工业CT广角扇束扫描图像重建模型与图元识别算法研究

摘要

工业计算机层析成像(Industrial Computed Tomography，简称ICT)技术是当今世界公认的最佳无损检测技术之一，它以图像形式直观地表达检测对象断层内部的结构、密度分布、缺陷信息，并不受检测对象材质、结构的限制。近年来，由于航空、航天、军工、铁路机车、汽车等行业对大型构件的无损检测和无损质量评价需求增加，世界发达国家争相研究和开发高能大型工业CT系统。
　　 利用工业CT图像还能对检测对象断层内外结构尺寸进行精确测量，尤其对于具有复杂封闭内腔的零部件的无损检测和测量，工业CT技术起着无可替代的作用。研究工业CT技术在逆向工程中的应用是近年工业CT技术研究热点之一。
　　 课题由国家863高技术项目、国家自然科学基金项目和重庆市科技攻关项目资助，研究工业CT广角扇束扫描、工业CT图像几何图元识别等相关基础理论。并根据理论研究结果，针对大型细长类工件工业CT检测的实际需求，研究高能大型卧式工业CT机械系统关键技术，为该类型产品的工业CT无损检测提供技术储备和支撑。主要工作如下：
　　 ①分析了工业CT技术基本原理、技术基础、系统组成、系统指标与评价标准，以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代CT扫描方式的特点。重点针对广角扇束(Ⅲ代)CT扫描，研究其理论模型和图像重建算法，并设计制造了一台小型工业CT扫描试验系统进行试验研究。
　　 ②对于广角扇束工业CT扫描，图像卷积反投影重建算法有一个关于几何方面的假设：检测工件的分度旋转中心位于图像重建中心线(即辐射源焦点中心与探测器阵列中心的连线，也是扇束中心射线)上。实际的工业CT系统，由于各种偏差引起的工件分度旋转中心偏移，导致重建图像精度降低。论文针对旋转中心偏离的情况建立了图像重建数学模型，仿真研究了偏离量与重建图像精度的关系。表明在重建515×512像素矩阵的图像时，重建中心偏移0.1像素，重建图像与基准图像间无明显差异；重建中心偏移0.2像素及以上时，重建图像与基准图像间差异明显。指出对于广角扇束CT扫描，重建图像大小为512×512像素时，分度旋转中心与图像重建中心不重合最大允许偏差为0.1像素尺寸。
　　 ③研究了基于Facet模型亚像素边缘提取的工业CT图像图元识别方法，分析了常用识别算法，改进了直线、圆弧的识别算法；在图像几何图元识别的基础上，提出工业CT图像精确矢量化的方法；重点针对现有存在概率图的圆检测算法计算时间长、占用内存大的缺点，提出一种通过事先确定潜在圆心选择范围，将存在概率数值符合设定条件的圆的参数信息存储在链表中，并根据被检测圆的数量确定圆的参数、标识其位置的算法。实验结果表明，该方法在计算时间上比原方法提高了33～178倍；最后，运用最小二乘法拟合图像中识别的圆参数并进行实际测量。使用空间分辨率为2.0 lp/mm的电子直线加速器工业CT系统，扫描重建出包含10个圆的800×800像素工业CT图像，运用该方法对图像中的圆进行了检测和测量，结果表明测量精度优于0.5％。
　　 ④在工业CT广角扇束扫描研究的基础上，根据实际检测对象特点和要求，设计了高能大型卧式工业CT系统主要技术参数和总体技术方案；用卧式工业CT系统检测细长类工件时，工件自身重力引起的挠度将引起CT扫描分度旋转中心与图像重建中心不重合。分析了典型检测对象在两点支撑时工件最大挠度，指出其数值超过分度旋转中心与图像重建中心不重合的最大允许误差，并提出应用三点滚动支撑方案；设计了一种支撑座可开合、工件浮动夹持的专用异形轴承滚动支撑夹具，设计了机械系统各运动传动结构、各部件结构和整机机械结构。
　　 研究设计的广角扇束CT扫描试验装置已开发为工业CT教学试验仪器；研究设计的加速器、探测器部件结构、运动部件以及异形轴承夹紧、支撑座可开合三点滚动支撑结构夹具已应用到不同的大型CT、DR检测系统上；研究的工业CT图像精确矢量化方法也已初步应用到工业CT图像软件系统中。实际应用结果表明，提出的高能大型卧式工业CT系统设计方案可行，机械结构设计合理；提出的三点滚动支撑方案，设计的独特的可开合滚动支撑结构较好地解决了细长工件卧式检测时工件重力挠度对CT扫描成像的影响；研究的工业CT图像矢量化方法实用、精确、可靠。

