（计算机软件与理论专业论文）基于ict切片图像的三维重构研究与应用.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 i c t 是工业计算机断层图像技术的简称，它能在对检测物体无损伤条件 下，以二维断层图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结 构、组成、材质及缺损状况，被誉为当今最佳无损检测技术。i c t 图像的三 维重构技术结合了数字图像处理技术和计算机图形学等学科知识，依据i c t 断层切片图像信息，通过算法和程序实现重构三维c a d 模型，以便更加直 观地显示被测物体的内部结构特点和损伤程度：同时采用v t k 图像处理技 术实现基于象素体的三维重构，根据图像层间的插值算法实现对象素体的任 意方向剖切处理以及剖图图像重建。 i c t 图像三维重构首先要对二维截面数据进行一系列的预处理，得到有 效、准确的序列层状数据，再从这些数据中寻找隐藏的几何特征和拓扑约束 关系，然后再采用合适的算法进行三维重构。 本文主要的工作内容有： 1 本文首先对i c t 图像的发展进行了阐述，详细介绍i c t 断层切片图 像的处理技术，研究了图像的滤波去噪、基于图像灰度值的物体密度检测、 灰度变换和阈值分割技术。 2 研究图像的轮廓提取、跟踪和优化技术，并实现了轮廓数据的矢量化 处理并提供了与通用c a d 和反求工程软件系统的数据接口i g e s 格式： 同时研究实现了基于曲率的轮廓识别和轮廓曲线的拟合。 3 研究了基于序列图片的轮廓数据的隐含的拓扑约束关系提取，实现反 求c a d 建模。 4 采用v t k 图像处理技术，根据层间图像象素的插值法，实现基于图 像象素体的三维可视化，并且研究了象素体的剖切处理和剖面图像重建。 关键词工业c t 三维重构；图像处理；反求工程；v 西南交通大学颧士研究生学位论文第页 i c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) ，o w i n gt ot h ef e a t u r eo fb e i n ga b l et o d i s p l a yt h ei n n e rs t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o n m a t e r i a la n dd e f a u l ts t a t u so f t h ei n s p e c t e d o b j e c t sw i t h2 ds l i c i n gi m a g e ，c l e a d y , a c c u r a t e mi n t u i t i v e l ya n dw i t h o u ta n yl o s st ot h e i n s p e c t e do b j e c t s ，i sa w a r d e da st h eb e s ti n s p e c t i o nt e c h n o l o g yw i t h o u ti c e sn o w a d a y s 3 dr e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yb a s e di c ts l i c i n gi m a g ec o m b i n e sd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g a n dc o m p u t e rg r a p h i c s ，e t c a c c o r d i n gt ot h ei m a g ei n f o r m a t i o no fs e c t i o ns l i c e ，i tc a n r e c o n s t r u c t3 dc a dm o d e lw i t hr e l a t i v ea r i t h m e t i ca n dp r o g r a m i nt h i sw a y , w ec a ns h o w t h ei n s p e c t e do b j e c t si n n e rs t r u c t u r ef e a t u r e sa n dl o s sd e g r e ei n t u i t i v e l y a tt h es a m et i m e 。 