刘晶[1]2006年在《叶片数字化检测中的模型配准技术及应用研究》文中研究说明配准技术是当今数字化检测领域的一项关键基础技术，最早出现于医疗诊断和图像处理领域，目前已在无损检测、逆向工程、虚拟现实、机器人和柔性装配等领域得到广泛应用。模型配准是实现零件检测、模型评估、误差分析以及数据拼合等的前提条件。模型配准的精度和速度是衡量其有效性的两个主要指标。因此，快速精确配准问题的研究对提高数字化检测精度和效率、促进相关领域的发展具有重要的理论意义和工程应用价值。 针对这一问题，本文结合航空发动机的涡轮叶片类零件的加工定位、无损检测以及无损评价的应用需求，研究了轮廓控制点优化提取问题、基于约束区域的配准算法、配准过程中的加速算法、匹配偏差模型建立方法等关键技术，并开发了相应的软件原型系统。论文的主要研究内容和成果如下： (1) 针对轮廓线控制点的优化提取问题，从形状理论和估计理论出发，提出二次提取法来进行优化提取。该方法与均匀取点法和多边形逼近法相比，能够有效地提取叶片轮廓中的典型特征部分(例如前缘和后缘)，克服了传统算法丢失部分特征点的缺点；同时有效地消除了数据冗余问题；最后通过逼近模型评估了轮廓控制点与原始形状的逼近性。通过二次提取法得到的轮廓控制点有利于提高后续的配准精度与配准速度。 (2) 针对模型配准定位的准确性问题，采用初始配准与精确配准相结合的两步配准策略。其中，初始配准可有效地缩小模型坐标系间的差异，为精确配准作准备。在精确配准阶段，本文提出了约束区域的概念以及基于约束区域的配准算法。该算法综合运用多种优化算法，巧妙地将六元优化问题降元为叁元优化问题；在引入约束区域权因子基础上，提出了一种“双目标函数”优化策略；并提出了一种匹配结果的确定性分析方法，从而实现精确配准。实验表明：该算法配准精度明显优于经典的配准算法，并具有很高的适用性，对于复杂模型的二、叁维配准都能取得良好效果。 (3) 针对模型配准过程的实时性问题，在基于约束区域的配准算法基础上，提出了两种配准过程加速方法。首先，根据配准方法在搜索过程中的特点，提出了改进的迭代方向加速算法。该算法在加快配准过程的同时，保证了配准结果的稳定性。其次，针对基于约束区域的配准算法中最耗时的求距离计算过程，提出了基于线性八叉树的参考球法；并在算法的实现中，采用快速查找线性八叉树邻域节点的相关规则。该算法在数据点集、叁角面片集以及线性八叉树之间建立起对应关系，通过参考球去除掉不必要考虑的叁角面片，有效地解决了配准过程中快速求取距离的问题。最后，将两种加速方法有机结合，在不影响配准精度的条件下，取得2倍的配准加速比，有效地提高了配准速度。
刘晶[2]2003年在《产品CAD模型与CT切片模型的配准研究》文中研究说明利用叁维CT设备对工业产品进行无损检测时，不可避免地会存在定位偏差问题，从而要进行CT切片模型到CAD模型之间的配准。配准问题是图形图像处理领域研究的重要内容之一。目前国内大部分的研究是针对二维配准的研究，在工业方面针对叁维配准的研究还不是很多。本论文针对模型的配准问题，分别从灰度信息和图像轮廓两个方面考虑，提出了基于灰度残差平方和的配准方法和基于惯量椭圆的配准方法。本论文在Microsoft Visual C++以及VTK环境下，进行程序的开发，通过仿真实验验证了两种算法的正确性和可行性，并把求得的配准参数同理论值进行比较，取得了比较满意的结果。主要完成的研究内容如下： ·匹配过程中的空间变换和重新采样。在叁维模型匹配的过程中，不可避免地要做空间变换及重新采样，通过平移矩阵和旋转矩阵来建立起倾斜的CT切片模型到CAD模型之间的变换关系。在模型匹配过程中，为了得到变换后的CT切片，需要对图像进行重新采样。本论文采用二线性插值与叁线性插值相结合的方法来进行重新采样。 ·基于灰度残差平方和的匹配算法。此方法首先通过图像模型的一阶矩，进行灰度重心匹配；然后将产品的图像模型与其CAD理论模型之间的残差平方和定义为优化目标函数，采用黄金分割方法搜索其极小值；同时利用产品上的结构特征，求出空间变换的位置匹配参数和角度匹配参数，最后根据匹配参数精确地建立起从产品CT切片模型到其CAD理论模型的空间变换。 ·利用椭圆匹配法和灰度重心相结合来进行匹配。此方法首先对CT切片图像提取轮廓点，然后把提取出的轮廓作为目标，接着借助转动惯量计算目标的惯量椭圆，并进一步对惯量椭圆匹配以获得所需的空间变换的参数，从而实现产品CT模型与理论模型之间的配准。 ·通过仿真实验验证上述两种算法。针对叁维模型的配准问题，在Microsoft Visual C++以及VTK环境下，进行程序设计开发，实现上述匹配算法。并把配准后的叁维CT模型同CAD理论模型的XY方向截面和YZ方向截面进行比较，验证算法的正确性和可行性。
何洪举[3]2011年在《基于边缘提取的工业CT图像与CAD模型的比对算法研究》文中研究指明随着计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD)技术的迅速发展和人们对工业产品性能、外观等要求的不断提高,工业产品的设计越来越复杂,工件制造加工的难度也越来越大,如何评价分析工件的制造质量变得越来越重要。工件的制造误差分析是对其制造工艺评价和改进的重要环节。工业计算机断层成像(Computed Tomography, CT)技术是一种先进的无损检测技术,能够非接触、不破坏地检测工件内部结构和缺陷,在航天、航空、国防军工、铁路运输、机械制造等领域获得广泛应用。本文研究基于边缘检测的工业CT图像与CAD模型进行比对检测,从而分析工件制造误差的方法。为了实现二维工业CT图像与CAD图的比对,将CAD图通过CAD软件转换为BMP位图文件,并通过Facet模型提取工业CT图像的亚像素边缘。首先通过最小包围矩形确定缩放参数,再结合二者的质心和主方向确定旋转、平移参数实现粗配准,然后用奇异值分解-迭代最近点算法进行精配准。最后通过配准参数将CAD数据变换到工业CT图像原图上,在二者的误差处用彩色填充以便直观地显示误差。为了实现叁维工业CT图像与CAD模型的配准,需要得到两个待配准特征点集。CAD模型采用STL格式,并将其网格进行细分后取叁角网格的顶点作为待配准特征点集。对于工业CT图像,通过提取边缘面作为其特征点集。首先将工业CT体数据沿3个互相垂直的方向划分切片序列,然后对每个切片序列的切片图像逐个采用模板自适应细胞神经网络(Cell Neural Networks, CNN)提取边缘,重组得到对应方向的边缘体数据。最后将3个方向的边缘体数据按位或运算融合得到工件完整的边缘面体数据。从实验结果可以看出,本文方法能够快速地提取出叁维工业CT体数据较为完整、真实的边缘面。由于叁维工业CT图像与CAD模型之间存在较大的平移和旋转错位时,精配准的速度将非常缓慢,而且常导致精配准陷入局部收敛得到错误的匹配结果。因此本文首先结合主成分分析和最小包围盒的思想将边缘面数据与CAD模型实现粗配准。经过粗配准之后,再用奇异值分解-迭代最近点算法进行精配准,其中最近点对的求取用k-d树进行加速。最后,计算每一点对之间的距离,从而对制造误差进行分析,并用彩色云图直观地显示误差分布。实验结果表明,文中的方法能够实现工件的比对检测,自动化程度高、能直观显示误差分布且精度高。通过改进工业CT图像与CAD模型的比对检测方法,可将工业CT技术用于制造工艺分析与改进中。
