一種用Micro-CT建立紗線彩色三維模型的方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種用Micro-CT建立紗線彩色三維模型的方法，首先由Micro-CT掃描的紗線切片圖像建立紗線的三維密度模型；然后根據(jù)真實(shí)紗線的彩色圖像生成紗線的體模型；最后根據(jù)給定的中軸線對(duì)紗線體模型進(jìn)行變形，得到紗線的三維彩色數(shù)據(jù)模型。這種方法建立的紗線三維彩色數(shù)據(jù)模型，能增強(qiáng)織物仿真的效果，表現(xiàn)出紗線的毛羽、捻度，可以應(yīng)用在紡織工業(yè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、電子商務(wù)等領(lǐng)域中。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專(zhuān)利技術(shù)涉及。
技術(shù)介紹
紗線模型是織物仿真的基礎(chǔ)。在二維織物仿真中，紗線的設(shè)計(jì)主要有三種方法(I)設(shè)置紗線的粗細(xì)、長(zhǎng)度、節(jié)距、顏色、股數(shù)、捻度、毛羽等參數(shù)，根據(jù)一定規(guī)律生成紗線圖像；(2)利用各種圖像編輯工具，交互地編輯紗線圖像；(3)用掃描儀或數(shù)碼相機(jī)獲取真實(shí)的紗線圖像，通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行分割、提取；(4)把紗線圖像重疊，添加不透明度和縱深方向的坐標(biāo)，進(jìn)行光線跟蹤，合成為有深度感覺(jué)的紗線圖像。二維織物仿真技術(shù)在顯示織物結(jié)構(gòu)方面存在明顯不足，很難反映織物隨著環(huán)境、光照、觀察角度的不同而引起的相應(yīng)變化，特別是對(duì)于紗線較粗的織物，不能很好地模擬織物的外觀細(xì)節(jié)。基于二維紗線模型的織 物仿真，無(wú)論從立體感、真實(shí)感，還是從結(jié)構(gòu)檢查、性能預(yù)測(cè)方面，都不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員的更高需求。傳統(tǒng)的三維紗線建模方法是根據(jù)紗線參數(shù)，設(shè)計(jì)紗線的截面和中心線，構(gòu)造紗線的三維模型。紗線的截面可以呈現(xiàn)圓形、橢圓形、直徑變化的圓形、超級(jí)橢圓、樣條曲線等，紗線的截面參數(shù)可以從外觀測(cè)量或交互地在軟件中編輯控制點(diǎn)。紗線的中心線可以近似為折線、圓弧結(jié)合直線、正弦曲線、Bezier曲線、樣條曲線等。沿著紗線中心線，按照一定間隔劃分紗線，得到若干截面，連接相鄰截面上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，獲得紗線的小面片模型，或者用B樣條曲面構(gòu)造紗線。紗線的顏色由人工指定。傳統(tǒng)的三維紗線模型是憑經(jīng)驗(yàn)或者人工交互設(shè)計(jì)得到的，設(shè)計(jì)工作量大，與實(shí)際紗線很難達(dá)到一致，也不能反映實(shí)際紗線表面復(fù)雜的捻度和毛羽效果，導(dǎo)致模擬的織物效果與實(shí)際織造結(jié)果在細(xì)節(jié)上有很大差別，甚至完全失真。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供，使用Micro-CT掃描真實(shí)紗線，建立單根紗線的體模型，再沿紗線中心線路徑變形，得到紗線的三維彩色數(shù)據(jù)模型。這種模型能增強(qiáng)織物仿真效果，表現(xiàn)出紗線的毛羽、捻度，可以應(yīng)用在紡織工業(yè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、電子商務(wù)等領(lǐng)域中優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專(zhuān)利技術(shù)采用如下技術(shù)方案，該方法實(shí)現(xiàn)步驟如下(I)紗線掃描用Micro-CT掃描系統(tǒng)掃描單根紗線，輸出圖像，進(jìn)入步驟(2)；(2)密度體模型建立將步驟(I)中獲得的圖像文件依次排列，形成三維紗線密度體模型，進(jìn)入步驟(5);(3)圖像采集用平板掃描儀掃描真實(shí)的單根彩色紗線，輸出圖像，進(jìn)入步驟(4)；(4)讀取彩色紗線圖像文件中的顏色信息，進(jìn)入步驟(5)；(5)顏色賦值為了反映紗線的色彩，用賦值算法給紗線密度體模型賦上顏色信息，進(jìn)入步驟(6)；(6)體模型變形沿紗線中軸線依次排放分割的紗線橫截面，得到紗線體模型。