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《重庆大学》 2018年
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工业CT体数据生成高质量网格模型的相关技术研究

王武礼  
【摘要】:由于工业CT(Computed Tomography)技术可以在无损的情况下测量工件外部和内部的几何数据,已成为逆向工程设计中三维数据获取的主要方法之一。但因在数据测量和传输时受环境、控制系统精度、测量方法、数据漏传、误传以及重建算法等因素的影响,使得重建的CT图像中不可避免的存在噪声、几何特征不明显的情形,导致生成的网格模型质量不高,如等值面误差大、噪声多、三角形质量差等,这直接影响有限元分析的精度、效率、计算收敛性以及快速原型制造的效率和稳定性。针对上述问题,本文对基于工业CT体数据的三角网格模型生成过程中,影响网格模型质量的关键技术:工业CT数据的预处理、等值面的提取、网格光顺、网格简化以及网格规范化进行研究。主要研究成果如下:(1)改进二维Otsu方法将其用于CT图像边缘信息增强,引入分布式估计算法加快二维Otsu求解。首先,采用特征保持能力强、运算速度快的引导滤波对CT图像去噪;然后,改进二维Otsu算法中的邻域图像信息模板,并精确计算图像中的目标概率和背景概率;第三,采用全局搜索能力强、收敛速度快的分布式估计算法搜索最佳阈值;最后,采用二维Otsu的最佳阈值对CT图像的边缘信息增强。该方法有效确认了CT图像的边缘特征。(2)针对工业CT数据中存在噪声、局部灰度变化等情形造成等值面提取精度低的问题,改进移动立方体算法以精确提取等值面。首先,采用梯度幅度直方图和类内方差最小化方法构建CT体数据的自适应等值场;然后,采用三线性插值法计算每个体元顶点的阈值,并确定边界单元与等值面的交点及法向;最后,根据工件纵向尺寸误差,选择恰当的端面修复方法以降低等值面提取误差。这种采用自适应等值场代替全局阈值的方法,有效提高了等值面提取的精度。(3)针对网格模型在光顺和特征保留两方面难以平衡的问题,将反映网格全局几何变化的面法向和反映网格细节特征的顶点法向结合,提出一种基于顶点特征选择的双法向网格光顺方法。首先,采用张量投票理论对网格顶点分类;然后,将引导滤波算法扩展到几何处理领域,通过构建准确的引导法向来精确计算面法向;第三,通过拟合特征区域中分段光滑的面片块精确计算顶点法向;最后,根据顶点特征分别使用面法向或顶点法向对顶点迭代更新。该方法能在去除网格噪声的同时,更好的保留网格的细节特征,且光顺后的网格表面误差小。(4)为提高网格模型中三角形面片的质量,提出了一种基于粒子群优化算法的网格规范化方法。首先,用最小二乘法对网格顶点及其邻域顶点进行三次曲面拟合;然后,以拟合的局部曲面为粒子群算法的搜索域,以局部三角形的平均质量最优为目标,对网格顶点进行调整;最后,为保留网格的细节特征,以顶点调整前后的法向夹角的大小作为顶点调整的条件。为避免陷入局部最优,并加快收敛速度,对粒子群算法进行了改进:引入了粒子中心位置、约束因子以及自适应惯性因子。该方法在保留网格几何特征、细节特征的同时,能有效改善网格模型中的三角形质量。(5)针对网格模型简化时,大多现有简化算法无法同时兼顾网格的简化比例、细节特征以及三角形质量等问题,提出了一种基于动态误差控制和粒子群优化算法相结合的网格简化、优化方法。首先,采用投影预测的方法确定折叠点,使用动态变化的距离误差阈值和角度误差阈值计算三角形的折叠代价,并根据折叠代价大小控制简化比例;然后,采用基于有限信息的粒子群优化算法对简化模型中的狭长三角形优化处理。该方法在控制网格模型简化比例的同时,可有效保持网格细节特征,提高网格模型质量。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP391.41

【参考文献】
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