体可视化论文

体可视化论文（精选3篇）

体可视化论文 篇1

随着计算机断层图像 (CT) 、核磁共振成像 (MRI) 、核磁共振血管造影 (MRA) 等医学成像技术的产生和发展, 特别是随着计算机技术的发展, 医学体数据可视化已从辅助诊断发展为辅助治疗的重要手段[1], 在临床中发挥着越来越重要的作用。医学体数据可视化是运用计算机图形学和图像处理技术, 将从CT、MRI等医学影像设备中获取的人体及其器官的断层二维序列或三维数据, 在三维空间上生成三维图像, 并进行定性和定量分析, 能够为医师提供一个直观、精确的模型[2], 基于获得的模型, 有利于确定病灶及其周围组织器官的形状和空间分布, 给医师提供数据支撑, 为医学诊断和治疗提供准确、可靠、安全的解决途径。可视化获得的三维图像由于其丰富的信息和直观逼真的视觉效果, 在临床诊断、治疗和医学研究中具有极大的应用价值[3]。

实现可视化的关键是医学图像的三维重建[4]。三维医学图像重建技术是从二维图像中获取三维图像的结构信息, 提供具有真实感的三维图形[5]。医学图像三维重建的方法有面绘制 (Surface Rendering) 和体绘制 (Volume Rendering) 。面绘制能够有效地绘制三维物体的表面, 但是缺乏内部信息的表达, 限制了肺部图像可视化的在交互操作、图形引导手术 (IGS) 等领域的应用, 与面绘制相比较, 体绘制是直接进行绘制, 有利于保留医学提数据的细节信息, 对整体的绘制效果进行了增强。本文针对面绘制方法获取内部信息效果差的缺点, 采用体绘制方法, 利用美国Kitware公司开发的 (VTK) 工具包对人体肺部CT图像进行可视化三维重建, 重建后的结果图像比较逼真的表现了重现组织, 可以作为临床辅助诊断和治疗的依据。

1 VTK三维可视化运作原理

VTK是美国Kitware公司在三维函数库Open GL的基础上利用面向对象技术, 设计和实现的可视化开发库, 现在已经广泛用于三维计算机图形学、图像处理和可视化等领域[6], 它将一些常用的算法封装成类的形式供开发者使用 (如Marching Cube算法、光线投射法等) 。图形模型[7]和可视化模型[7]是构成VTK的两个对象模型。可视化模型利用了数据流 (Data Flow) 方法, 将各个模块连接成一个流动的可视化网格 (Visualization Network) , 形成流水线管道 (Pipe Line) , VTK基于流水线管道机制来对可视化对象进行处理, 实现了数据和算法的分离, 运行原理如图1所示。从数据源获得的数据进入管道流之后, VTK用结构化点集 (Structured Points) 、线性网格 (Rectilinear Grid) 、结构化网格 (Structured Grid) 、非结构化网格 (Unstructured Grid) 、多边形体数据 (Polygonal Data) 五种数据结构对其进行表示, 然后通过管道过滤器来操作和变换数据, 最后通过映射器将处理完后的数据转换成可被显示的几何对象。见图1。

2 VTK中的体绘制方法

VTK在医学可视化处理CT、MRI扫描数据方面具有强大的功能, 它封装了一些常用的可视化算法, 如面绘制中常用的MC (Marching Cubes) 算法和体绘制中常用的光线投射 (Ray Casting) 算法。VTK提供了三种体绘制技术, 除了光线投射法外, 还有二位纹理映射和基于Volume Pro硬件辅助的体绘制。光线投射法基于图像空间扫描, 能够生产高质量的图像, 基本思想是从屏幕上的像素出发, 发出的光线穿过数据空间, 将光线穿过提数据空间时进行采样, 并对每一个体素的颜色值和透明度进行累积和合成, 最后在像平面上形成具有半透明效果的图像。二维纹理映射基于物体空间扫描, 对物体空间的数据点加以处理, 计算每个数据点对屏幕像素的共享并加以合成, 最后形成图像, 绘制速度比光线投射法快, 但成像质量不如光线投射法精确;基于Volume Pro硬件辅助的体绘制方法利用硬件支持, 绘制速度最快, 因需要硬件支持, 价格昂贵。

