基于ICT切片图像的反求重构技术研究

摘 要：反求工程是指根据已有产品或产品原型构造其三维模型的过程。目前，反求工程已成为世界各国消化、吸收国内外先进技术和对现有产品进行改进的一个重要手段。主要研究基于ICT（Industrial Computed Tomography）切片图像的反求重构技术，其中包括ICT切片图像预处理、中间灰度图象的插植、轮廓数据的跟踪及轮廓曲线拟合等，最后转化为CLI格式进行快速成型。

关键词：反求工程；ICT；切片图像；CLI

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2008)02-149-03

Research on Reverse and Reconstruction Technology Based on ICT Slice Image

REN Jingying

(Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou,450002,China)

Abstract：Reverse engineering is a process of constructing 3D model of product by existent or its prototype.At present,the technology of RE is digested and absorbed by all the country,and is an important channel of betterment the products.This dissertation mainly studies reverse and reconstruction technology based on ICT(Industrial Computed Tomography) slice image.ICT slice image processing,middle image interpolation,contour tracing and curve-fitting,at last,CLI format is applied to rapid prototyping.

Keywords：reverse engineering;ICT;slice image;CLI

1 引 言

反求工程与传统的被称为正向设计的方法和过程有着根本的不同，在正向设计中，产品的概念从无到有、逐步形成并完善；而在反向设计中，产品已经存在，要做的是从对现有产品所掌握的信息中反推其产品模型和设计思想，进而进行再设计和改进，其流程图如图1所示。

研究反求工程（Reverse Engineering）的主要目的是为了改善技术水平、提高生产率、增强经济竞争力。通过反求工程技术，不仅可以消化国外先进技术，解开国外先进产品和设备的技术秘密，更可找到原型产品的缺点，加以改进，设计出更好的产品。因此，研究反求工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义［1，2］。

由于反求工程有着优越的技术特点和广泛的应用前景，世界各国纷纷开展3D信息获取、三维模型重构等相关方面的研究工作。美国在医学CT方面的研究处于世界领先地位，将CT技术用于心血管病的快速诊断与有效治疗，取得了很好的成果。法国MENSI公司研制生产的三维激光扫描设备及三维重构成套软件系统处于国际同类产品领先水平，但对于带空腔物体的重构却无能为力。该公司与西北工业大学现代信息与电子系统研究所合作，成立了中法国际数字信息技术研发中心，开展三维信息获取、图形图像获取、轮廓识别与匹配及三维重构等诸多方面的研究开发工作。

我国也在积极开展这方面的研究工作，取得了可喜的成果，陆续有软硬件系统问世。西安交通大学先进制造技术研究所在快速原型制造(Rapid Prototyping and Manufacture,RP&M)及反求工程方面的研究处于国内领先水平。近年来，开展了基于断层测量的快速反求系统关键技术以及光固化法快速成型系统的研究工作。浙江大学CAD&CG国家重点实验室开展了反求工程CAD建模技术的研究，并有该方面的工程化软件RE-SOFT获得国家专利。西北工业大学CAD/CAM国家专业实验室重点看展了CAD建模及三维重构方面的研究工作，谢红博士进行了基于ICT的CAD建模技术研究，王广博士进行了基于ICT的装配体反求关键技术的研究等。

需要指出的是，目前的大部分研究都是对无分叉不带型腔的简单情况的零件，本课题致力于研究对带复杂轮廓的切片图像的重构问题。

2 研究运用的理论和方法分析

在反求工程中的快速成型（Rapid Prototyping）应用中,虽然存在着各种各样的二维数据来源,但是切片仍然占据了绝大部分应用领域。自从1988年3DSystems公司引入STL文件以来,由于其简单易行,后续切片算法简单、通用，受大多数快速成型系统支持,因而成为一种事实上的标准［3］。在实际应用中STL文件存在如下问题：数据冗余、文件庞大、缺乏拓扑信息、容易产生错误、诊断与修复困难；使用小三角形平面来近似三维曲面,存在曲面误差；大STL文件的后续切片将占用大量的机时；有时需要重新造型等。相比较而言，直接切片抛开了STL文件，直接从CAD模型中产生二维轮廓环数据，避免了三维模型的表面近似，具有更高的精确度，同时也避免了STL文件尺寸庞大、存在错误等问题，减少了快速成型加工的前置处理时间，省去了错误诊断与修复程序，成为当今快速成形技术中很热门的研究方向。

