摘  要： 為獲得材料復(fù)雜細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三維模型，開發(fā)了一種基于切片三維重構(gòu)方法的微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)被研究對(duì)象進(jìn)行切片，自動(dòng)獲取二維切片圖像并對(duì)其進(jìn)行分析，然后獲得研究對(duì)象的三維模型。該系統(tǒng)具有精度高(切片精度可達(dá)0.2 mm)、全自動(dòng)（能對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)切片、自動(dòng)清洗、自動(dòng)烘干等處理)、小型化(整個(gè)系統(tǒng)可在一個(gè)普通工作臺(tái)上運(yùn)行)、成本低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 三維重構(gòu)； 自動(dòng)切片； 圖像處理

1.緒論

       在研究含復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料(如混凝土、巖石、泡沫金屬等)的力學(xué)性能時(shí)，常常需要詳細(xì)了解材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。基于X射線掃描的CT成像是最常用的內(nèi)部成像方法，各種型號(hào)的CT機(jī)也是醫(yī)學(xué)檢查、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域最常規(guī)的檢測(cè)手段[1-2]。但在小型科研中，如想獲得材料或構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，常規(guī)的CT機(jī)并不是理想的設(shè)備，這是因?yàn)椋?1)設(shè)備非常昂貴，一般的用戶難以負(fù)擔(dān)；(2)需要射線源，操作人員需要防護(hù)，很難讓普通操作人員操作；(3)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用高，占地面積大，對(duì)空間要求高。以上幾方面決定了常規(guī)的X射線CT設(shè)備很難在小型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中推廣。

　     X射線CT是一種獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無(wú)損測(cè)量方法，如果僅想獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)而不在乎是否損傷試件，完全可以采取切片—照相—重建的有損三維建模方法(可以稱之為切片式CT方法)。切片式CT方法的原理如圖1所示。

       首先，將被測(cè)物以一定的厚度切片，再通過(guò)圖像采集設(shè)備采集各個(gè)切片的圖像，最后經(jīng)過(guò)圖像處理重建被測(cè)物的三維形體[3-5]。

　     切片式CT由于無(wú)需射線源，因此無(wú)需防護(hù)，設(shè)備也可以小型化。除此之外，相比于X射線CT，切片式CT還具有成像分辨率高(普通的可見光CCD相機(jī)分辨率遠(yuǎn)高于X射線CCD相機(jī))且信息量更豐富的特點(diǎn)，因此，更適于復(fù)雜或生物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部重建。

　     由于研究需要，曾用切片式CT方法對(duì)桃子進(jìn)行三維體重建[6]。但是，在切片的過(guò)程中，一直需要人工干預(yù)，數(shù)控銑床每切片一次都需要將它暫時(shí)停止，以方便進(jìn)行圖像采集；并且在圖像采集的過(guò)程中每次還需要精確調(diào)整相機(jī)焦距，以保證所采集的照片清晰，不僅費(fèi)時(shí)(平均每采集一次圖像在6 min左右)而且費(fèi)力。因此這樣一種系統(tǒng)同樣不能滿足高效率科研要求。

       為滿足科研需要，本文開發(fā)一套全自動(dòng)、高精度、小型化并且低成本的切片式CT機(jī)。該系統(tǒng)可全自動(dòng)地完成試件切片、沖洗、烘干、圖像采集、圖像分析等整個(gè)重建過(guò)程，系統(tǒng)成本底，可在一個(gè)普通的工作臺(tái)上運(yùn)行。

       2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       2.1系統(tǒng)的需求及應(yīng)有的特點(diǎn)

       從前面的分析可知，一個(gè)理想的切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)該具備如下幾個(gè)特點(diǎn)： (1)能全自動(dòng)對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行切片處理，且切片精度要高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單且小型化；(2)能夠自動(dòng)獲取高精度的切片圖像；(3)能從二維切片圖像重構(gòu)出反映研究對(duì)象細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。三維重構(gòu)系統(tǒng)的主要工作是從二維斷層切片圖像中提取有關(guān)特征點(diǎn)[7]，然后將這些特征點(diǎn)利用相關(guān)算法[8-9]重構(gòu)被測(cè)試件的三維模型。