曹双辉[4]2014年在《基于图元特征的工业CT图像与CAD模型的比对系统的研究与实现》文中认为在当前工业产品结构日益复杂的情况下，经计算机辅助设计加工制造成型后的产品，其制造工艺评价的关键环节即为分析工件的制造误差。工业CT技术作为一种先进的无损检测技术，因可以在不损害物件结构的情况，对工件的内外结构进行准确的测量而得以广泛应用。本文在研究算法的基础上，提出了一种基于图元特征的配准方法，实现并开发了CT_CAD_Match软件系统该系统用于工业CT断层图像与二维CAD模型的误差对比分析。并实现了工业CT图像点云模型、矢量化模型与CAD模型的比对分析，采用对其误差分析结果进行彩色云状图显示，进而实现工件的制造误差分析。为了实现工业CT图像模型与CAD模型的比对，首先，将工业CT图像模型转换为矢量化模型与边缘轮廓点云模型，在矢量化过程中，本文提出了一种基于误差补偿空间矩算法的精确矢量化方法，其次，采用人机交互的方式，并结合最小包围盒的思想，选取参加配准的几何图元特征对，实现测试模型与CAD模型的配准。其配准过程分为两个方面：工业CT图像矢量化模型与CAD模型的配准、工业CT图像边缘轮廓点云模型与CAD模型的配准。前者的配准条件即选择配对的图元特征，后者的配准需在圈选点云的拟合图元特征基础上实现两者的配准。经配准以后，需计算工业CT图矢量化模型与CAD模型、工业CT图边缘轮廓模型与CAD模型之间的法向误差，前者在实现工业CT图像矢量化模型任意图元与CAD模型的图元特征配对的基础上，将矢量化模型图元特征离散为48或8个点并求其到CAD模型所对应图元的法向误差，后者采用最小临近原则实现工业CT图像任意边缘轮廓点云数据与CAD模型图元特征的配对，从而计算点到CAD模型的法向误差。最后，对其误差分析结果采用彩色云图进行显示并设定超差范围进行红色预警显示及其近似度的计算，进而实现对工件制造误差的分析功能。文中所提出的方法及其相关算法均在误差比对系统CT_CAD_Match中得到了实现。为了增强软件的人机交互性、友好性及其完善性,另外软件增加了DXF、PCG文件的读取、图像的放大、缩小、平移、误差文件的输出等辅助功能。
刘晶, 张定华, 毛海鹏, 曹华[5]2003年在《空心涡轮叶片CAD模型与CT切片模型的配准研究》文中研究指明针对利用叁维CT设备对空心涡轮叶片进行无损检测时存在的定位偏差问题,提出了一种基于叁维数字样品的图像模型匹配方法,这对于充分利用有关叶片的先验知识,建立叶片无损检测专家系统具有重要的意义。该方法首先通过图像模型的一阶矩,进行灰度重心匹配;然后将叶片的图像模型与其CAD理论模型之间的残差平方和定义为优化目标函数,采用黄金分割方法搜索其极小值;同时利用叶片上预先指定的结构特征,求出空间变换的位置匹配参数和角度匹配参数,最后根据匹配参数精确地建立起从叶片CT切片模型到其CAD理论模型的空间变换。仿真结果表明:该方法不依赖于初始参数的选取,可达到满意的精度。
刘晶, 张定华, 毛海鹏[6]2004年在《基于复形法配准工业产品CT切片模型和CAD模型》文中认为在对工业产品进行体积CT扫描时 ,会存在定位偏差问题 ,所以工业产品CT切片模型与其CAD模型之间的配准是必不可少的。首先从CT切片模型的表面选取n个点 ,再把这n个点到CAD模型的距离平方和作为目标函数 ,通过复形法搜索目标函数极小值 ,就可求出空间变换的位置匹配参数和角度匹配参数。仿真结果表明 ,利用复形法可得到满意的结果
