专利名称：基于工业ct扫描技术的体积测量方法
技术领域：
本发明涉及一种图像体积测量方法，特别是一种基于CT扫描图像的体积测量方法。
背景技术：
工业CT测量技术是工业CT检测技术由定 性检测向定量测量发展的重要研究内容，基于CT图像的二维测量已有较好基础，但三维测量仍存在较多问题。三维测量是从CT图像中提取有用的信息，快速、准确地获取待测物体的体积、表面积等空间三维数据。目前的CT图像测量还停留在人机交互选取感兴趣区域的阶段，测量结果受操作者影响大，精度和速度都不理想，且对于精密工件三维尺寸的测量显得无能为力。因此，对CT图像高精度三维测量方法的研究十分必要。通常，工业CT系统在实际检测过程中，为了提高三维扫描检测效率、降低检测成本，在对被测工件进行连续切片的三维扫描时，CT切片图像像素宽度远小于切片厚度和切片层间距离。切片内二维图像分辨率比垂直于切片方向的层间分辨率大约高一个数量级，现有的三维测量算法测量体积相对误差在5%左右，精度远达不到高精度测量的要求。基于CT图像的三维测量方法有从体数据直接测量和基于切片图像测量两种体数据直接测量的方法有3DFacet模型法等，基于二维切片图像的测量方法则包括灰度插值法、形状插值法、数学形态学方法等。在三维测量方面，研究者们已经做了如下的工作对相邻两层的轮廓采用数学形态学中的膨胀与腐蚀处理，生成中间层的轮廓，能较好地保持轮廓细节，很好地展现层间轮廓的变化趋势，但是精度局限于像素级别；基于灰度的插值方法是直接把相邻层灰度值的加权平均值作为中间层的灰度值，特点是简单易行，但是会产生边界模糊，边界定位不准，测量精度差；基于形状的插值算法基本思想是提取工件轮廓得到二值图，再对轮廓内外的点进行距离变换，再对距离图进行插值，最后将其阈值化为二值图，实现层间轮廓的均匀过渡变化，此方法的测量精度局限于像素级；3D Facet模型法通过多项式拟合Facet模型，根据3D方向导数信息求得二阶过零点，得到工件的三维边缘点，再根据多面体法计算工件体积，这种方法精度高，但是计算量大，且容易产生不连续的轮廓；此外有学者提出基于层厚几何分析的层间处理算法，实现高精度地医学图像三维显示，效果较好，但是对待插图像轮廓相似性要求高，速度较慢。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于工业CT扫描技术的体积测量方法，它在面积和体积的测量精度比以往算法高5倍以上。本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下
1)提取边缘，采用Zernike矩对CT扫描得到的二维图像提取亚像素级边缘；
2)边缘点多项式拟合，对步骤I)中提取出来的边缘点进行多项式最小二乘拟合，得到拟合函数，根据拟合函数将拟合后的点坐标转换为极坐标；
3)层间匹配，对步骤2)中的拟合函数曲线进行等相角间隔采样，并建立同相角的轮廓点匹配；
4)层间插值，对匹配后的边缘轮廓点采用层间插值拟合算法，得到该相角下各中间层的轮廓点坐标；
5)预测顶端，对插值拟合后的层间轮廓采用灰度外插法，预估工件顶端点坐标，根据顶端点坐标进行补顶处理；
6)测量体积，根据层间值后的三维拟合轮廓数据，首先计算各中间层切片二维面积，再利用台体法计算工件体积。进一步，针对步骤I)中Zernike矩提取方法存在的边缘粗化和边缘断裂，采用非极小值抑制方法进行改进。进一步，步骤2)中所述边缘点多项式拟合的具体方法为
对于于平面上的离散点构造
权利要求
1.基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，具体步骤如下 1)提取边缘，采用Zernike矩对CT扫描得到的二维图像提取亚像素级边缘； 2)边缘点多项式拟合，对步骤I)中提取出来的边缘点进行多项式最小二乘拟合，得到拟合函数，根据拟合函数将拟合后的点坐标转换为极坐标； 3)层间匹配，对步骤2)中的拟合函数曲线进行等相角间隔采样，并建立同相角的轮廓点匹配； 4)层间插值，对匹配后的边缘轮廓点采用层间插值拟合算法，得到该相角下各中间层的轮廓点坐标； 5)预测顶端，对插值拟合后的层间轮廓采用灰度外插法，预估工件顶端点坐标，根据顶端点坐标进行补顶处理； 6)测量体积，根据层间值后的三维拟合轮廓数据，首先计算各中间层切片二维面积，再利用台体法计算工件体积。
