CN115760713A - 一种光学协同锥束ct测量工件微小内尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，利用光学测量的高精度和高可靠性，通过遗传算法，以光学外轮廓点云为基准实现对CT内、外轮廓点云的标定，进而实现对被测物体微小内尺寸的精确测量。本发明提供的光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法可靠性好，解决了CT测量微小内尺寸的精度不足问题，在微小内尺寸的测量领域具备很大的实用价值。

Description

一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法

技术领域

本发明涉及光学检测及锥束CT应用相关的工业无损检测领域，涉及一种微小内尺寸测量方法。

背景技术

锥束CT(Cone Beam Computed Tomography,CBCT)是利用锥形束射线源和面阵探测器采集被测工件不同角度的一系列投影图像，并根据相应的重建算法重建出连续的序列切片图像的成像技术。作为目前最为先进的无损检测技术，锥束CT一次扫描即可获取被测工件多个截面的投影数据，直观展现被检测物体的内部结构，定量地提供物体内部尺寸。锥束CT具有扫描速度快，射线利用率高、切片内和切片间的空间分辨率相同等特点。但是，由于锥束CT测量过程较为复杂，测量结果受多种因素影响，导致锥束CT的测量结果难以溯源。为了减小锥束CT在测量微小尺寸时的误差，必须先对锥束CT产生的CT点云进行修正。

光学检测技术是一种非接触式的测量技术，可以将被测工件表面含有的可视特征传输到计算机进行处理，解算可视特征中心的精确空间三维坐标，形成特征点云。光学检测技术具有点云质量高、测量精度高等特点；但是，对于一些深洞、凹坑、沟槽、微小内尺寸等光线无法扫描的部位，光学检测技术无法实现精确测量。

发明内容

针对锥束CT检测微小尺寸误差大、光学检测技术无法有效检测内尺寸的问题，本发明提供一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，结合光学测量的高精度和高可靠性，提升CT测量精度，解决CT测量工件微小内尺寸可能存在的精度不足问题，在微小内尺寸的测量领域具备很大的实用价值。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)采用锥束CT扫描的方式，获取被测工件的CT切片图像序列；

(2)从CT切片图像序列中提取CT内、外轮廓特征；

(3)对CT内、外轮廓特征进行定位，生成CT内、外轮廓点云；

(4)采用光学扫描的方式，获取被测工件的光学外轮廓点云；

(5)采用遗传算法，以光学外轮廓点云为基准，对CT内、外轮廓点云进行标定；

(6)根据标定后的CT内、外轮廓点云，测定被测工件的微小内尺寸。

所述步骤(2)中，提取CT内、外轮廓特征的具体步骤包括：

1)对CT切片图像序列进行灰度处理，得到CT灰度切片序列；

2)对CT灰度切片序列进行中值滤波去噪，得到CT灰度去噪切片序列；

3)采用Zernike矩亚像素边缘检测法对CT灰度去噪切片序列进行轮廓检测，得到CT内、外轮廓特征。

所述步骤(3)中，对CT内、外轮廓特征进行定位，生成CT内、外轮廓点云的具体步骤包括：

1)提取CT内、外轮廓特征在CT灰度去噪切片序列上的亚体素坐标(x，y，z)；

2)获取CT灰度去噪切片序列里单个体素在x、y、z方向上分别对应的实际尺寸a_x、a_y、a_z，a_x、a_y、a_z由CT扫描设备单独确定；

3)计算CT内、外轮廓点云的坐标(xa_x，ya_y，za_z)。

所述步骤(5)中，采用遗传算法，对CT内、外轮廓点云进行标定的具体步骤包括：

1)以光学外轮廓点云为基准，对CT内、外轮廓点云进行初次配准，计算配准结果的平均相对误差n，根据相对误差n确定尺寸修正系数b_x、b_y、b_z所在的大致区间L，其中L＝[1-2|n|，1+2|n|]