a d o p a n gv t ki m a g ep r o c e s st e c h n o l o g yb a s e do np i x e jv o l u m e nc a nr e a l i z et h e3 0 r e c o n s t r u c t i o nb a s e do np i x e lv o l u m e ，c u t t i n gr e c o n s t r u c t e dp i x e lv o f , u m ea tr a n d o m d i r e c t i o n ，a n da c c o r d i n gt ot h ei n t e r p o l a t i o no fi m a g el a y e r s ，e x a c t i n gt h ed a t ao fc u t t i n g s l i c ei m a g e 3 dr e c o n s t r u c t i o nb a s e di c ts l i c i n gi m a g en e e dd oas e r i e so fp r e p r o c e s st ot h e2 d s i l i c i n gd a t at og e tt h ee f f e c t i v ea n dp r e c i s es e q u e n c el a y e rd a t a t h e nr e s e a r c ht h e g e o m e t r i cf e a t u r ea n dt o p o l o g yc o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i pc o n c e a l e di nt h ed a t a f i n a l l yu s e 3 dp r o c e s s i n gw i t ht h er i g h tr e c o n s t r u c t i o na r i t h m e t i c t h em a i nr e s e a r c h e sa r ea sf o u o w s ： 1 i n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo fi c ta n dt h et e c h n o l o g yo fi c ts l i c i n gi m a g e p r o c e s s i n gd e t a i l e d r e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo ff i l t e r i n gt h en o i s ea n dd e n s 耐m e a s u r i n g b a s e do ni m a g eg r a yv a l u e ，g r a yv a l u et r a n s f o r ma n dt h et e c h n o l o g yo fi m a g e s e g m e n t a t i o nb ys p e c i a lv a l u e 2 r e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo fc o n t o u re x t r a c t i n g t r a c i n ga n do p t i m i z i n gf o rt h e c o n t o u rd a t a 。s o l v et h ep r o b l e mo ft h ev e c t o rp r o c e s so fc o n t o u rd a t aa n dp r o v i d et h e i n t e r f a c e - - - i g e sf o r m a tf o rt h eu n i v e r s a lc a ds o f t w a r ea n dr e v e r s ee n g i n e e r i n gs o f t w a r e s y s t e m ，d ot h ec o n t o u rf e a t u r e sr e c o g n i z i n gb a s e do nc u r v a t u r em e t h o da n df j t i i n gt h e c o n t o u r f e a t u r ec u r v e 3 r e s e a r c ht h ec o n n o t a t eg e o m e t r i cf e e t u r e sa n dt o p o l o g yc o n s t r a i n tr e l a t i o n s h i p i nt h ec o n t o u rd a t ab a s e do ns e q u e n c ei m a g e 。r e c o n s t r u c tt h ec a dm o d e l 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 4 a d o p t i n g v i k i m a g ep r o c e s st e c h n o l o g ya n d t h ei n t e r p o l a t i o no fl a y e ri m a g ep i x e l s ， r e c o n s t r u c tt h e3 dp i x e lv o l u m eb a s e do r lt h es l i c i n gi m a g e ，a n dr e a l i z et h ec u t t i n go ft h e p i x e lv o l u m ea ta n yd i r e c t i o na