基于多尺度幾何分析和工業(yè)CT圖像和體數(shù)據(jù)特征提取的研究.pdf

1、工業(yè)計算機(jī)層析成像(Industrial Computed Tomography，ICT)技術(shù)是一種先進(jìn)的無損檢測技術(shù)，通過射線掃描物體獲得投影數(shù)據(jù)，進(jìn)而重建出物體斷面圖像(CT圖像)和物體體數(shù)據(jù)(CT體數(shù)據(jù))，尤其適合分析復(fù)雜的、封閉的被檢測對象。特征提取是CT圖像和體數(shù)據(jù)處理中的重要問題。在工業(yè)CT圖像和體數(shù)據(jù)的眾多特征中，線特征(對應(yīng)目標(biāo)對象的輪廓)和面特征(對應(yīng)目標(biāo)對象的輪廓面)是兩類重要且常見的特征，其提取結(jié)果將直接影響后續(xù)相

2、關(guān)的數(shù)據(jù)處理(如測量、逆向設(shè)計等)。
　　 多尺度幾何分析(Multiscale Geometric Analysis，MGA)也稱后小波(beyondwavelet)分析，是繼小波分析之后，一大類可對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析的工具，尤其是高維數(shù)據(jù)。多尺度幾何分析的方法可被分為兩類：一類是使用具有方向性的基函數(shù)或框架的方法，以曲線波(curvelet)，輪廓波(contourlet)，條帶波(bandelet)為代表；另一類是基于某種幾

3、何結(jié)構(gòu)的方法，以楔形波(wedgelet)，子束波(beamlet)，板波(platelet)為代表。本論文的研究方法屬于后一類。
　　 本論文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.60672098，No.60972104等)的支持下，以多尺度幾何分析方法為研究工具，面向工業(yè)CT的實(shí)際應(yīng)用問題，不僅對多尺度幾何分析方法的快速計算進(jìn)行了探索，還對工業(yè)CT圖像和體數(shù)據(jù)中的線特征、面特征提取問題提出了具有針對性的解決方法。本文的主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新

4、性工作如下：
　　 ①設(shè)計相關(guān)多尺度幾何分析方法的快速計算。由于二維束波變換(2D beamlettransform)，三維束波變換(3D beamlet transform)，二維楔波分解(2D wedgeletdecomposition)，三維楔波分解(3D wedgelet decomposition)等，各自的基函數(shù)數(shù)量龐大，若對每個基函數(shù)逐個進(jìn)行計算，則會帶來較大計算開銷。本文通過分析上述方法，各自的基函數(shù)在單尺度上的

5、組成及相互間的關(guān)系，設(shè)計出相應(yīng)的快速計算，提高了計算效率。
　　 ②提出基于beamlet探測工業(yè)CT圖像中裂紋的方法。工業(yè)CT圖像中的裂紋呈現(xiàn)出一定的近似線性或分段線性特征，且伴隨著噪聲。常用的探測方法以“點(diǎn)基”的方式分析圖像，一般包括降噪等預(yù)處理過程。Beamlet以“線基”的方式分析圖像，對噪聲干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。另外，考慮到beamlet的基函數(shù)中只有直線段，為了豐富基函數(shù)的選擇，本文嘗試將二次函數(shù)和beamlet一

6、起作為新的“線基”。與基于laplace，sobel，canny，wavelet等探測方法相比，基于beamlet方法的探測結(jié)果與裂紋實(shí)際形狀更吻合。
　　 ③提出有限面積分變換(finite plane integral transform，F(xiàn)PIT)及基于FPIT+平面波(planelet)探測工業(yè)CT體數(shù)據(jù)中裂紋面的方法。工業(yè)CT體數(shù)據(jù)中的裂紋面呈現(xiàn)出一定的近似平面性或分段平面性特征，且伴隨著噪聲。FPIT和planele

7、t均以“面基”的方式分析體數(shù)據(jù)，對噪聲干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。不同的是，F(xiàn)PIT對體數(shù)據(jù)中每個體素逐個進(jìn)行判斷，適于裂紋面的粗定位；planelet對二進(jìn)立方體數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，適于裂紋面的確定。因此，本文先用3×3×3的FPIT模塊確定裂紋面的大致區(qū)域，再用planelet探測裂紋面。與基于3D facet，C-V，3D wavelet等探測方法相比，基于FPIT+planelet方法的探測結(jié)果與裂紋面實(shí)際形狀更吻合。
　　 ④提

8、出三維有限線積分變換(3D finite line integral transform，3D FLIT)及基于改進(jìn)3D FLIT(improved3D FLIT，I-3D FLIT)的工業(yè)CT體數(shù)據(jù)線特征提取方法。本文在有限線積分變換(finite line integral transform，F(xiàn)LIT)的基礎(chǔ)上，將其推廣到3D，得到3D FLIT。由于3D FLIT模塊直線絕大部分是不連續(xù)的，本文對其進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)造出連續(xù)直線的I-

9、3D FLIT模塊，并結(jié)合圖像融合和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的方法，對工業(yè)CT體數(shù)據(jù)中的線特征進(jìn)行提取。與基于I-FLIT、3D wavelet的提取方法相比，基于I-3D FLIT的方法能得到工業(yè)CT體數(shù)據(jù)，更全、更精細(xì)的線特征。
　　 ⑤提出基于2D wedgelet的工業(yè)CT體數(shù)據(jù)線特征提取方法。基于I-3D FLIT的提取方法，需對體數(shù)據(jù)中每個體素逐個進(jìn)行判斷?；?D wedgelet的提取方法，則以“楔形基”的方式對二進(jìn)圖像進(jìn)行分

10、析，適合提取工業(yè)CT體數(shù)據(jù)中，以不同灰度區(qū)域的交界線形式存在的線特征。與基于3D wavelet的提取方法相比，基于2D wedgelet的方法能得到工業(yè)CT體數(shù)據(jù)，更全、更精細(xì)的線特征。與基于I-3DFLIT的提取方法相比，基于2D wedgelet的方法能得到對工業(yè)CT體數(shù)據(jù)線特征更簡潔的描述。
　　 ⑥提出基于2D/3D wedgelet的工業(yè)CT體數(shù)據(jù)面特征提取方法。工業(yè)CT體數(shù)據(jù)面特征的提取包括兩種思路：一種是先將CT

11、體數(shù)據(jù)按某個方向進(jìn)行切片劃分，再對每張切片進(jìn)行線特征的提取，最后由線特征堆砌出面特征；另一種是直接對CT體數(shù)據(jù)進(jìn)行面特征的提取。工業(yè)CT體數(shù)據(jù)的面特征大部分以不同灰度區(qū)域的交界面形式存在，若按某個方向進(jìn)行切片劃分，則將以不同灰度區(qū)域存在的交界面轉(zhuǎn)換為以不同灰度區(qū)域存在的交界線。2D/3D wedgelet分別以“楔形基”和“楔體基”的方式對二進(jìn)圖像和二進(jìn)體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，適合提取工業(yè)CT體數(shù)據(jù)中，以不同灰度區(qū)域的交界面形式存在的面特征。與