2)选取合适的种群大小S，终止进化代数T，交叉概率P₁和变异概率P₂，初始迭代次数t＝0，种群S中的每个个体i的二进制编码由尺寸修正系数b_x、b_y、b_z共同确定，并且b_x、b_y、b_z∈L；

3)对种群S中的每个个体i进行适应度M_i计算，适应度M_i定义为个体i在配准时的绝对误差m_i的倒数：

适应度权重F_i定义为：

4)根据适应度权重F_i的大小选出S个个体，按交叉概率P₁和变异概率P₂对这些个体进行交叉、变异操作，得到下一代种群S₁，迭代次数t＝t+1；

5)比较迭代次数t与终止迭代次数T，若t＜T，则返回步骤3)进行下一次迭代；若t＝T，则终止迭代，最后一代种群S_t中适应度M_i最大的个体对应的尺寸修正系数为最优尺寸修正系数

6)对CT内、外轮廓点云进行标定，标定后的CT内、外轮廓点云坐标为

所述步骤(6)中，测定被测工件的微小内尺寸的具体步骤为:

1)对标定后的CT内、外轮廓点云进行封装，得到CT内、外轮廓网格模型；

2)选取合适的角度对CT内、外轮廓网格模型进行切片，得到2D特征切面图；

3)对2D特征切面图中的特征进行拟合测量，得到被测工件的微小内尺寸。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，可以有效提高CT测量微小内尺寸的精度，在微小内尺寸的测量领域具备很大的实用价值，并为微小结构件的生产加工提供指导。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为所述步骤(5)涉及的遗传算法流程图；

图3为航空发动机燃油喷嘴部分结构图，包括锥面(1)和中心孔(2)；

图4为具体实施方式步骤(3)涉及的航空发动机燃油喷嘴CT锥面、中心孔点云；

图5为具体实施方式步骤(4)涉及的航空发动机燃油喷嘴光学锥面点云；

图6为具体实施方式步骤(5)涉及的航空发动机燃油喷嘴标定后的CT锥面、中心孔点云；

图7为具体实施方式步骤(6)涉及的航空发动机燃油喷嘴CT锥面、中心孔网格模型；

图8为具体实施方式步骤(6)涉及的航空发动机燃油喷嘴CT锥面、中心孔网格模型的部分2D特征切面图。

具体实施方式

如图3所示，以航空发动机燃油喷嘴的中心孔径检测为例，应用本发明方法实现中心孔径的测量，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)采用锥束CT设备，对燃油喷嘴进行扫描，获取燃油喷嘴的CT切片图像序列；

(2)对所有的CT切片图像序列进行灰度处理和中值滤波去噪处理，得到CT灰度去噪切片序列，再采用Zernike矩亚像素边缘检测法对CT灰度去噪切片序列进行轮廓检测，得到CT锥面、中心孔特征；

(3)提取CT锥面、中心孔特征在CT灰度去噪切片序列上的亚体素坐标(x，y，z)，获取CT灰度去噪切片序列里单个体素在x、y、z方向上分别对应的实际尺寸a_x、a_y、a_z，计算出CT锥面、中心孔点云的坐标(xa_x，ya_y，za_z)；

(4)采用Alicona自动变焦三维表面测量仪对喷嘴锥面进行扫描，获取燃油喷嘴的光学锥面点云；

(5)先以光学锥面点云为基准，对CT锥面、中心孔点云进行初次配准，计算配准结果的平均相对误差n，根据相对误差n确定尺寸修正系数b_x、b_y、b_z所在的大致区间L，再选取合适的种群大小S，终止进化代数T，交叉概率P₁和变异概率P₂，初始迭代次数t＝0，接着对种群S中的每个个体i进行适应度M_i和适应度权重F_i计算，根据适应度权重F_i的大小选出S个个体，按交叉概率P₁和变异概率P₂对这些个体进行交叉、变异操作，得到下一代种群S₁，迭代次数t＝t+1，比较迭代次数t与终止迭代次数T，若t＜T，则进行下一次迭代；若t＝T，则终止迭代，得到最后一代种群S_t中适应度M_i最大的个体对应的最优尺寸修正系数