2.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于针对步骤I)中Zernike矩提取方法存在的边缘粗化和边缘断裂，采用非极小值抑制方法进行改进。
3.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，步骤2)中所述边缘点多项式拟合的具体方法为 对于于平面上的离散点{( ,外))匕，构造M阶多项式7 = /0) = q + C2X + C3X2+... +CM+1XU来拟合这N个数据点，通过公式 Mf-5( . -= ￡ (C1 + C2Xk + C3X.i + …"^M+lXk ~y0 k-1 的最小值便可得到系数(V cM+1，即求得拟合函数f(x)。
4.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，步骤3)中所述层间匹配的具体方法如下 对各层切片轮廓的拟合轮廓的拟合函数按照相同相角进行采样，采样点数均取720，采样相角间隔取AS= 2 r/720,采样后得到的各层720个采样点分别用极坐标Q，6)形式和直角坐标(H)形式表示，其中0即为采样时的相角整数倍，按照极坐标0相同这一准则进行层间边缘点匹配，即各层轮廓点中，0坐标相同的点被归为同一个匹配小组，视为在待测物体上属于同一条经线，匹配后的各点按照匹配组依次用直角坐标形式表示。
5.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，步骤4)中所述层间插值的方法为 针对匹配后的等相角下的层间轮廓点，采用多项式拟合法得到该相角下被测物体的层间轮廓曲线，再对轮廓曲线函数进行等间距层间插值，对每2层相邻数据插入多层插值数据，由此可以得到中间层的轮廓数据。
6.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，步骤5)中所述预测顶端的方法如下 针对层间匹配插值拟合后的等相角下的轮廓点，通过对层间拟合曲线进行外插及插值曲线切线结合，利用灰度预估出尖顶形状工件的顶点位置。
7.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，步骤6)中所述各中间层切片二维面积的方法为 首先对多项式拟合后的二维轮廓点采用八邻域法进行跟踪，按照顺时针跟踪法依次找出各相邻轮廓点；然后取该二维闭合轮廓内任意一点作为顶点，轮廓上每相邻的两点作为两底点构造三角形，则可以把该轮廓图像视作由720个小三角形拼凑组成；再利用海伦公式S =如(P-a)(P-b)(j>-c)求出每个小三角形的面积；最后对各三角形面积叠加，即为该层切片的轮廓面积。
8.如权利要求I所述的基于工业CT扫描技术的体积测量方法，其特征在于，步骤6)中所述工件体积的计算方法为 针对层间插值的所有层的轮廓数据，从下至上依次取出2层相邻轮廓数据，以下层轮廓作为圆台底面，上层轮廓作为圆台顶面，上下两层轮廓之间间距作为圆台的高，利用台体体积公式求出该小台体的体积，以此类推求出所有层轮廓之间的体积，进行累加便可得到待测工件的三维体积。
全文摘要
基于工业CT扫描技术的体积测量方法，具体步骤如下1)提取边缘采用Zernike矩对二维图像提取亚像素级边缘；2)多项式拟合对边缘点进行多项式最小二乘拟合，将拟合后的点坐标转化为极坐标；3)层间匹配对步骤2)中的拟合函数曲线进行等相角间隔采样，并建立同相角的轮廓点匹配；4)层间插值采用层间插值算法得到中间层的轮廓点；5)预测顶端采用灰度外插法，预估工件顶端点；6)测量体积根据三维拟合轮廓数据，利用台体法计算工件体积。基于Zernike矩与最小二乘拟合算法在面积和体积测量精度上比以往的算法高5倍，甚至10倍以上，且解决了实际测量过程中由于容积效应或扫描不完全带来的缺顶问题。
文档编号G01B15/00GK102628682SQ20121012148
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月24日 优先权日2012年4月24日
发明者伍立芬, 段伟伟, 王珏, 邹永宁, 陶李 申请人:重庆大学