n dr e c o n s t r u c tt h ec u t t i n gp l a n ei m a g e k e yw o r d s ：i c t , 3 dr e c o n s t r u c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ， v t k 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：2 0 0 7 年5 月1 日 日期：2 0 0 7 年5 月1 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 计算机断层扫描( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称o r ) 技术，最早产生于 上世纪7 0 年代初。c t 技术在物质探测方面有着巨大的优势。从1 9 7 0 年问 世后，广泛应用在医疗诊断、航天器械、无损检测、探矿找水、桥梁堤坝建 筑、防爆防毒及检测放射性污染、地震安全性评估、预防滑坡等方面。 利用c t 测量产品的基本物理参数比常规测量方法复杂，并且费用高。 然而c t 能快速无损地提供产品密度和缺陷，并对用户感兴趣的区域进行灰 度识别、面积提取和分析计算。针对高能c t 的发展，进行无损检测和产品 物理参数识别，是本文需要研究的内容。 随着快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r e ) 技术的逐渐成熟和工业c t 无 损检测技术的发展，面向r p 的工业c t 断层图像反求技术已经成为当前反 求领域的一个研究热点l 。由于高能射线工业c t 需要在很高的空间分辨率 下检测大尺寸的工件，最终获得的断层图像非常巨大。如何在现有的硬件条 件下实现断层图像的切片数据精简和实现基于i c t 的r p 快速技术，是急待 解决的问题。 工业c t 图像的三维重建是工业c t 技术的重要组成部分。c t 三维重建 可分为直接三维重建和二维断层序列图像的三维重建。随着工业c t 的广泛 应用，以及其测量精度的不断提高和无损测量的特点，基于i c t 断层数据的 三维c a d 建模已经成为国内外的研究热点，并成为反求工程的重要研究方 向之一，也是本文重点研究的内容。 1 1i c t 的发展概况 计算机断层扫描通过多角度投影，全方位射线扫描，探测器接收以及图 像重组技术等，来获取检测层面无重叠的、高对比度的清晰图像，成为2 0 世纪后期最伟大的科技成果之一，该技术还获得了1 9 7 9 年的诺贝尔医学奖 ( 2 1 。由投影数据重建图像的问题已经独立地出现在很多科学领域。 工业c t ( h d u s t r i a lc o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称i c n 即工业计算机断 层扫描。它是建立在医学c t 的基础之上的。2 0 世纪8 0 年代初，c t 技术从 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 医学领域进入工业领域，并逐渐发展成为专门的工业c t 技术。相对医学c r 而言，其显著特点在于采用了高能射线源检测高密度和大尺寸的物体，具有 更高的分辨力等，目前工业c t 已广泛应用在航空、航天、军事工业、机械、 新材料等多个领域。 i c t 与医学c t 原理相同，它主要用于工业构件的无损检测，具有直观、 准确、无损伤等特点。但由于成像的对象不同以及工业构件的特殊性，如结 构复杂，精度要求更高等特点，i c t 常常采用穿透能力更强的辐射源f 如强 y 射线、强中子射线等) 对工业构件进行扫描来采集数据【3 】，然后经过计算机 对数据进行处理，重构出三维构件，再通过对所得断层图像进行相关的图像 处理，得出构件的相关信息。 1 1 1i c t 发展的四个阶段 从2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代中期，美国s m s 公司和m 公司率先推 出c 1 t a 2 0 0 和i r i s 系列产品并广泛应用后，i c t 技术迅速发展并推动了其 产品不断推陈出新。上世纪9 0 年代，许多公司都相应开发出了高能x 射线 工业c t 产品，如美国b i r 公司的a c 2 1 1 s 系列，铷队c o r 公司i c t 和 k o n o s c o p e t m 系列，加拿大原子能公司a e c l 系列，德国西门子x i c t 系 列等。y 射线i c t 产品主要以美国c i t a 2 0 0 系列和i d m 公司的3 个y 源第 五代c t 装置为代表。产品的发展与应用促使i c t 技术转化为一种国际化高 科技产业，预示了广阔的前景【1 j 【2 】。 目前国际上对工业c t 技术的研究主要集中于高能x 射线i c t ，其科技 含量高，成本大，可对较厚工件或较重元素材料进行检测，对于军工产品有 明显的重要性，也是发展国防、航空、航天等大型动力设备的关键技术之一。 