固體火箭發動機體空間缺陷特征精確測量技術*

朱敏，于光輝，盧洪義，李朋

(海軍航空工程學院，山東 煙臺 264001)

0 引言

固體火箭發動機結構簡單,機動性好,可靠性高且易于維護，但在生產和貯存期間，推進劑藥柱要承受各種載荷的作用，結構完整性可能被破壞，產生裂紋、氣泡、脫粘等缺陷。這些缺陷的位置、形態和大小的不同對發動機的貯存和使用造成的影響也不同，因此需要弄清固體火箭發動機裝藥的內部結構。工業CT(computerized tomography)技術解決了發動機某一截面的內部結構問題，但僅靠檢測人員觀察工業CT檢測系統提供的二維序列斷層圖像(檢測時按照某一規律排列的一組圖像)，很難建立起固體火箭發動機缺陷的三維空間結構，不能從空間的角度觀察分析，難以準確判別缺陷的性質、空間位置和尺寸，容易造成誤判和漏判。

因此，研究基于工業CT二維序列斷層圖像的固體火箭發動機體空間缺陷特征精確測量技術，實現三維空間缺陷特征參數的精確測量，是固體火箭發動機壽命預估和故障診斷的重要技術支撐。其關鍵技術包括固體火箭發動機缺陷提取技術、體數據可視化技術和三維空間缺陷精確測量技術3部分內容。

1 固體火箭發動機缺陷提取技術

1.1 現狀基本情況

對固體火箭發動機缺陷的提取，受技術封鎖的限制，未看到國外文獻對此有詳細敘述。國內對發動機的CT檢測也不多，對固體火箭發動機主要進行X射線的缺陷檢測，也進行少量的CT檢測，但完全靠人工在二維CT圖像中進行缺陷判讀和缺陷尺寸的預測；從2000年開始對多型固體火箭發動機進行CT檢測[1-3]，得到大量CT圖像，在2008年已完成對二維CT圖像缺陷的自動提取和識別，后期陸續展開了對序列CT圖像的三維重建以及三維數據場的缺陷提取及測量工作[4-7]。

在醫學等領域，研究人員對數據場的三維分割也提出了很多方法，這些方法雖然不能完全應用到固體發動機的缺陷提取中，但可為發動機缺陷的提取提供借鑒。這些分割方法主要包括閾值分割法和邊緣檢測法，有些方法雖然提出時間較早，但現在仍被廣泛使用，且大多算法可從二維推廣到三維。

1.2 閾值分割法和邊緣檢測法

閾值分割法是一種最常用的圖像分割方法，其原理是：通過設定不同的特征閾值，把圖像像素點分為若干類。該方法因實現簡單、計算量小、性能較穩定而成為圖像分割中最基本和應用最廣泛的分割技術。根據閾值的作用范圍，閾值分割法大致分為4類[8]：基于點的全局閾值法、基于區域的全局閾值法、局部閾值方法和多閾值方法。

根據閾值選取方式的不同，基于點的全局閾值法包含以下幾種方法[9-12]：p分位數法、迭代方法閾值法、直方圖凹面分析法、最大類間方差法、熵方法、最小誤差閾值法、距量保持法、模糊集、均勻化誤差閾值法、聚類法、神經網絡法、數學形態法和小波分析與變換法等。

根據閾值選取方式的不同，基于區域的全局閾值法包含以下幾種方法[13]：二維熵閾值分割方法、簡單統計法和梯度值散射圖法等。

用一個固定的全局閾值對整幅圖像進行分割，因不能兼顧圖像各處的情況而使分割效果受到影響，局部閾值方法用與像素位置相關的一組閾值對圖像各部分分別進行分割，因此也稱為動態閾值法或自適應閾值法。該方法主要包含以下幾種方法[14-15]：分水嶺法、基于閾值曲面的二維遺傳算法、基于局部梯度最大值的插值方法、加權移動平均閾值方法、對比度度量閾值法等。這類算法時間和空間復雜度都較大，但抗噪能力強，對一些使用全局閾值法不宜分割的圖像有較好的效果。

如果圖像中含有占據不同灰度級區域的幾個目標，則需要使用多個閾值才能將它們分開。多閾值分割，可以看作全局閾值分割的推廣，全局閾值選取的方法，比如Otsu最大類間方差法、Kapur的最大熵方法、直方圖分析法和聚類法等都可以推廣到多閾值的情形[16]。

