三維重建在超聲掃描檢測中的應(yīng)用

連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

測試測量技術(shù)與設(shè)備

三維重建在超聲掃描檢測中的應(yīng)用

連軍莉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

介紹了三維重建在超聲掃描檢測中的應(yīng)用。在超聲掃描中，可以得到被測器件的多個二維切片圖像。通過三維重建，將圖像從二維空間轉(zhuǎn)換到三維空間，得到更多更準(zhǔn)確的信息，實現(xiàn)被測物體的立體顯示和可視化分析，可以精確判斷瑕疵的空間位置、大小、幾何形狀以及它與周圍生物組織之間的空間關(guān)系，及時、高效、準(zhǔn)確。

超聲掃描；3D重建；應(yīng)用

超聲掃描檢測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域，適用于檢測物體表面、內(nèi)部區(qū)域，可以產(chǎn)生高分辨率的特征圖像。由于傳遞超聲能量要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會干擾超聲信號傳播，致使超聲信號發(fā)生反射，據(jù)此成像來判斷此器件是否有缺陷。

三維重建是從一系列二維圖像中獲取三維的結(jié)構(gòu)信息，為用戶提供具有真實感的三維圖形。它是一項多學(xué)科交叉的研究課題，涉及到計算機圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、生物醫(yī)學(xué)工程等多種技術(shù)，是目前的一個研究熱點。與二維圖像相比，三維圖像能夠提供更加豐富的信息，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前三維重建主要有面繪制和體繪制兩類算法，后者能避免重建中造成的偽像痕跡，更加準(zhǔn)確地反映出體數(shù)據(jù)所包含的形狀結(jié)構(gòu)。

1 超聲掃描檢測

超聲掃描檢測系統(tǒng)的工作原理：超聲波通過一個耦合介質(zhì)傳導(dǎo)到樣品，通常是水或一種惰性液體。探頭交替扮演著發(fā)射器和接收器，電開關(guān)在傳送和接收模式之間轉(zhuǎn)換。一個非常短的聲音脈沖進(jìn)入樣品，并返回樣品表面、在特定阻抗分層和樣品內(nèi)部的其他特征處產(chǎn)生的聲音反射。如圖1所示。

圖1 超聲掃描檢測工作原理示意圖

A波形或者“A掃描”是一個時間函數(shù)，以非常簡單的形式顯示出反射聲波的振幅。A波形實際上包含了樣品內(nèi)部非常多的關(guān)于聲學(xué)阻抗或特征的信息。如圖2所示，數(shù)字示波器中的信號中包含了表面、芯片表面和芯片底部的反射信號。

在C掃描中，在某一深度的斷面設(shè)置門限，其中的峰值探測器會檢測到門限內(nèi)的幅值峰值，根據(jù)這些峰值最終形成該斷面的橫向聚焦圖像。在多層掃描模式中，同時在多個斷面設(shè)置多個門限，可以形成一組斷面圖像。如圖3、4所示。

2 三維重建

三維重建數(shù)據(jù)量大、計算復(fù)雜，現(xiàn)有的繪制方法主要分為：體繪制和面繪制。典型的直接體繪制方法是Ray Casting光線投射方法，最有代表性的面繪制方法是MC算法。

圖2 數(shù)字示波器信號示意圖

圖3 超聲掃描檢測的多層掃描模式示意圖

圖4 超聲掃描檢測多層切片圖像示意圖

MC方法由Lorensen和Cline在1987年提出，作為一種表面追蹤技術(shù)，目前被認(rèn)為是解決從體數(shù)據(jù)中抽取等值面問題的標(biāo)準(zhǔn)算法。MC算法的基本原理是：在三維數(shù)據(jù)場中構(gòu)造等值面，找出經(jīng)過該等值面的體元（Cubes），求出該體元內(nèi)的等值面并計算出相關(guān)參數(shù)，便于使用常用的軟件包或圖形硬件繪制出等值面。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用上，采用MC算法可重建人體外輪廓、內(nèi)部組織器官，使醫(yī)生直接在3D圖像上就可以觀察感興趣的器官與周圍組織之間的空間關(guān)系。MC算法充分利用圖形顯示的硬件加速功能，繪制的圖像質(zhì)量較高。

Ray Casting（光線投射算法）是一種生成高質(zhì)量圖像的典型體繪制算法，其基本原理是：根據(jù)視覺成像原理，構(gòu)造出理想化的物理視覺模型，即將每個體素都看成為能夠透射、發(fā)射和反射光線的粒子，然后根據(jù)光照模型或明暗模型，依據(jù)體素的介質(zhì)特性得到它們的顏色（灰度圖像為亮度）和不透明度，并沿著視線觀察方向積分，最后在像平面上形成具有半透明效果的圖像。這種方法得到的繪制效果比較好，并且可以很方便地實現(xiàn)一些插值算法和光線的提取中止，但這種算法的速度比較慢。