目录

文摘

英文文摘

声明

1概述

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1国外发展状况

1.2.2国内发展情况

1.2.3发展趋势

1.3课题来源研究意义

1.3.1课题来源

1.3.2课题的使用意义

1.3.3课题的学术意义

1.4课题研究的目的和技术路线

1.4.1研究目的

1.4.2研究内容

1.4.3技术路线

2工业CT技术原理与系统组成

2.1工业CT的基本原理与理论基础

2.1.1工业CT基本原理

2.1.2工业CT技术的数学基础

2.1.3 工业CT技术的物理基础

2.2工业CT系统组成

2.2.1工业CT系统结构

2.2.2射线源

2.2.3机械扫描系统

2.2.4探测器系统

2.2.5图像重建技术

2.2.6几个常用术语

2.3工业CT系统扫描方式及特点

2.3.1单探测器平行束扫描(Ⅰ代扫描)

2.3.2窄角扇束扫描(Ⅱ代扫描)

2.3.3广角扇束扫描(Ⅲ代扫描)

2.4工业CT系统指标及测试方法

2.4.1空间分辨率(Spatial Resolution)

2.4.2密度分辨率(力)

2.5本章小结

3工业CT广角扇束扫描图像重建模型研究

3.1广角扇束(Ⅲ代)扫描方法

3.2广角扇束扫描图像重建算法

3.2.1由投影重建图像

3.2.2广角扇束扫描图像重建算法

3.3广角扇束扫描分度旋转中心偏离的图像重建算法

3.3.1概述

3.3.2旋转中心偏离图像重建中心的卷积反投影公式

3.4旋转中心偏离对工业CT图像影响与最大允许偏离分析

3.4.1旋转中心偏离对工业CT图像的影响仿真

3.4.2旋转中心偏离图像重建中心的最大允许值分析与验证

3.5工业CT广角扇束扫描试验研究

3.5.1广角扇束(Ⅲ代)扫描工业CT试验系统

3.5.2扫描运动

3.5.3数据采集

3.5.4卷积反投影图像重建

3.5.5系统空间分辨率

3.6本章小结

4工业CT图像几何图元识别算法研究

4.1概述

4.1.1工业CT技术与逆向工程

4.1.2图像矢量化

4.1.3基于几何图元识别的图像矢量化方法

4.2图像预处理与图像轮廓提取

4.2.1图像预处理

4.2.2基于Facet模型的图像边缘检测

4.2.3轮廓跟踪

4.3工业CT图像直线识别方法研究

4.3.1常用的直线识别方法

4.3.2改进的直线识别方法

4.4基于存在概率的工业CT图像快速圆检测算法

4.4.1圆存在概率的数学模型

4.4.2文献[93]的算法

4.4.3基于存在概率图的快速圆检测算法

4.4.4实验结果与分析

4.4.5结论

4.5工业CT图像圆弧识别方法研究

4.5.1弧长近似搜索法

4.5.2垂直平分法圆弧搜索法

4.6圆弧、直线拟合算法研究

4.6.1最小二乘法圆弧拟合算法

4.6.2最小二乘法直线拟合算法

4.7工业CT图像圆精确测量

4.7.1工业CT图像圆精确测量算法

4.7.2试验结果及分析

4.8基于几何图元识别的工业CT图像精确矢量化

4.8.1综合处理

4.8.2数据输出

4.8.3应用实例

4.9本章小结

5高能大型卧式工业CT系统研究与应用

5.1概述

5.1.1检测对象

5.1.2系统检测要求

5.2大型卧式工业CT系统总体技术方案

5.2.1总体方案

5.2.2系统组成

5.2.3系统工作原理和基本参数

5.2.4系统空间分辨率验算

5.3大型卧式工业CT系统系统设计方案

5.3.1电子直线加速器射线源

5.3.2探测采集系统

5.3.3主机机械系统

5.3.4自动控制系统

5.3.5图像系统

5.4主机系统结构与扫描运动

5.4.1系统结构

5.4.2分度运动

5.4.3插值运动

5.4.4分层运动

5.5工件挠度对CT像影响分析与滚动支撑结构设计

5.5.1两点支撑时工件挠度估算

5.8.2三点滚动方案与支撑结构设计

5.6主机机械系统整体结构

5.7应用情况分析

5.7.1加速器、探测器部件结构应用

5.7.2三点滚动支撑结构应用

5.8本章小结

6总结与展望

致 谢

参考文献

附 录