摘  要： 為獲得材料復雜細觀結(jié)構(gòu)的三維模型，開發(fā)了一種基于切片三維重構(gòu)方法的微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對被研究對象進行切片，自動獲取二維切片圖像并對其進行分析，然后獲得研究對象的三維模型。該系統(tǒng)具有精度高(切片精度可達0.2 mm)、全自動（能對研究對象進行自動切片、自動清洗、自動烘干等處理)、小型化(整個系統(tǒng)可在一個普通工作臺上運行)、成本低等特點。

關鍵詞： 三維重構(gòu)； 自動切片； 圖像處理

1.緒論

       在研究含復雜結(jié)構(gòu)的復合材料(如混凝土、巖石、泡沫金屬等)的力學性能時，常常需要詳細了解材料內(nèi)部的細觀結(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，各種型號的CT機也是醫(yī)學檢查、工業(yè)檢測等領域最常規(guī)的檢測手段[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機并不是理想的設備，這是因為：(1)設備非常昂貴，一般的用戶難以負擔；(2)需要射線源，操作人員需要防護，很難讓普通操作人員操作；(3)設備維護費用高，占地面積大，對空間要求高。以上幾方面決定了常規(guī)的X射線CT設備很難在小型的科學實驗中推廣。

　     X射線CT是一種獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無損測量方法，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，將被測物以一定的厚度切片，再通過圖像采集設備采集各個切片的圖像，最后經(jīng)過圖像處理重建被測物的三維形體[3-5]。

　     切片式CT由于無需射線源，因此無需防護，設備也可以小型化。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相機分辨率遠高于X射線CCD相機)且信息量更豐富的特點，因此，更適于復雜或生物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部重建。

　     由于研究需要，曾用切片式CT方法對桃子進行三維體重建[6]。但是，在切片的過程中，一直需要人工干預，數(shù)控銑床每切片一次都需要將它暫時停止，以方便進行圖像采集；并且在圖像采集的過程中每次還需要精確調(diào)整相機焦距，以保證所采集的照片清晰，不僅費時(平均每采集一次圖像在6 min左右)而且費力。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、高精度、小型化并且低成本的切片式CT機。該系統(tǒng)可全自動地完成試件切片、沖洗、烘干、圖像采集、圖像分析等整個重建過程，系統(tǒng)成本底，可在一個普通的工作臺上運行。

       2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

       2.1系統(tǒng)的需求及應有的特點

       從前面的分析可知，一個理想的切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)應該具備如下幾個特點： (1)能全自動對研究對象進行切片處理，且切片精度要高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應盡量簡單且小型化；(2)能夠自動獲取高精度的切片圖像；(3)能從二維切片圖像重構(gòu)出反映研究對象細觀結(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特征點[7]，然后將這些特征點利用相關算法[8-9]重構(gòu)被測試件的三維模型。

       2.2微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

　     根據(jù)系統(tǒng)需求，設計的自動切片系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)主要由二自由度機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、切片設備、清洗設備、烘干設備及圖像采集設備等組成。二自由度機械系統(tǒng)主要由步進電機以及滾珠絲桿組成，二自由度機械系統(tǒng)根據(jù)需要將被測試件移至合適的位置。控制系統(tǒng)主要控制機械系統(tǒng)按特定的運行狀態(tài)運行，并實時監(jiān)測現(xiàn)場的反饋信號。切片設備用來對被測試件進行切片。切片設備采用配有金剛石磨片的精密磨拋機，在進行切片時為保證切片精度及切割面的光滑度，可在研磨過程中加入適量的研磨劑和水。清洗設備用來對試件切割面的固體污染物進行處理，從而保證切割面的整潔。烘干設備主要用來除去試件表面的水分，從而去除水分對數(shù)字圖像灰度值的影響。圖像采集設備用于將經(jīng)過清洗和烘干處理后的切片圖像進行采集并將圖像數(shù)據(jù)進行儲存。

