基于框架和組件技術的錐束ＣＴ應用平臺設計與實現

摘 要：為使錐束CT應用于航空發動機的研制，采用面向對象的框架和組件技術設計并實現了錐束CT應用平臺軟件。通過錐束CT應用的領域分析，提出其框架模型；從功能上分割框架模型，得到各組件模塊，并闡述了關鍵組件的技術實現方法。使用Microsoft Visual C++6.0/MFC和VTK（Visualization ToolKit）完成錐束CT應用平臺的框架和組件開發，突破了限制檢測系統的一些瓶頸問題，為錐束CT在企業的實際應用打下基礎。

關鍵詞：錐束CT；軟件開發；框架；組件；渦輪葉片

中圖法分類號：TP311．52 文獻標識碼：A 文章編號：1001-3695(2006)10-0208-04

Design and Implementation of Application Platform of Cone Beam

Computed Tomography Based on Framework and Component Technology

HUANG Kuidong，ZHANG Dinghua，MAO Haipeng，CHENG Yunyong，LIU Jing，WANG Kai

(Key Laboratory of Contemporary Design Integrated Manufacturing Technology for Ministry of Education， Northwestern Polytechnical University， Xi’an Shanxi 710072， China)

Abstract:To put CBCT into the aeroengine development， the application platform of CBCT was designed and realized based on objectoriented framework and component technology. The framework model was brought forward by the domain analysis of CBCT. The component modules were obtained after segmenting the framework model on functions， and some key components of them were discussed on the technical realization methods. To achieve the application platform， Microsoft Visual C++ 6.0/MFC and VTK （Visualization ToolKit） were applied to develop the framework and components. The research result overcomes some bottlenecks which restrict the CBCT inspection system from being practically applied to enterprises.

Key words:CBCT(Cone Beam Computed Tomography )；Software Development；Framework；Component；Turbine Blade

我國高性能航空發動機研制中的精鑄渦輪葉片成型精度偏低、質量不穩、廢品率很高，一直是個亟待突破的瓶頸，迫切需要能夠對葉片全生命周期中的幾何形狀、材料結構及其變化進行測量重構的技術手段。目前常用的測量方法［1］，如超聲波、三坐標測量機、激光三角法、二維CT等，均不能滿足實際應用的需要。

高分辨率錐束CT（Cone Beam Computed Tomography，CBCT）是當今國際上解決上述問題最有發展前途的一種高新技術。錐束CT利用面陣探測器采集檢測零件的錐束射線投影數據，重建出的三維數字圖像記錄了物體內部各點的材質、密度等物性參數分布。它具有切片序列連續、切片內和切片間的空間分辨率相同、精度高等特點，在逆向工程與工業內視等領域已顯示出廣闊的應用前景。錐束CT應用平臺是與錐束CT原型機配套的軟件，本文應用面向對象的框架和組件技術，在進行錐束CT應用平臺領域分析的基礎上，設計出平臺的軟件框架；然后根據軟件功能劃分各組件模塊，并對各個模塊進行單獨設計與實現；最后在軟件框架下完成組件的集成與測試。

1 基于框架與組件的軟件開發方法

1．1 軟件復用

軟件復用是指在兩次或多次不同的軟件開發過程中重復使用相同或相近軟件元素的過程［2］，其方法可分為產品重用和過程重用兩類。傳統的軟件復用技術主要是對系統設計源代碼和系統設計類庫的重用，其缺點是受限于開發語言的限制，而且重用粒度較小，所以不能得到廣泛應用。基于框架和組件的開發是近年來發展迅速的軟件復用核心技術，支持框架、設計模式、組件等多個層次的重用，從而極大地擴展了軟件重用的范圍。

1．2 框架（Framework）技術

框架的定義可從兩個方面來描述［3~5］：①框架是一個系統或其一部分的可重用設計，通常用一組抽象類和存在于這些類的實例之間的相互關系來表示。②框架是一個能夠被開發人員實例化的系統構架。框架中最重要的部分是如何將一個系統劃分成組件，然后選取能實現所需功能的組件，或者開發新的組件，最后將這些組件集成在一起，構造出目標系統并進行測試。軟件框架具有豐富的重用機制和控制流程的能力。

1．3 組件（Component）技術

組件是指應用系統中可以明確辨識的、具有一定功能的構成模塊［3~5］。隨著對軟件復用理解的深入，組件概念已從源代碼組件延伸到軟件系統的需求規格、構架、文檔、測試計劃、測試案例及其他對開發活動有用的信息。基于組件的應用系統開發方法具有即插即用、以接口為核心、標準化、組件資源豐富的特點［6］。由于各組件接口規范的一致性，組件的互操作性好，降低了系統開發的復雜度，提高了開發效率。

