基于CT切片圖像的虛擬測量

(華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院, 上海 200237)

目前,一些復(fù)雜零件成型精度比較低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定、廢品率很高,因此作為一種先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，工業(yè)CT越來越受到關(guān)注。工業(yè)CT能夠在不接觸樣件的情況下，無損快速地檢測樣件的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)等[1-5]。工業(yè)CT設(shè)備通過對零件的掃描，可以獲得一系列切片圖像，通過這些切片圖像可以方便地觀察到零件的內(nèi)部形狀、大小及空間位置，更好地了解零件結(jié)構(gòu)。

改善工業(yè)CT檢測中的虛擬測量精度主要有兩種方式：一種是提高工業(yè)CT設(shè)備掃描系統(tǒng)的分辨率；另一種是提高虛擬測量時的圖像算法精度。筆者采用某商用工業(yè)CT設(shè)備進(jìn)行試驗，因此硬件設(shè)備是固定的，故主要通過改善軟件的算法精度來提高虛擬測量的精度。

筆者提出了一種對CT圖像進(jìn)行虛擬測量的方法。該方法對工業(yè)CT獲得的切片圖像進(jìn)行二值化處理，分離出圖像中的目標(biāo)和背景；再通過灰度值的差別進(jìn)行輪廓跟蹤，識別出切片圖像的內(nèi)外輪廓；然后，將內(nèi)輪廓和外輪廓數(shù)據(jù)分別擬合成樣條曲線；最后進(jìn)行虛擬測量。

1 輪廓提取

為了更好地提取出工業(yè)CT圖像輪廓，首先通過中值濾波對圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲，以避免輪廓的誤提取。在去噪后，可進(jìn)行圖像二值化和輪廓邊緣的提取。

圖像二值化是圖像分割的重要方法之一，可以直接將圖像分類為物體和背景兩部分。常見的二值化方法包括平均值法、迭代選擇閾值法、一維Otsu法、二維Otsu法等。二維Otsu法是一種比較好的圖像二值化方法，它保留了最多的有用信息，同時噪聲較少。文章采用二維Otsu法[6-7]選取合適的閾值對圖像實現(xiàn)二值化。通過對工業(yè)CT圖像的二值化，可以將物體和背景明確地區(qū)分開來。

區(qū)分出物體和背景后，通過八鄰域追蹤算法提取圖像邊緣，八鄰域法的搜索順序如圖1所示。其具體步驟如下：

(1) 按從左到右，從上到下的方向掃描CT圖像，找到第一個像素值為1的點P0作為目標(biāo)點，存儲其坐標(biāo)值。

(2) 從P0點的0鄰域點開始，逆時針方向搜索它的8鄰域點的值，找到第一個像素值為1的點，存儲其坐標(biāo)值并記為P1。P0為P1的前鄰域點。

(3) 從P1點的0鄰域點開始，逆時針方向搜索它的8鄰域點的值，找到第一個像素值為1的點(該點不能是P1的前鄰域點)，存儲其坐標(biāo)值并記為P2。依此類推。

(4) 直到再次遇到P0點，跟蹤結(jié)束。第一個輪廓邊緣結(jié)束。

(5) 按從左到右，從上到下的方向掃描CT圖像，找到的第一個像素值為1的點Q0作為目標(biāo)點，存儲坐標(biāo)值。Q0是新的輪廓起點。

(6) 從Q0點的0鄰域點開始，逆時針方向搜索它的8鄰域點的值，找到第一個像素值為1的點，存儲其坐標(biāo)值并記為Q1。Q0為Q1的前鄰域點。

(7) 從Q1點的0鄰域點開始，逆時針方向搜索它的8鄰域點的值，找到第一個像素值為1的點(該點不能是Q1的前鄰域點)，存儲其坐標(biāo)值并記為Q2。依此類推。

(8) 直到再次遇到Q0點，跟蹤結(jié)束。第二個輪廓邊緣追蹤結(jié)束。

(9) 依此類推，追蹤到所有的輪廓邊緣。

圖1 八鄰域法的搜索順序

現(xiàn)有的亞像素級的邊緣檢測方法有基于矩的方法，擬合法和基于插值的方法。擬合法獲得的亞像素邊緣精度要高于另外兩種方法。因此在提取輪廓邊緣數(shù)據(jù)后，對內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)點進(jìn)行B樣條擬合，擬合成B樣條曲線?；贐樣條擬合輪廓邊緣，定位精度高。整像素提取出的數(shù)據(jù)在通過B樣條曲線擬合后，變成亞像素級的數(shù)據(jù)，從而提高了虛擬測量精度。

2 虛擬測量

CT圖像內(nèi)外輪廓擬合成B樣條曲線后，測量內(nèi)外輪廓沿x，y方向以及任意方向的尺寸,就是沿需要測量的方向虛擬繪制一條直線，該直線與內(nèi)外輪廓曲線相交，求取其交點，就可計算出所需測量方向的具體尺寸。

對于一系列CT圖像，將所有圖像的內(nèi)外輪廓擬合成樣條曲線后，沿需要測量的方向虛擬繪制一個平面，該平面與這些樣條曲線相交，就可以計算出每幅圖像在所需要測量方向的具體尺寸。

3 試驗過程與結(jié)果

用工業(yè)CT掃描設(shè)備對某個鑄件進(jìn)行掃描，得到一系列工業(yè)CT圖像。圖2為某鑄件的CT 圖像。圖3為采用二維Otsu法對圖像二值化的結(jié)果。圖4為提取輪廓邊緣后，通過樣條擬合得到的內(nèi)外輪廓曲線。用一系列平行于y軸的直線與圖4中的內(nèi)外輪廓曲線相交，可得到一系列y方向的內(nèi)外輪廓寬度值。圖5為內(nèi)外輪廓寬度的走勢，圖中橫坐標(biāo)為x坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為y方向的內(nèi)外輪廓寬度值。用一系列平行于x軸的直線與圖4中的內(nèi)外輪廓曲線相交，可以獲得一系列x方向的內(nèi)外輪廓長度值。圖6為內(nèi)外輪廓長度的走勢，圖中橫坐標(biāo)為y坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為x方向的內(nèi)外輪廓長度值。對于沿任意方向的虛擬測量，只要給出直線方程，虛擬繪制一條直線，如圖7所示，就可分別得到內(nèi)輪廓及外輪廓的尺寸為14.54,37.57 mm。

圖2 某鑄件CT圖像

圖3 二維Otsu法對鑄件圖像的二值化結(jié)果

圖4 樣條擬合得到的鑄件輪廓曲線

圖5 鑄件內(nèi)外輪廓寬度

圖6 鑄件內(nèi)外輪廓長度

圖7 鑄件任意方向的虛擬測量

表1 鑄件虛擬測量和實際測量的結(jié)果對比

4 結(jié)語

基于工業(yè)CT圖像提出了一種虛擬測量方法，此方法對圖像預(yù)處理后，提取圖像輪廓邊緣，然后對邊緣數(shù)據(jù)點進(jìn)行B樣條擬合，得到樣條曲線后，再進(jìn)行虛擬測量。這種方法可以應(yīng)用于不適合采用傳統(tǒng)方式測量的場合，也特別適用于零件的內(nèi)部輪廓、壁厚等參數(shù)的測量。 將虛擬測量與傳統(tǒng)測量方式相結(jié)合，可以有效地對零件內(nèi)部以及外部尺寸進(jìn)行測定。