邊緣檢測法利用不同物質灰度上的差異，通過設計合適的邊緣檢測算子，獲取檢測圖像或數據場的邊緣，再根據邊緣連通性或其他性質將圖像或數據場分類。目前，邊緣檢測法大都是基于邊緣檢測算子的，常用的邊緣檢測算子有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子、Canny算子、Zerocross算子和Log算子等。

1.3 發展趨勢

閾值分割方法雖然種類繁多，但大都是基于整幅圖像或整個體數據場灰度差異進行的分割，動態閾值法和多閾值法一定程度上考慮了分割與位置的關系，但與邊緣檢測法相比在位置關系考慮上仍存在很多不足。邊緣檢測法可以考慮到任意鄰域中灰度的變化，是固體火箭發動機缺陷提取技術今后需要重點研究的方向。

2 固體發動機體數據可視化技術

2.1 現狀基本情況

三維結構特征剖析建立在序列CT圖像三維可視化的基礎上，序列CT圖像三維可視化，就是借助計算機圖形圖像技術，利用從CT檢測設備獲取的被檢測物體的結構數據信息，在計算機上建立起三維模型，顯示出被檢測物體的三維圖像與立體特征，并且能夠實現交互模式下的旋轉、平移、視角變換等各項功能。

現有的體數據三維可視化技術分為兩大類[17]：面繪制和體繪制，三維效果如圖1，2所示。面繪制中首先由三維體數據構造出中間幾何圖元，再由傳統的計算機圖形學技術實現畫面繪制。體繪制直接由三維體數據產生屏幕上的二維圖像。這2種方法各有優劣：面繪制的速度比較快，但不能反映體數據中各種因素的相互關系；體繪制可以表現物體中的細微結構和細小變化，但顯示處理速度較慢。若采用面繪制技術，則無法準確顯示缺陷內部信息及其在固體火箭發動機內部的空間位置，所以采用體繪制技術。

圖1 面繪制結果Fig.1 Surface rendering results

圖2 體繪制結果Fig.2 Volume rendering results

2.2 體繪制技術

對于體繪制，光線投射法、足跡表法、錯切-變形法、頻域體繪制法、基于紋理映射的體繪制法等眾多算法先后被提出。

光線投射法是以圖像空間為序的算法，從成像面的每個像素出發，將投射的光線穿過三維體數據場，在射線上作等距采樣，并由距離每個采樣點最近的8個數據點作三線性插值得出每個采樣點的不透明度值和顏色值，計算出所有采樣點的不透明度值和顏色值后，可采用由前到后或由后到前2種不同方法將每個采樣點的不透明度值和顏色值進行合成，從而計算出屏幕上該像素點的顏色值。該法計算量非常大，成像速度慢，而光線投射提前終止[18]和體數據空間結構的相關性[19]2種方法的使用提高了計算速度。

足跡表法是以物體空間為序的體繪制算法，與以圖像空間為序的體繪制算法不同，該算法的基本思想是逐層、逐行、逐個計算每一個體數據點對屏幕像素的貢獻，并加以合成，形成最后的三維重建圖像。該法會產生走樣現象[20]，為此研究二維圖像彎曲技術[21]和三維相鄰數據結構[22]進行調整，提出拋雪球法[23]，消除了光面振蕩的現象。

光線投影體繪制法和足跡表法都存在計算量大、計算時間長的問題。Cameron G. G.和Lacroute P.等人綜合了圖像空間和物體空間的優點，提出了錯切-變形混合體繪制算法，將三維體數據場的投影變換分解為三維體數據場的錯切變換和二維圖像的變形來實現，大大減少了投影過程的計算量。雖然此方法的體繪制速度得以提高，但缺少切平面垂直方向上的深度信息，且三維重建的圖像產生一定程度的失真。因此采用預先集成Shear-Warp算法框架、基于動態數據分布并行繪制、計算對應體數據中像素權值、基于八叉樹快速分類、基于Warp系數改進Shear-Warp等方法[24]，提高了繪制的質量。

頻域體繪制法是利用傅里葉投影-截面定理，在三維體數據相對應的頻域場中，按給定的視線方向經過原點抽取一個截面，再將這個截面作傅里葉逆變換，就可在空域的圖像平面中得到所需要的投影。該法采樣計算降低一維。但生成的圖像很像一張X光照片，沒有深度信息。

2.3 發展趨勢

以上4種體繪制算法都沒有利用硬件來提高繪制速度，所有的改進算法也都是在軟件的基礎上提高繪制效率。而基于紋理映射的體繪制法中，重采樣和插值運算等操作均由具有三維紋理映射能力的圖形加速卡完成，提高了運算速度。對于大規模三維體數據，該法受圖像加速卡內存容量的限制，必須被分成若干子數據塊，引發頻繁的輸入/輸出操作及重采樣運算，使得體繪制性能急劇下降。因此，研究固體火箭發動機體數據空間跳躍技術、體數據快速裝入技術和體數據智能分類技術，是提高固體火箭發動機大規模體數據場體繪制速度和精度的重點研究方向。

