基于改进脊波变换的工业CT图像裂纹检测

摘要

疲劳失效是机械和结构零件常见的失效形式，约占机械事故的50％以上。因此疲劳破坏问题是机械可靠性研究的一个重点领域。而疲劳失效的主要原因是存在漏检的宏观缺陷(如裂纹)。计算机断层成像技术(Computed Tomography,CT)是一种重要的无损检测技术。CT技术能获得物体断层图像和三维图像，具有无损、直观、准确的特点，获得广泛的应用。本文对工业CT图像中工件的裂纹进行边缘提取，为裂纹测量和自动识别打下基础。
　　 小波分析自上世纪80年代中期以来，在信号处理领域有了长足的发展，小波多分辨率分析的思想和方法在数值计算和信号处理等诸多领域得到了非常成功而广泛的应用。在小波理论基础上，E.J.Candès和D.L.Donoho在1998～1999年建立了一种特别适合于表示各向异性奇异性的多尺度方法——脊波变换。由于脊波本质上是通过对小波基函数添加一个表征方向的参数得到的。所以它不但和小波一样有局部的时频分析的能力，而且还具有很强的方向选择和辨识的能力，可以非常有效地表示信号中具有方向性的奇异特征。
　　 脊波变换通过投影(Radon变换)将线状奇异性转化为点状奇异性，但是不能有效处理图像中的曲线奇异性；单尺度脊波变换在脊波变换的基础上，将图像分成小块分别进行处理，能够有效处理图像中的曲线奇异性，但分块大小固定，不能自动适应曲线的曲率变化。对于工业CT图像中含有的曲线状裂纹，本文在单尺度脊波变换的基础上，改进了一种自适应分块脊波变换算法，并将其应用于实际工业CT图像裂纹检测中。实验证明，该方法能够有效获得准确、独立的裂纹边缘。与只对原始图像进行脊波变换获取裂纹区域相比较，本文中的方法能够得到更接近的弯曲裂纹区域，不易受噪声干扰。
　　 工件中的裂纹大部分是三维裂纹，三维裂纹实际上就是一个断裂面。针对工件中的三维裂纹，论文中研究了一种三维裂纹检测的方法，首先通过对三维图像数据进行准三维脊波变换得到裂纹的方向并确定裂纹的大致范围，然后根据得到的裂纹方向和范围对二维切片中裂纹进行骨架和边缘提取。实验表明，该方法能够有效提取三维裂纹的骨架和边缘。对于用二维脊波变换提取切片中裂纹边缘法检测不到的短裂纹，通过本文中的方法能够有效提取短裂纹的边缘。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2工业CT技术简介

1.2.1概述

1.2.2 CT的发展历程

1.2.3工业CT的基本类型

1.2.4工业CT的基本原理

1.2.5工业CT系统的基本组成

1.2.6图像重建的基本原理

1.3裂纹检测技术研究现状

1.3.1基于差影法和模板匹配的裂纹检测

1.3.2基于边缘检测和图像分割的裂纹检测

1.3.3基于脊波算法的裂纹检测

1.4论文主要工作安排

2 脊波变换理论基础

2.1小波变换

2.1.1连续小波变换

2.1.2离散小波变换

2.1.3常用小波函数介绍

2.2脊波变换

2.2.1脊波变换的产生与现状

2.2.2连续脊波变换

2.2.3脊波变换与其它变换的联系

2.2.4有限脊波变换

2.2.5脊波变换的应用

2.2.6单尺度脊波变换

2.2.7脊波变换的优点和不足

2.3本章小结

3 基于自适应分块脊波变换的弯曲裂纹检测

3.1引言

3.2脊波变换的数字实现

3.2.1平行束投影(Radon变换)

3.2.2离散脊波变换

3.3算法的基本思想

3.4算法的具体步骤

3.4.1人工取区域

3.4.2用脊波检测裂纹方向和大致范围

3.4.3第一次图像分块

3.4.4第二次图像分块

3.4.5对比实验

3.4.6提取裂纹骨架和边缘

3.4.7裂纹骨架和边缘拼接

3.5本章小结

4 基于脊波变换的三维裂纹边缘提取

4.1引言

4.2算法的基本思想

4.3算法的具体步骤

4.3.1图像填充

4.3.2用准三维脊波变换确定三维裂纹方向和大致范围

4.3.3边界逼近

4.3.4提取裂纹骨架和边缘

4.3.5三维裂纹显示

4.4对比实验

4.5本章小结

5 总结与展望

5.1本论文工作总结

5.2工作展望

致 谢

参考文献

附 录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文