三维CAD模型经过直接切片以后，处于二维半的轮廓环描述状态，这类数据在快速成形、无模具成形等分层加工工艺和医学领域中得到广泛应用。目前，由于研究人员开发平台的差别，直接切片数据存在多种描述格式。其中，比较著名的有CLI(Common Layer Interface)、SLC(Stereo Lithography Contour)等格式，他们都采用线性近似方法描述实体轮廓。CLI格式［4］采用层(layer)、轮廓(contour)、多线(polyline)、填充线(hatches)等描述数据模型。他采用封闭式多线来描述截面轮廓,采用填充线或开放式多线来描述辅助支撑。对于所有分层加工系统而言,他都是一种简单、有效、明确的数据输入格式。SLC文件也是CAD模型的一种二维半轮廓描述，他由z向的一系列逐步上升的横截面组成，在这些截面中，实体由内外边界多线表达。他规定，线段表示连接2个平面点的直线，多线表示封闭的有序线段序列。他可以由CAD模型、表面模型、CT扫描数据转化生成，受3DSystems公司的新型机器所支持。SLC文件格式虽然克服了STL的某些缺陷，但也存在如下问题：截面轮廓仍然是对实体截面的线性近似、精度不高；计算较复杂、文件庞大、生成费时。

根据上述分析这些格式的优缺点及近几年的发展趋势，又由于本课题图片是一系列断层轮廓数据，对这些轮廓数据进行CLI格式的快速成型。

3 课题研究方案

本课题采用的是ICT（Industrial Computed Tomography）切片图像，其特点是可以采集带有内部结构的被测物体的形状信息，通过计算机数字图像处理技术，对断层图像经过一系列处理，最终构造出其三维数字模型，输出满足快速成型技术要求的数学模型。利用这些数学模型就可以实现实物的仿制和改进。

根据课题要求及实验数据的特点和预期要达到的目标，决定主要分以下几步进行：

3.1 平滑滤波

在ICT图像的获取过程中不可避免地会产生各种各样的噪声，这将影响到以后的处理，如产生虚假边界等。因此，为了抑制噪声，改善图像质量，必须对图像进行平滑处理。

3.2 插值中间灰度图像

随着各种影像技术的发展，可轻易地获得一系列ICT的断层灰度图像，然而多数情况下，这些离散的图像数据是非等分辨率的，其相邻两层图像间的距离要大于同一断层图像中相邻象素间的距离。为了后续快速成型工作的需要，用灰度图像插值的方法将这些非等分辨率的断层图像转变成等分辨率的图像，以便对他们进行后续处理和输出CLI格式文件。经过分析和查阅资料，这里采用基于形状和基于灰度相结合的方法进行插值［5,6］如下：

通过2幅已知的灰度图像，用数学形态学的方法确定出插值图像的轮廓。通过求出轮廓内任意插值点与中心点的位置关系，分别找出其在2幅源图像上的对应点。如果2个对应点的灰度值较为接近，可通过线性插值直接求出此插值点的灰度；如2个对应点的灰度值相差较大，则判断插值点的相对位置与哪个对应点的相对位置接近，并认定插值点的灰度值即为此对应点的灰度值。将图像的形状信息和灰度信息较好地结合起来，对轮廓内所有的点采用上述算法，即可求得最终的插值图像。

