叶片数字化检测中的模型配准技术及应用研究

论文摘要

配准技术是当今数字化检测领域的一项关键基础技术，最早出现于医疗诊断和图像处理领域，目前已在无损检测、逆向工程、虚拟现实、机器人和柔性装配等领域得到广泛应用。模型配准是实现零件检测、模型评估、误差分析以及数据拼合等的前提条件。模型配准的精度和速度是衡量其有效性的两个主要指标。因此，快速精确配准问题的研究对提高数字化检测精度和效率、促进相关领域的发展具有重要的理论意义和工程应用价值。 针对这一问题，本文结合航空发动机的涡轮叶片类零件的加工定位、无损检测以及无损评价的应用需求，研究了轮廓控制点优化提取问题、基于约束区域的配准算法、配准过程中的加速算法、匹配偏差模型建立方法等关键技术，并开发了相应的软件原型系统。论文的主要研究内容和成果如下： (1) 针对轮廓线控制点的优化提取问题，从形状理论和估计理论出发，提出二次提取法来进行优化提取。该方法与均匀取点法和多边形逼近法相比，能够有效地提取叶片轮廓中的典型特征部分(例如前缘和后缘)，克服了传统算法丢失部分特征点的缺点；同时有效地消除了数据冗余问题；最后通过逼近模型评估了轮廓控制点与原始形状的逼近性。通过二次提取法得到的轮廓控制点有利于提高后续的配准精度与配准速度。 (2) 针对模型配准定位的准确性问题，采用初始配准与精确配准相结合的两步配准策略。其中，初始配准可有效地缩小模型坐标系间的差异，为精确配准作准备。在精确配准阶段，本文提出了约束区域的概念以及基于约束区域的配准算法。该算法综合运用多种优化算法，巧妙地将六元优化问题降元为三元优化问题；在引入约束区域权因子基础上，提出了一种“双目标函数”优化策略；并提出了一种匹配结果的确定性分析方法，从而实现精确配准。实验表明：该算法配准精度明显优于经典的配准算法，并具有很高的适用性，对于复杂模型的二、三维配准都能取得良好效果。 (3) 针对模型配准过程的实时性问题，在基于约束区域的配准算法基础上，提出了两种配准过程加速方法。首先，根据配准方法在搜索过程中的特点，提出了改进的迭代方向加速算法。该算法在加快配准过程的同时，保证了配准结果的稳定性。其次，针对基于约束区域的配准算法中最耗时的求距离计算过程，提出了基于线性八叉树的参考球法；并在算法的实现中，采用快速查找线性八叉树邻域节点的相关规则。该算法在数据点集、三角面片集以及线性八叉树之间建立起对应关系，通过参考球去除掉不必要考虑的三角面片，有效地解决了配准过程中快速求取距离的问题。最后，将两种加速方法有机结合，在不影响配准精度的条件下，取得2倍的配准加速比，有效地提高了配准速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 应用背景分析
• 1.2 课题来源及研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究内容与章节安排
• 1.5 本章小结
• 第二章 轮廓控制点的选取与优化研究
• 2.1 引言
• 2.2 轮廓控制点提取综述
• 2.3 轮廓控制点提取方案
• 2.4 轮廓控制点的均匀选取法
• 2.5 轮廓控制点的多边形逼近法
• 2.6 轮廓控制点的二次提取法
• 2.6.1 轮廓数据点排序算法
• 2.6.2 轮廓数据点的离散曲率
• 2.6.3 粗提取算法
• 2.6.4 精提取算法
• 2.7 轮廓控制点生成实例
• 2.7.1 几种方法结果对比
• 2.7.2 轮廓控制点的有效性评估
• 2.8 本章小结
• 第三章 模型的配准定位研究
• 3.1 引言
• 3.2 配准研究现状
• 3.2.1 配准概述
• 3.2.2 常用配准算法分析
• 3.3 实现方案
• 3.4 初始配准算法
• 3.4.1 CT数据与CAD模型间的初始配准
• 3.4.2 CMM数据与CAD模型间的初始配准
• 3.4.3 初始配准结果显示
• 3.5 基于约束区域的配准算法
• 3.5.1 坏点预处理
• 3.5.2 约束区域定义
• 3.5.3 模型配准问题的数学模型
• 3.5.4 算法原理
• 3.5.5 算法步骤
• 3.5.6 确定性分析
• 3.5.7 不同算法结果对比
• 3.5.8 实验结果
• 3.6 配准算法在二维上的应用
• 3.7 本章小结
• 第四章 最优配准过程中的加速算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 加速算法概述
• 4.3 加速方案
• 4.4 改进的迭代方向加速算法
• 4.4.1 实现过程
• 4.4.2 结果比较
• 4.5 线性八叉树加速研究
• 4.5.1 线性八叉树剖分技术
• 4.5.2 空间点与线性八叉树节点的对应关系
• 4.5.3 线性八叉树邻域节点的快速查找规则
• 4.5.4 空间点到STL模型的距离及投影点
• 4.5.5 实验结果
• 4.6 加速算法结果对比
• 4.7 本章小结
• 第五章 匹配算法的分析评估
• 5.1 引言
• 5.2 匹配偏差模型
• 5.2.1 实现过程
• 5.2.2 体视化结果
• 5.2.3 统计结果信息
• 5.3 配准精度指标
• 5.4 原始点集对配准精度的影响因素
• 5.5 本章小结
• 第六章 模型配准后的应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 空间变换
• 6.3 数据拼合
• 6.4 剖切图像生成技术
• 6.4.1 剖切平面与CT切片序列求交
• 6.4.2 空间剖切平面映射到二维图像平面
• 6.4.3 空间剖切平面图像的灰度值
• 6.4.4 剖切图像实例
• 6.5 感兴趣区域的提取技术
• 6.6 尺寸测量
• 6.7 信息分析
• 6.7.1 区域分析
• 6.7.2 曲率分析
• 6.8 距离分布
• 6.9 本章小结
• 第七章 模型配准及分析测量软件系统
• 7.1 引言
• 7.2 软件系统的框架结构
• 7.2.1 系统总体介绍
• 7.2.2 功能模块划分
• 7.2.3 结构设计
• 7.3 相关界面
• 7.4 本章小结
• 第八章 结束语
• 8.1 论文工作总结
• 8.2 论文创新性成果
• 8.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间获得的主要成绩
• 致谢
• 附录 英文缩略语