图像重建算法的研究在该领域论文发表涉及面最广，由二维投影直接重建三 维图像技术也已成为近年来研究的主流，如f e l d k a m p 的滤波反投影和 g r a n g e a t 三维r a d o n 反变换算法为当前三维图像重建技术常用算法，对此算 法的改进及提出新的重建算法仍然是现在与将来研究的热点。此外一些相关 技术也同样成为了近年来主要研究课题，如射线硬化校正、有限角度不完全 数据成像技术、康普顿散射成像技术、采用同步辐射源c t 、可移动式c t 以 及其他断面成像技术等p 】。 i c t 的发展按照扫插方式来讲，可以分为以下四个阶段： ( 1 ) 第一代i c t ( 平移+ 旋转扫描方式) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第一代i c r 由一只x 线管和1 个晶体探测器组成。x 线管与探测器连为一 体，x 线管产生的笔形束穿过试样照射到与其相对的探测器上，x 线管和探测 器先做同步直线平移扫描运动。获得2 4 0 + 透射测量数据后，再环绕试样中心 旋转1 。，做与上次方向相反的直线扫描运动。获得2 4 0 个测量数据后，再旋 转1 。，重复上述过程，直到旋转1 8 0 。，得n 1 8 0 组由2 4 0 个测量数据组成的 平行投影值，即完成了数据的采集过程，用于图像重建的数据个数为1 8 0 2 4 0 。第一代工业c t 的x 线利用率很低：扫描时间长，采集的数据少，故重 建的图像质量较差。目前，第一代i c t 已被淘汰。 ( 2 ) 第二代i c t ( 平移+ 旋转扫描方式) 第二代i c t 是在第一代的基础上，将单一笔形束改为扇形线束，由一只x 线管和3 - 3 0 + 晶体探测器组成。由呈扇形排列的多个探测器代替单一的探测 器，每次平移扫描后的旋转角由1 。提高到扇面夹角角度，这样旋转1 8 0 。时， 扫描时间缩短到2 0 9 0 s ，第二代快速i c t 有3 0 个以上的探测器，扫描时间显 著减少。为了提高图像质量，也有的采用2 4 0 。、3 6 0 。平移加旋转扫描，这 种i c t i ；i ：第一代各项指标均有提高。但是在扫描过程中易产生伪影。 ( 3 ) 第三代i c t ( 旋转扫描方式) 第三代i c t 的扇形角较宽( 3 0 。4 5 。) ，可包含整个试件扫描层面，探测 器增加n 3 0 0 一4 0 0 0 个，逐个依次无空隙的排列。扫描时，试件无需再做直线 平移运动，仅做连续旋转运动即可。因此，大大缩短了扫描时间。第三代的 结构较简单，操作方便，可获得较理想的c - r 图像。 ( 4 ) 第四代i c t ( 锥束扫描方式) 第四代i c t 使用面阵探测器代替线阵探测器，使用锥束扫描代替扇束扫 描。同二维的扇束、平行束相比，三维锥束c t 的射线利用率更高，需要的扫 描时间更短；与二维扇束( t 相比，三维锥束c t 具有同时扫描数百个断层的 能力，并能获得各向( x 和y 方向) 均匀、高精度的空间分辨率。但是锥束c t 的重建算法在数学计算上比较复杂，由于其运算量较大，工程上实现起来也 有一定的困难，但是随着近几年硬件和算法的快速发展，三维锥束c t 变得越 来越普及，并被广泛地应用于各个行业中【4 l 。 1 1 2 我国i c t 的进展 我国的i c t 技术的发展始于上世纪9 0 年代初期。 重庆大学i c t 研究中一t l , 自1 9 9 3 年研制和开发出了国内第一台实用工业 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 c t 样机x n 一1 3 0 0 后，1 9 9 6 年完成我国第一台商用型工业c t 机c d 3 0 0 b g ， 1 9 9 8 年完成我国第一台用于反求工程的x 射线工业c t 机c d 2 0 0 b x ，2 0 0 0 年完成我国首批教学用工业c t 实验仪c d 5 0 b g 、c d 1 0 0 b g 系列，2 0 0 1 年 完成我国第一台大型卧式工业c t 系统c d - 4 0 0 c g ，2 0 0 5 年完成我国第一台 具有高精度定量测量功能的高能大型工业c t 系统c d 6 5 0 b x ，极大地推动 了我国i c t 技术的研究和发展。我国自主开发的产品与国外同类产品相比， 具有性价比更高的特点【5 】。 2 0 0 3 年，清华大学的“加速器辐射源移动式集装箱检查系统的研制及产 业化”项目获国家科技进步一等奖。同时，研制成功“9 m e v ”、“1 5 m e v ”大 型工业c t 并在有关单位装备使用f 6 l 。 2 0 0 5 年，中国工程物理研究院应用电子学研究所研制成功、达到国际先 进水平的我国首套高精度工业c t 最近通过专家验收。它可将大到火箭卫星， 小到零件螺丝钉内部比针尖还小的缺陷、比头发丝还细的缝隙“看”得清清 楚楚。这种被称为加速器集成检测的设备从面体上可检测最小达0 0 0 2 立方 毫米的设备内部缺陷；从线上可检测出l o 微米的内部裂缝；分辨能力比国外 公布的同类设备高出近1 0 倍【刀。 据专家介绍，目前国际上发布的只有低能工业c t ，每台价格高达1 1 0 多 万美元，而我国研制生产的高能c t ，其价格仅相当于国外低能设备的1 3 左 右，可广泛应用于航空、航天、汽车、轮船、石油管道等国防和民用工业领 域。尤其需要指出的是，运用该设备扫描等功能，还可轻松地掌握和使用当 今世界上最先进的方式，进行新产品设计与改造。 