基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法技术

本发明专利技术提供一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，建立了精确的数学模型，使得仿真成像结果更为真实；使用GPU进行加速，大大提高了仿真方法的运行效率，使成像过程的实时交互成为可能；使用Unity搭建了仿真平台，设计了平台界面，提高了用户的体验感，增强了平台的交互性。台的交互性。台的交互性。

【技术实现步骤摘要】
基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法


[0001]本专利技术属于X射线数字成像及计算机图形学领域，尤其设计一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法。

技术介绍

[0002]X射线数字成像技术是一种先进的无损检测技术，能够在不破坏被检测物体的情况下对被检测物体的内部缺陷进行检测，具有成像精度高，实时显示的优点，在汽车制造、航空航天等工业检测领域有着广泛应用。
[0003]但是，X射线数字成像系统造价昂贵，运行成本高，X射线数字成像系统所涉及的参数众多，不同的检测环境和检测物体对应不同的参数，为了获得较高的成像质量，需要做大量的实验来对这些参数进行调试。同时，X射线还会产生对人体、环境有害的辐射。
[0004]现如今，计算机技术的进步使X数字射线成像技术的虚拟仿真成为可能。通过仿真，可以很好的解决上述问题。除此之外，仿真还具有以下优点：仿真可以用于各种射线检测算法、图像重建算法的验证；仿真可以快速的获得大量的数据，将仿真数据与真实数据分析对比，可改善相关图像处理算法，进一步提高真实图像质量；仿真有着很好的演示功能，可用于X射线数字成像领域的教育教学、操作培训等。
[0005]现有X射线数字成像仿真技术中的三维仿真模型主要为两种：体素模型、三角面片网格模型。对于体素模型的射线仿真，多采用蒙特卡洛方法，该方法能够获得较高的精确值，但计算花费时间过长，运算成本很高；对于三角面片网格模型的射线仿真，多采用射线与模型求交点计算相交长度的方法，求交算法同样面临着计算效率低下的问题。随着GPU并行加速技术的迅速发展，使用GPU编程可极大地提高算法的运行效率。现有X射线数字成像仿真技术主要研究对象是X射线检测算法以及X射线检测系统的物理特性，而对于构建整个系统的仿真平台、将成像过程三维可视化、用户使用仿真方法时的实时交互等方面少有研究。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，建立了精确的数学模型，使得仿真成像结果更为真实；使用GPU进行加速，大大提高了仿真方法的运行效率，使成像过程的实时交互成为可能；使用Unity搭建了仿真平台，设计了平台界面，提高了用户的体验感，增强了平台的交互性。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，包括如下步骤：步骤一：将X射线数字成像系统的复杂物理过程抽象为数学模型；步骤二：在Unity中构建X射线数字成像系统的仿真场景，所述仿真场景包括射线源、探测器和待检测物体，设置射线源、探测器和待检测物体的几何参数和物理参数；步骤三：对射线源、探测器和待检测物体进行平移、旋转、缩放，调整其空间位姿；
步骤四：对于待检测物体的三维模型，提取其三角形面片网格数据；步骤五：使用求交算法计算出X射线穿透待检测物体的距离，并通过GPU对求交算法加速；步骤六：计算并输出最终仿真图像；步骤七：通过虚拟仿真平台的界面进行三维可视化与用户交互。
[0008]进一步地，所述步骤二中，射线源的几何参数包括射线源焦点形状与尺寸、射线源焦点中心空间坐标、射线源焦点中心射线方向；射线源的物理参数包括管电压、管电流；探测器的几何参数包括探测器平面的中心点空间坐标、探测器平面的法向向量、探测器的探元尺寸、探测器的宽度方向上的探元个数、探测器的高度方向上的探元个数；探测器的物理参数包括曝光时间。待检测物体的几何参数包括空间位置坐标与姿态坐标；待检测物体的物理参数包括待检测物体的材质及其对应的密度。
[0009]进一步地，所述步骤五中，计算X射线穿透待检测物体距离的方法为：遍历X射线源的点光源阵列；对于每一点光源，将其与探测器探元点阵连接，形成射线束，遍历该射线束中的所有射线；对于每一条射线，遍历待检测物体的三角形面片网格，计算得到所有交点坐标，并判断交点为入射点还是出射点；对于每一条射线求得的所有交点，去除重复的交点，舍去切点，对结果按照射线方向排序并按照“入射点