3 固體火箭發動機缺陷三維空間精確測量技術

3.1 現狀基本情況

對固體火箭發動機缺陷的三維測量國外文獻未見公開發表。國內對發動機缺陷的三維測量幾乎空白，僅有少量的二維測量，2011年開始對固體火箭發動機序列CT圖像生成的體數據場缺陷進行三維測量研究。

在工業其他領域及醫學領域，研究人員對數據場的三維測量提出了很多方法，因為測量對象的形態、性質各不相同，被測物理量也多種多樣，所以三維測量方法也有多種。有的方法很難用于固體發動機的缺陷三維測量中，但也有部分方法值得借鑒。目前主要有如下幾種三維測量方法。

3.2 三坐標測量機法(CMM)

CMM(coordinate measuring machine)[25]可以實現任意曲面坐標點的測量和標記，并通過Pro/E，UG等專用掃描數據處理軟件建立掃描曲面的計算機模型，用于反求工程。由于固體發動機裝藥缺陷在殼體內部，CMM無法進行掃描；對于得到的序列CT圖像也不是實體，同樣無法記錄缺陷坐標，因此該方法不適于固體發動機裝藥缺陷的三維測量。

3.3 立體顯微鏡法

立體顯微鏡是依靠人眼觀察獲得的圖像并進行判斷的一種顯微鏡系統[26]，該系統利用投影儀將計算機產生的正弦強度光柵條紋投射于被測物上。由于被測物表面的深度變化，投射條紋將會產生變形，CCD采集被測客體的位圖，利用相移技術以及相位重建技術對采集的位圖上每一個像素點計算求得相對應點的三維數據信息，從而重建出被測物的表面輪廓。由于投影儀產生的光柵條紋無法穿透殼體，因此無法得到裝藥內缺陷的形態，也就無法進行三維測量了。

3.4 結構光法

結構光法是將激光器發出的光束，經過光學系統形成圖案投向物面，在物面上形成圖案并由攝像機攝取，而后由圖像根據三角法和傳感器結構參數進行計算、得到景物表面的深度圖像，計算出物面的三維坐標值[27]。該法只適用于外表面的測量，對固體發動機裝藥缺陷也無能為力。

3.5 視覺重建法

根據物體的幾幅圖像定量恢復物體在三維空間的外形和位置，將該法應用于固體火箭發動機只能構建出發動機殼體的外觀和位置，對裝藥內部情形一無所知。

3.6 基于CT體數據的三維測量方法

基于CT體數據的三維測量，是在得到物體三維CT圖像或序列二維CT圖像基礎上對感興趣區域進行的測量。根據用戶的不同需求，測量的物理量主要包括：空間中兩點間距離、空間中夾角、空間中剖切面面積、空間曲面面積、目標區域體積[28]等參數，對不同的測量物理量，都已有經典的測量方法。該方法與前述幾種方法都不同，3.2～3.5節中所述的測量方法都是測量物體的外表面或內表面，主要完成對表面的建模和測量，而本節所述測量方法能夠獲得被測物體的內部信息，適用于固體火箭發動機缺陷的測量，可以借鑒，改進或改變某些物理量的經典測量方法，縮短缺陷測量時間，提高缺陷測量精度，是固體發動機三維空間缺陷精確測量的重點研究方向。

3.7 基于VTK，MITK等交互式三維測量方法

在體數據三維重構的基礎上，采用VTK(visualization toolkit)，MITK(medical imaging toolkit)中的類[29]，實現鼠標拾取點的屏幕坐標向世界坐標的轉換，利用距離公式或者余弦定理求出感興趣2點間的距離或感興趣2條線的夾角。該法可以為固體火箭發動機序列CT圖像缺陷最大直徑的交互式測量提供參考。

4 結束語

固體火箭發動機無損檢測中，傳統的基于二維CT圖像檢測手段容易出現誤判、漏判，三維空間的缺陷檢測、識別和測量是今后的發展方向。本文從固體火箭發動機缺陷提取技術、體數據可視化技術和三維空間缺陷精確測量技術3個方面入手，對固體火箭發動機體空間缺陷特征精確測量技術展開綜述，分析了各項技術的國內外現狀基本情況、關鍵技術進展，并指出了各項技術今后的重點研究方向。

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