摘 要： 为获得材料复杂细观结构的三维模型，开发了一种基于切片三维重构方法的微型自动切片式三维重构系统。该系统能对被研究对象进行切片，自动获取二维切片图像并对其进行分析，然后获得研究对象的三维模型。该系统具有精度高(切片精度可达0.2 mm)、全自动（能对研究对象进行自动切片、自动清洗、自动烘干等处理)、小型化(整个系统可在一个普通工作台上运行)、成本低等特点。

关键词： 三维重构； 自动切片； 图像处理

1.绪论

在研究含复杂结构的复合材料(如混凝土、岩石、泡沫金属等)的力学性能时，常常需要详细了解材料内部的细观结构。基于X射线扫描的CT成像是最常用的内部成像方法，各种型号的CT机也是医学检查、工业检测等领域最常规的检测手段[1-2]。但在小型科研中，如想获得材料或构件内部结构，常规的CT机并不是理想的设备，这是因为：(1)设备非常昂贵，一般的用户难以负担；(2)需要射线源，操作人员需要防护，很难让普通操作人员操作；(3)设备维护费用高，占地面积大，对空间要求高。以上几方面决定了常规的X射线CT设备很难在小型的科学实验中推广。

　 X射线CT是一种获取内部结构的无损测量方法，如果仅想获得内部结构而不在乎是否损伤试件，完全可以采取切片—照相—重建的有损三维建模方法(可以称之为切片式CT方法)。切片式CT方法的原理如图1所示。

首先，将被测物以一定的厚度切片，再通过图像采集设备采集各个切片的图像，最后经过图像处理重建被测物的三维形体[3-5]。

　 切片式CT由于无需射线源，因此无需防护，设备也可以小型化。除此之外，相比于X射线CT，切片式CT还具有成像分辨率高(普通的可见光CCD相机分辨率远高于X射线CCD相机)且信息量更丰富的特点，因此，更适于复杂或生物结构的内部重建。

　 由于研究需要，曾用切片式CT方法对桃子进行三维体重建[6]。但是，在切片的过程中，一直需要人工干预，数控铣床每切片一次都需要将它暂时停止，以方便进行图像采集；并且在图像采集的过程中每次还需要精确调整相机焦距，以保证所采集的照片清晰，不仅费时(平均每采集一次图像在6 min左右)而且费力。因此这样一种系统同样不能满足高效率科研要求。

为满足科研需要，本文开发一套全自动、高精度、小型化并且低成本的切片式CT机。该系统可全自动地完成试件切片、冲洗、烘干、图像采集、图像分析等整个重建过程，系统成本底，可在一个普通的工作台上运行。

2系统结构

2.1系统的需求及应有的特点

从前面的分析可知，一个理想的切片式三维重构系统应该具备如下几个特点： (1)能全自动对研究对象进行切片处理，且切片精度要高、系统结构应尽量简单且小型化；(2)能够自动获取高精度的切片图像；(3)能从二维切片图像重构出反映研究对象细观结构的三维有限元模型。三维重构系统的主要工作是从二维断层切片图像中提取有关特征点[7]，然后将这些特征点利用相关算法[8-9]重构被测试件的三维模型。

2.2微型自动切片式三维重构系统的具体实现

　 根据系统需求，设计的自动切片系统如图2所示，系统主要由二自由度机械系统、控制系统、切片设备、清洗设备、烘干设备及图像采集设备等组成。二自由度机械系统主要由步进电机以及滚珠丝杆组成，二自由度机械系统根据需要将被测试件移至合适的位置。控制系统主要控制机械系统按特定的运行状态运行，并实时监测现场的反馈信号。切片设备用来对被测试件进行切片。切片设备采用配有金刚石磨片的精密磨抛机，在进行切片时为保证切片精度及切割面的光滑度，可在研磨过程中加入适量的研磨剂和水。清洗设备用来对试件切割面的固体污染物进行处理，从而保证切割面的整洁。烘干设备主要用来除去试件表面的水分，从而去除水分对数字图像灰度值的影响。图像采集设备用于将经过清洗和烘干处理后的切片图像进行采集并将图像数据进行储存。

整个系统的运行过程为：(1)升降台将试件送至精密磨抛机上进行切割，高精度位移传感器实时监测试件的切割厚度;(2)当切割的厚度达到设定值时，切割停止，试件上升一定高度，升降台带着试件沿水平导轨向左移动至清洗设备处，升降台下降使试件表面与电动毛刷接触，电动设备带动毛刷对试件的切割面进行清洗;(3)清洗完成后，将升降台带着试件移动至烘干设备处，此时烘干设备将试件烘干;(4)烘干完成后，移动试件至图像采集位置进行图像采集; (5)图像采集完成后回到过程(1)进行下一轮切片,如此往复直至得到全部所需的二维断层图片。系统获得这些图片后，经过图像处理及图像的三维重构等步骤，即可获得试件的三维结构图。

2.3微型自动切片式三维重构系统的子弹壳验证实验

　 系统搭建完成后，为验证其可行性，取一子弹工艺品模型，用自行设计的切片系统对其进行切片，切片数设置为80，切片厚度为0.4 mm。切片完成后获得所有二维断层图像，获得的部分二维断层图像如图3所示。

将原始图片经过裁剪和预处理后导入MIMICS图像处理系统[10]，经过图像裁剪、图像滤波和阈值分割后的图像如图4所示。

图中不同的颜色或灰度表示不同的材料。图像导入后利用Calculate 3D from Mask工具进行三维表面重构，重构的三维面模型及其剖视图如图5所示。

为验证其建模精度，利用三维测量工具对所建模型进行测量。测得的子弹壳模型底部直径、顶部直径、壁厚及层高的测量数据与实际数据如表1所示。

由测量数据可知，建模误差小,最大的误差仅为5%，证明建模精度可靠。

　 将此三维面模型的网格文件以inp文件进行输出，并利用ABAQUS软件将其进行实体转换，即将三角片单元转换成四面体单元。转换后的实体模型如图6所示。转换后的实体模型可以直接用于力学行为分析。

本文首先介绍了微型自动切片式三维重构系统的原理及系统功能，该系统能全自动地对研究对象进行自动切片、自动清洗、自动烘干。接着利用所开发的微型自动切片式三维重构系统对子弹壳实物进行自动切片并获取其二维切片图像，然后对切片图片进行三维重构。最后通过对所建模型与实物的对比，验证了微型自动切片式三维重构系统建模的有效性。本文所设计的微型自动切片式三维重构系统成本底，切片精度高，切片精度可达0.2 mm,占地面积小，可在普通的工作台上运行。

参考文献

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[10] 苏秀云,刘蜀彬. Mimics软件临床应用[M]. 北京:人民军医出版社, 2011.