步驟(5)中，所述顏色賦值方法如下(5-1)計(jì)算出紗線體數(shù)據(jù)的包圍盒，按照設(shè)定的分辨率把紗線包圍盒劃分成均勻的單元網(wǎng)格；(5-2)初始化體素顏色值為C，體素透明度為密度值，圍繞紗線的長(zhǎng)軸做平行投影，計(jì)算投影的每個(gè)像素值；(5-3)由所有像素值計(jì)算投影結(jié)果的顏色均值，再與掃描圖像的顏色均值比較，得到差值s’ S=投影結(jié)果的顏色均值-掃描圖像的顏色均值，將每個(gè)像素的顏色值修改為C+S ;(5-4)重復(fù)(5-2)到(5-3),直到 S=O ； (5-5)繞紗線長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)45°，重復(fù)(5-1)到(5-4)，共迭代若干次。步驟(6)中，所述變形方法如下(6-1)將紗線體模型分割為多個(gè)紗線橫截面； (6-2)沿紗線中軸線將橫截面依次排放，使得每個(gè)橫截面的中心在紗線中軸線上。所述步驟(I)和(3)的圖像是*. bmp格式的，也可以是*. jpg格式的或*. png格式的，為了保證圖像的質(zhì)量，優(yōu)先采用不壓縮的*. bmp格式。構(gòu)成體模型的最小單位是體素，一個(gè)體素表示體數(shù)據(jù)中三維空間某部分的值。體素相當(dāng)于二維空間中像素的概念。體數(shù)據(jù)是對(duì)傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)的擴(kuò)展。三維體數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是由很多張二維圖像組成的。Micro-CT (micro computed tomography,微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù))，又稱(chēng)微型 CT、顯微CT，是一種非破壞性的3D成像技術(shù)，可以在不破壞樣本的情況下清楚了解樣本的內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)。它與普通臨床的CT最大的差別在于分辨率極高，可以達(dá)到微米(μπι)級(jí)別，目前國(guó)內(nèi)一家自主研發(fā)Micro-CT的公司已經(jīng)將分辨率提高到O. 5 μ m，具有良好的“顯微”作用。Micro-CT可用于醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、生物、考古、材料、電子、地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域的研究。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果采用計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography,CT)對(duì)紗線進(jìn)行三維成像,在不破壞樣本的情況下獲取了樣品內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)信息，而且Micro-CT的分辨率遠(yuǎn)高于普通臨床CT，可以獲得微米(μπι)級(jí)的超高分辨率微觀結(jié)構(gòu)。基于彩色圖像，用賦值算法給紗線密度體模型賦上顏色信息，建立了紗線的彩色三維體模型。與傳統(tǒng)的建模方法相比，本方法通過(guò)密度體模型建立、顏色賦值、體模型變形之后可以反映實(shí)際紗線表面復(fù)雜的捻度和毛羽效果；使織物仿真更加真實(shí)，表現(xiàn)出紗線的毛羽、捻度，應(yīng)用在紡織工業(yè)、虛擬現(xiàn)實(shí)、電子商務(wù)等領(lǐng)域中。無(wú)論從立體感、真實(shí)感，還是從結(jié)構(gòu)檢查、性能預(yù)測(cè)方面，都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員的更高需求。附圖說(shuō)明圖I為本專(zhuān)利技術(shù)的紗線建模流程圖；圖2為掃描的CT切片；圖3為紗線三維密度體模型；圖4為彩色紗線圖片；圖5為紗線三維彩色體模型；圖6為變形過(guò)程說(shuō)明圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)作進(jìn)一步說(shuō)明。