一种基于c扫描超声图像的三维重建方法
【专利摘要】一种基于C扫描超声图像的三维重建方法，属于图像处理技术应用研究领域。本发明采用可调窗口阈值法对C扫描超声图像的二值化，并实现了基于轮廓数据的三维重建，其特征在于：利用可调窗口阈值法对C扫描超声图像的二值化，并应用数学形态学方法对二值化图像进行处理，提取出相应的轮廓，从而实现了基于轮廓数据的三维重建方法。本发明能突出反映三维重建数据的细节信息，提高了重建三维结果显示速度，在工业无损检测、医学超声图像处理、医疗超声设备检测等领域有着广泛的应用。
【专利说明】
-种基于C扫描超声图像的H维重建方法
技术领域
[0001] 本发明设及的是一种图像处理技术领域的方法，具体是一种基于C扫描超声图像 的=维重建方法。
【背景技术】
[0002] 随着计算机数字图像技术在工业检测领域的应用和推广，超声成像技术逐渐成为 无损检测技术中的一项有效地评价手段。而结合了数字图像处理、超声成像、信号处理W及 计算机技术的超声C扫描图像处理方法已经成功地应用到无损检测技术中的超声检测工程 中。由于可W提供直观和大量的材料内部结构图像，缺陷的定量、定性、定位更加准确等，超 声C扫描成像越来越受到广泛的关注。因此，本发明研究的基于C扫描超声图像的=维重建 方法具有重要的实用价值。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，艾春安等人在文献《粘结结构超声波C扫描检测的 S维图像重构》(机床与液压，2011，第39卷，第16期，页码:80-83)上，阐述了利用超声波检 测系统对固体火箭发动机粘结结构进行C扫描得到的图像，通过=次线性插值方法得到图 像中像素点的体数据，并进行基于体数据的=维重建，获得了粘结结构的=维图像，较真实 地反映了粘结结构内部的缺陷情况。Sun Changli等人在文献《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，页码：98-101)上，阐述了利用线 性相控阵列探头获得的图像进行人工缺陷=维可视化。该方法先利用二维图像的位置和方 向构造=维体数据结构，并根据相邻二维图像点的二次线性插值获得=维数据点值，从而 重建了人工缺陷的=维结构。
[0004] W上运些无损检测领域的基于C扫描图像的=维重建方法都是要利用插值方法， 如=次线性插值、二次线性插值等来获得更稠密数据，并通过基于体数据描述的方法研究 超声C扫描图像的=维重建。运些采用基于体数据=维重建的方法存在主要问题是需要提 前已知精确的二维图像的位置和方向，并且要求通过插值增加数据点来更直观描述重建对 象的=维结构。运些方法影响了基于图像数据=维重建的便利性和灵活度，并且通过插值 增加的稠密数据降低了=维显示时的速度。
【发明内容】
[0005] 本发明鉴于上述问题，其目的在于：研究一种既能方便灵活的重建对象的=维结 构，又能较快显示=维重建数据的基于讨3描超声图像=维重建方法。
[0006] 根据本发明，能够提供方便灵活的基于C扫描超声图像的=维重建方法;能突出反 映出=维重建数据的细节信息;能提高重建=维数据显示速度等。
[0007] 应用所述的基于讨3描超声图像=维重建方法，其特征在于，步骤如下：
[000引（1)输入样本的上表面超声扫描信号数据X=[X1，X2,…Xn-I, Xn],其中n表示所有扫 描数据的总数。
[0009] (2)根据样本的超声速度V米/秒和信号在频率为f赫兹下的采样时间A t，计算出 样本对应的高度(单位:米）
[0010]
[0011] 其中V水表示样本测量条件下超声在水中的传播速度。并利用C扫描超声图像原理 得到样本对应扫描深度的超声图像数据，讨3描超声图像数据描述为
[0012] Xi= [xk,xk+i, ...Xk+!!!], (l<k<n;k+m<n)
[0013] 其中i表示图像数量，k表示第i幅图像的起点数据，m表示第i幅图像的数据总量。
[0014] (3)对C扫描超声图像数据Xi先进行高斯滤波，并采取可调窗口阔值法将图像转化 为二值化图像;首先，计算窗函数Wi内信号Xi的最大值
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 并对信号Xi进行排序;然后，根据排序结果选择中值信号Al,当信号Xi内小于中值 信号Al的个数达到总信号的50%及W上时，选择尺寸小的窗函数W2,重新进行排序并选择中 值信号A2作为阔值T;否则，直接选择窗函数Wi内的中值信号Al作为阔值T。最后，滑动窗函数 Wi和化对每一幅C扫描超声图像进行处理，选择设定阔值对图像进行二值化处理，即二值化 结果B(u，v)为
[0019]
[0020] 其中Ku, V)表示C扫描超声图像中对应像素点(u，v)的灰度值。
[0021] (4)对二值化图像B(u，v)进行数学形态学中的开运算和闭运算，删除小面积的斑 点，并对封闭图形中的孔桐填充，并提取出相应的轮廓。
[0022] (5)根据步骤(2)计算出样本对应的高度，W及步骤(4)提取的二维轮廓数据，从而 获得样本的=维数据点（P，q，d)，其中（p，q)为二维轮廓在图像上像素位置，dG[0，h]为二 维图像对应样本的实际高度位置，然后利用=维数据场可视化中的表面绘制方法获得样本 的=维重建结果。