3 超聲掃描檢測中的三維重建

超聲掃描檢測可以得到一系列的斷面切片圖像，通過三維重建，可以實現(xiàn)被測器件的立體顯示，真實再現(xiàn)被測器件的本來面貌，經(jīng)過可視化分析，可準(zhǔn)確地確定瑕疵的空間位置、大小、幾何形狀以及它與周圍組織之間的空間關(guān)系，可以輔助人員對感興趣的區(qū)域進(jìn)行定量至定性分析，從而可以大大提高瑕疵判斷的準(zhǔn)確性。也可以對圖像進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、縮放、移動、剖面切割等操作，使圖像能直觀地顯示被測器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

超聲掃描檢測中的三維重建步驟為：

(1)數(shù)據(jù)采集。通過多層掃描模式，得到多個切片圖像，如圖5所示。

(2)圖像的預(yù)處理。三維數(shù)據(jù)的預(yù)處理是對數(shù)值數(shù)據(jù)、幾何數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的。通過對原始圖像的再加工，使之能滿足三維建模的特定要求，達(dá)到最好的邊緣化效果。在處理上主要包括了圖像的灰度變換、圖像的增強、圖像復(fù)原、圖像分割和濾除噪聲等方法。

(3)三維建模。在利用計算機對客觀事物進(jìn)行分析和研究時，需要建立相應(yīng)的模型來表示實際或抽象的對象或現(xiàn)象，這個過程稱之為建模。模型是客觀事物的抽象表示，它描述對象的結(jié)構(gòu)、屬性、變化規(guī)律或各個組成部分之間的關(guān)系。

數(shù)據(jù)可視化的建模過程就是將處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀蚊枋觯⑵鹈枋鰯?shù)據(jù)的幾何模型的過程。對一維標(biāo)量數(shù)據(jù)可以采用線畫圖、直方圖或柱形圖等來描述。對三維標(biāo)量數(shù)據(jù)，可建立表面幾何模型來表示，也可以用體素模型來表達(dá)，或者建立實體幾何模型表達(dá)。

圖5 一系列切片圖像示意圖

(4)繪制與顯示。繪制功能即是完成將幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)的過程，使之能在計算機屏幕上進(jìn)行顯示。成熟的計算機圖形學(xué)理論和方法提供了豐富的繪制算法可供可視化技術(shù)使用，包括掃描轉(zhuǎn)換、隱藏面消除、光照模型、明暗處理、透明與陰影、紋理映射和反走樣技術(shù)等等。一般來說，計算機圖形學(xué)提供的繪制算法基本上可以滿足可視化技術(shù)中繪制的需要。效果如圖6、7所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)示意圖

4 實驗結(jié)果

三維繪制結(jié)果可以真實再現(xiàn)被測物體的三維面貌，通過人機交互，操作人員可以對圖像進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、縮放、移動、剖面切割等操作，使圖像能直觀地顯示被測物體的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而幫助操作人員明確瑕疵的位置。本文進(jìn)行三維重建的方法和過程稍加修改即可處理類似的切片圖像三維重建問題，具有一定的實用價值和較廣的應(yīng)用前景。

圖7 剖面示意圖

[1] 楊立峰，王亞飛.激光在超聲檢測技術(shù)中的應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展.2006，43(2)：29-32.

[2] 陳文革，魏勁松.超聲無損檢測的應(yīng)用研究與進(jìn)展[J].無損探傷，2001，25(4)：1-3.

[3] 李金，胡戰(zhàn)利.基于Maching Cubes與Ray Casting的醫(yī)學(xué)圖像三維重建[J].生命科學(xué)儀器，2007，5(12)：40-43.

The Application of Three-dimension Reconstruction in Scanning Acoustic Inspect System

LIAN Junli
(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The application of three-dimension reconstruction is proposed in this paper.A series of images are created during acoustic scanning.By three-dimension reconstruction,images can transform from two-dimension to three-dimension,and more information can be acquired,and we can displayed the tridimensional parts and analysis visually.So we can confirm the position、size、shape and the relation spatially with round.It is timely、efficacious and exact.

Scanning acoustic；Three-dimension reconstruction；Application

TP391

A

1004-4507(2017)05-0029-04

2017-08-07

連軍莉（1980-），高級工程師，現(xiàn)主要從事機器視覺技術(shù)和圖像處理算法研究。