1．4 開發過程

基于框架和組件的軟件開發中，軟件的生命周期被分為開發可重用產品的生命周期與用可重用產品開發目標系統的生命周期。通過系統化的軟件重用，形成軟件的工業化生產線，以達到縮短工期、降低成本與適應變化的目的。其開發過程如圖1所示。

2 錐束CT應用平臺領域分析

領域分析是設計基于框架和組件技術特定領域系統的關鍵步驟。錐束CT主要應用于精密件無損檢測、逆向工程反求設計、快速原型制造、密度場分析、鑄造位移場分析等領域。本文對其應用領域的業務流程以及功能組成進行系統化分析，得出錐束CT應用平臺總體數據流如圖2所示，功能組成如表1所示。

表1 錐束CT應用平臺的功能組成

序號功 能描 述1錐束CT仿真投影單能量X射線束仿真投影、多能量X射線束仿真投影2序列切片圖像快速重建簡易濾波、通用濾波、FDK重建、快速重建、理論截面獲取3二維圖像顯示及轉換顯示IMG，BMP，TIF格式文件，三種文件格式可相互轉換4切片輪廓邊界提取提取高精度的切片輪廓邊界5數字樣品的生成與體視化定義、生成、顯示數字樣品，并對其進行相關交互操作6STL模型重構及其處理體素級與切片級STL三維重構、STL三角網格壓縮、STL拓撲修補7三維圖形顯示顯示STL文件并進行相關交互操作8重建模型配準使重建模型與其CAD模型精確匹配，生成模型配準矩陣9偏差計算及云圖顯示計算三維重構模型與其CAD模型間的偏差并將其以偏差云圖顯示10虛擬測量基于切片的二維測量、葉片壁厚三維測量11數據管理組織管理系統參數以及各個模塊生成的數據錐束CT應用平臺為專用軟件，用戶是使用錐束CT掃描系統的專業技術人員。應用平臺應具有良好的適用性和功能擴展性。另外，軟件還須達到一定的技術指標，如在時間特性上，三維圖像快速重建＜15min（5123）；在尺寸精度上，輪廓邊界提取精度＜0.5個像素。

3 錐束CT應用平臺框架設計與實現

3．1 框架設計

框架設計包括框架體系結構與詳細設計［7］。在體系結構設計階段，結合設計模型，定義了許多抽象類，使整個系統結構的設計支持更靈活的變化；在詳細設計階段，描述在體系結構設計中抽象出來的類，并精確地定義它。

根據錐束CT應用平臺的領域分析，設計出錐束CT應用平臺框架模型（圖3）。其中系統主控平臺采用多文檔模板與單文檔/視圖的復合框架結構（圖4）。它允許開發者定義各自不同的文檔視圖類型，并將其集成于一個統一框架結構下，而不相互影響與制約。圖5給出了錐束CT應用平臺框架類圖。

3．2 框架的實現

框架的實現是對框架的抽象類和具體類進行編碼，一般采用自頂至下的開發方法。錐束CT應用平臺采用Microsoft Visual C++ 6.0/MFC技術，結合開放式可視化工具包VTK編寫。在整個實現過程中，定義了一套完整的實現標準，如編碼的統一性，以使得開發出來的框架更容易被應用程序開發人員所理解和應用。該應用平臺還提供用于進行其他特定開發的應用接口類庫，方便應用程序的開發。

4 錐束CT應用平臺組件設計與實現

4．1 組件的設計

當前主流的組件模型規范有三種，即OMG的CORBA，SUN的JavaBeans/EJB，以及Microsoft的COM+，三者各有千秋［8］。遵從這些規范開發的組件具有良好的互操作性，能夠被很好地重用。根據錐束CT應用平臺框架模型（圖3）進行組件劃分和設計，具體考慮了以下問題：①組件與客戶程序之間的數據交換。源數據的獲取與目標數據的保存。②組件的發布方式。本系統組件采用進程中服務器，即將組件編譯成DLL形式。③選擇組件的開發平臺并完成其開發。對基于Windows的開發來說，COM+組件技術已經是事實上的標準，本軟件在Microsoft Visual C++ 6.0集成開發環境中采用COM+進行開發。

4．2 關健組件的技術實現

使用Microsoft Visual C++開發COM+組件主要有三種方法［9］：①使用COM SDK直接編寫COM組件；②使用MFC開發；③使用ATL開發。由于本軟件主要涉及用戶界面、圖形化顯示、數據庫應用等組件的開發，所以選用功能強大、對圖形和數據庫有更強支持的MFC技術。