【具体实施方式】
[0023] 下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在W本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0024] W下结合具体实例对本发明的一种基于C扫描超声图像的=维重建方法内容做进 一步的详细说明：
[0025] 第一步:读取讨3描超声信号数据；
[0026] 对某仿组织材料样本，提取其超声C扫描信号900条，其中每条信号共有800个采样 点。
[0027] 第二步:计算样本的高度及其对应的讨3描超声图像数据；
[0028] 样本的超声速度1528米/秒，水在超声中的速度1478米/秒，样本插入超声后的延 迟时间0.4微秒，计算出样本对应的高度为18毫米;于是，可W得到样本横截面测C扫描超声 图像800幅，图像大小为30 X 30像素点。
[0029] 第=步:采用可调窗口阔值法将图像转化为二值化图像；
[0030] 首先对C扫描超声图像数据进行高斯滤波，设置一个宽度为Wi(Wi = 21)像素的窗口 函数对其进行处理，计算窗口函数内的最大值和最小值并进行排序;然后，根据排序结果， 判断是否进行变窗口函数W2(W2=11)进行处理;最后，选择相应的阔值T = O.32获得讨3描超 声图像的二值化结果。
[0031] 第四步:对二值化结果进行开运算和闭运算处理，并提取出相应的轮廓数据，轮廓 数据图像中的坐标为(P，q)，〇《P《30,0《q《30。
[0032] 第五步:根据样本实际高度及提取的二维轮廓数据，从而获得样本的=维数据点 (口，9，1〇，其中0《口《30,0《9《30为二维轮廓在图像上像素位置，0《11《18毫米为二维图 像对应样本的实际高度位置;然后利用=维数据场可视化中表面绘制方法获得样本的=维 重建结果。
【主权项】
1. 一种基于C扫描超声图像的三维重建方法;其特征在于:根据样本的超声速度和信号 采样时间，计算出样本对应的高度，并利用C扫描超声图像原理得到样本对应扫描深度的超 声图像数据;利用可调窗口阈值法对C扫描超声图像的二值化，并应用数学形态学方法对二 值化结果进行处理，提取出相应的轮廓。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于利用可调窗口阈值法对C扫描超声图像的二 值化，对于样本总的C扫描超声图像数据乂=[1 1，12，一，&-1，&]，选择第1幅图像的数据 Xi - [Xk，xk+i，· · ·xk+m]，（ I〈k〈n; k+rn〈n) 其中i表示图像数量，k表示第i幅图像的起点数据，m表示第i幅图像的数据总量，n表示 所有扫描图像数据的总数； 计算窗函数W1内信号&的最大值并对窗函数1内的信号&进行排序，中值信号为A1; 当&在窗函数1内的所有信号幅值比中值信号^幅值小的个数达到总个数的一半及以 上时，重新选择窗函数W^W2KW1小;并对窗函数％内的信号X1重新进行排序，选择窗函数W 2 内的中值信号六2作为阈值T;否则，直接选择窗函数W1内的中值信号AHt为阈值T; 滑动窗函数WjPW2对第i幅C扫描超声图像进行处理，根据选择的阈值T对图像进行二值 化处理，即获得第i幅C扫描超声图像二值化结果B1(U1V)为其中Ii(u，v)表示第i幅C扫描超声图像中对应像素点(u，V)的灰度值。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于的根据样本的超声速度和信号采样时间，计 算出样本对应的高度，并利用C扫描超声图像原理得到样本对应扫描深度的超声图像数据； 具体为:首先根据样本测量环境条件下超声在水中的传播速度秒，样本中的超声速度 V米/秒和信号在频率为f赫兹下的采样时间△ t秒，计算出样本对应的高度，单位为米；获得了样本对应的扫描深度信息;然后，根据C扫描超声图像原理中样本图像即为样本 内部横截面，它是与超声波声束垂直的；样本图像的纵横坐标，分别代表样本截面的纵横坐 标;样本对应扫描深度的超声图像数据为：其中1?1，1?2，···1?表示样本的对应高度，Il(U，V)，I2(U，V)，…I(u，v)表示对应高度的超声 图像数据。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于根据数学形态学方法对二值化结果进行处 理，提取出相应的轮廓，具体为:首先对第i幅C扫描超声图像二值化结果利用数学形态学方 法处理，得到目标的轮廓数据在第i幅图像中的坐标(Puq 1);然后，根据第i幅C扫描超声图 像对应的样本高度值获得目标特征点三维坐标为(？1，啦，11 1)，其中111￡[〇，11]表示第1幅(：扫 描超声图像对应的扫描深度信息；在获得样本所有C扫描超声图像对应的目标特征点三维 坐标后，采用三维重建中面绘制算法，得到样本的三维重建结果。
【文档编号】G06T5/00GK106023293SQ201610355273
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】祝海江
【申请人】北京爱科声科技有限公司