3 人体肺部可视化体绘制的实现

VTK提供三种体绘制方法, 并且提供了四种用于实现体绘制的函数, 分别是合成体绘制函数、最大密度投影函数、等值面绘制函数和纹理映射函数。本文采用光线投射法中常用的合成体绘制方法中的光线追踪体绘制算法和二维纹理映射法对经过预处理的人体肺部图像进行体绘制。光线追踪体绘制算法主要使用类vtk Volume Ray Cast Composite Function。人体肺部可视化体绘制需要实现指定颜色值、透明度和像素值的传递, 采用vtk Piece Wisefunction类来确定各单位长度值或体素的不透明值;采用类vtk Color Transfer Function类来确定体素的灰度值或颜色值;采用类vtk Piece Wisefunction来确定不同梯度值的不透明度, 从而来突出组织之间的结构和相互之间的层次关系。重建流程见图2。

用上述方法对人体胸廓和人体肺部进行体绘制结果如图3 所示。左图为人体胸廓合成体绘制模型, 右图为人体肺部合成体绘制模型。

采用二维纹理映射算法对人体胸廓和人体肺部进行体绘制的时候, 仍然需要对不透明度、颜色、插值以及阴影等参数进行设置, 实现过程与光线追踪算法基本相同, 只是把函数vtk Volume Ray Cast Composite Function换成函数vtk Volume Texture Mapper 2D来产生二值纹理映射, 使用Set Camera () 函数和Get Active Camera () 函数设置试点位置和放大倍数, 最终调用Render () 函数完成绘制。绘制结果如图4所示。

从绘制结果能够看出肺部三维数据场的全局情况, 对人体肺部区域的显示也较为清晰。由于二维纹理映射算法对计算机硬件配置要求较高, 与光线追踪算法比较, 在样配置的计算机上运行速度和交互速度较慢, 在旋转和缩放过程中会有伪影产生, 优化硬件会对算法效果起到改进作用。

4 结束语

本文对人体肺部CT图像, 采用VTK工具包, 利用体绘制算法对人体肺部CT图像进行可视化三维重建, 能够获取人体肺部丰富的数据信息, 在此基础上进行人体肺部模型的建立有助于肺部疾病的的辅助诊断和治疗, 具有较好的应用价值。

关键词：VTK,人体肺部医学体,可视化

参考文献

[1] 宋卫卫, 李冠华, 欧宗瑛.医学体数据三维可视化技术[J].计算机工程与应用, 2006, 6 (18) :22-26.

[2] 田婕等编著.医学影像与分析[M].北京:电子工业出版社, 2003:9

[3] 秦绪佳.医学图像三维重建及可视化技术研究[D].大连:大连理工大学博士论文, 2001.

[4] Sabe P.A rendering algorithm for visualization 3D sca2larfields[J].Computer Graphic s, 1988, 22 (4) :51-58.

[5] 何晖光, 田捷, 赵明昌, 等.基于分割的三维医学图像表明重建算法[J].软件学报, 2001, 13 (2) :219-226.

[6] 白洋, 彭承林, 郭兴明.医学体数据可视化的研究和实现[J].北京生物医学工程, 2005, 24 (3) :183-186.

[7] William Schroeder, Kenneth Martin, Bill Lorensen.The Visualization Toolkit-An Object-oriented To 3D Grapics (Third Edition) [J].Kitware I n c, 2002.

体可视化论文 篇2

关键词：OpenGL,水弹道,三维建模,可视化仿真

航行体在海试过程中内测系统记录了大量的数据,包括航行体在水中航行的姿态、加速度、温度、压力、振动、冲击等近十类,形成的数据量非常庞大,只有专业人员花费大量的时间进行分析后,才能明白航行体航行的情况。随着可视化技术的发展,直观、逼真地在屏幕上再现航行全过程已成为可能。三维可视化仿真,能够将抽象的数据信息转化为直观的图形信息,逼真地模拟出整个航行过程的实际情况。以前,在微机上研制的动画软件一般都是二维的,也有部分三维的,但运动体的几何造型较简单,缺乏实际过程的环境渲染,不能真实反映运动体的实际情况;而在图形工作站上利用复杂的图形软件开发包来研制运动体三维动画软件的开发成本显然过高,而且技术难以掌握。传统的三维动画技术通常都是按照预先制作好的顺序播放动画,无法适应实际情况的变化,达不到仿真的目的。为此,采用编程技术来实现三维动画的播放控制,根据获取的数据资料,控制三维动画的显示,以达到对真实世界某些属性的模拟或复现。本文采用OpenGL来仿真航行体的水下航行过程。