i c t 科技技术在中国经济发展中的前途广阔，逐步完善中国高能工业c t 技术产品的生产系列化，己具有参与国际c t 技术竞争的潜力，是一支生力军。 中国已经拥有自主知识产权的高能科技产品，可以与发达国家同类产品竞争 的能力。 1 2 国内外相关技术研究现状 i c t 技术现己取得了长足的发展，近年来i c t 的研究主要集中在图像重 构算法研究、三维可视化技术的研究以及与i c t 检测设备配套的图像重建与 处理软件的开发。i c t 扫描切片之间的间距 l t d , ，像素密度很大，所产生的 数据量一般比较大。图像重构算法主要是研究怎样在减少数据量的同时重构 西南交道大学硕士研究生学位论文第s 页 出好的构件。如何根据c t 检测设备所采集的数据信息，通过开发相应的软 件对数据进行处理，也是目前研究的一个重点。 1 2 。li c t 可视化技术 i c r 重建是首先进行数据的采集，将采集的数据输入计算机，对输入的 数据进行二维显示，然后采用图像处理技术对输入的二维切片点云数据进行 预处理；将预处理后的结果保存作为三维显示的输入数据，通过这些点云数 据识别出断层之间的拓扑关系，最后再进行三维重建并显示。c t 三维重建 流程如图1 - 1 所示。 i c t 可视化技术是利用i c t 检测设备所采集的海量数据，通过计算机对 数据进行处理，然后进行二维或三维重构并在屏幕上显示出来。并可以和用 户进行交互，从而获取构件信息的技术。i c t 可视化技术的研究主要集中在 如何绘制出反求出来的可视化模型。目前常用的主要有面绘制和体绘制两种， 相应的也就有对可视化技术算法的研究。 随着i c t 可视化技术的研究，也出现了许多相应的可视化工具用于工业 c t 的可视化开发。比较主流的可视化开发工具主要o p e n g l n g l 、v t k t t o l i t l l 、 a m i r a 1 2 l 、a n a l y z e 、i d “1 3 】等。此外，还有别的一些可视化工具。这些可视 化工具的出现，给i c t 的可视化技术发展带来了很好的契机，促进了i c r 可 视化技术的飞速发展。 l 竺苎苎一一l 广二= 切片截面数据预处理 1，。、，一 ，- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - i - - - - - - - - - - - - - - - 一 三维反求建模 、i：-一 三兰兰兰苎兰苎 图1 - 1i c t 三维重建流程图 v r k 是由w i l l i 锄j s c h m e d e r ，k e n n e t hm m a r t i n ，w i l l i a me i o r e n s e n 三人于1 9 9 3 年在文献的基础上开发的，利用面向对象的建模技术，设计和实 现开放的三维可视化工具箱【1 0 t 。v t k 软件包采用c + + 语言构造，其中包含 了三维计算机图形学、图像处理和可视化三部分功能。它包括两个子系统： 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 一个是c + + 类库：另一个是支持j a v a ，t c l ，p y t h o n 语言操作编译过的c + + 类库的封装层【1 l j 。 v t k 对于医疗的可视化方面，如处理c t 的扫描数据方面具有很强的功 能l 嘲。v t k 的内核独立于操作系统。可用于工作站( u n i x 平台) 和 p c ( w i n d o w sa n dl i n u x ) 。它的图形模型是建立在比o p e n g l 及p e x 等一些渲 染工具高一些的基础之上的。v t k 是一个真正的可视化系统，不仅仅支持对 几何的显示及渲染，同时支持许多图形算法( 光栅图形生成算法，消隐算法 等) 、可视化算法( 矢量，标量，张量) 及高级的建模技术( 快速建模，多 边形优化，d e l a n a y 三角面片生成法) 。而且，v t k 的开发者组织了一个有 效的论坛及新闻组，通过这种平台。v t k 的使用者之间可以方便地进行交 流与合作【1 9 1 图1 - 2 v t k 与o p e a g l 结构关系 v t k 是建立在o p 钮g l 之上的，如图1 - 2 所示，v t k 的底层是o p e n g l ， 它封装了c + + 库。应用程序通过调用这些库函数来实现三维可视化。 匡堕巫 儿 匦 幽1 - 3o p e n g l 绘毒通道 o p e n g l 是几百个能够访问图形硬件所有性能的函数的集会。在其内部， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 它是以状态机的形式运行的，就是一些状态的集合，而这些状态决定了 o p e n g l 如何运行，通过应用程序编程接口( a p 0 ，可以设置状态机中的各种 状态，例如当前的颜色、光照以及混合模式等状态。在绘制时，状态机的当 前设置决定了每一个将被显示的对象如何被绘制。准确地掌握各种状态的含 义以及他们所产生的效果是很重要的，因为一个或多个不正确的状态设置， 就会导致意想不到的结果。o p e n g l 绘制通道如图1 3 所示。 