测系统,目前已经完成了产业化并开始了实际的应用。计算机断层成像技术则比数字扫描实时成像成像技术更复杂。其原理是通过物体的多个投影数据,经过计算机重建处理(如卷积反投影)后,得到物体的横断面图像。用该方法可获取物体各个断层的细节,并可由各个层面的数据进行三维重建,得到物体的三维立体图像。

实现图像重建和图像显示的运行检查分系统是工业CT系统的重要组成部分,其功能是完成对获取的扫描数据进行预处理和重建扫描数据图像,并实现对重建数据的二维和三维显示。其关键技术是对超大投影数据的图像重建,以及对超大体数据的三维显示。在理论和实践上正确处理此技术难点,有很强的挑战性。由投影重建得到的体数据进行三维显示涉及到多个学科的研究领域,需要科学计算可视化、计算机图像处理、计算机图形学、计算机视觉、人机交互技术、模式识别、计算数学等多个技术领域的密切结合,其最终目的是将工业CT检测数据通过图形、图像等方式直观自然的显示出来,并在此基础上完成对裂纹、气孔和夹杂等缺陷的检查,以及对内部物体的厚度和密度的参数测量和工件的装配间隙和密封件的压缩量的测量。

1　三维重建和数据显示的方法和评价

具有一定分辨率的工业CT三维数据(体数据)是一个分布在三维规则网格中的标量数据场。对这类数据的三维显示,计算机的计算性能和图形显示性能始终是一个关键的制约因素。尽管计算机硬件的计算速度、存储技术、图形加速设备在飞速的发展,但是对于如此巨大的体数据,三维显示的绘制速度依然难如人意,要实现交互性操作更是困难。而随着工业CT成像分辨率不断提高,体数据成几何级数的增长,对三维显示的计算速度提出更高的要求。在三维可视化方法研究中,为了能够在现有的硬件基础上,依据应用的具体要求,在绘制图像质量和绘制速度间寻找可行的优化方案,发展形成了两类主要的三维显示算法。

1.1　基于等值面的体绘制

第一类算法是先在三维体数据中构造出中间几何图元(三角面片),然后利用传统图形学技术实现图像的绘制,称为表面体绘制,又称间接体绘制。面绘制方法的处理过程一般为:1)对体数据中需要显示的表面进行分割;2)计算构造等值面,获得面片点数据和法线数据;3)通过光照、明暗处理、纹理影射等图形学算法显示具有真实感的图像。