OpenGL是一种高性能的开放式图形库技术,是SGI公司和微软公司等联合创建的,独立于操作系统、开放式的三维图形标准。OpenGL作为一种可以跨平台的图形软件接口,提供了基本的三维图形功能以及十分清晰明了的图形函数,它具有强大的三维建模功能及帧缓存动画技术。由点、线和多边形产生复杂三维实体;三维图形变换;着色、纹理、阴影等真实感处理手段,完全满足可视化仿真形态模型的要求。其中包括100多个图形函数,开发者可以利用图形函数建立三维模型和进行三维实时交互,设计者能应用它的三维图形处理能力很快设计出三维图形。由于OpenGL提供了一种直观的编程环境以及一系列的函数(三维图形单元函数、图形变换函数、一些外部设备访问函数等等),所以大大简化了三维图形的设计程序,加速了软件开发过程[1]。

1 OpenGL下航行体航行可视化实现过程

1.1 添加预编译头文件和链接库文件

为了能够使用OpenGL命令,首先需要在预编译头文件stdafx.h中添加:

这样预编译头文件才能提供对OpenGL库和用户库的支持。还必须在Project菜单下的Settings项中对Link选项卡内链接以下库:glu32.libopengl32.libglaux.lib。

1.2 OpenGL绘图环境初始化

首先,重新设置画图窗口的像素格式,声明一个PIXELFORMATDESCRIPTOR结构的变量,使其支持OpenGL及其颜色模式。其次,为OpenGL建立图形操作描述表RC,Win32API提供了几个操作图形操作描述表的函数,包括建立、复制、使用、删除、查询等,它们都以wgl为词头。wglCreateContext()是建立图形操作描述表的函数,它以一个设备描述表句柄为参数,返回一个与此设备描述表相关联的图形操作描述表句柄。再以这两个句柄为参数调用函数wglMake2Current(),使图形操作描述表成为线程当前使用的图形操作描述表,完成Windows下OpenGL绘图环境的初始化过程。

1.3 建立OpenGL应用程序框架

使用VisualC++的AppWizard按照软件所需的界面要求定制出相应的SDI程序框架后,再使用ClassWizard修改所生成的视类,就可以建立Win2dows下OpenGL应用程序框架[2]。

a.在PreCreateW indow方法中设置视窗口为具有WSCLIPSIBLINGS和WSCLIPCHILDREN风格的窗口,保证成功地设置像素格式。

b.改写视类的Create方法,按自己的要求注册视窗口类,使其具有CSDWNDC风格,为视类的整个生命期保留一个唯一的设备描述表。每次使用OpenGL函数时都要将OpenGL的图形操作描述表和一个Windows设备描述表联起来。为了消除额外的开销,可以只作一次关联。为此要为视窗口类建立一个自己的设备描述表。

c.在OnCreate()方法中,重新设置像素格式,创建图形操作描述表,并使它成为当前图形操作描述表。

d.可在视的初始更新OnlnitialUpdate方法中完成绘图场景的初始化,如设置消除背景色、光源属性、材料属性、深度测试方式和最初的场景变换等。

e.在OnSize中,完成对窗口大小变化的响应。必须重新定义视口大小和投影变换矩阵,以使图形不因窗口的变化而变形。

f.在OnDraw方法中要完成场景的重新绘制,绘制完场景之后,加入下面一条语句:SwapBuffers(wglGetCurrentDC())。SwapBuffers()是W in32A PI提供的一个用于OpenGL的函数。当OpenGL使用DoubleBuffers以支持动画显示时,需要使用该函数将在BackBuffer上绘制的场景交换到FrontBuffer中显示。SwapBuffers()需要与图形操作描述表相联的设备描述表句柄作为参数,而函数wglGetCurrentDC()恰好提供了与当前使用的图形操作描述表相联的设备描述表句柄。

g.在程序退出时应该清空当前使用的图形操作描述表,并删除所创建的图形操作描述表。

1.4 模型的建立

将航行体模型分为头罩、中间体、尾锥、尾锥端面四部分进行绘制(如图一):