1 2 2 断层图象处理技术 利用i c t 断层图像进行c a d 建模并进行快速成形的方法，主要利用图 像平滑、边缘检测、图像分割、轮廓提取、轮廓特征点采样、轮廓特征点匹 配、插值中间轮廓的方法。同时，本文针对某产品零件i c t 断层图像进行实 验研究，取得了较满意的实验结果。 工业c t 是测量没有备件和复制品的复杂形状实物的唯一方法，尤其对 内部空腔结构件，激光等测量手段无法实现的情况下，c t 反求技术是最合 适的选择，因此将其应用于反求有着广泛的前景。基于i c t 断层数据的三维 c a d 建模已经成为国内外的研究热点，并成为反求工程的一个新的研究方 向，本文讨论利用i c t 断层图像进行c a d 建模并进行快速成形的方法，由 i c t 断层图像，通过反求，重构三维c a d 模型，并生成可直接用于快速成形 制造的层片数据文件c u 文件。 图像的平滑技术可分为两类：基于图像域( 或空域) 的方法和基于变换域 ( 或频域) 的方法。常用的空域平滑滤波方法有：局部平均滤波、高斯滤波和 中值滤波。 边缘检测经典的边缘检测方法有s o b e l 算子、r o b e r t s 梯度算子、k i t s c h 算子、p r e w i t t 算子、拉普拉斯l o g ( l a p l a co f g a u s s ) 算子。文中采用l o g 算 子进行边缘检测。之后，又提出了许多新的技术，如c a n n y 的最佳边缘检测 器，统计滤波检测以及随断层扫描技术兴起的三维边缘检测。这些算子都存 在一些不足之处，如r o b e r t 算子、s o b e l 算子、l a p l a c i a n 算子虽然计算简单、 速度较快，对边缘的定位也较准确，但它们对噪声的于扰都很敏感：又如 m a r t 算子，用该算子进行边缘提取过程中，当模板取得较小时，抗噪能力不 明显，当模板取得较大时，抗噪能力虽有提高，但计算费时，且对边缘的定 位往往不够准确。 图像分割：数字图像分割的方法很多，如o s t u 提出的自动选取阙值的方 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 法，它的算法准则是寻找类内方差最小和类间方差最大的灰度值作为最佳闽 值。 轮廓提取：常用的数学形态学方法来判别和识别边缘数据，采用轮廓跟 踪方法对其进行跟踪处理，得到较为精准的轮廓数据点阵。 特征点匹配与插值：根据i c t 图像的特征提出了许多的匹配与插值算法， 这些特征包括灰度、灰度梯度、方向等。 轮廓特征的识别和曲线拟合：分析轮廓点阵所隐含的信息，对轮廓数据 进行分段特征识别，根据识别出的分段特征进行分段曲线拟合或逼近。 1 2 3 基于切片的工业产品反求技术 工业中的很多领域，都需要创建已经存在物体的计算机几何模型，但却 得不到现成的几何模型，因此，需要由实际形体来生成计算机几何模型，这 种工程就称为反求工程或逆向工程1 1 4 l 。 基于断层切片图像的工业产品反求技术，是指通过i c t 检测设备采集的 序列c t 断层切片图像，利用反求技术重建工业构件的三维造型。目前国内 外对基于切片的反求技术的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) i c t 断层拓扑信息识别 拓扑学是数学中一个重要的、基础性的分支。它最初是几何学的一个分 支，主要研究几何图形在连续变形下保持不变的性质，现在已成为研究连续 性现象的重要的数学分支。断层拓扑信息识别的方法很多，一般采用的方法 是通过判断与某一像素在空间上相邻的像素之间的位置关系来决定其拓扑关 系。 断层拓扑信息识别是三维重构的基础。是指通过断层之间的相邻象素点 以及同一断层上的象素点来识别隐藏在数据之间的拓扑信息。通过拓扑信息 识别，可以识别出断层上的曲线，曲面等信息，同时，它也包含了对i c y 断 层数据的处理，从而为三维重构做好准备。 ( 断层之间插值的研究 i c t 三维成像的主要方法是：通过多幅等间隔的序列断层图像重建三维 物体，用计算机图形学方法将三维信息显示在计算机屏幕上。影响重建的三 维数据分析和显示效果的一个严重问题是：断层内象素的空间分辨率远远高 于各断层间的空间分辨率。三维体数据可看作是多个小长方体体素的集合， 若用这些长方体体素进行分析处理和显示，由于三个方向空间分辨率不一致， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 显示结果呈阶梯状。三个方向上空间分辨率相同的立方体体素构成的三维数 据显示效果更好。这些主要取决于插值方法的好坏。用图像处理的方法对现 有的断层图像进行插值运算，以获得立方体素表示的三维物体。插值后，断 层图像数目增加，相当于层厚减薄。这是国际上普遍采用的方法。断层插值 方法的研究是国际上学者们关心的问题之一“。 ( 3 ) 三维可视化绘制方法的研究 三维可视化绘制方法的研究主要是采用什么样的方法来重构三维模型。 目前主要有面绘制和体绘制方法。其中面绘制方法主要有：连接轮廓线法1 1 6 1 、 c u b e r i l l e 表示和显示方法【1 7 1 、m c 方法( m a r c h i n gc u b e sa l g o r i t h m ) ”j 、分解 立方体法等【1 9 】。