基于C-V模型的工业CT三维图像曲面面积与内腔体积测量算法研究

论文摘要

随着科学技术和工业生产的快速发展,很多领域都提出了对产品性能、内外形状等方面的更高要求,致使各种复杂曲面越多地应用于工业产品中。而对曲面的测量是曲面的精度检验和逆向工程（Reverse Engineering,RE）的基础,要实现曲面的模型建造、形状改进、性能评价和逆向制造,必须获得曲面的三维参数信息。因此,对曲面测量方法的研究具有重要的价值。曲面测量方法根据测量方式的不同分为接触式测量与非接触式测量两大类。接触式测量方法测量精度高,通用性强。不足之处是计算量大,且成本高、易受到被测物材质的影响。非接触式测量方法可以测量一些不可接触的物体,如辐射体、高温物体等,采集速度较快,但专业知识要求较高,较之于接触式测量精度不够高。但工件内部结构特别是封闭内腔的测量用传统测量方法难于实现。而工业CT（Industrial Computed Tomography,ICT）技术是通过射线源从多个角度发射射线对被测物体进行检测,用探测器把经过被测物射线衰减后的信息采集下来,使用计算机采用图像重建算法重建检测部位得到一系列有序的切片图像。可无损地检测工件外部和内部的结构尺寸,特别适合于工件封闭内腔的测量分析。传统的图像测量方法是先对图像去噪再分割图像测量,而本文针对工件内部封闭内腔的测量,研究了基于C-V模型的工业CT三维图像曲面面积与内腔体积测量的算法。完成的主要研究内容如下:首先分析了图像分割算法,因为对工业CT图像进行测量,分割精度将直接影响到测量的精度,所以图像分割是三维测量的关键步骤。而C-V几何主动轮廓模型是基于偏微分方程的图像分割模型,该模型分割图像可以得到全局最优的、连续边缘的分割结果,具有较强的抗噪性,是目前比较有效的图像分割方法。因此采用C-V模型对工业CT断层图像序列切片进行分割,提取出待测量目标区,然后用轮廓跟踪算法跟踪工件各层目标区的轮廓点,以链码形式存储;其次求取曲面上各层轮廓点的形心,再计算曲面上轮廓点到形心的距离并用高斯卷积进行轮廓滤波,目的是为了去除边缘毛刺对测量的影响;最后在每层轮廓点间建立三角面片,通过累加计算三角面片的面积来计算曲面的面积,用离散化的格林公式计算每层切片目标区的面积,用台体公式法计算内腔体积。实验结果表明:本文采用的分割方法能有效、准确地分割出目标区,与传统先图像去噪再分割测量的方法相比,本文的方法能够较精确地测出曲面面积与内腔体积。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 图像测量技术简介
• 1.1.2 曲面测量技术简介
• 1.1.3 工业CT 技术简介
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 论文主要内容安排
• 2 C-V模型理论基础
• 2.1 曲线演化理论
• 2.2 水平集方法
• 2.2.1 水平集方法的基础理论
• 2.2.2 水平集方法的数值实现
• 2.3 C-V 模型原理
• 2.3.1 C-V 模型
• 2.3.2 C-V 模型的水平集表示
• 2.3.3 C-V 模型方法的数值实现
• 2.4 C-V 模型的改进模型
• 2.4.1 扩展的C-V 模型
• 2.4.2 多目标提取的C-V 模型
• 2.4.3 避免重新初始化的C-V 模型
• 2.5 本章小结
• 3 平滑去噪理论基础
• 3.1 图像平滑
• 3.2 高斯平滑
• 3.2.1 高斯核函数
• 3.2.2 高斯平滑滤波器
• 3.3 图像平滑去噪实验
• 3.4 本章小结
• 4 曲面面积与内腔体积的测量
• 4.1 曲面面积测量
• 4.1.1 C-V 模型分割图像
• 4.1.2 轮廓跟踪
• 4.1.3 轮廓平滑
• 4.1.4 建立三角面片
• 4.2 内腔体积测量
• 4.2.1 格林公式计算切片面积
• 4.2.2 台体公式计算体积
• 4.3 算法流程图
• 4.4 本章小结
• 5 实验结果
• 5.1 仿真圆柱测量
• 5.2 仿真球冠体测量
• 5.3 任意形状实体测量
• 5.4 实际圆柱的测量
• 5.5 实验结果分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录