一種基于c掃描超聲圖像的三維重建方法
【專利摘要】一種基于C掃描超聲圖像的三維重建方法，屬于圖像處理技術(shù)應(yīng)用研究領(lǐng)域。本發(fā)明采用可調(diào)窗口閾值法對(duì)C掃描超聲圖像的二值化，并實(shí)現(xiàn)了基于輪廓數(shù)據(jù)的三維重建，其特征在于：利用可調(diào)窗口閾值法對(duì)C掃描超聲圖像的二值化，并應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對(duì)二值化圖像進(jìn)行處理，提取出相應(yīng)的輪廓，從而實(shí)現(xiàn)了基于輪廓數(shù)據(jù)的三維重建方法。本發(fā)明能突出反映三維重建數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)信息，提高了重建三維結(jié)果顯示速度，在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)超聲圖像處理、醫(yī)療超聲設(shè)備檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
-種基于C掃描超聲圖像的H維重建方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于C掃描超聲圖像 的=維重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像技術(shù)在工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，超聲成像技術(shù)逐漸成為 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的一項(xiàng)有效地評(píng)價(jià)手段。而結(jié)合了數(shù)字圖像處理、超聲成像、信號(hào)處理W及 計(jì)算機(jī)技術(shù)的超聲C掃描圖像處理方法已經(jīng)成功地應(yīng)用到無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中的超聲檢測(cè)工程 中。由于可W提供直觀和大量的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，缺陷的定量、定性、定位更加準(zhǔn)確等，超 聲C掃描成像越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。因此，本發(fā)明研究的基于C掃描超聲圖像的=維重建 方法具有重要的實(shí)用價(jià)值。
[0003] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，艾春安等人在文獻(xiàn)《粘結(jié)結(jié)構(gòu)超聲波C掃描檢測(cè)的 S維圖像重構(gòu)》(機(jī)床與液壓，2011，第39卷，第16期，頁(yè)碼:80-83)上，闡述了利用超聲波檢 測(cè)系統(tǒng)對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粘結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行C掃描得到的圖像，通過(guò)=次線性插值方法得到圖 像中像素點(diǎn)的體數(shù)據(jù)，并進(jìn)行基于體數(shù)據(jù)的=維重建，獲得了粘結(jié)結(jié)構(gòu)的=維圖像，較真實(shí) 地反映了粘結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷情況。Sun Changli等人在文獻(xiàn)《Three dimensional im曰ging b曰sed on ultrasonic Iinesr ph曰sed 曰rr曰y probe》（Proceedings,2014IEEE Far East Forum on Nondestructive Evaluation/Testing: New Technology and Application, Increasingly Perfect NDT/E,2014,第I卷，頁(yè)碼：98-101)上，闡述了利用線 性相控陣列探頭獲得的圖像進(jìn)行人工缺陷=維可視化。該方法先利用二維圖像的位置和方 向構(gòu)造=維體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)相鄰二維圖像點(diǎn)的二次線性插值獲得=維數(shù)據(jù)點(diǎn)值，從而 重建了人工缺陷的=維結(jié)構(gòu)。
[0004] W上運(yùn)些無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的基于C掃描圖像的=維重建方法都是要利用插值方法， 如=次線性插值、二次線性插值等來(lái)獲得更稠密數(shù)據(jù)，并通過(guò)基于體數(shù)據(jù)描述的方法研究 超聲C掃描圖像的=維重建。運(yùn)些采用基于體數(shù)據(jù)=維重建的方法存在主要問(wèn)題是需要提 前已知精確的二維圖像的位置和方向，并且要求通過(guò)插值增加數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)更直觀描述重建對(duì) 象的=維結(jié)構(gòu)。運(yùn)些方法影響了基于圖像數(shù)據(jù)=維重建的便利性和靈活度，并且通過(guò)插值 增加的稠密數(shù)據(jù)降低了=維顯示時(shí)的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明鑒于上述問(wèn)題，其目的在于：研究一種既能方便靈活的重建對(duì)象的=維結(jié) 構(gòu)，又能較快顯示=維重建數(shù)據(jù)的基于討3描超聲圖像=維重建方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供方便靈活的基于C掃描超聲圖像的=維重建方法;能突出反 映出=維重建數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)信息;能提高重建=維數(shù)據(jù)顯示速度等。