1.5 光照处理

绘制好模型后,必须进行光照处理,有了光照后物体才真正表现为三维物体。因此,必须创建光源、选择光源模式、定义材料属性,以得到理想中的三维模型。

1.6 OpenGL动画工作原理

计算机动画是用程序或工具生成一系列的静态画面,然后通过画面的连续播放来反映对象的运动变化过程的技术。计算机动画中的驱动要素是时间,通过足够快的速度显示一系列单个帧以生成活动的感觉。OpenGL支持双缓存技术,该技术提供了一种生成平滑动画的机制。当前可见视频缓存称为前台视频缓存,不可见的正在画的视频缓存称为后台视频缓存。当后台视频缓存中的内容被要求显示时,OpenGL就会将它拷贝至前台视频缓存。显示硬件则不断地读可见视频缓存中的内容,并把结果显示在屏幕上。当完整的画面在后台视频缓存中画出后就调用SwapBuffers()函数,使其成为可见的视频缓存。在交换前后台视频缓存中的内容之前,应调用同步操作函数glFlush()或glFinish()。

2 仿真结果

本仿真系统是在VisualC++6.0平台上,通过OpenGL图形库函数来实现可视化仿真。与内测数据通信,在航行体水弹道数据和姿态数据的驱动下,在显示屏上模拟出了航行体出管、拐弯、爬高出水、低头等场景。画面连续,可重放,可变视点观察。图二为航行体内测系统得到的水弹道,图三为航行体水下航行姿态,图四为航行体出管后运动过程,图五为航行体水下航行爬高过程,图六为航行体出水姿态。

3结论

本系统可移植性强,通过更换不同的对象模型就可模拟不同型号鱼雷水下航行或导弹的可视化飞行过程,有一定的推广价值。下一步工作是环境渲染,完成海洋、波浪、天空的背景显示,使可视化过程更接近真实。

参考文献

[1]Dave Shreiner,Mason Woo.OpenGL编程指南(第四版).邓郑祥,译.北京:人民邮电出版社,2005

体可视化论文 篇3

现如今对于桥梁的施工要求越来越高, 其设计形状、负荷强度相较于过去都有了很大的变化。变截面桥体施工技术也变得越来越发复杂, 传统的施工技术根本无法完成其要求。BIM又称为建筑信息模型, 是将所需要的建筑工程中的各项相关数据信息作为基础的模型。运用BIM能是变截面桥体在可视化的情况下施工, 有效提升了对施工质量的把控, 减少了返工量, 提升整个工程的工作效率。

1.BIM的特点

1.1 可视化

可视化技术对于桥梁建筑行业的作用是非常大的, 它能将纸上的设计图通过三维立体模拟技术直观的展现人们眼前, 不需要工作人员发挥自己的想象力去帮助理解。BIM不只是提供了一种“可视化”的角度, 并即将桥体间构件形成互动性和反馈性也直观的体现出来, 让整个施工的方案设计、技术选择都有一个有利的依据支持。

1.2 协调性

BIM的协调性主要体现在对各种专业碰撞问题协调。桥体建筑是一项系统的、涉及专业广泛的过程。在施工方案设计过程中, 设计师因为种种原因没有办法进行详细的沟通, 对方案中所存在的问题也可以一时没有觉察, 待到施工时才发现。这时无论是修改方案, 还是调整施工设计, 都是一项不小的工程。BIM就完成能够避免此类状况。在施工方案设计之初, 运用BIM建筑信息模型, 可以对各专业的碰撞问题进行协调, 生成协调数据, 供各专业设计师参考。

1.3 模拟性

模拟性可以说是BIM最基本、也最为显著的特点。BIM可以根据施工的组织设计要求模拟出实际施工的过程, 从而更为合理的指导施工方案的设计。并运用其5D模拟系统, 实现建筑成本的合理控制与后期紧急情况疏散。

