面向復(fù)雜產(chǎn)品的工業(yè)CT圖像重建與分析技術(shù).pdf

1、圖像二、三維重建與分析技術(shù)，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(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析和理解。該技術(shù)最早出現(xiàn)于醫(yī)療診斷領(lǐng)域，是CT(ComputerizedTomography，計算機斷層攝影)及MRI(MagneticResonanceImaging，核磁共振成像)等設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)，目前更廣泛應(yīng)用到工業(yè)產(chǎn)品反求及無損檢測、地質(zhì)勘探、文物考古等各個領(lǐng)

2、域。 工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域研究的復(fù)雜產(chǎn)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(fù)雜產(chǎn)品圖像重建與分析過程中，面臨著大體積產(chǎn)品的切片獲取、分叉結(jié)構(gòu)處理、復(fù)雜配合關(guān)系分割等關(guān)鍵問題；加之工業(yè)產(chǎn)品本身復(fù)雜多樣，無法獲取類似醫(yī)學(xué)上人體模板的統(tǒng)一模型，使得面向復(fù)雜產(chǎn)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(lǐng)域復(fù)雜裝配體或大尺寸產(chǎn)品無損檢測及產(chǎn)品反求的需要，討論其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和阻礙這項技術(shù)進一步工程化的難點。論文的主要研究

3、內(nèi)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(lǐng)域大量的裝配體產(chǎn)品，分析其“多零件、多材質(zhì)”的特點，采用面向?qū)ο蟮姆抡娼Ｋ枷牒头椒▽CT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(chǎn)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(chǔ)研究數(shù)據(jù)，為后續(xù)章節(jié)的

4、研究奠定基礎(chǔ)。 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(chǎn)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(chǎn)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(luò)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(fù)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(jié)構(gòu)分析提出并實現(xiàn)面向目標(biāo)零件的裝配體分解及零件間裝配關(guān)系識別方法：針對裝配體切片重構(gòu)過程中存在的各零件相互干擾而難以直接進行匹配重構(gòu)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(chǔ)上建立各零件的輪廓森林，為零件的三維重構(gòu)做好準備，并進一步利用輪廓樹識別它們的裝配關(guān)系，建立

6、裝配關(guān)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(chǎn)品表面三維重建是ICT技術(shù)的核心部分，針對工業(yè)零件結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǔ)上基于整體投影實現(xiàn)分叉部位處理，最后基于面積關(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)典型三維特征與切片輪廓以及輪廓序列的對應(yīng)關(guān)系，論文構(gòu)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(jié)果，實現(xiàn)基于知識的零件基本及復(fù)雜三維特征識別；最后對各特征間的關(guān)系進行分析，建立零件特征樹，并利用XML技術(shù)替代傳統(tǒng)的三角面片拼