基于工业CT断层图像的三角网格模型重建与优化的研究

摘要

在逆向工程领域,常见的产品三维数据获取方法有三坐标测量机、三维激光扫描仪等,这些测量方法通常用于产品的外表面测量,而不适用于产品的内腔数据测量。工业计算机断层成像技术(Industrial Computerized Tomography),简称工业CT或ICT,是一种先进的无损非接触测量方法,不仅可以得到产品的外表面数据,还可以得到产品的内腔数据。利用工业CT扫描产品得到的测量数据为某一方向上的系列断层图像,通过三维模型重建得到产品的三维模型,然后才能用于产品的逆向设计或创新设计。然而,由于工业CT扫描得到的数据量大、扫描数据中存在噪声以及重建算法本身的缺陷,使得重建的网格模型数据存在冗余和噪声,并且网格模型表面凹凸不平。
　　为了解决以上问题,本文以工业CT扫描数据为研究对象,重点对网格简化技术和网格平滑技术进行研究,主要研究内容如下:
　　①为了得到高质量的产品三维模型数据,首要任务是利用系列工业CT断层图像进行三维模型重建。充分分析各种三维模型重建算法的优劣的基础上,选取移动立方体算法进行三维模型重建,即通过三维数据场构造体元场,通过体元来确定模型的内外轮廓,从而重建出产品的三维表面模型。
　　②为了在网格简化的同时保持网格模型特征,优化网格质量,本文以三角形折叠法为基础,通过顶点预测和拉普拉斯算子调整得到折叠点位置,保证了简化后网格质量。在选择简化三角形时引入距离误差和角度误差,有效减小网格简化操作的误差,保持网格模型特征。
　　③为了得到光滑的网格模型,本文根据工业CT断层图像重建的三角网格模型特点,提出一种基于隐式曲面重构的网格模型全局优化方法用于网格平滑。首先通过三角面片的法矢量计算顶点的法矢量;接着根据顶点的位置和法向坐标,利用快速傅立叶变换计算模型表面特征函数的傅里叶系数;然后通过傅里叶逆变换得到模型表面特征函数;最后选取合适的阈值提取等值面。
　　本文的研究成果已集成到课题组所开发的逆向软件系统中,并通过实验验证上述方法的可行性,优化后的三角网格模型满足后续处理要求。