Acta Univ. Agric. Silvic. Mendelianae Brun. 2009, 57(1), 71-78 | DOI: 10.11118/actaun200957010071
3D vizualizace a tvorba konečně prvkové sítě z anatomických vzorků dřeva, Část I - Teoretický přístup
- Ústav nauky o dřevě, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 613 00 Brno, Česká republika
Práce shrnuje vytvořený algoritmus tvorby konečně prvkové sítě (KP) odvozené z bitmapové předlohy. Je detailně popsán proces registrace, segmentace a síťování. Pro zpracování obrázků byly použity C++ knihovny STL projektů Insight Toolkit (ITK) a Visualization Toolkit (VTK). Za tímto účelem byla sestavena multiplatformní aplikace WOOD3D uvolněná pod licencí GNU GPL. Je obsaženo několik metod pro segmentaci a především různé způsoby konturování. Byly naprogramovány čtyřstěnné a šestistěnné typy sítí. Jsou zmíněny některé jednoduché způsoby zlepšení kvality sítě. Byla provedena verifikace a testování aplikace na vytvořených anatomických preparátech smrku a ořechu. Jsou uvedeny metody přípravy anatomických preparátů. Zformovaná síť byla použita v jednoduché mechanické analýze.
Článek diskutuje hlavní problémy obrazové analýzy díky nekompatibilním barevným prostorům, přípravě preparátů, prahování a konečnou konverzi do sítě konečných prvků. Nejdůležitějšími původními výsledky této práce je sestavení uvedených úloh do použitelné automatizované aplikace. V prezentované aplikaci byly použity dva prahovací filtry s využitím ITK; byly implementovány Otsův a binární filtry. Jako nejkomplikovanější úlohou se ukázala otázka přípravy anatomických preparátů za stejných světelných podmínek s minimálním či nulovým barevným posunem a následné definování vhodných prahů (prahovacích parametrů a metod vzájemného provázání jednotlivých řezů (předfiltrace + registrace), které ovlivňují spojitost a především schopnost vydělení anatomické struktury dřeva. Pro tyto účely bylo navrženo barvení preparátů a jejich následné urychlené zpracování. Dalším původním výsledkem této práce je komplexní plně automatizovaná aplikace, která nabízí tvorbu tří typů konečně prvkové sítě. Síť čtyřstěnů je použitá zejména pro konečně prvkovou analýzu s výraznými gradienty a síť šestistěnů je nabízena pro úlohy s malými gradienty. Rovněž byla zahrnuta modifikovaná octree metoda především pro budoucí výzkum anizotropních kombinovaných sítí.
ITK, MKP, konvertor obrazu do KP sítě, síť šestistěnů a čtyřstěnů, octree, anatomie dřeva
3D visualization and finite element mesh formation from wood anatomy samples, Part I - Theoretical approach
The work summarizes created algorithms for formation of finite element (FE) mesh which is derived from bitmap pattern. Process of registration, segmentation and meshing is described in detail. C++ library of STL from Insight Toolkit (ITK) Project together with Visualization Toolkit (VTK) were used for base processing of images. Several methods for appropriate mesh output are discussed. Multiplatform application WOOD3D for the task under GNU GPL license was assembled. Several methods of segmentation and mainly different ways of contouring were included. Tetrahedral and rectilinear types of mesh were programmed. Improving of mesh quality in some simple ways is mentioned. Testing and verification of final program on wood anatomy samples of spruce and walnut was realized. Methods of microscopic anatomy samples preparation are depicted. Final utilization of formed mesh in the simple structural analysis was performed.
The article discusses main problems in image analysis due to incompatible colour spaces, samples preparation, thresholding and final conversion into finite element mesh. Assembling of mentioned tasks together and evaluation of the application are main original results of the presented work. In presented program two thresholding filters were used. By utilization of ITK two following filters were included. Otsu filter based and binary filter based were used. The most problematic task occurred in a production of wood anatomy samples in the unique light conditions with minimal or zero colour space shift and the following appropriate definition of thresholds (corresponding thresholding parameters and connected methods (prefiltering + registration) which influence the continuity and mainly separation of wood anatomy structure. Solution in samples staining is suggested with the following quick image analysis realization. Next original result of the work is complex fully automated application which offers three types of finite element mesh. Tetrahedral mesh is coded for FE analysis with significant gradients and hexahedral mesh is offered for tasks with low gradients. Modified octree code is introduced for future research of anisotropic combined mesh.
Keywords: ITK, FEM, image converter to FE mesh, hexahedral and tetrahedral mesh, octree, wood anatomy
Grants and funding:
The Research project GP106/06/P363 Homogenization of material properties of wood for tasks from mechanics and thermodynamics (Czech Science Foundation) and Institutional research plan MSM6215648902 - Forest and Wood: the support of functionally integrated forest management and use of wood as a renewable raw material (2005-2010, Ministry of Education, Youth and Sport, Czech Republic) supported this work. This work benefited from the use of the Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK), open source software developed as an initiative of the U.S. National Library of Medicine.
