Acta Univ. Agric. Silvic. Mendelianae Brun. 2009, 57(1), 79-88 | DOI: 10.11118/actaun200957010079

3D vizualizace a tvorba konečně prvkové sítě z anatomických vzorků dřeva, Část II - Algoritmický přístup

Petr Koňas
Ústav nauky o dřevě, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, 613 00 Brno, Česká republika

Článek představuje novou původní aplikaci WOOD3D v jejím sestaveném programovém kódu. Práce rozšiřuje předchozí díl "Part I - Theoretical approach" detailním popisem implementovaných tříd C++ použitých projektů Visualization Toolkit (VTK), Insight Toolkit (ITK) and MIMX. Kód je napsán ve formátu CMake a je tak dostupný jako multiplatformní aplikace. Aktuálně byl uvolněn program pod platformami GNU Linux (32/64b) a MS Windows (32/64b). Článek diskutuje různé třídy filtrů zejména pro prahování obrazu. Je zdůrazněn význam procesu registrace pro kompenzaci rozdílnosti barevných prostorů řady vstupní obrázků. Výsledný vývojový diagram implementované obrazové analýzy je novým metodologickým přístupem pro zpracování obrazu v oblasti sestavení, vizualizace, filtrace, registrace a formování sítě konečných prvků. Aplikace vytváří skript parametrického jazyku ANSYS parametric design language (APDL), který je plně kompatibilní s prostředím konečně prvkového řešiče a modeláře programu ANSYS. Tento skript obsahuje úplnou definici nestrukturované konečně prvkové sítě tvořené jednotlivými elementy a uzly. Díky jednoduché notaci může být skript použit pro generování geometrických entit na místo elementů. Takto vytvořené objemové entity jsou připravené pro další aproximaci geometrie (např. booleovskými či jinými pokročilými metodami). Sítě šestistěnů jsou formovány jak v podobě rovnoměrné, tak s anizotropním charakterem. V aplikace je rovněž deklarována modifikovaná metoda octree pro tvorbu anizotropní sítě šestistěnů. Pro rychlé provedení obrazové analýzy podporuje aplikace vícejádrová CPU. Vizualizace řady vstupních obrázků a následný 3D model jsou realizovány ve formátu VTK (dostatečně známém a veřejném formátu) vizualizované v GPL aplikaci Paraview.
Je diskutováno i zaměření budoucí práce, která bude soustředěna na zlepšení kvality sítě pomocí statistik chyb sítě, pořízením obrázků a zlepšením pragovácích technik sofistikovanějšími filtry společně s optimalizací kódu pro rychlou obrazovou analýzu. Rovněž je vzato do úvahy budoucí využití aplikace pro klasifikaci fraktálových charakteristik na mikroskopické úrovni.

dřevo, anatomie, binární obraz, konečné prvky, převodník sítě

3D visualization and finite element mesh formation from wood anatomy samples, Part II - Algorithm approach

Paper presents new original application WOOD3D in form of program code assembling. The work extends the previous article "Part I - Theoretical approach" in detail description of implemented C++ classes of utilized projects Visualization Toolkit (VTK), Insight Toolkit (ITK) and MIMX. Code is written in CMake style and it is available as multiplatform application. Currently GNU Linux (32/64b) and MS Windows (32/64b) platforms were released. Article discusses various filter classes for image filtering. Mainly Otsu and Binary threshold filters are classified for anatomy wood samples thresholding. Registration of images series is emphasized for difference of colour spaces compensation is included. Resulted work flow of image analysis is new methodological approach for images processing through the composition, visualization, filtering, registration and finite element mesh formation. Application generates script in ANSYS parametric design language (APDL) which is fully compatible with ANSYS finite element solver and designer environment. The script includes the whole definition of unstructured finite element mesh formed by individual elements and nodes. Due to simple notation, the same script can be used for generation of geometrical entities in element positions. Such formed volumetric entities are prepared for further geometry approximation (e.g. by boolean or more advanced methods). Hexahedral and tetrahedral types of mesh elements are formed on user request with specified mesh options. Hexahedral meshes are formed both with uniform element size and with anisotropic character. Modified octree method for hexahedral mesh with anisotropic character was declared in application. Multicore CPUs in the application are supported for fast image analysis realization. Visualization of image series and consequent 3D image are realized in VTK format sufficiently known and public format, visualized in GPL application Paraview. Future work based on mesh improvement through mesh error statistic, image acquisition and thresholding improvement by more sophisticated filters together with code optimization for fast image analysis is discussed. Also fractal characteristics classification on microscopic scale level is taken into account for further work.

Keywords: wood, anatomy, binary image, finite element, mesh converter
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
Koňas, P. (2009). 3D visualization and finite element mesh formation from wood anatomy samples, Part II - Algorithm approach. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis57(1), 79-88. doi: 10.11118/actaun200957010079
Download citation

References

  1. CARTER, D. R., HAYES, W. C., 1997: The compressive behavior of bone as a two-phase porous structure, J of Bone Joint Surgery, 59A: 954-962. Go to original source...
  2. FEDOROV, A., CHRISOCHOIDES, N., KIKINIS, R., WARFIELD, S., 2005: Tetrahedral mesh generation for medical imaging, http://hdl.handle.net/1926/35
  3. ITK, 2006: The Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK), www.itk.org
  4. IBÁŃEZ, L., SCHROEDER, W., NG, L., CATES, J., 2005: The ITK Software Guide - Second Edition Updated for ITK version 2.4, Kitware, Inc., 804 p., ISBN 1-930934-15-7
  5. MARTIN, K., HOFFMAN, B., 2005: Mastering CMake - A Cross-Platform Build System, Kitware, Inc., USA, 250 p.
  6. MOLINO, N., BRIDSON, R., TERAN, J., FEDKIW, R., 2003: A crystalline, red green strategy for meshing highly deformable objects with tetrahedra. In: Proceedings of the 12th International Meshing Roundtable, 103-114.
  7. PRATA, S., 2004: Mistroství v C++, Computer Press, Brno, 1006 p.
  8. SCHROEDER, W. J., GEVECI, B., MALATERRE, M., 2004: Compatible Triangulations of Spatial Decompositions. In: Proceedings of Visualization 2004, IEEE Press.
  9. VTK, 2007: VTK Documentation Project (VTK 5.1.0 Documentation), www.vtk.org
  10. YOO, T. S., ACKERMAN, M. J., LORENSES, W. E., SCHROEDER, W., CHALANA, V., AYLWARD, S., METAXES, D., WHITAKER, R., 2002: Engineering and Algorithm Design for an Image Processing API: A Technical Report on ITK - The Insight Toolkit. In: Proceedings of Medicine Meets Virtual Reality, J. Westwood, ed., IOS Press Amsterdam, pp. 586-592.

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.