三维重建在超声扫描检测中的应用

连军莉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

测试测量技术与设备

三维重建在超声扫描检测中的应用

连军莉

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

介绍了三维重建在超声扫描检测中的应用。在超声扫描中，可以得到被测器件的多个二维切片图像。通过三维重建，将图像从二维空间转换到三维空间，得到更多更准确的信息，实现被测物体的立体显示和可视化分析，可以精确判断瑕疵的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，及时、高效、准确。

超声扫描；3D重建；应用

超声扫描检测系统广泛应用于无损检测领域，适用于检测物体表面、内部区域，可以产生高分辨率的特征图像。由于传递超声能量要求介质是连续的，所以如气孔、杂质、分层、裂纹等不连续界面都会干扰超声信号传播，致使超声信号发生反射，据此成像来判断此器件是否有缺陷。

三维重建是从一系列二维图像中获取三维的结构信息，为用户提供具有真实感的三维图形。它是一项多学科交叉的研究课题，涉及到计算机图形学、数字图像处理、生物医学工程等多种技术，是目前的一个研究热点。与二维图像相比，三维图像能够提供更加丰富的信息，在医学领域应用广泛。目前三维重建主要有面绘制和体绘制两类算法，后者能避免重建中造成的伪像痕迹，更加准确地反映出体数据所包含的形状结构。

1 超声扫描检测

超声扫描检测系统的工作原理：超声波通过一个耦合介质传导到样品，通常是水或一种惰性液体。探头交替扮演着发射器和接收器，电开关在传送和接收模式之间转换。一个非常短的声音脉冲进入样品，并返回样品表面、在特定阻抗分层和样品内部的其他特征处产生的声音反射。如图1所示。

图1 超声扫描检测工作原理示意图

A波形或者“A扫描”是一个时间函数，以非常简单的形式显示出反射声波的振幅。A波形实际上包含了样品内部非常多的关于声学阻抗或特征的信息。如图2所示，数字示波器中的信号中包含了表面、芯片表面和芯片底部的反射信号。

在C扫描中，在某一深度的断面设置门限，其中的峰值探测器会检测到门限内的幅值峰值，根据这些峰值最终形成该断面的横向聚焦图像。在多层扫描模式中，同时在多个断面设置多个门限，可以形成一组断面图像。如图3、4所示。

2 三维重建

三维重建数据量大、计算复杂，现有的绘制方法主要分为：体绘制和面绘制。典型的直接体绘制方法是Ray Casting光线投射方法，最有代表性的面绘制方法是MC算法。

图2 数字示波器信号示意图

图3 超声扫描检测的多层扫描模式示意图

图4 超声扫描检测多层切片图像示意图

MC方法由Lorensen和Cline在1987年提出，作为一种表面追踪技术，目前被认为是解决从体数据中抽取等值面问题的标准算法。MC算法的基本原理是：在三维数据场中构造等值面，找出经过该等值面的体元（Cubes），求出该体元内的等值面并计算出相关参数，便于使用常用的软件包或图形硬件绘制出等值面。在医学应用上，采用MC算法可重建人体外轮廓、内部组织器官，使医生直接在3D图像上就可以观察感兴趣的器官与周围组织之间的空间关系。MC算法充分利用图形显示的硬件加速功能，绘制的图像质量较高。

Ray Casting（光线投射算法）是一种生成高质量图像的典型体绘制算法，其基本原理是：根据视觉成像原理，构造出理想化的物理视觉模型，即将每个体素都看成为能够透射、发射和反射光线的粒子，然后根据光照模型或明暗模型，依据体素的介质特性得到它们的颜色（灰度图像为亮度）和不透明度，并沿着视线观察方向积分，最后在像平面上形成具有半透明效果的图像。这种方法得到的绘制效果比较好，并且可以很方便地实现一些插值算法和光线的提取中止，但这种算法的速度比较慢。

3 超声扫描检测中的三维重建

超声扫描检测可以得到一系列的断面切片图像，通过三维重建，可以实现被测器件的立体显示，真实再现被测器件的本来面貌，经过可视化分析，可准确地确定瑕疵的空间位置、大小、几何形状以及它与周围组织之间的空间关系，可以辅助人员对感兴趣的区域进行定量至定性分析，从而可以大大提高瑕疵判断的准确性。也可以对图像进行拉伸、旋转、缩放、移动、剖面切割等操作，使图像能直观地显示被测器件的内部结构。

超声扫描检测中的三维重建步骤为：

(1)数据采集。通过多层扫描模式，得到多个切片图像，如图5所示。

(2)图像的预处理。三维数据的预处理是对数值数据、几何数据、图像数据进行的。通过对原始图像的再加工，使之能满足三维建模的特定要求，达到最好的边缘化效果。在处理上主要包括了图像的灰度变换、图像的增强、图像复原、图像分割和滤除噪声等方法。

(3)三维建模。在利用计算机对客观事物进行分析和研究时，需要建立相应的模型来表示实际或抽象的对象或现象，这个过程称之为建模。模型是客观事物的抽象表示，它描述对象的结构、属性、变化规律或各个组成部分之间的关系。

数据可视化的建模过程就是将处理的数据转变为几何描述，建立起描述数据的几何模型的过程。对一维标量数据可以采用线画图、直方图或柱形图等来描述。对三维标量数据，可建立表面几何模型来表示，也可以用体素模型来表达，或者建立实体几何模型表达。

图5 一系列切片图像示意图

(4)绘制与显示。绘制功能即是完成将几何数据转换成图像数据的过程，使之能在计算机屏幕上进行显示。成熟的计算机图形学理论和方法提供了丰富的绘制算法可供可视化技术使用，包括扫描转换、隐藏面消除、光照模型、明暗处理、透明与阴影、纹理映射和反走样技术等等。一般来说，计算机图形学提供的绘制算法基本上可以满足可视化技术中绘制的需要。效果如图6、7所示。

图6 旋转示意图

4 实验结果

三维绘制结果可以真实再现被测物体的三维面貌，通过人机交互，操作人员可以对图像进行拉伸、旋转、缩放、移动、剖面切割等操作，使图像能直观地显示被测物体的复杂内部结构，从而帮助操作人员明确瑕疵的位置。本文进行三维重建的方法和过程稍加修改即可处理类似的切片图像三维重建问题，具有一定的实用价值和较广的应用前景。

图7 剖面示意图

[1] 杨立峰，王亚飞.激光在超声检测技术中的应用[J].激光与光电子学进展.2006，43(2)：29-32.

[2] 陈文革，魏劲松.超声无损检测的应用研究与进展[J].无损探伤，2001，25(4)：1-3.

[3] 李金，胡战利.基于Maching Cubes与Ray Casting的医学图像三维重建[J].生命科学仪器，2007，5(12)：40-43.

The Application of Three-dimension Reconstruction in Scanning Acoustic Inspect System

LIAN Junli
(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

The application of three-dimension reconstruction is proposed in this paper.A series of images are created during acoustic scanning.By three-dimension reconstruction,images can transform from two-dimension to three-dimension,and more information can be acquired,and we can displayed the tridimensional parts and analysis visually.So we can confirm the position、size、shape and the relation spatially with round.It is timely、efficacious and exact.

Scanning acoustic；Three-dimension reconstruction；Application

TP391

A

1004-4507(2017)05-0029-04

2017-08-07

连军莉（1980-），高级工程师，现主要从事机器视觉技术和图像处理算法研究。