為了建立紗線的三維模型，本專(zhuān)利技術(shù)使用Micro-CT掃描真實(shí)紗線建立紗線三維密度模型；然后根據(jù)真實(shí)紗線的彩色圖像生成紗線的體模型；最后根據(jù)給定的中軸線對(duì)紗線體模型進(jìn)行變形，得到紗線的三維彩色數(shù)據(jù)模型。本專(zhuān)利技術(shù)使用的Micro-CT系統(tǒng)，最高分辨率可以達(dá)到3 μ m，掃描高度可達(dá)到70mm。 圖I為織物仿真的流程。本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施過(guò)程如下Stepl :紗線掃描使用Micro-CT掃描系統(tǒng)掃描單根紗線，輸出格式為*. bmp。St印2:密度模型建立將全部*. bmp文件排列成紗線三維密度體模型。St印3:圖像采集用平板掃描儀掃描彩色紗線，輸出格式為*· bmp。Step4 :顏色賦值用賦值算法給紗線密度體模型賦上顏色信息，生成紗線彩色體模型。采用一個(gè)預(yù)先指定的不透明系數(shù)d，像素的透明度a=(255_g)/255*d，其中g(shù)是像素的灰度值。賦值算法步驟如下第一步計(jì)算出紗線體數(shù)據(jù)的包圍盒，按照設(shè)定的分辨率把紗線包圍盒劃分成均勻的網(wǎng)格單元；第二步繞紗線的長(zhǎng)軸做平行投影，對(duì)投影面上的每個(gè)像素投射一條射線，設(shè)有η個(gè)單元網(wǎng)格與這條射線相交，其透明度為ai;顏色為Ci，i = 1，···，η。像素值ρ的計(jì)算公式為 P = B1C^(I-B1) (a2c2+(l-a2) (a3c3+(l_a3) (...)))；第三步由所有像素值計(jì)算投影結(jié)果的顏色均值，再與紗線圖像的顏色均值進(jìn)行比較，計(jì)算差值S=投影結(jié)果的顏色均值一紗線圖像的顏色均值，每個(gè)像素的顏色值修改為C+S ;第四步重復(fù)第一步至第三步，直到s=0。；第五步為保證得到的數(shù)據(jù)更真實(shí)，圍繞紗線長(zhǎng)軸，每隔45°做一次平行投影，即重復(fù)第一步至第四步，共迭代8次。St印5 :將紗線彩色體模型沿中軸線變形。當(dāng)紗線中軸線某一曲線段為曲線時(shí)，把體模型中軸線映射為同樣的曲線，沿曲線排列紗線切片數(shù)據(jù)，就得到具有彎曲形態(tài)的紗線彩色三維體模型。填充過(guò)程如圖6所示。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利技術(shù)的具體實(shí)本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用Micro？CT建立紗線彩色三維模型的方法，其特征是，使用Micro？CT掃描真實(shí)紗線建立紗線三維密度模型；然后根據(jù)真實(shí)紗線的彩色圖像生成紗線的體模型；最后根據(jù)給定的中軸線對(duì)紗線體模型進(jìn)行變形，得到紗線的三維彩色數(shù)據(jù)模型。

【技術(shù)特征摘要】
1.ー種用Micro-CT建立紗線彩色三維模型的方法，其特征是，使用Micro-CT掃描真實(shí)紗線建立紗線三維密度模型；然后根據(jù)真實(shí)紗線的彩色圖像生成紗線的體模型；最后根據(jù)給定的中軸線對(duì)紗線體模型進(jìn)行變形，得到紗線的三維彩色數(shù)據(jù)模型。2.如權(quán)利要求I所述的ー種用Micro-CT建立紗線彩色三維模型的方法，其特征是，該方法實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)紗線掃描用Micro-CT掃描系統(tǒng)掃描單根紗線，輸出圖像，進(jìn)入步驟(2)；(2)密度模型建立將步驟(I)中獲得的圖像文件依次排列，形成三維紗線密度模型，進(jìn)入步驟(5)；(3)圖像采集用平板掃描儀掃描真實(shí)的單根彩色紗線，輸出圖像，進(jìn)入步驟(4)；(4)讀取彩色紗線圖像文件中的顔色信息，進(jìn)入步驟(5)；(5)顔色賦值為了反映紗線的色彩，用賦值算法給紗線密度體模型賦上顏色信息，進(jìn)入步驟(6)；(6)體模型變形沿紗線中軸線依次排放分割的紗線橫截面，得到紗線體模型。3.如權(quán)利要求2...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：潘榮江，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：山東大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：