体绘制方法主要有以下凡种方法：光线投射体绘制技术 2 0 l 、 物体空间扫描的体绘制技术【2 l 】、频域体绘制技术等【翻。 面绘制方法和体绘制方法各自有自己的优缺点，面绘制的速度较快，但 要构造中间曲面表示，必须通过分割，但由于目前的分割技术所限，缺少准 确有效的方法，造成失真较严重。体绘制虽然可以解决这个问题，但是算法 较复杂，运算量大，运算较慢。如图像空间扫描的体绘制算法和物体空间扫 描的体绘制算法均属于体绘制算法，这些算法共同的优点是可以显示三维空 间数据场的整体，包括数据变化的细节。其共同的缺点是计算量大，计算时 间长。t o mm o l z b e n 及t t o t s u k a m l e v o y 等人分别于1 9 9 3 年提出了频域体 绘制算法。在不包括预处理的前提下，将计算复杂性降低了。同样也获得了 较好的成像效果。 反求工程建模是反求与设计的有机结合，它与正向设计既有区别又相互 依存。基于特征及约束的实体造型技术的发展与广泛应用也极大地推动了反 求工程c a d 建模技术的发展。在反求工程领域如何引入特征、约束及参数 化技术已经成为该领域的研究热点。w i l t a m 教授研究了基于制造特征的反求 工程c a d 模型重建【矧，s o o n k i 则对装配约束下的反求工程c a d 建模进行了 研鳅2 引，w e 础i 与b e n k o 等研究了拓扑约束下的二次曲面拟刽2 5 埘】 目前，大多数的反求技术是面向快速成型制造( r p m ) 技术的，重建出的 三维计算机模型只具有表面几何信息。而c a d 造型系统中的实体模型是具 有几何信息和拓扑信息的，反求出的三维计算机模型还不能作为造型系统中 的实体模型，因此，不能参与已有造型系统的一些运算和操作，必须将其经 过一定的结构转换，转为已有c a d 造型系统所能够接受的数据形式。 理论上讲，任何c a d 模型都可以看成是一些简单特征的组合，而特征 西南交透大学硕士研究生学位论文第1 0 页 面是产品特征的再分解。组成特征的二次曲面之间又经常满足垂直、平行、 相切、尺寸及距离等几何约束。在产品制造过程中，这些曲面的制造精度一 般也有较高要求，青5 造出的产品特征曲面之间经常要满足垂直度、平行度、 尺寸公差等形位公差的要求。在产品反求工程c a d 建模过程中，由于测量 误差或产品制造误差、使用过程中磨损误差和曲面逼近误差的影响，重构 c a d 模型的特征曲面之间往往不能保持设计时的几何约束关系。正是由于上 述误差的影响，使得单一曲面逼近误差最小，忽略特征曲面之间几何约束的 重建c a d 模型很难满足产品装配对齐及产品对称等要求。 因此，结合切片数据点云的数据分块和微分几何特性，可以方便的求出 规则曲面的正向设计时的规则曲压约束及基准特征，同时，也可以获得规则 组合特征的基准特征，从而计算规则组合特征的基准特征，识别隐藏在数据 点云的正向设计c a d 建模特征和定位基准特征及约束，从而为基于约束的 几何、拓扑求解提供基础。 1 3 论文选题背景及主要研究内容 本论文来源于与中国工程物理研究院的合作项目“i c t 图像的处理系统 的研究”课题，主要研究i c t 断层切片图像的处理和三维重构，并完成了系 统开发。 研究内容包括i c t 断层切片图像处理技术、图像轮廓数据的识别和提取 以及数据转换、基于特征的轮廓线识别、反求c a d 建模以及用可视化工具 v t k 实现基于图像灰度的三维重构。 全文共分五章： 第一章介绍i c t 的发展概况以及全文的研究内容和研究成果。较为全面 的阐述了i c t 的发展历程、应用领域以及目前达到的水平；详细的分析了国 内外的发展水平以及差异。同时，提出了本论文的选题背景，结合项目开发， 简单的介绍了所需要的相应技术，并且叙述了本文的主要研究成果。 第二章详细的介绍了i c t 断层切片图像的预处理技术。从实用性依次介 绍了课题中运用到的几种关键图像预处理技术理论以及项目开发中采用的具 体方法。对滤波去噪中常用的三种方法的介绍和对比，找出了适用于本文的 技术方法：在对比度的调整中对两种常用的方法进行了阐述和对比，得出适 用于本项目的方法；研究了以检测为目的的依据图像象素值判定物体密度的 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 方法，并且阐述了阈值分割的理论和方法，得出了本文所适用的阈值判定方 法。 第三章重点论述了i c t 断层切片图像的轮廓提取、跟踪以及轮廓数据的 转换，并且研究了轮廓数据的分段拟合。对第二章域值分割后的图像进行二 值化后处理，然后提出一种针对二值化后的图像的噪音判定方法；采用经典 的图像轮廓提取算法。获取初次的轮廓数据，再根据轮廓跟踪算法精简初次 获得的轮廓数据，使其轮廓上的点数据具有唯一性：同时对轮廓跟踪后的轮 廓数据进行矢量化处理，同时研究开发了与通用反求软件和c a d 系统的数 据接口。使其具有再编辑性和使用现有反求软件的数据格式：最后实现对轮 廓数据的分段特征识别和曲线拟合。 第四章论述了基于i c t 断层切片图像的轮廓数据的反求建模技术。研究 了隐含在序列轮廓数据内的几何特征和拓扑约束信息的提取，提出基本特 征、拟合派生特征，复杂曲面拟合相结合的反求c a d 混合建模方法。 第五章采用可视化工具v t k 实现基于象素体三维重构和可视化显示，并 研究基于图像灰度的插值技术，实现了任意方向剖切和切片图像数据提取。 