       2.2微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

　     根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)的自動(dòng)切片系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)主要由二自由度機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、切片設(shè)備、清洗設(shè)備、烘干設(shè)備及圖像采集設(shè)備等組成。二自由度機(jī)械系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)以及滾珠絲桿組成，二自由度機(jī)械系統(tǒng)根據(jù)需要將被測(cè)試件移至合適的位置?？刂葡到y(tǒng)主要控制機(jī)械系統(tǒng)按特定的運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的反饋信號(hào)。切片設(shè)備用來(lái)對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行切片。切片設(shè)備采用配有金剛石磨片的精密磨拋機(jī)，在進(jìn)行切片時(shí)為保證切片精度及切割面的光滑度，可在研磨過(guò)程中加入適量的研磨劑和水。清洗設(shè)備用來(lái)對(duì)試件切割面的固體污染物進(jìn)行處理，從而保證切割面的整潔。烘干設(shè)備主要用來(lái)除去試件表面的水分，從而去除水分對(duì)數(shù)字圖像灰度值的影響。圖像采集設(shè)備用于將經(jīng)過(guò)清洗和烘干處理后的切片圖像進(jìn)行采集并將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

       整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程為：(1)升降臺(tái)將試件送至精密磨拋機(jī)上進(jìn)行切割，高精度位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試件的切割厚度;(2)當(dāng)切割的厚度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，切割停止，試件上升一定高度，升降臺(tái)帶著試件沿水平導(dǎo)軌向左移動(dòng)至清洗設(shè)備處，升降臺(tái)下降使試件表面與電動(dòng)毛刷接觸，電動(dòng)設(shè)備帶動(dòng)毛刷對(duì)試件的切割面進(jìn)行清洗;(3)清洗完成后，將升降臺(tái)帶著試件移動(dòng)至烘干設(shè)備處，此時(shí)烘干設(shè)備將試件烘干;(4)烘干完成后，移動(dòng)試件至圖像采集位置進(jìn)行圖像采集; (5)圖像采集完成后回到過(guò)程(1)進(jìn)行下一輪切片,如此往復(fù)直至得到全部所需的二維斷層圖片。系統(tǒng)獲得這些圖片后，經(jīng)過(guò)圖像處理及圖像的三維重構(gòu)等步驟，即可獲得試件的三維結(jié)構(gòu)圖。

       2.3微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)的子彈殼驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

　     系統(tǒng)搭建完成后，為驗(yàn)證其可行性，取一子彈工藝品模型，用自行設(shè)計(jì)的切片系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行切片，切片數(shù)設(shè)置為80，切片厚度為0.4 mm。切片完成后獲得所有二維斷層圖像，獲得的部分二維斷層圖像如圖3所示。

       將原始圖片經(jīng)過(guò)裁剪和預(yù)處理后導(dǎo)入MIMICS圖像處理系統(tǒng)[10]，經(jīng)過(guò)圖像裁剪、圖像濾波和閾值分割后的圖像如圖4所示。

       圖中不同的顏色或灰度表示不同的材料。圖像導(dǎo)入后利用Calculate 3D from Mask工具進(jìn)行三維表面重構(gòu)，重構(gòu)的三維面模型及其剖視圖如圖5所示。

       為驗(yàn)證其建模精度，利用三維測(cè)量工具對(duì)所建模型進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得的子彈殼模型底部直徑、頂部直徑、壁厚及層高的測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)如表1所示。

       由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，建模誤差小,最大的誤差僅為5%，證明建模精度可靠。

　     將此三維面模型的網(wǎng)格文件以inp文件進(jìn)行輸出，并利用ABAQUS軟件將其進(jìn)行實(shí)體轉(zhuǎn)換，即將三角片單元轉(zhuǎn)換成四面體單元。轉(zhuǎn)換后的實(shí)體模型如圖6所示。轉(zhuǎn)換后的實(shí)體模型可以直接用于力學(xué)行為分析。

       本文首先介紹了微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)能全自動(dòng)地對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)切片、自動(dòng)清洗、自動(dòng)烘干。接著利用所開發(fā)的微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)對(duì)子彈殼實(shí)物進(jìn)行自動(dòng)切片并獲取其二維切片圖像，然后對(duì)切片圖片進(jìn)行三維重構(gòu)。最后通過(guò)對(duì)所建模型與實(shí)物的對(duì)比，驗(yàn)證了微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)建模的有效性。本文所設(shè)計(jì)的微型自動(dòng)切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)成本底，切片精度高，切片精度可達(dá)0.2 mm,占地面積小，可在普通的工作臺(tái)上運(yùn)行。

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