‑
出射点”两两配对；计算并累加每一对“入射点
‑
出射点”之间的距离，最终结果即为该射线穿越待检测物体的距离。
[0010]进一步地，所述步骤五中，使用ComputeShader程序进行求交算法的GPU加速。
[0011]进一步地，所述步骤七中，虚拟仿真平台的界面包括以下单元：三维可视化单元、参数设置单元、过程控制单元、信息输出单元；进一步地，所述三维可视化单元进行三维可视化；所述参数设置单元使得用户调整所述步骤二中的物理参数与几何参数；所述过程控制单元用于控制求交算法的开始与停止；所述信息输出单元包括图像信息输出单元与文字信息输出单元，图像信息输出单元实时显示仿真方法生成的图像，文字信息输出单元输出待检测物体三维模型的三角形面片网格数、求交算法运行时间。
[0012]有益效果：本专利技术相比于现有的X射线数字成像仿真方法，建立了精确的数学模型，使得仿真成像结果更为真实；使用GPU进行加速，大大提高了仿真方法的运行效率，使成像过程的实时交互成为可能；使用Unity搭建了仿真平台，设计了平台界面，提高了用户的体验感，增强了平台的交互性。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0014]图1为本专利技术实施例提供的基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法流程示意图；
图2为X射线数字成像系统基本组成与位置关系图；图3为本专利技术实施例提供的计算X射线穿越物体距离的方法流程图；图4为本专利技术实施例提供的基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真平台的界面单元组成图；图5为本专利技术实施例提供的基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真平台场景图。
具体实施方式
[0015]下面将结合本实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
[0016]如图1所示，本实施例公开了一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，包括如下步骤：步骤S101，将X射线数字成像系统的复杂物理过程抽象为数学模型。
[0017]如图2所示，X射线数字成像系统包含射线源210、待检测物体220和探测器230三个基本组成部分。
[0018]理想的X射线源是一个点光源，且只产生单能射线束。窄束、单能X射线穿透均匀厚度的物质时，X射线强度衰减的变化将遵循比尔定律，计算式如下：；其中，和分别为入射前和出射后的X射线强度，为物质厚度，为线衰减系数。线衰减系数与待检测物体220的物理状态和化学成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将X射线数字成像系统的复杂物理过程抽象为数学模型；步骤二：在Unity中构建X射线数字成像系统的仿真场景，所述仿真场景包括射线源、探测器和待检测物体，设置射线源、探测器和待检测物体的几何参数和物理参数；步骤三：对射线源、探测器和待检测物体进行平移、旋转、缩放，调整其空间位姿；步骤四：对于待检测物体的三维模型，提取其三角形面片网格数据；步骤五：使用求交算法计算出X射线穿透待检测物体的距离，并通过GPU对求交算法加速；步骤六：计算并输出最终仿真图像；步骤七：通过虚拟仿真平台的界面进行三维可视化与用户交互。2.根据权利要求1所述的一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，其特征在于，所述步骤二中，射线源的几何参数包括射线源焦点形状与尺寸、射线源焦点中心空间坐标、射线源焦点中心射线方向；射线源的物理参数包括管电压、管电流；探测器的几何参数包括探测器平面的中心点空间坐标、探测器平面的法向向量、探测器的探元尺寸、探测器的宽度方向上的探元个数、探测器的高度方向上的探元个数；探测器的物理参数包括曝光时间；待检测物体的几何参数包括空间位置坐标与姿态坐标；待检测物体的物理参数包括待检测物体的材质及其对应的密度。3.根据权利要求1所述的一种基于Unity的GPU加速X射线数字成像仿真方法，其特征在于，所述步骤五中，计算X射线穿透待检测物体距离的方法为...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅健，高知宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：