[0007] 應(yīng)用所述的基于討3描超聲圖像=維重建方法，其特征在于，步驟如下：
[000引（1)輸入樣本的上表面超聲掃描信號(hào)數(shù)據(jù)X=[X1，X2,…Xn-I, Xn],其中n表示所有掃 描數(shù)據(jù)的總數(shù)。
[0009] (2)根據(jù)樣本的超聲速度V米/秒和信號(hào)在頻率為f赫茲下的采樣時(shí)間A t，計(jì)算出 樣本對(duì)應(yīng)的高度(單位:米）
[0010]
[0011] 其中V水表示樣本測(cè)量條件下超聲在水中的傳播速度。并利用C掃描超聲圖像原理 得到樣本對(duì)應(yīng)掃描深度的超聲圖像數(shù)據(jù)，討3描超聲圖像數(shù)據(jù)描述為
[0012] Xi= [xk,xk+i, ...Xk+!!!], (l<k<n;k+m<n)
[0013] 其中i表示圖像數(shù)量，k表示第i幅圖像的起點(diǎn)數(shù)據(jù)，m表示第i幅圖像的數(shù)據(jù)總量。
[0014] (3)對(duì)C掃描超聲圖像數(shù)據(jù)Xi先進(jìn)行高斯濾波，并采取可調(diào)窗口闊值法將圖像轉(zhuǎn)化 為二值化圖像;首先，計(jì)算窗函數(shù)Wi內(nèi)信號(hào)Xi的最大值
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 并對(duì)信號(hào)Xi進(jìn)行排序;然后，根據(jù)排序結(jié)果選擇中值信號(hào)Al,當(dāng)信號(hào)Xi內(nèi)小于中值 信號(hào)Al的個(gè)數(shù)達(dá)到總信號(hào)的50%及W上時(shí)，選擇尺寸小的窗函數(shù)W2,重新進(jìn)行排序并選擇中 值信號(hào)A2作為闊值T;否則，直接選擇窗函數(shù)Wi內(nèi)的中值信號(hào)Al作為闊值T。最后，滑動(dòng)窗函數(shù) Wi和化對(duì)每一幅C掃描超聲圖像進(jìn)行處理，選擇設(shè)定闊值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，即二值化 結(jié)果B(u，v)為
[0019]
[0020] 其中Ku, V)表示C掃描超聲圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)(u，v)的灰度值。
[0021] (4)對(duì)二值化圖像B(u，v)進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算，刪除小面積的斑 點(diǎn)，并對(duì)封閉圖形中的孔桐填充，并提取出相應(yīng)的輪廓。
[0022] (5)根據(jù)步驟(2)計(jì)算出樣本對(duì)應(yīng)的高度，W及步驟(4)提取的二維輪廓數(shù)據(jù)，從而 獲得樣本的=維數(shù)據(jù)點(diǎn)（P，q，d)，其中（p，q)為二維輪廓在圖像上像素位置，dG[0，h]為二 維圖像對(duì)應(yīng)樣本的實(shí)際高度位置，然后利用=維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化中的表面繪制方法獲得樣本 的=維重建結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明：本實(shí)施例在W本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。
[0024] W下結(jié)合具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的一種基于C掃描超聲圖像的=維重建方法內(nèi)容做進(jìn) 一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0025] 第一步:讀取討3描超聲信號(hào)數(shù)據(jù)；
[0026] 對(duì)某仿組織材料樣本，提取其超聲C掃描信號(hào)900條，其中每條信號(hào)共有800個(gè)采樣 點(diǎn)。
[0027] 第二步:計(jì)算樣本的高度及其對(duì)應(yīng)的討3描超聲圖像數(shù)據(jù)；
[0028] 樣本的超聲速度1528米/秒，水在超聲中的速度1478米/秒，樣本插入超聲后的延 遲時(shí)間0.4微秒，計(jì)算出樣本對(duì)應(yīng)的高度為18毫米;于是，可W得到樣本橫截面測(cè)C掃描超聲 圖像800幅，圖像大小為30 X 30像素點(diǎn)。
[0029] 第=步:采用可調(diào)窗口闊值法將圖像轉(zhuǎn)化為二值化圖像；
[0030] 首先對(duì)C掃描超聲圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波，設(shè)置一個(gè)寬度為Wi(Wi = 21)像素的窗口 函數(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，計(jì)算窗口函數(shù)內(nèi)的最大值和最小值并進(jìn)行排序;然后，根據(jù)排序結(jié)果， 判斷是否進(jìn)行變窗口函數(shù)W2(W2=11)進(jìn)行處理;最后，選擇相應(yīng)的闊值T = O.32獲得討3描超 聲圖像的二值化結(jié)果。