(1)錐束CT仿真投影［10］。該模塊利用蒙特卡羅方法建立錐束CT仿真系統的數學模型，基于光線跟蹤和X射線衰減定律提出平板探測器錐束CT仿真算法流程。①利用UG或自定義的簡單體素建立掃描樣本模型；②用戶通過控制面板設定各種掃描技術參數，包括X射線源、探測器、檢測樣本、掃描信息等；③系統控制虛擬的平板探測器進行投影數據的采集，掃描完成后可得到樣本各個旋轉角度的投影數據。

(2)序列切片圖像快速重建［11］。針對傳統FDK重建算法非常耗時的缺點，從算法本身的改進和數據并行計算兩方面來研究三維圖像快速重建算法。提出一種Z線優先重建法，能夠有效地組織和劃分重建數據，從而使得對重建數據的內存訪問非常連續，便于采用單指令多數據（Single Instruction Multiple Data，SIMD）技術進行數據并行處理。實驗結果表明該方法與原始重建算法相比，在保證圖像質量不受損失的前提下取得了20倍以上的重建加速比，三維圖像（5123）重建時間小于五分鐘，突破了將錐束CT應用于逆向工程中的“圖像重建速度瓶頸”問題。

（3）數字樣品模型的生成與體視化。數字樣品是一種能統一表示三維物體材質與邊界信息的數字化模型，由一組有序的二維切片圖像構成三維數字圖像，是全方位檢測樣品幾何形狀、尺寸和缺陷的基礎，也可為樣品的逆向設計提供特征拾取、幾何建模和材料建模等信息支持。數字樣品模型以一種自定義的VOL格式文件來描述。

針對數字樣品的體視化，研究了基于紋理映射的快速直接體視和基于光線跟蹤的高質量直接體視繪制法，實現了兩種直接體視繪制法的人機交互，使三維數字樣品的可視化技術具有很高的實用性。體視化具體設置涉及四個方面：①透射，包括透射模式、透射函數、標量色彩、阻光率等；②顯示，包括標準視圖、投影方式、背景顏色等；③材質，包括預設材質、詳細材質設置等；④裁剪，包括X，Y，Z三個方向的裁剪范圍。

(4)高精度的切片輪廓邊界提?。?2］。該輪廓數據是實現精準重構的重要基礎。根據錐束CT圖像序列的特點，提出一種改進的基于Facet 模型的3D亞體素邊緣檢測算法。此方法考慮了數字樣品模型中上下相鄰多層截面圖像的空間信息，從算法上進一步消除了切片圖像層厚對圖像邊緣的影響，輪廓提取精度可達到0.1像素左右，大大高于僅考慮單層信息的方法，速度也較原始算法提高了約十倍，突破了將錐束CT應用于逆向工程的“輪廓精度瓶頸”問題。

（5）STL模型重構。針對STL模型重構研究了兩種方法，即改進的MC算法［13］與一種新的三維表面重構算法。該新算法分兩步：①采用多邊形不定長近似法對第4.2(4)節提取的切片輪廓數據進行保形逼近，然后重構切片輪廓的拓撲信息，包括輪廓的方向、嵌套關系和內外性質；②以基于截面屬性的橢圓匹配法分割所有切片輪廓，得到若干基本結構表面，然后將這些特征表面拼合成一個完整的零件表面。在需要結構拼合處采用分段、疊加、刪除重疊表面的新方法，避免了切片級表面重構中最難處理的分支問題，對重構的三維表面進行重采樣可以得到與原始切片相同的采樣結果。

(6)重建模型配準［14］。采用迭代最近鄰點(ICP)算法配準重建模型與其CAD模型位向上的偏差：①查找重建模型表面點XAi到CAD模型的最近鄰點XBi，并以線性八叉樹法加速其求解；②尋找一個旋轉矩陣R和平移矩陣t，使目標函數minR，tNi‖xBi-(RxAi+t)‖2取得極小值，并以奇異值分解法與方向加速算法加速其求解。匹配算法精度：平移參數誤差＜0.5像素，旋轉角度參數誤差＜0.1°，突破了將錐束CT應用于逆向工程的“定位精度瓶頸”問題，為后續質量檢驗與分析應用鋪平了道路。

（7）虛擬測量［15］。目前主要應用于空心渦輪葉片的壁厚檢測。與傳統的葉片壁厚檢測方法相比，基于葉片截面圖像與點云模型進行葉片壁厚測量與分析，可以獲得更為準確、全面的壁厚檢測結果，更能保證葉片檢測結果的可靠性。

在葉片的二維截面圖像上測量葉片壁厚：①在測量位置作厚度測量線，沿此線提取圖像灰度值得到灰度分布圖；②根據圖上灰度值的跳躍變化獲得與厚度對應的邊緣位置；③計算厚度值并標注結果。