张志波[7]2012年在《工业CT图像与CAD模型的比对算法研究与软件开发》文中认为工件的制造误差分析是工件制造工艺评价的一个重要环节，各种数字化测量设备为产品的误差分析提供了条件，并成为制造精度评价的主要手段。工业CT技术是一种先进的无损检测技术，本文在研究算法的基础上，开发了一个基于工业CT断层图像与CAD模型的叁维比对软件系统——Match_ICT软件系统。该系统利用配准技术，实现了工业CT图像模型与CAD模型的比对，进而实现了工件的制造误差分析。为了实现工业CT图像模型与CAD模型的比对，首先提取两个模型的特征点集。本文的CAD模型是叁维叁角网格形式（STL模型），将STL模型离散化后得到CAD模型特征点集；对于工业CT图像，通过提取叁维边缘面和叁维角点作为CT模型的两个特征点集。文中的配准过程分为两个阶段：初始配准过程、精确配准过程。初始配准过程使工业CT图像模型与CAD模型之间的方位偏差较小，精确配准过程使工业CT图像模型与CAD模型处于最佳拟合状态。初始配准过程中，文中研究了旋转投影法来确定两个模型的方向包围盒，通过两个模型的方向包围盒确定初始配准的旋转矩阵和平移矢量。通过初始配准，两个模型方位与姿态偏差已经较小，解决了直接进行精确配准时收敛速度较慢、易陷入局部收敛两个问题。CT包围盒采用CT角点点集进行计算，加快了CT模型包围盒的计算速度。精确配准过程中，文中采用SVD-ICP算法进行配准，首先使用CT角点点集与CAD特征点集利用SVD-ICP算法进行配准，进一步减小方位姿态偏差。然后再将CT边缘点集与CAD模型点集利用SVD-ICP算法进行配准。有效地提高了配准效率。经过初始配准和精确配准后，计算CT边缘点集中每一点到CAD网格中对应叁角面片的距离，并使用彩色云图误差显示、灰度云图误差显示和区间误差显示叁种方式直观的显示误差分布，从而实现了对制造误差进行分析的功能。文中研究的算法都在所开发的Match_ICT软件系统中得到实现。为了提高软件的实用性，软件系统中还实现了平移、旋转、缩放、误差文件输出等功能。
王侃[8]2012年在《产品工业CT扫描重建模型与CAD模型比对技术的研究与实现》文中研究指明随着人们对工业产品复杂程度的要求越来越高，通过计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）的产品经过制造加工成型后，其检测难度也越来越高。在众多检测方法中，工业CT(Computed Tomography)检测因其能够对工件内部结构和材料性质进行无损测试，而成为一种优秀的检测手段。对工件的检测中，关键的一步就是将CT切片重建模型与原始CAD模型进行配准比对，从而得到正确的检测结果。目前叁维配准领域众多算法研究中，主要以激光扫描等获取叁维点云方法为主，工业CT领域的叁维配准研究较少，且针对性较差，与实用阶段还有较大距离。本文根据工业CT扫描重建模型与CAD模型配准比对的流程，以及工业CT扫描对象的特点，提出了能适应复杂工件的初始配准方法。在分析了各初始配准方法的基础上，主要以经典的主成分分析方法为原型，通过引入点云形心与质心之间的位置关系，来判断主成分分析方法的配准是否有反向问题发生，进而修正发生反向的配准模型，保证了在较短的时间内实现正确的初始配准。为了在初始配准的基础上进一步实现两模型的精确配准，本文对标准迭代最近点算法的最近点对搜索方法和旋转矩阵的求解方法进行了探讨。通过引入k最近邻原理，建立一个近邻点的快速搜索树，提高搜索速度。通过采用奇异值分解方法来求解旋转矩阵，相对于标准算法使用的四元数方法，提高了求解速度，并尽量保持了计算精度。本文提出的这种改进的精确配准方法，相对于使用标准迭代最近点算法以及以往改进算法的运算速度，有较明显的提高，而配准误差保持在相同的范围。最后，本文利用叁维图形开发包OpenInventor开发了工业CT扫描重建模型与CAD模型比对软件，以上提出的初始配准方法和精确配准方法均在该软件中实现，并提供了配准比对模型的显示、结果输出等相关辅助功能。