Received: October 14, 2008; Published: October 14, 2014 Show citation
ACS | AIP | APA | ASA | Harvard | Chicago | IEEE | ISO690 | MLA | NLM | Turabian | Vancouver |
References
- CLINE, H. E., LORENSON, W. E., LUDKE, S., CRAWFORD, C. R., and TEETER, B. C., 1986: Two Algorithms for the Three-Dimensional Reconstruction of Tomograms. Medical Physics, 15(3): 320-327. DOI: 10.1118/1.596225
Go to original source...
- CMake: Cross Platform Make, www.cmake.org
- DELAUNAY, B., 1934: Sur la sphčre vide. A la memoire de Georges Voronoi. Izv. Akad. Nauk SSSR, Otdelenie Matematicheskih i Estestvennyh Nauk, 7: 793-800.
- FINNIGAN, P. M. et al., 1994: United States Patent 5345490, Method and apparatus for converting computed tomography (CT) data into finite element models.
- GELAS, A., GOUAILLARD, A., MEGASON, S., 2008: Triangular Meshes Dalunay Conforming Filter, http://hdl.handle.net/1926/1489
- GROSLAND, N. M., BROWN, T. D., 2002: A voxel-based formulation for contact finite element analysis. Comput Methods Biomech Biomed Engin. Feb; 5 (1): 21-32. DOI: 10.1080/10255840290032180
Go to original source...
- IBÁÑEZ, L., SCHROEDER, W., NG, L., CATES, J., 2005: The ITK Software Guide - Second Edition Updated for ITK version 2.4, Kitware, Inc., pages 804, ISBN 1-930934-15-7
- IVES, E., 2001: A Guide to Wood Microtomy: Making quality microslides of wood sections. Suffolk, UK: Publishing Office Ernie Ives, pages 114.
- JOHNSON, J. B., 1999: United States Patent 5883629, Recursive and anisotropic method and article of manufacture for generating a balanced computer representation of an object, 3/1999.
- KOŇAS, P. et al., 2008: Study of correlation between the fractal dimension of wood anatomy structure and impact energy, European Journal of Mechanics A/Solids, doi:10.1016/j.euromechsol.2008.07.005 DOI: 10.1016/j.euromechsol.2008.07.005
Go to original source...
- MIMX, 2007: Musculoskeletal Imaging, Modelling and Experimentation (MIMX), Center for Computer Aided Design, www.ccad.uiowa.edu/mimx/.
- PETSc, 2005: Portable, extensible toolkit for scientific computation. http://www-unix.mcs.anl.gov/petsc/petsc-2/
- OTSU, N., 1979: A threshold selection method from grey-level histograms, IEEE Trans. Sys., Man., Cyber. 9, pp. 62-66. DOI: 10.1109/TSMC.1979.4310076
Go to original source...
- SCHNEIDERS, R., SCHINDLER, R. and WEILER, F., 1996: Octree-based Generation of Hexahedral Element Meshes, Sandia National Laboratories, pp. 2005-2016.
- SHEWCHUK, J. R., 1998: Tetrahedral mesh generation by delaunay refinement. In: Proceedings of the 4th Annual Symposium on Computational Geometry, Association for Computational Machinery, pp. 86-95.
Go to original source...
- ITK, 2006: The Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK), www.itk.org
- USAMI, S.S. et al., 2008: United States Patent 7372460 B2, Method and program for generating volume data from boundary representation data, 5/2008
- VAVRČÍK, H., GRYC, V., 2004: Metodika výroby mikroskopických preparátů ze vzorků dřeva. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, č. 4, s. 169-175. DOI: 10.11118/actaun200452040169
Go to original source...
- VTK, 2007: VTK Documentation Project (VTK 5.1.0 Documentation), www.vtk.org
- YERRY, M. A., SHEPHARD, M. S., 1984: Automatic Three-Dimensional Mesh Generation By The Modified Octree Technique, International Journal For Numerical Methods in Engineering, John Wiley, Num 20, pp. 1965-1990. DOI: 10.1002/nme.1620201103
Go to original source...
- YOO, T. S., 2004: Insight into Images - Principles and Practice for Segmentation, Registration, and Image Analysis, A K Peters, Ltd. Wellesey, p. 393.
Go to original source...
- ŽÁRA, J., BENEŠ, B., SOCHOR, J. a FELKEL, P., 2004: Moderní počítačová grafika, Computer Press, Brno, 609 s.
This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY NC ND 4.0), which permits non-comercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original publication is properly cited. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.