摘  要： 為獲得材料復雜細觀結構的三維模型，開發了一種基于切片三維重構方法的微型自動切片式三維重構系統。該系統能對被研究對象進行切片，自動獲取二維切片圖像并對其進行分析，然后獲得研究對象的三維模型。該系統具有精度高(切片精度可達0.2 mm)、全自動（能對研究對象進行自動切片、自動清洗、自動烘干等處理)、小型化(整個系統可在一個普通工作臺上運行)、成本低等特點。

關鍵詞： 三維重構； 自動切片； 圖像處理

1.緒論

       在研究含復雜結構的復合材料(如混凝土、巖石、泡沫金屬等)的力學性能時，常常需要詳細了解材料內部的細觀結構。基于X射線掃描的CT成像是最常用的內部成像方法，各種型號的CT機也是醫學檢查、工業檢測等領域最常規的檢測手段[1-2]。但在小型科研中，如想獲得材料或構件內部結構，常規的CT機并不是理想的設備，這是因為：(1)設備非常昂貴，一般的用戶難以負擔；(2)需要射線源，操作人員需要防護，很難讓普通操作人員操作；(3)設備維護費用高，占地面積大，對空間要求高。以上幾方面決定了常規的X射線CT設備很難在小型的科學實驗中推廣。

　     X射線CT是一種獲取內部結構的無損測量方法，如果僅想獲得內部結構而不在乎是否損傷試件，完全可以采取切片—照相—重建的有損三維建模方法(可以稱之為切片式CT方法)。切片式CT方法的原理如圖1所示。

       首先，將被測物以一定的厚度切片，再通過圖像采集設備采集各個切片的圖像，最后經過圖像處理重建被測物的三維形體[3-5]。

　     切片式CT由于無需射線源，因此無需防護，設備也可以小型化。除此之外，相比于X射線CT，切片式CT還具有成像分辨率高(普通的可見光CCD相機分辨率遠高于X射線CCD相機)且信息量更豐富的特點，因此，更適于復雜或生物結構的內部重建。

　     由于研究需要，曾用切片式CT方法對桃子進行三維體重建[6]。但是，在切片的過程中，一直需要人工干預，數控銑床每切片一次都需要將它暫時停止，以方便進行圖像采集；并且在圖像采集的過程中每次還需要精確調整相機焦距，以保證所采集的照片清晰，不僅費時(平均每采集一次圖像在6 min左右)而且費力。因此這樣一種系統同樣不能滿足高效率科研要求。

       為滿足科研需要，本文開發一套全自動、高精度、小型化并且低成本的切片式CT機。該系統可全自動地完成試件切片、沖洗、烘干、圖像采集、圖像分析等整個重建過程，系統成本底，可在一個普通的工作臺上運行。

       2系統結構

       2.1系統的需求及應有的特點

       從前面的分析可知，一個理想的切片式三維重構系統應該具備如下幾個特點： (1)能全自動對研究對象進行切片處理，且切片精度要高、系統結構應盡量簡單且小型化；(2)能夠自動獲取高精度的切片圖像；(3)能從二維切片圖像重構出反映研究對象細觀結構的三維有限元模型。三維重構系統的主要工作是從二維斷層切片圖像中提取有關特征點[7]，然后將這些特征點利用相關算法[8-9]重構被測試件的三維模型。

       2.2微型自動切片式三維重構系統的具體實現

　     根據系統需求，設計的自動切片系統如圖2所示，系統主要由二自由度機械系統、控制系統、切片設備、清洗設備、烘干設備及圖像采集設備等組成。二自由度機械系統主要由步進電機以及滾珠絲桿組成，二自由度機械系統根據需要將被測試件移至合適的位置。控制系統主要控制機械系統按特定的運行狀態運行，并實時監測現場的反饋信號。切片設備用來對被測試件進行切片。切片設備采用配有金剛石磨片的精密磨拋機，在進行切片時為保證切片精度及切割面的光滑度，可在研磨過程中加入適量的研磨劑和水。清洗設備用來對試件切割面的固體污染物進行處理，從而保證切割面的整潔。烘干設備主要用來除去試件表面的水分，從而去除水分對數字圖像灰度值的影響。圖像采集設備用于將經過清洗和烘干處理后的切片圖像進行采集并將圖像數據進行儲存。