1 a 主要研究成果 本文的主要研究成果是：针对i c t 断层切片图像的特点，研究出适合于 本文处理对象的图像处理技术和基于断层轮廓特征的反求c a d 建模技术： 完成了序列截面轮廓数据的矢量化处理，提供了与其他通用反求软件和c a d 系统的数据接口技术( i g e s ) ，实现了数据的通用性要求；采用【技术， 实现了基于图像象素的三维体可视化，提供了任意方向剖切和切面图像象素 数据提取功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章i c t 断层切片图像处理 图像处理就是应用数字图像处理技术来改善图像的质量，提取出所关心 的数据信息。一般情况下在工业c t 断层图像的获取过程中，由于c t 机本 身系统、外界的干扰、图像重建过程中等各种客观因素的影响以及传输过程 中的噪声污染，都会使图像模糊、具有噪声、亮度不均匀等图像质量下降的 情况。本章针对高能i c t 切片图像，进行图像滤波去噪、密度检测、灰度变 换和阈值分割，实现i c t 断层切片图像的预处理。 2 1 图像滤波去噪 为了更好的运用i c t 图像进行处理，需要对其进行一系列的预处理来改 善图像质量，使其达到图像清晰、对比度增强、目标区域突出和噪声得以消 除等目的，为后期的物体轮廓提取提供较为准确合格的数据源。 2 1 1 三种滤波方法 通常滤波操作的目的有两个：一是抽出对象的特征作为图像识别的特征 模式：另一是为适应计算机处理的要求，消除图像的噪声。一般情况下，在 空间域内可以用邻域平均来减少噪声；在频率域，由于噪声频谱通常多在高 频段，因此可以采用低通滤波的办法来减少噪声，常用的方法是采用中值滤 波和高斯滤波。下面我们对这三种滤波方法的进行简单的介绍。 1 中值滤波 中值滤波是一种非线性的信号处理方法，它在一定的条件下可以克服线 性滤波器如最小均方滤波、均值滤波等带来的图像细节模糊，而且对滤除脉 冲干扰及图像扫描噪声最为有效。主要功能是使与周围像素灰度值相差比较 大的像素取与周围像素灰度值接近的值，从而消除孤立噪声点。由于在实际 运算过程中不需要图像的统计特征，因此这也带来了不少方便。但是对于一 些细节多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不宜采用中值滤波。 中值滤波一般采用一个含有奇数个点的滑动窗口，用窗口中各点灰度值 的中值来替代指定点( 一般是窗口的中心点) 的灰度值。对于奇数个元素，中 值是指按大小排序后，中间的数值；对于偶数个元素，中值是指排序后中间 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 两个元素灰度值的平均值，对于一维情况，用内含5 个元素( 1 x 5 1 的窗1 2 1 对 离散阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数以及三角形函数进行中值滤波和均值滤 波，结果不影响阶跃函数和斜坡函数，并可以有效地消除单、双脉冲，使三 角函数的顶端变平。对于二维情况，中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波器效 果影响很大。不同图像内容和不同应用要求往往选用不同的窗口形状和尺寸， 一般情况下通过选择以下不同的模板来实现。下面几种就是比较常用的模板 1 2 7 】 三仨：0 1 4 l o 1 o i lj 2 高斯滤波 ! 仨0 11 1 8 【1 1 1 j 高斯( g a u s s ) 滤波是通过采样二维高斯函数得到的，如式( 2 1 ) 所示。 g o ，y ) 一丽1 e x p ( 一等1 c 2 钔 常用滤波模板为【明： 1 2 1 1 托4 ；l 3 局部平均滤波 局部平均滤波是一种线性运算，它是一种直接在空间域上进行平滑处理 的技术，认为图像是由许多灰度恒定的小块( 即像素) 组成，相邻像素间存 在很高的空间相关性，而噪声是独立的。设图像中像素的灰度值用f ( x ，y ) 表 示，局部平均滤波后结果图像中对应像素灰度值用o ( x ，y ) 表示，则有如下 表示式： g 4 万1 ，p ( 2 - 2 ) 其中，s 表示像素f 扛，y ) 的邻域，通常为n x n 点的方形窗口，m 为 邻域中像素点的总数。这种方法简单、计算速度快，但缺点是在降低噪声的 同时使图像产生模糊，特别是在边缘和细节处，邻域越大，模糊越厉害。实 际应用中常把n 的值取为3 ，即s 表示一个3 x 3 的方形域。这时，上式可 改写为： 西南交通大学预士研究生学位论文第1 4 页 g g ，y ) - 罗罗f 锄，甩y ( f 一肌+ 1 ，一月+ 1 ) ( 2 - 3 ) - j 一 其中，g g ，y ) 是输出图像，f 往，) ，) 是输入图像，v 是n x n 方阵模板。 常用的局部平均滤波模板为【2 刚： 一【1 2 1 2 三种滤波技术对比和本文采用的方法 中值滤波，在降噪的同时可以很好地保持原来的边界信息：高斯滤波引 入了加权系数，距离中心点越近，加权系数越大，应用高斯滤波，噪音去除 了，但也使边界模糊了；局部平均滤波考虑了其邻域点的作用，但并没有考 虑各点位置的影响，所以去噪的同时也使得边界模糊了。表2 1 对三融滤波 技术的特点进行了比较【矧。