基于体绘制的圆柱体构件缺陷三维重构方法*

肖兆骞，陈友兴，任阳山，王召巴

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原　030051；2.海军青岛航保修理厂，山东　青岛　266071）



基于体绘制的圆柱体构件缺陷三维重构方法*

肖兆骞1，陈友兴1，任阳山2，王召巴1

（1.中北大学信息与通信工程学院，太原030051；2.海军青岛航保修理厂，山东青岛266071）

摘要：针对圆柱体构件内部缺陷问题，以超声检测技术为手段，采用体绘制三维重构技术，对构件内部缺陷进行三维重构。首先对圆柱体进行超声检测，并根据采集到的数据提取出其每一个截面的完整信息。然后进行B扫描成像，对成像图像像素点重组。最后利用体绘制技术对缺陷进行三维重构。结果证明，该方法重构出圆柱体构件中心孔、偏心孔缺陷效果良好，与实际构件相吻合，且大小误差在允许范围内。

关键词：超声检测，缺陷，三维重构，体绘制

0　引言

金属圆柱体产品应用在各个行业中，例如汽车、火车的零部件，兵器或航天中弹体等。产品在生产过程中出现的内部缺陷会对后续的精加工和产品使用产生很大的影响，因此，对产品构件进行缺陷检测至关重要。超声检测具有指向性好、高灵敏度、性能稳定的特点。人们通过对产品的超声检测，可以定位缺陷位置，并且可以对缺陷类型识别［1］，但是对于缺陷的三维重构技术的研究还不是很成熟。缺陷的三维重构，以便直观地显示出缺陷的形状以及提供缺陷的有效信息对超声无损检测的发展有重要意义［2］。

缺陷的三维重构是基于生物医学中切片图像重建的思想，主要可以分为表面绘制和体绘制两类［3-4］。表面绘制是基于物体表面的重建方法，旨在显示物体的表面信息，需要提取物体边界轮廓信息，但是缺乏物体内部的表达；体绘制是基于体数据的方法，能够表示物体的内部信息，这种方法不丢失细节，更加准确地反映出体数据所包含的形状结构，但计算量比起表面绘制大［5］。随着近些年计算机技术的不断发展，体绘制计算量大的问题也逐步得到了解决。2014年Megumi Nakao［6］利用体绘制技术对活鼠脑显微镜切片进行三维重构，可以很好地区分出体细胞和神经树突，较传统二维图像有更好的三维特性。

本文以超声检测为基础，借助医学重建中常用的体绘制技术对金属圆柱体构件内部缺陷进行三维重构。

1圆柱体构件超声检测方法

本文采用喷水耦合式超声检测方法，如图1所示。超声探头在扫描构件时，主要通过构件的匀速转动和探头的水平匀速移动完成对构件的扫描。当探头在起始位置时，构件匀速旋转一周，一周扫描完后，探头以沿构件轴线移动一定步距，然后构件再旋转一周，以此反复进行，直至完成整个构件的检测。超声探头移动和构件的转动是通过步进电机来控制的，通过旋转编码器得到步进电机的旋转角度，这样就得到了构件旋转角度，从而可以定位探头检测的具体位置。

图1　超声检测示意图

构件实物图及典型的超声回波信号如图2、图3所示。

图2　构件实物图

2缺陷的定位与成像

2.1缺陷完整信息的提取

为了能够直观、简洁地显示出圆柱体构件的内部缺陷的位置，针对第1节的采集方法得到的超声数据，通过B扫描对构件的各个截面成像。从采集到的数据来看，发现在近距离正对缺陷的位置上，由于缺陷吸收大量超声能量，使得构件的底面回波幅值明显下降如图4所示，这对后续的成像将带来不便。

（a）中心孔缺陷　　（b）偏心孔缺陷图3　典型的回波信号

（a）偏心孔近端入射　　（b）偏心孔远端入射图4　不同位置底面回波幅值变化

图5　回波构造原理示意图

于是需要构造出构件在一条径向上的全部信息，如图5中构件前表面F1，缺陷前表面D1，构件后表面B1是由近距离正对缺陷时检测到的回波信号，构件前表面F2，缺陷后表面D2，构件后表面B2是由远距离正对缺陷时检测到的回波信号。在实际实验过程中底面回波幅值非常小，根据圆柱体构件的外形特点，那么F1与B2，B1与F2会出现在相同的位置，如果将两个波形叠加，就会得到一个新的波形，这个波形就含有了始波、缺陷前后表面回波、底面回波，此时这个波形就具备了被测构件在一个径向上的完整信息，这将有利于后期的成像效果。为了验证此方法，对10 mm中心孔缺陷金属圆柱体进行检测。

图6　构件回波构造结果图

结果如图6所示，缺陷前后表面时间相差约Δt=3.2 μs，根据公式L=v，得到缺陷直径L=

10.08 mm，与实际的直径10 mm相近。可以确定此方法可行。

2.2 B扫描成像

根据之前的构造方法提取超声回波信号始波到底波的所有数据，进行B扫描成像。中心孔构件的缺陷部分B扫描成像如图7所示。B扫描图的纵坐标表示探头移动位置，横坐标表示探头发射波束的传播距离，中间亮段部分为缺陷上下表面。