聂璇[9]2007年在《基于工业CT切片数据的STL建模方法研究与实现》文中指出在先进制造技术领域当中,基于工业CT切片图像的快速反求技术(Reverse Engineering, RE)已经成为当前的一个研究热点,本文重点在于研究由工业CT切片轮廓数据生成可直接为快速原型制造设备所能接受的STL格式数据。本文针对其涉及到的关键技术进行了研究,并通过软件实现。首先,对工业CT切片图像进行了处理:选用中值滤波技术对本文切片图像进行平滑处理;采用适用于本文切片图像的基于灰度直方图的阈值分割方法;采用Canny算子对本文切片图像进行边缘检测;进行了轮廓提取及轮廓跟踪以获取切片的轮廓数据,并对提取的轮廓环进行内外环的判定,最后以.txt格式输出截面轮廓的叁维坐标,为生成STL文件奠定了基础。其次,介绍了STL文件生成的几项关键技术。在轮廓配准方面,采用基于轮廓层次编码的分层配准的断层间轮廓配准方法;针对工业CT测量的点云数据,应用基于曲率的算法进行点云精简;同时研究了层间叁角面片填充的叁种常用的算法,并根据本文需要选用并实现最大体积填充算法;端面叁角划分时,将端面的轮廓环进行分组,再对每组环进行切分处理,使得每组环变成一个单一的外环,对单一的外环按Delaunay算法进行叁角划分;针对生成的叁角面片,应用Delaunay叁角化的算法精简网格;将所生成的叁角面片按规定的格式写入STL文件,生成可直接为快速原型制造所接受的STL文件格式。最后,开发了相应软件实现了上述功能,并与用造型软件重构出CAD模型后再转换为STL文件的方法进行了比较。比较的结果说明,本文的方法是可行的,并可极大的缩短开发周期。
刘晶, 张定华, 毛海鹏, 赵歆波[10]2004年在《基于SVD-ICP算法配准CT切片重构模型与CAD模型》文中指出利用叁维CT设备对工业产品进行无损检测时,由于存在定位偏差问题,CT切片重构模型和CAD理论模型会存在微小的偏差,因此需要将这二者进行匹配。文章首先从重构模型的表面任选一部分点作为初始点集,通过SVD-ICP算法求取最近邻点集,反复迭代直至达到迭代停止条件。这样可以确定出最优旋转矩阵和平移向量,从而将两个模型匹配起来。在求取最近邻点的过程中利用线性八叉树加快速度。仿真实验表明:利用该方法匹配两个模型可以达到比较满意的效果。
参考文献：
[1]. 叶片数字化检测中的模型配准技术及应用研究[D]. 刘晶. 西北工业大学. 2006
[2]. 产品CAD模型与CT切片模型的配准研究[D]. 刘晶. 西北工业大学. 2003
[3]. 基于边缘提取的工业CT图像与CAD模型的比对算法研究[D]. 何洪举. 重庆大学. 2011
[4]. 基于图元特征的工业CT图像与CAD模型的比对系统的研究与实现[D]. 曹双辉. 重庆大学. 2014
[5]. 空心涡轮叶片CAD模型与CT切片模型的配准研究[J]. 刘晶, 张定华, 毛海鹏, 曹华. 计算机工程与应用. 2003
[6]. 基于复形法配准工业产品CT切片模型和CAD模型[J]. 刘晶, 张定华, 毛海鹏. 计算机应用研究. 2004
[7]. 工业CT图像与CAD模型的比对算法研究与软件开发[D]. 张志波. 重庆大学. 2012
[8]. 产品工业CT扫描重建模型与CAD模型比对技术的研究与实现[D]. 王侃. 重庆大学. 2012
[9]. 基于工业CT切片数据的STL建模方法研究与实现[D]. 聂璇. 重庆大学. 2007
[10]. 基于SVD-ICP算法配准CT切片重构模型与CAD模型[J]. 刘晶, 张定华, 毛海鹏, 赵歆波. 计算机工程与应用. 2004
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