       整個系統(tǒng)的運行過程為：(1)升降臺將試件送至精密磨拋機上進行切割，高精度位移傳感器實時監(jiān)測試件的切割厚度;(2)當切割的厚度達到設定值時，切割停止，試件上升一定高度，升降臺帶著試件沿水平導軌向左移動至清洗設備處，升降臺下降使試件表面與電動毛刷接觸，電動設備帶動毛刷對試件的切割面進行清洗;(3)清洗完成后，將升降臺帶著試件移動至烘干設備處，此時烘干設備將試件烘干;(4)烘干完成后，移動試件至圖像采集位置進行圖像采集; (5)圖像采集完成后回到過程(1)進行下一輪切片,如此往復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微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)的子彈殼驗證實驗

　     系統(tǒng)搭建完成后，為驗證其可行性，取一子彈工藝品模型，用自行設計的切片系統(tǒng)對其進行切片，切片數(shù)設置為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)過裁剪和預處理后導入MIMICS圖像處理系統(tǒng)[10]，經(jīng)過圖像裁剪、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。圖像導入后利用Calculate 3D from Mask工具進行三維表面重構(gòu)，重構(gòu)的三維面模型及其剖視圖如圖5所示。

       為驗證其建模精度，利用三維測量工具對所建模型進行測量。測得的子彈殼模型底部直徑、頂部直徑、壁厚及層高的測量數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)如表1所示。

       由測量數(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文件進行輸出，并利用ABAQUS軟件將其進行實體轉(zhuǎn)換，即將三角片單元轉(zhuǎn)換成四面體單元。轉(zhuǎn)換后的實體模型如圖6所示。轉(zhuǎn)換后的實體模型可以直接用于力學行為分析。

       本文首先介紹了微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)功能，該系統(tǒng)能全自動地對研究對象進行自動切片、自動清洗、自動烘干。接著利用所開發(fā)的微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)對子彈殼實物進行自動切片并獲取其二維切片圖像，然后對切片圖片進行三維重構(gòu)。最后通過對所建模型與實物的對比，驗證了微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)建模的有效性。本文所設計的微型自動切片式三維重構(gòu)系統(tǒng)成本底，切片精度高，切片精度可達0.2 mm,占地面積小，可在普通的工作臺上運行。

參考文獻 

[1] 傅棟, 靳安民. 應用CT斷層圖像快速構(gòu)建人體骨骼三維模型的方法[J]. 基礎醫(yī)學, 2007,11(9):1620-1623.

[2] 王啟亮, 田啟川. 基于多尺度分塊的指紋圖像二值化算法[J]. 微型機與應用, 2013,04(32):33-36.

[3] POMASKA G. Implementation of digital 3D models in building surveys based on multiimage photogrametry[J]. In-ternational Archives of photogrammetry and Remote Sensing,2008,12(8):413-422.

[4] KIA N. An integrated multi-sensory system for photo-realistic 3D scene reconstruction[J]. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,2009(32):341-351.

[5] Qin Shengfei, HARRISON R, WEST A A, et al. Develop- ment of a novel 3D simulation modelling system for dis-tributed manufacturing[J]. Computers in Industry，2004,54:69-81.

[6] 馬巍. 基于數(shù)值圖像處理的三維重建及應用[D]. 北京:北京理工大學, 2008.

[7] KALENDER W A. 計算機體層成像[M]. 崔世民,譯.北京：人民衛(wèi)生出版社, 2001.

[8] 張莉, 徐穎, 唐雷,等. 基于輪廓拼接算法三維重建中國數(shù)字人肩部骨骼肌肉結(jié)構(gòu)[J].中國組織工程研究與臨床康復，2009(43):36-40.

[9] LORENSEN W E, CLINE H E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithrn[J]. ACM SIG-GRAPH Computer Graphics, 1987,21(4):163-169．

[10] 蘇秀云,劉蜀彬. Mimics軟件臨床應用[M]. 北京:人民軍醫(yī)出版社, 2011.