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基于多尺度几何分析的工业CT图像和体数据特征提取的研究

李宗剑  
【摘要】: 工业计算机层析成像(Industrial Computed Tomography,ICT)技术是一种先进的无损检测技术,通过射线扫描物体获得投影数据,进而重建出物体断面图像(CT图像)和物体体数据(CT体数据),尤其适合分析复杂的、封闭的被检测对象。特征提取是CT图像和体数据处理中的重要问题。在工业CT图像和体数据的众多特征中,线特征(对应目标对象的轮廓)和面特征(对应目标对象的轮廓面)是两类重要且常见的特征,其提取结果将直接影响后续相关的数据处理(如测量、逆向设计等)。 多尺度几何分析(Multiscale Geometric Analysis,MGA)也称后小波(beyond wavelet)分析,是继小波分析之后,一大类可对数据进行有效分析的工具,尤其是高维数据。多尺度几何分析的方法可被分为两类:一类是使用具有方向性的基函数或框架的方法,以曲线波(curvelet),轮廓波(contourlet),条带波(bandelet)为代表;另一类是基于某种几何结构的方法,以楔形波(wedgelet),子束波(beamlet),板波(platelet)为代表。本论文的研究方法属于后一类。 本论文在国家自然科学基金项目(No.60672098,No.60972104等)的支持下,以多尺度几何分析方法为研究工具,面向工业CT的实际应用问题,不仅对多尺度几何分析方法的快速计算进行了探索,还对工业CT图像和体数据中的线特征、面特征提取问题提出了具有针对性的解决方法。本文的主要贡献及创新性工作如下: ①设计相关多尺度几何分析方法的快速计算。由于二维束波变换(2D beamlet transform),三维束波变换(3D beamlet transform),二维楔波分解(2D wedgelet decomposition),三维楔波分解(3D wedgelet decomposition)等,各自的基函数数量庞大,若对每个基函数逐个进行计算,则会带来较大计算开销。本文通过分析上述方法,各自的基函数在单尺度上的组成及相互间的关系,设计出相应的快速计算,提高了计算效率。 ②提出基于beamlet探测工业CT图像中裂纹的方法。工业CT图像中的裂纹呈现出一定的近似线性或分段线性特征,且伴随着噪声。常用的探测方法以“点基”的方式分析图像,一般包括降噪等预处理过程。Beamlet以“线基”的方式分析图像,对噪声干扰具有较强的抑制能力。另外,考虑到beamlet的基函数中只有直线段,为了丰富基函数的选择,本文尝试将二次函数和beamlet一起作为新的“线基”。与基于laplace,sobel,canny,wavelet等探测方法相比,基于beamlet方法的探测结果与裂纹实际形状更吻合。 ③提出有限面积分变换(finite plane integral transform,FPIT)及基于FPIT+平面波(planelet)探测工业CT体数据中裂纹面的方法。工业CT体数据中的裂纹面呈现出一定的近似平面性或分段平面性特征,且伴随着噪声。FPIT和planelet均以“面基”的方式分析体数据,对噪声干扰具有较强的抑制能力。不同的是,FPIT对体数据中每个体素逐个进行判断,适于裂纹面的粗定位;planelet对二进立方体数据进行判断,适于裂纹面的确定。因此,本文先用3×3×3的FPIT模块确定裂纹面的大致区域,再用planelet探测裂纹面。与基于3D facet,C-V,3D wavelet等探测方法相比,基于FPIT+planelet方法的探测结果与裂纹面实际形状更吻合。 ④提出三维有限线积分变换(3D finite line integral transform,3D FLIT)及基于改进3D FLIT(improved 3D FLIT,I-3D FLIT)的工业CT体数据线特征提取方法。本文在有限线积分变换(finite line integral transform,FLIT)的基础上,将其推广到3D,得到3D FLIT。由于3D FLIT模块直线绝大部分是不连续的,本文对其进行改进,构造出连续直线的I-3D FLIT模块,并结合图像融合和数学形态学的方法,对工业CT体数据中的线特征进行提取。与基于I-FLIT、3D wavelet的提取方法相比,基于I-3D FLIT的方法能得到工业CT体数据,更全、更精细的线特征。 ⑤提出基于2D wedgelet的工业CT体数据线特征提取方法。基于I-3D FLIT的提取方法,需对体数据中每个体素逐个进行判断。基于2D wedgelet的提取方法,则以“楔形基”的方式对二进图像进行分析,适合提取工业CT体数据中,以不同灰度区域的交界线形式存在的线特征。与基于3D wavelet的提取方法相比,基于2D wedgelet的方法能得到工业CT体数据,更全、更精细的线特征。与基于I-3D FLIT的提取方法相比,基于2D wedgelet的方法能得到对工业CT体数据线特征更简洁的描述。 ⑥提出基于2D/3D wedgelet的工业CT体数据面特征提取方法。工业CT体数据面特征的提取包括两种思路:一种是先将CT体数据按某个方向进行切片划分,再对每张切片进行线特征的提取,最后由线特征堆砌出面特征;另一种是直接对CT体数据进行面特征的提取。工业CT体数据的面特征大部分以不同灰度区域的交界面形式存在,若按某个方向进行切片划分,则将以不同灰度区域存在的交界面转换为以不同灰度区域存在的交界线。2D/3D wedgelet分别以“楔形基”和“楔体基”的方式对二进图像和二进体数据进行分析,适合提取工业CT体数据中,以不同灰度区域的交界面形式存在的面特征。与基于3D wavelet的提取方法相比,基于2D/3D wedgelet的方法能得到对工业CT体数据面特征更简洁的描述。


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