       整個系統的運行過程為：(1)升降臺將試件送至精密磨拋機上進行切割，高精度位移傳感器實時監測試件的切割厚度;(2)當切割的厚度達到設定值時，切割停止，試件上升一定高度，升降臺帶著試件沿水平導軌向左移動至清洗設備處，升降臺下降使試件表面與電動毛刷接觸，電動設備帶動毛刷對試件的切割面進行清洗;(3)清洗完成后，將升降臺帶著試件移動至烘干設備處，此時烘干設備將試件烘干;(4)烘干完成后，移動試件至圖像采集位置進行圖像采集; (5)圖像采集完成后回到過程(1)進行下一輪切片,如此往復直至得到全部所需的二維斷層圖片。系統獲得這些圖片后，經過圖像處理及圖像的三維重構等步驟，即可獲得試件的三維結構圖。

       2.3微型自動切片式三維重構系統的子彈殼驗證實驗

　     系統搭建完成后，為驗證其可行性，取一子彈工藝品模型，用自行設計的切片系統對其進行切片，切片數設置為80，切片厚度為0.4 mm。切片完成后獲得所有二維斷層圖像，獲得的部分二維斷層圖像如圖3所示。

       將原始圖片經過裁剪和預處理后導入MIMICS圖像處理系統[10]，經過圖像裁剪、圖像濾波和閾值分割后的圖像如圖4所示。

       圖中不同的顏色或灰度表示不同的材料。圖像導入后利用Calculate 3D from Mask工具進行三維表面重構，重構的三維面模型及其剖視圖如圖5所示。

       為驗證其建模精度，利用三維測量工具對所建模型進行測量。測得的子彈殼模型底部直徑、頂部直徑、壁厚及層高的測量數據與實際數據如表1所示。

       由測量數據可知，建模誤差小,最大的誤差僅為5%，證明建模精度可靠。

　     將此三維面模型的網格文件以inp文件進行輸出，并利用ABAQUS軟件將其進行實體轉換，即將三角片單元轉換成四面體單元。轉換后的實體模型如圖6所示。轉換后的實體模型可以直接用于力學行為分析。

       本文首先介紹了微型自動切片式三維重構系統的原理及系統功能，該系統能全自動地對研究對象進行自動切片、自動清洗、自動烘干。接著利用所開發的微型自動切片式三維重構系統對子彈殼實物進行自動切片并獲取其二維切片圖像，然后對切片圖片進行三維重構。最后通過對所建模型與實物的對比，驗證了微型自動切片式三維重構系統建模的有效性。本文所設計的微型自動切片式三維重構系統成本底，切片精度高，切片精度可達0.2 mm,占地面積小，可在普通的工作臺上運行。

參考文獻 

[1] 傅棟, 靳安民. 應用CT斷層圖像快速構建人體骨骼三維模型的方法[J]. 基礎醫學, 2007,11(9):1620-1623.

[2] 王啟亮, 田啟川. 基于多尺度分塊的指紋圖像二值化算法[J]. 微型機與應用, 2013,04(32):33-36.

[3] POMASKA G. Implementation of digital 3D models in building surveys based on multiimage photogrametry[J]. In-ternational Archives of photogrammetry and Remote Sensing,2008,12(8):413-422.

[4] KIA N. An integrated multi-sensory system for photo-realistic 3D scene reconstruction[J]. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing,2009(32):341-351.

[5] Qin Shengfei, HARRISON R, WEST A A, et al. Develop- ment of a novel 3D simulation modelling system for dis-tributed manufacturing[J]. Computers in Industry，2004,54:69-81.

[6] 馬巍. 基于數值圖像處理的三維重建及應用[D]. 北京:北京理工大學, 2008.

[7] KALENDER W A. 計算機體層成像[M]. 崔世民,譯.北京：人民衛生出版社, 2001.

[8] 張莉, 徐穎, 唐雷,等. 基于輪廓拼接算法三維重建中國數字人肩部骨骼肌肉結構[J].中國組織工程研究與臨床康復，2009(43):36-40.

[9] LORENSEN W E, CLINE H E. Marching cubes: a high resolution 3D surface construction algorithrn[J]. ACM SIG-GRAPH Computer Graphics, 1987,21(4):163-169．

[10] 蘇秀云,劉蜀彬. Mimics軟件臨床應用[M]. 北京:人民軍醫出版社, 2011.