但是从B扫描图中无法判断实际构件中缺陷图像，所以要结合实际构件的圆柱体结构，对图像重组。利用式（1）将其转换到极坐标下，ρ表示极坐标下像素点极径值，θ表示极坐标系中极轴旋转到像素点所需要的角度，结果如图8。

3缺陷的体绘制三维重构

3.1体绘制方法原理

体绘制方法根据视觉成像原理，它从每一个像素出发，沿设定的视点方向。在光线穿过物体时，会发生反射、吸收或者散射现象，根据体数据的值f（x， y，z），设置合适的光照模型增强体数据的视觉感［7］，再根据各数据点所处位置的梯度及光照模型计算出各数据点的光照强度，可以采用由后到前或由前到后的两种不同方法，将同一像素点的各数据的半透明彩色值组合在一起，最后形成图像。假定光线在体数据中的r点ω→方向传播，方向范围为s2，则其亮度公式［4］为：

图8　中心孔构件截面图

其中φt（r）是吸收系数，ε（r）是散射系数，k （r→）是散射核。

3.2实验结果

使用体绘制方法在Maltab中分别对构件中心孔、偏心孔缺陷重构，可以实现对构件整体结构的可视化，以及视角的转化，透明度的调整。如图9所示。

图9　体绘制三维重建效果图

通过计算得到重构缺陷的尺寸，并且与实际尺寸作比较，如下页图10和表1所示。

从图10可以看出在不同截面重构出的缺陷直径，由于人工孔末端呈圆弧形，所以在第8截面之后直径呈下降趋势，这与实际情况吻合。整体重构结果与实际的中心孔、偏心孔直径的10 mm、4.22 mm基本一致。从表1可以看出，三维重构的孔长满足要求，仅有微小误差，这与探头2 mm的移动步长量程有关。

图10　重构缺陷直径大小

表1　重构深度误差

4　结论

采用超声检测方法对圆柱体构件进行检测，针对底面回波信号幅值不明显的问题，完整地提取出构件每一个截面上的全部信息，在B扫描生成构件各个截面的基础上，利用体绘制的方法对缺陷三维重构。经过验证，重构结果与实际大小尺寸基本一致，误差在允许范围内。此方法可以适用于对圆柱体内部孔状缺陷的三维重构，且效果良好。

参考文献：

［1］顾雯琪，王召巴，陈友兴.基于轮廓线法的镁合金构件内缺陷三维反演方法研究［J］.科学技术与工程，2014，14 （30）:206-208.

［2］刘昊.基于数字图像处理的工件表面裂纹三维重构研究［D］.长春：长春理工大学，2012.

［3］邓书莉，张立炎，石英，等.基于体绘制法的多孔材料三维重建［J］.武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2012，34（1）:42-45.

［4］徐云翔，吴秀清，胡拥军.在Matlab环境下实现体绘制法的生物切片图象的三维重建［J］.计算机工程，2001，27 （12）：114-115.

［5］OKUYANA E，GUDUKBAY U，BULUTAY C，et al.MaterialVis:material visualization tool using direct volumeand surface rendering techniques［J］.Journal of Molecular Graphics and Modelling，2014（50）:50-60.

［6］NAKAO M，KUREBAYASHI K，SUGIURA T，et al.Visualizing in vivo brain neural structures using volume rendered feature spaces［J］.Computers in Biology and Medicine，2014 （53）:85-93.

［7］ZHANG Y B，MA K L.Lighting design for globally illuminated volume rendering［J］.IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，2013，19（12）:2946-2955.

Research of Three-dimensional Reconstruction Defects with in Cylinder Components Based on Volume Rendering

XIAO Zhao-qian1，CHEN You-xing1，REN Yang-shan2，WANG Zhao-ba1
（1.School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Navy Maritime Security Repair Factory，Qingdao 266071，China）

Abstract：Aiming at the problem of cylinder components internal defects，the volume rendering is adopted to achieve three-dimensional（3D）reconstruction by ultrasonic testing technology.Firstly，by ultrasonic testing on cylinder，it can extract the sectional information of cylinder which is according to the collected data.Secondly，by recombining the pixel and making use of B scan imaging.Finally，using volume rendering technology to 3D reconstruction.Results demonstrate that the method can reconstruct the center hole defects，eccentric hole defects.Reconstructed defects in conformity with the actual component，which its size error are in the scope of the permit.

Key words：ultrasonic testing，defects，3D reconstruction，volume rendering

作者简介：肖兆骞（1991-），男，山西太原人，硕士研究生。研究方向：超声无损检测。

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61201412）

收稿日期：2015-02-25修回日期：2015-04-27

文章编号：1002-0640（2016）03-0022-04

中图分类号：TP391

文献标识码：A