1.4 优化性

整个设计、施工与运营的过程可以看作是一个不断优化的过程。BIM能提供桥梁建筑优化前与优化后的实际数据, 让相关人员能有效把握整个施工计划设计优化的方向。BIM的优化型主要体现在两个方面, 一是对项目方案的整体优化;一是对建筑中的特殊部分优化。

2.BIM在桥体施工中的应用的优势

2.1 提升关键施工技术的把控

BIM的3D技术能直观、生动的模拟桥体施工过程, 其是复杂的施工程序与特使的施工技术。不同于传统平面的施工设计图纸, BIM的图纸能直接用于现场施工指导, 且易于接受理解, 使整个施工更加顺利。BIM图纸能从多个角度展现施工内容与工序, 并且与实际施工环境有着高度的统一。大幅度降低或避免施工人员对图纸误读的几率, 减少了不必要的返工工作。

预应力钢筋的排布合理是影响整个桥梁工程质量的关键所在。BIM能在施工前就对钢筋、波管与预应力钢筋的排布进行高效的模拟, 并通过实验模拟对其进行检查, 并优化其排布方式[1]。加大了对预应力的质量把控, 大幅度提升了工程的质量效果。而孔洞预留、净距离检查与特殊位置模板、手脚架放置方案这些繁琐、复杂又对施工影响有着重要影响的程序, 都可以通过BIM来进行高度模拟并找到最优解决方案。

2.2 有效缩短施工的进度

梁桥施工是是一项系统的、动态化的过程。因施工过程复杂、施工程序繁琐, 因此其施工工期常, 且长期占用城市空间, 对周边的影响较大。传统的平面施工图纸无法将施工技术、过程可视化, 致使整体的施工管理低下, 无法进行有效的进度管理。BIM模型运用现代先进的多维模拟技术, 从多个视角模拟在现了施工过程与工序, 在施工前就协调了各专业之间的矛盾, 让整个施工变得清晰直观。及时的发现施工中存在的隐患及可能出现的问题, 在施工前就对其进行有效的修改, 避免了后期的返修, 优化了整个施工流程, 提升施工的整体管理度, 有效缩短的工期。

2.3 优化施工现场布置

桥梁工程一般都是位于交通要塞或城市中心地段, 施工场地有限, 且对周围影响大。因此合理的布置施工现场, 能最大限度的降低对周围环境的影响, 提升对施工现场的利用率。传统的平面设计图纸只能大致标出施工周围的环境与施工现场, 无法对施工现场进行详细全面的描绘。BIM模型能模拟出施工现场布置后的情况, 通过其多维视觉的模拟管理技术, 能有效的进行动态管理, 实现优化施工现场布置的目的。

其中最为重要的是对施工材料堆放与机械进出的路线安排。施工材料堆放位置的是否合理直接决定了其二次搬运的效果。当施工材料堆放过少, 就会拖长施工工期, 导致施工无法正常进行;若堆放材料过多, 就会占用过程的施工现场, 致使本就不够充裕的施工场地变得更加拥挤、杂乱;若施工材料堆放的位置不合理, 就需要进行二次搬运或多次搬运, 如此就增加了整体的施工成本[2]。而机械基础的路线不合理也会对正常施工产生一定的影响。应该用的机械不到位, 或由于路线问题导致需要二次移动, 期间也会才生不必要的施工成本。

3.BIM在变截面桥体可视化施工中的应用

3.1 工程概况

该桥梁位于武汉市黄埔街与金桥大道段, 全长围为250 米, 主跨长为142 米, 边跨分为两部分, 一部分长42 米, 一部分长80 米, 该桥为独塔双索斜拉桥。主桥梁采用双边箱梁截面, 主梁为变截面, 左幅主梁宽宽度不变, 但右幅主梁宽度发生线性变化。桥面的标准宽度为40.0 米, 变宽度有39 米渐变为49.99 米, 梁高为3.9 米。主跨跨越12 股铁路线, 每股铁路线共分为21 各节段;塔梁固结段主要采用支架浇筑法与挂篮悬臂浇筑法。

3.2 可视化施工模型的建立

本工程所使用的BIM软件系统为“Autodesk Revit”、“Navisworks”等国内最常使用的软件[3]。这两款然间都能够构建非常复杂的建筑模型。根据软件需求, 我们将每一个建筑构件都看做是软件所需要的“族”, 并摄入相应的参数变化加载如项目文件中, 让系统自动构建出各个构建的空间关系与平面坐标位置。以同样的方式建立施工模型。如此便可以构建出所需要的施工模型与建筑模型了。