[0031] 第四步:對(duì)二值化結(jié)果進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算處理，并提取出相應(yīng)的輪廓數(shù)據(jù)，輪廓 數(shù)據(jù)圖像中的坐標(biāo)為(P，q)，〇《P《30,0《q《30。
[0032] 第五步:根據(jù)樣本實(shí)際高度及提取的二維輪廓數(shù)據(jù)，從而獲得樣本的=維數(shù)據(jù)點(diǎn) (口，9，1〇，其中0《口《30,0《9《30為二維輪廓在圖像上像素位置，0《11《18毫米為二維圖 像對(duì)應(yīng)樣本的實(shí)際高度位置;然后利用=維數(shù)據(jù)場(chǎng)可視化中表面繪制方法獲得樣本的=維 重建結(jié)果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于C掃描超聲圖像的三維重建方法;其特征在于:根據(jù)樣本的超聲速度和信號(hào) 采樣時(shí)間，計(jì)算出樣本對(duì)應(yīng)的高度，并利用C掃描超聲圖像原理得到樣本對(duì)應(yīng)掃描深度的超 聲圖像數(shù)據(jù);利用可調(diào)窗口閾值法對(duì)C掃描超聲圖像的二值化，并應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對(duì)二 值化結(jié)果進(jìn)行處理，提取出相應(yīng)的輪廓。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于利用可調(diào)窗口閾值法對(duì)C掃描超聲圖像的二 值化，對(duì)于樣本總的C掃描超聲圖像數(shù)據(jù)乂=[1 1，12，一，&-1，&]，選擇第1幅圖像的數(shù)據(jù) Xi - [Xk，xk+i，· · ·xk+m]，（ I〈k〈n; k+rn〈n) 其中i表示圖像數(shù)量，k表示第i幅圖像的起點(diǎn)數(shù)據(jù)，m表示第i幅圖像的數(shù)據(jù)總量，n表示 所有掃描圖像數(shù)據(jù)的總數(shù)； 計(jì)算窗函數(shù)W1內(nèi)信號(hào)&的最大值并對(duì)窗函數(shù)1內(nèi)的信號(hào)&進(jìn)行排序，中值信號(hào)為A1; 當(dāng)&在窗函數(shù)1內(nèi)的所有信號(hào)幅值比中值信號(hào)^幅值小的個(gè)數(shù)達(dá)到總個(gè)數(shù)的一半及以 上時(shí)，重新選擇窗函數(shù)W^W2KW1小;并對(duì)窗函數(shù)％內(nèi)的信號(hào)X1重新進(jìn)行排序，選擇窗函數(shù)W 2 內(nèi)的中值信號(hào)六2作為閾值T;否則，直接選擇窗函數(shù)W1內(nèi)的中值信號(hào)AHt為閾值T; 滑動(dòng)窗函數(shù)WjPW2對(duì)第i幅C掃描超聲圖像進(jìn)行處理，根據(jù)選擇的閾值T對(duì)圖像進(jìn)行二值 化處理，即獲得第i幅C掃描超聲圖像二值化結(jié)果B1(U1V)為其中Ii(u，v)表示第i幅C掃描超聲圖像中對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)(u，V)的灰度值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于的根據(jù)樣本的超聲速度和信號(hào)采樣時(shí)間，計(jì) 算出樣本對(duì)應(yīng)的高度，并利用C掃描超聲圖像原理得到樣本對(duì)應(yīng)掃描深度的超聲圖像數(shù)據(jù)； 具體為:首先根據(jù)樣本測(cè)量環(huán)境條件下超聲在水中的傳播速度秒，樣本中的超聲速度 V米/秒和信號(hào)在頻率為f赫茲下的采樣時(shí)間△ t秒，計(jì)算出樣本對(duì)應(yīng)的高度，單位為米；獲得了樣本對(duì)應(yīng)的掃描深度信息;然后，根據(jù)C掃描超聲圖像原理中樣本圖像即為樣本 內(nèi)部橫截面，它是與超聲波聲束垂直的；樣本圖像的縱橫坐標(biāo)，分別代表樣本截面的縱橫坐 標(biāo);樣本對(duì)應(yīng)掃描深度的超聲圖像數(shù)據(jù)為：其中1?1，1?2，···1?表示樣本的對(duì)應(yīng)高度，Il(U，V)，I2(U，V)，…I(u，v)表示對(duì)應(yīng)高度的超聲 圖像數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于根據(jù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法對(duì)二值化結(jié)果進(jìn)行處 理，提取出相應(yīng)的輪廓，具體為:首先對(duì)第i幅C掃描超聲圖像二值化結(jié)果利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方 法處理，得到目標(biāo)的輪廓數(shù)據(jù)在第i幅圖像中的坐標(biāo)(Puq 1);然后，根據(jù)第i幅C掃描超聲圖 像對(duì)應(yīng)的樣本高度值獲得目標(biāo)特征點(diǎn)三維坐標(biāo)為(？1，啦，11 1)，其中111￡[〇，11]表示第1幅(：掃 描超聲圖像對(duì)應(yīng)的掃描深度信息；在獲得樣本所有C掃描超聲圖像對(duì)應(yīng)的目標(biāo)特征點(diǎn)三維 坐標(biāo)后，采用三維重建中面繪制算法，得到樣本的三維重建結(jié)果。
【文檔編號(hào)】G06T5/00GK106023293SQ201610355273
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】祝海江
【申請(qǐng)人】北京愛(ài)科聲科技有限公司