Создание сетки на основе изображений
Создание сетки на основе изображений — это автоматизированный процесс создания компьютерных моделей для вычислительной гидродинамики (CFD) и анализа методом конечных элементов (FEA) на основе данных трехмерных изображений (таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), компьютерная томография (КТ) или микротомография . широкий спектр методов создания сеток Хотя в настоящее время доступен , они обычно разрабатываются для создания моделей с помощью компьютерного проектирования (САПР), и поэтому возникают трудности с построением сетки на основе данных трехмерного изображения.
Генерация сетки из данных 3D-изображений [ править ]
Создание сетки на основе данных 3D-изображений представляет собой ряд проблем, но также и уникальные возможности для представления более реалистичного и точного геометрического описания вычислительной области. Обычно существует два способа создания сетки на основе данных 3D-изображений:
Подход на основе САПР [ править ]
Большинство подходов, используемых на сегодняшний день, по-прежнему следуют традиционному маршруту САПР, используя промежуточный этап реконструкции поверхности, за которым затем следует традиционный алгоритм построения сетки на основе САПР. [1] Подходы на основе САПР используют данные сканирования для определения поверхности домена, а затем создают элементы внутри этой определенной границы. Хотя сейчас доступны достаточно надежные алгоритмы, эти методы часто отнимают много времени и практически неразрешимы для сложных топологий, типичных для данных изображений. Они также не позволяют легко объединить более чем одну область, поскольку несколько поверхностей часто не соответствуют зазорам или перекрытиям на границах разделов, где встречаются одна или несколько структур. [2]
Подход, основанный на изображениях [ править ]
Этот подход является более прямым, поскольку он объединяет этапы геометрического обнаружения и создания сетки в одном процессе, что обеспечивает более надежный и точный результат, чем построение сетки на основе данных поверхности. Техника преобразования вокселей, обеспечивающая сетки с кирпичными элементами [3] и с тетраэдрическими элементами [4] были предложены.Другой подход генерирует 3D-тетраэдрические или тетраэдрические элементы по всему объему домена, создавая таким образом сетку непосредственно с соответствующими многочастными поверхностями. [5]
Создание модели [ править ]
Шаги создания моделей на основе данных 3D-изображений:
Сканирование и обработка изображений [ править ]
Широкий спектр инструментов обработки изображений можно использовать для создания высокоточных моделей на основе данных трехмерных методов визуализации, например, МРТ, КТ, микроКТ (XMT) и ультразвука. Особенности, представляющие особый интерес, включают в себя:
- Инструменты сегментации (например, определение порогов, заливка, методы установки уровней и т. д.)
- Фильтры и инструменты сглаживания (например, сглаживание с сохранением объема и топологии и уменьшение шума/удаление артефактов).
Генерация объемной и поверхностной сетки [ править ]
Метод построения сетки на основе изображений позволяет напрямую создавать сетки из сегментированных 3D-данных. Особенности, представляющие особый интерес, включают в себя:
- Многокомпонентная сетка (создание сетки любого количества структур одновременно)
- Функции отображения для применения свойств материала на основе силы сигнала (например, модуль Юнга по шкале Хаунсфилда )
- Сглаживание сеток (например, топологическое сохранение данных для обеспечения сохранения связности и нейтральное по объему сглаживание для предотвращения сжатия выпуклых оболочек)
- Экспорт в коды FEA и CFD для анализа (например, наборы узлов, элементы оболочки, свойства материалов, контактные поверхности, пограничные слои, входы/выходы).
Типичное использование [ править ]
- Биомеханика и дизайн медицинских и зубных имплантатов.
- Пищевая наука
- Судебная медицина
- Материаловедение (композиты и пенопласты)
- Неразрушающий контроль (NDT)
- Палеонтология и функциональная морфология
- Реверс-инжиниринг
- Почвоведение
- Петрофизика
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Viceconti et al, 1998. TRI2SOLID: применение методов обратного проектирования для создания CAD-моделей костных сегментов. Компьютерные методы и программы в биомедицине, 56, 211–220.
- ^ Янг и др., 2008. Эффективный подход к преобразованию данных трехмерного изображения в высокоточные вычислительные модели. Философские труды Королевского общества A , 366, 3155–3173.
- ^ Fyhrie et al, 1993. Вероятностное распределение штаммов трабекулярного уровня губчатой кости позвонка. Протоколы 39-го ежегодного собрания Общества ортопедических исследований, Сан-Франциско.
- ^ Фрей и др., 1994. Полностью автоматическое создание сетки для трехмерных доменов на основе наборов вокселей. Международный журнал методов в инженерии , 37, 2735–2753.
- ^ Янг и др., 2008. Эффективный подход к преобразованию данных трехмерного изображения в высокоточные вычислительные модели. Философские труды Королевского общества A , 366, 3155–3173.
Внешние ссылки [ править ]
- Коммерческие библиотеки C++ Computing-Objects для создания сеток и вычислений FEM
- ScanIP Коммерческое программное обеспечение для построения сеток на основе изображений: www.simpleware.com
- Программное обеспечение для проектирования на основе 3D-изображений Mimics для FEA и CFD на анатомических данных: веб-сайт Mimics
- Группа Google по моделированию на основе изображений: [1]
- Avizo Software для CFD и FEA Инструменты создания сеток на основе 3D-изображений
- iso2mesh: бесплатный генератор 3D-поверхностей и объемных сеток для Matlab/Octave [2]
- OOF3D , объектно-ориентированный анализ методом конечных элементов от NIST.
- VGSTUDIO MAX , коммерческое программное обеспечение для анализа компьютерной томографии для промышленности. Они предлагают дополнительный модуль для создания сетки FEM.