基于葉片點云模型進行三維壁厚分析：①利用葉片截面圖像序列的內輪廓邊界構造葉片內型面；②計算葉片表面各點到葉片內型面的距離作為該點厚度，從而得到整個葉片的壁厚分布情況，③使用彩色云圖對壁厚分析結果進行可視化表達，可讓工程技術人員直接觀察葉片壁厚的變化趨勢。

5 錐束CT應用平臺運行實例

使用Microsoft Visual C++ 6.0/MFC和開放式可視化工具包VTK完成了錐束CT應用平臺的框架和組件開發，并進行組裝、測試、完善，實現了表1所示的所有功能。圖6～圖13以空心渦輪葉片為例，給出了系統運行的部分實例。

6 結束語

本文基于框架和組件技術設計并實現了錐束CT應用平臺軟件，對關鍵組件的實現技術進行了說明。所取得的研究成果突破了限制檢測系統實際應用的一些瓶頸問題，如圖像重建速度、輪廓精度、定位精度等，軟件本身具有良好的擴展性，為其實際應用打下了基礎。

參考文獻：

［1］李家偉，陳積懋.無損檢測手冊［M］.北京:機械工業出版社，2002.155163．

［2］Hafedh Mili，Fatma Mili，Ali Mili. Reusing Software: Issues and Research Directions［J］. IEEE Transactions on Software Engineering，1995，21(6):528-562．

［3］Ehrig H，F Orejas，B Braatz，et al.A Generic Component Framework for System Modeling［C］.Proc.of FASE 2002，Springer LNCS 2306 ，2002.3348．

［4］W M P van der Aalst，K M van Hee，et al.Componentbased Software Architectures:A Framework Based on Inheritance of Behavior［J］. Science of Computer Programming，2002，42(23):129171．

［5］JoonSang Lee，DooHwan Bae. An Aspectoriented Framework for Developing Componentbased Software with the Collaborationbased Architectural Style［J］. Information and Software Technology，2004，46(2):81-97．

［6］楊東勇，張健，楊海清，等.基于組件的控制系統計算機輔助分析與設計系統［J］. 計算機工程與應用，2002，38(15):110113．

［7］王麗娟，孫西超，底松茂，等. 軟件復用與基于面向對象框架的軟件開發方法［J］. 鄭州大學學報(工學版)，2003，24(3): 24-28．

［8］楊順祥，葛科，等.基于UML和組件技術的軟件開發環境IUMLSE的研究與實現［J］.計算機工程與應用，2001，37(12):31-35．

［9］朱午光，周斌，李文印，等.基于組件技術（COM）的工業控制軟件的開發與應用［J］. 工礦自動化，2004，(5):42-44．

［10］汪鵬，張樹生，王靜，等. 裝配體的ICT仿真方法研究［J］. 計算機工程與應用，2003，39(28):125127.

［11］毛海鵬，張定華，梁亮，等. 一種基于PC的快速三維圖像重建方法［J］. 系統仿真學報，2004，16(11):2486-2489．

［12］王凱，張定華，趙歆波，等. 一種改進的CT切片圖像3D亞體素邊緣檢測算法［C］.第五屆中國計算機圖形學大會論文集.西安：西北工業大學出版社，2004．253-257．

［13］唐澤圣.三維數據場可視［M］. 北京:清華大學出版社，1999．89109．

［14］劉晶，張定華，等.基于SVDICP算法配準CT切片重構模型與CAD模型［J］.計算機工程與應用，2004，40(24):195196．

［15］程云勇，張定華，毛海鵬，等. 渦輪葉片錐束體積CT檢測系統軟件原型［C］.2004全國博士生學術論壇論文集，2004．255-260．

作者簡介：

黃魁東(1978-)，男，四川成都人，博士研究生，主要研究方向為錐束CT、計算機圖形圖像處理；張定華(1958-)，男，四川新都人，教授，博導，主要研究方向為CIMS、錐束CT、計算機圖形圖像處理、數控加工技術；毛海鵬(1976-)，男，陜西華縣人，博士研究生，主要研究方向為CAD/CAM、錐束CT、計算機圖形圖像處理；程云勇(1976-)，男，湖南寧遠人，博士研究生，主要研究方向為逆向工程、錐束CT無損檢測及圖像處理技術；劉晶(1977-)，女，黑龍江雞西人，博士研究生，主要研究方向為錐束CT、計算機圖形圖像處理；王凱(1980-)，女，陜西西安人，博士研究生，主要研究方向為錐束CT、計算機圖形圖像處理。

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文