最后对CT锥面、中心孔点云进行标定，标定后的CT锥面、中心孔点云坐标为

(6)对标定后的CT锥面、中心孔点云进行封装，得到CT锥面、中心孔网格模型，选取垂直于孔壁的角度对CT锥面、中心孔网格模型在不同高度上进行切片，得到2D特征切面图，对所有2D特征切面图中的圆特征进行拟合测量并求其平均值，得到燃油喷嘴的中心孔直径。

Claims (5)

1.一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，其特征在于：该方法包括下列顺序的步骤：

(1)采用锥束CT扫描的方式，获取被测工件的CT切片图像序列；

(2)从CT切片图像序列中提取CT内、外轮廓特征；

(3)对CT内、外轮廓特征进行定位，生成CT内、外轮廓点云；

(4)采用光学扫描的方式，获取被测工件的光学外轮廓点云；

(5)采用遗传算法，以光学外轮廓点云为基准，对CT内、外轮廓点云进行标定；

(6)根据标定后的CT内、外轮廓点云，测定被测工件的微小内尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，提取CT内、外轮廓特征的具体步骤包括：

1)对CT切片图像序列进行灰度处理，得到CT灰度切片序列；

2)对CT灰度切片序列进行中值滤波去噪，得到CT灰度去噪切片序列；

3)采用Zernike矩亚像素边缘检测法对CT灰度去噪切片序列进行轮廓检测，得到CT内、外轮廓特征。

3.根据权利要求1所述的一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，对CT内、外轮廓特征进行定位，生成CT内、外轮廓点云的具体步骤包括：

1)提取CT内、外轮廓特征在CT灰度去噪切片序列上的亚体素坐标(x,y,z)；

2)获取CT灰度去噪切片序列里单个体素在x、y、z方向上分别对应的实际尺寸a_x、a_y、a_z，a_x、a_y、a_z由CT扫描设备单独确定；

3)计算CT内、外轮廓点云的坐标(xa_x,ya_y,za_z)。

4.根据权利要求1所述的一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，采用遗传算法，对CT内、外轮廓点云进行标定的具体步骤包括：

1)以光学外轮廓点云为基准，对CT内、外轮廓点云进行初次配准，计算配准结果的平均相对误差n，根据相对误差n确定尺寸修正系数b_x、b_y、b_z所在的大致区间L，其中L＝[1-2|n|,1+2|n|]

2)选取合适的种群大小S，终止进化代数T，交叉概率P₁和变异概率P₂，初始迭代次数t＝0，种群S中的每个个体i的二进制编码由尺寸修正系数b_x、b_y、b_z共同确定，并且b_x、b_y、b_z∈L；

3)对种群S中的每个个体i进行适应度M_i计算，适应度M_i定义为个体i在配准时的绝对误差m_i的倒数：

适应度权重F_i定义为

4)根据适应度权重F_i的大小选出S个个体，按交叉概率P₁和变异概率P₂对这些个体进行交叉、变异操作，得到下一代种群S₁，迭代次数t＝t+1；

5)比较迭代次数t与终止迭代次数T，若t<T，则返回步骤3)进行下一次迭代；若t＝T，则终止迭代，最后一代种群S_t中适应度M_i最大的个体对应的尺寸修正系数为最优尺寸修正系数

6)对CT内、外轮廓点云进行标定，标定后的CT内、外轮廓点云坐标为

5.根据权利要求1所述的一种光学协同锥束CT测量工件微小内尺寸的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，测定被测工件的微小内尺寸的具体步骤为:

1)对标定后的CT内、外轮廓点云进行封装，得到CT内、外轮廓网格模型；

2)选取合适的角度对CT内、外轮廓网格模型进行切片，得到2D特征切面图；

3)对2D特征切面图中的特征进行拟合测量，得到被测工件的微小内尺寸。

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