3.3 可视化施工子模型的建立

整体的施工模型建立后, 就需要以此为基础, 输入相关的数据以构建个个施工的子模型。按照软件建立模型的要求, 钢筋模型必须建立在钢筋混凝土模型上面, 因此只有在斜拉桥的各个缓凝土构建都建模之后才能建立起钢筋模型。根据对工程概况分析, , 可以了解到需要建立以下施工模型:

(1) 场地模型:输入该桥梁的具体位置与斜拉桥的52 号墩、5352 号墩、5452号墩与52 号墩。

(2) 结构模型: (1) 群桩承台:将各钻孔桩、桩基的根数、长度与直径全部输入系统, 系统就会建立一个群桩承台的参数, 这个参数会直观的现实灌注桩的根数、桩直径、长度与承台的尺寸, 并根据这些数据自动绘制相关的三维图像。工程人员可以根据这些图像计算出所需要的建设工人、材料、机械与大致的施工时间[4]。 (2) 墩柱与主塔:该桥梁工程中有三个边墩柱, 所以只需要建立一个墩柱群, 在其下面设立三个不同类型即可。数据三个边墩柱的实际参数, 如高度、直径便可以了。如相关的参数发生改变, BIM的参数也会自动改变。 (3) 箱梁:该桥梁工程是采用双边箱梁的形式, 且箱梁的宽度呈线性变化。因为只是其主梁右幅截面宽度发生变化, 因此其中两个边箱的宽度不会发生变化[5]。简化建立变截面箱梁的建族, 忽略箱梁定的双向横坡。在建立有箱梁模型是将一节箱梁分为左右两幅, 分别建族[6]。之后只需要输入实际的数据便可。 (4) 拉索模型:因拉索是用专门的厂家直接生产, 故可以不用建立非常精细的模型, 其建立方式也是通过建族, 输入拉索的长度及具体坐标即可[7]。当其中某一个拉索的参数发生变化, 只需要之间移动该拉索, 并修改相关的数据参数即可。

(3) 钢筋模型:在施工土著的基础上, 运用建群及输入参数的方式分别建立了灌注桩、承台、墩柱、箱梁、箱梁与预应力管道的钢筋模型, 需要注意的是, 变截面箱梁钢筋与预应力感到的钢筋模型要运用常规模型族的建立方式建立。该模型主要用于建设所需的钢量计算, 并对钢筋材料下料进行指导, 为之后的施工模拟与设计方案提供有力的支持。

结论

经BIM运用在变截面桥体可视化施工技术中, 能直观的从多个视角感受施工过程与施工技术, 提升对施工质量的把控, 有效的缩短工期, 降低整个工程的建设成本。BIM采用的多维视觉直观生动的模型了施工过程, 优化了施工方案与设计, 这是传统的平面设计图所不能比拟的。随着BIM不断的深入发展, 其将成为现代桥梁建设中最为不可获取的重要工具。

参考文献

[1]刘火生, 张燕云, 杨振钦, 江宇冠.基于BIM技术的施工现场的可视化应用[J].施工技术, 2013, S1:507-508.

[2]康小军, 赵潇, 韩彬彬.BIM技术在城市综合体中的实践应用[J].建筑设计管理, 2015, 12:74-78.

[3]曾绍武, 张学钢, 张林, 李季晖, 王安东.预应力连续刚构桥梁BIM精细化建模实例[J].铁道标准设计, 2016, 02:71-77.

[4]马建, 孙守增, 赵文义, 王磊, 马勇, 刘辉, 张伟伟, 陈红燕, 陈磊, 魏雅雯, 叶飞.中国隧道工程学术研究综述·2015[J].中国公路学报, 2015, 05:1-65.

[5]龙腾, 唐红, 吴念, 袁凤英.BIM技术在武汉某高架桥工程施工中的应用研究[J].施工技术, 2014, 03:80-83.

[6]龙俊贤.黄浦大街—金桥大道快速通道工程跨京广铁路变宽度斜拉桥设计[J].铁道标准设计, 2011, 07:81-85.