面向復雜產品的工業(yè)CT圖像重建與分析技術.pdf

1、圖像二、三維重建與分析技術，可以使人們在不損壞被測對象的前提下，借助穿越物體的X射線等投影數(shù)據(jù)獲得其內部信息，建立物體的二維斷面圖像及三維模型，并進一步實現(xiàn)對其內部結構的分析和理解。該技術最早出現(xiàn)于醫(yī)療診斷領域，是CT(ComputerizedTomography，計算機斷層攝影)及MRI(MagneticResonanceImaging，核磁共振成像)等設備的技術基礎，目前更廣泛應用到工業(yè)產品反求及無損檢測、地質勘探、文物考古等各個領

2、域。 工業(yè)應用領域研究的復雜產品多屬裝配體，具有大體積或多分支的特征，因此在基于工業(yè)CT的復雜產品圖像重建與分析過程中，面臨著大體積產品的切片獲取、分叉結構處理、復雜配合關系分割等關鍵問題；加之工業(yè)產品本身復雜多樣，無法獲取類似醫(yī)學上人體模板的統(tǒng)一模型，使得面向復雜產品的工業(yè)圖像重建研究充滿挑戰(zhàn)。本文針對航空航天領域復雜裝配體或大尺寸產品無損檢測及產品反求的需要，討論其中的關鍵環(huán)節(jié)和阻礙這項技術進一步工程化的難點。論文的主要研究

3、內容和成果如下： 1.二維CT圖像重建及仿真實現(xiàn)面向裝配體的投影數(shù)據(jù)仿真生成：傳統(tǒng)的ICT仿真大都是針對單個零件的，論文針對航空航天領域大量的裝配體產品，分析其“多零件、多材質”的特點，采用面向對象的仿真建模思想和方法對ICT系統(tǒng)進行系統(tǒng)仿真建模，有效而完整地實現(xiàn)了裝配體建模，最后實現(xiàn)了專門面向裝配體產品的投影仿真系統(tǒng)，可以獲得任意掃描方式、任意角度的投影圖像及數(shù)據(jù)文件，方便地為圖像重建與分析提供豐富的基礎研究數(shù)據(jù)，為后續(xù)章節(jié)的

4、研究奠定基礎。 提出并實現(xiàn)不完全投影條件下的切片圖像重建算法：針對固體火箭發(fā)動機等大體積產品無法實現(xiàn)完全投影的問題，論文首先分析切片圖像的重建原理，并根據(jù)不完全投影的產生原因，將其分解為中空型、稀疏視角型和限制視角型三類，針對不同的不完全投影類型，分別提出射線補充法、兩層級聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳重建算法三種算法，實現(xiàn)了各種投影條件下，由不完全投影到切片圖像的重建，最后分析算法的重建效果及效率，提出復合型不完全投影的重建方法，從而實現(xiàn)

5、不完全投影情況下的二維CT圖像獲取。 2.基于CT切片的三維重建與結構分析提出并實現(xiàn)面向目標零件的裝配體分解及零件間裝配關系識別方法：針對裝配體切片重構過程中存在的各零件相互干擾而難以直接進行匹配重構的問題，論文提出進行裝配體零件分解的思路，首先建立灰度輪廓樹及輪廓森林，并通過灰度閾值及連通體生長與聚合分解出各個組成零件，在零件分解的基礎上建立各零件的輪廓森林，為零件的三維重構做好準備，并進一步利用輪廓樹識別它們的裝配關系，建立

6、裝配關系矩陣。 基于零件切片樹實現(xiàn)零件的切片級表面三維重建：產品表面三維重建是ICT技術的核心部分，針對工業(yè)零件結構復雜、多分支多型腔等問題，論文基于裝配體分解過程中建立的零件切片樹，提出分段逐步匹配的處理算法。首先基于橢圓參數(shù)及控制點距離進行整體匹配，然后面向輪廓段進行局部匹配，在此基礎上基于整體投影實現(xiàn)分叉部位處理，最后基于面積關系進行后置匹配，最終實現(xiàn)對零件的切片序列的層間匹配，同時用三角面片拼接匹配結果達到零件三維表面重

7、建的目的。 提出并實現(xiàn)基于知識的零件三維特征識別與表示方法：在幾何結構方面，工業(yè)零件與人體組織器官的最大區(qū)別在于它包含著諸如圓柱、圓錐等三維特征，可以實現(xiàn)整體描述。針對這一特點，通過歸納總結典型三維特征與切片輪廓以及輪廓序列的對應關系，論文構建三維典型特征識別知識庫，并聯(lián)系表面三維重建過程中的輪廓匹配結果，實現(xiàn)基于知識的零件基本及復雜三維特征識別；最后對各特征間的關系進行分析，建立零件特征樹，并利用XML技術替代傳統(tǒng)的三角面片拼