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工业CT断层图像重建及三维可视化技术

唐瑜  
【摘要】:工业CT(Industrial Computerized Tomography),是用于工业方面的计算机断层图像重建技术的简称,是结合计算机射线学而产生的科学成像技术,于二十世纪八十年代初期迅速崛起,并在工业无损检测领域(Nondestructive Testing, NDT)中得到了广泛地应用。工业CT技术能够利用X或γ射线的穿透性,在不破坏样品工件形状和结构的情况下,获得该工件的内部结构和信息,工业CT断层图像重建的三维可视化技术,能够真实地展现被测物体的三维结构,通过对这些图像的分析,不但可以得到二维切片中缺陷的相关信息,还可以获取该缺陷在三维空间中的具体位置和分布情况,进而对该缺陷进行相应地工业处理。 本论文首先阐述了工业CT技术的基本原理,然后讨论了CT重建中的几种经典的算法。CT重建算法主要分为解析法和迭代法两类。解析法是通过傅里叶变换和傅里叶切片定理来实现的,是重建领域中应用最为广泛的算法之一,滤波反投影重建算法(Filter Back Projection, FBP)是解析法中最经典的算法,它具有重建速度快和计算复杂性低的优点,但是由于该方法的理想性,而投影数据中又有着明显的噪声特性,使得重建的图像分辨率低,影响了重建的效果。迭代法分为代数重建法和统计迭代法。代数重建法本质上与解析法类似,都是由Radon变换推导出来的。统计迭代法主要建立在统计模型的基础上,依据优化准则对重建图像进行修正。 在工业CIT断层图像的重建过程中,由于设备和操作的影响,产生的投影数据中不可避免的会存在一些噪声,导致重建后图像的质量变差。针对上述问题,本论文在偏微分方程的基础上,提出了一种改进的投影域降噪算法。该算法利用图像的3×3邻域中局部熵可以用来描述邻域内灰度值分布的局部特征,在偏微分模型中引入图像局部熵的概念,并用改进的各向异性扩散模型对投影域进行降噪。实验的仿真结果表明,新的算法能够在提高重建图像信噪比的同时更好地保持图像的细节和边缘信息。 接下来描述了工业CT断层图像三维可视化过程中的面绘制方法和体绘制方法,比较了两种方法的优缺点,并对面绘制方法中最具有代表性的移动立方体(Marching Cubes, MC)算法的原理和实现过程进行了详细的说明。针对MC算法中vtkMarchingCubes类只能从体数据中提取等值面的问题,编写vtkMarchingCubesSpace类,并在该类中实现了从二维断层图像数据中提取等值面并进行表面绘制的算法,扩展了VTK的类库,并为以后三维可视化的实现提供了便利的条件。 最后,本论文以上述研究为基础,在PC上,采用VTK的软件开发包,以Visual Studio2008作为编程平台,开发实现了工业CT断层图像重建及其三维可视化的系统。该系统完成了三维体数据场的输入、二维工业CT断层图像的显示和基本的数字图像处理,实现了面绘制、体绘制以及虚拟切割等功能,并对绘制后的图像进行了逼真的显示,对显示的图像进行了旋转、平移、放大缩小等交互式的操作。


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1 唐瑜;工业CT断层图像重建及三维可视化技术[D];中北大学;2014年
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