通过插值出中间灰度图像，对后续工作的CLI格式输出做好准备。

3.3 对切片图像和插值出的图像预处理

3.3.1 切片图像阈值分割［7,8］

由于课题图片是一些ICT切片，在ICT切片图像的获取过程中不可避免地会产生多种噪声，产生虚假边界。因此需对其进行阈值分割处理，去掉一部分伪迹。在阈值分割中最关键的是如何选择最佳阈值。虽然已经提出很多种阈值选取方法，但仍然没有一种对所有图像都能有效分割的阈值选取方法。某种阈值分割方法只能适用于某一类图像，而对其他图像分割效果并不理想。由于最后在快速成型时需要的是轮廓数据，所以在阈值分割的过程中希望能较好地保留原图的边缘轮廓特征，并不增加新的边缘特征。这里采用边缘检测与自动阈值相结合的图像分割方法。

3.3.2 边缘检测

采用canny算子检测图像边缘，为后续CLI格式的输出准备。

3.3.3 对切片直孔进行圆拟合

由于测量精度的影响，原始实物在进行断层扫描后，原来分布比较均匀的直孔图像产生较大误差。这需要对这些直孔检测出形心点，对其进行圆拟合来逼近原始直孔，这里采用最小二乘法原理来进行圆逼近［9］

3.3.4 轮廓跟踪与特征点采样

边缘检测得到的轮廓是离散、独立、互不关联的各个边界轮廓点的无序组合，所以进行轮廓跟踪得到封闭连通的、完整精确的边界轮廓线，同时为了精简数据进行特征点采样。

3.4 对处理过的轮廓数据上下层进行光滑拟合

对于一般的重构表面三维图形，总要通过一定的方法进行平滑处理,才能达到比较满意的效果，选取一个好的插值算法，既能弥补丢失的数据又能够达到物体平滑的目的。在选取表面平滑算法时，需要对速度和精度同时进行权衡，以得到一个更合理的效果。

3.5 处理精度的分析

在整个处理过程中存在各种误差，有些是可以避免的，有些则不可避免。这样得到的产品很可能达不到要求。由于精度直接影响到产品的质量和企业的经济效益，为此，一方面要尽量减小误差以提高精度，另一方面则采取相应的反馈补偿的办法来修正模型，以满足实际需要。

3.6 转化为CLI格式快速成型

在产生CLI格式的文件时，需要区分内外轮廓，根据数据的特点，采用基于射线的内外轮廓判别方法。最后进行快速成型。

4 研究内容流程图

研究内容流程图如图2所示。

5 难点

对于相邻两层图像极不相似的情况，插值算法很难达到很理想的结果。特别是一层没有，而另一层有较复杂的分支轮廓。

参 考 文 献

［1］栗全庆,王宏,张英杰,等.实物反求工程的关键技术分析[J].机械设计,1999(6):12-18.

［2］金涛，童水光.逆向工程技术［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［3］陈绪兵，叶献方，黄树槐.快速成形领域中的直接切片研究［J］.中国机械工程，2002(13)：605-606.

［4］王运赣.快速成形技术[M].武汉:华中理工大学出版社,1999.

［5］Grevera G J.Udupa J K.An Objective Comparision of 3-D Image Interpolation Methods［J］.IEEE.Trans.Med.Imaging,1995,17(4):642-652.

［6］孟晋宇,舒华忠，鲍旭东，等.一种新的基于形状的灰度图像插值方法［J］.东南大学学报：自然科学版，2003，33（3）：222-225.

［7］王耀明,董建萍，严炜.图象阈值分割的统计迭代算法［J］.桂林电子工业学院学报，2000，22（6）：6-7.［8］王丙文,刘京南.模糊阈值分割算法在具有双峰直方图图像中的应用［J］.现代电子技术，2001，24（10）：3-5.

［9］孔兵,王昭，谭玉山.基于圆拟合的激光光斑中心检测算法［J］.红外与激光工程，2002，21（6）：275-279.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。