一种焦炭显微结构图的三维重建方法与流程

本发明属于焦炭显微图像处理技术领域。具体涉及一种焦炭显微结构图的三维重建方法。

背景技术：

焦炭是一种多孔脆性且含有裂纹的复合材料，在高炉内直接影响高炉顺行和热状态，因此是高炉重要技术经济指标之一。同时焦炭也作为供热剂、还原剂和料柱骨架，对高炉炼铁起着至关重要的作用。因此，通过较深入的了解焦炭气孔和焦炭光学组织在焦炭内部的分布有助于提高焦炭利用率，从而降低生产成本，提高经济效益。所以，如何深入了解焦炭内部显微结构是当前研究的热点和难点之一。

断层序列是物体在不同位置上的截面信息的一系列二维图像，这些图像在大小、分辨率及色彩信息上都相同，不能充分显示其复杂的三维细节，而且各相邻二维图像在空间上相邻且保持一定距离，所以断层序列在空间上具备三维特征。

近年来，国内外技术人员普遍通过二维图像对焦炭显微结构进行分析。然而，在二维分析中，基质的连续性被低估了。因此，很有必要研究焦炭三维显微结构。随着计算机技术和图像处理技术的发展，三维重建技术已经成功应用在医疗、虚拟现实、军事、广告传媒等诸多领域。这些成熟的技术大部分是采用投射激光、面结构光等主动手段，能获取较为精准的三维数据，但存在系统操作复杂、成本高和表面变化不能实时跟踪等缺陷。

技术实现要素：

本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供了一种操作简单、实用、灵活性高和成本低的焦炭显微结构图的三维重建方法，用该方法得到的焦炭显微结构图能直观、准确地反映焦炭显微结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案的具体步骤是：

步骤一、先在焦炭表面选取一个区域作为待重建面，用金相显微镜拍摄所述待重建面，得到焦炭显微图片集。再用滤波法对焦炭显微图片集进行平滑处理，然后拼接融合，得到焦炭断层序列二维显微结构图。

所述金相显微镜的放大倍数为n倍，n为自然数，40≤n≤200。

步骤二、利用3D Slicer软件，对步骤一所述焦炭断层序列二维显微结构图采用体绘制技术进行三维重建，得到体绘制焦炭显微结构三维重建图。

步骤三、对步骤二所述体绘制焦炭显微结构三维重建图的焦炭气孔和焦炭基质进行人工识别，再对人工识别后的焦炭气孔和焦炭基质涂以不同颜色，然后基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，得到分割后的体绘制焦炭显微结构三维重建图。

步骤四、对步骤三所述分割后的体绘制焦炭显微结构三维重建图从X轴、Y轴、Z轴进行1/2、或1/4、或1/8剖切处理，得到相应的焦炭显微结构三维剖视图。

步骤五、对步骤三所述分割后的体绘制焦炭显微结构三维重建图中焦炭基质的透明度设为0，焦炭气孔的透明度设为1，得到焦炭显微结构三维透视图。

步骤六、对步骤三所述分割后的体绘制焦炭显微结构三维重建图用3D Slicer软件统计焦炭气孔所占像素点，按长度/像素的换算关系，计算出气孔率。

步骤七、对步骤一所述焦炭断层序列二维显微结构图的焦炭光学组织进行人工识别，对人工识别后的焦炭光学组织涂以不同颜色，再基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，然后对分割后的焦炭光学组织采用面绘制技术进行三维重建，得到面绘制焦炭显微结构三维重建图。

所述平滑处理是在焦炭显微图片集中的任一副焦炭显微图片上取一个方形区域，该方形区域称为平滑窗口；用所述平滑窗口在所述焦炭显微图片上滑动，用平滑窗口所覆盖像素中的中间灰度值代替平滑窗口所对应像素的灰度值，每个像素都被扫描一次后则为平滑处理。

所述拼接融合是将焦炭显微图片集中的所有焦炭显微图片按相邻位置拼接为一幅，拼接时先去掉相邻的焦炭显微图片的重叠部分。

所述三维重建是基于相邻层配准的插值方法对焦炭断层序列二维显微结构图进行插值处理。

所述分割过程是采用自动分割与手工分割相结合的人机交互处理方法。

采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明提供的焦炭显微结构图的三维重建方法，利用金相显微镜能得到不同倍数的焦炭显微图片集，通过滤波法经平滑处理后进行拼接融合，得到焦炭断层序列二维显微结构图，获得了较广的组织分布图，从而全面得到焦炭显微结构信息。

（2）本发明利用3D Slicer软件对焦炭断层序列二维显微结构图进行三维重建，得到体绘制焦炭显微结构三维重建图，克服了传统二维分析方法的缺陷。通过旋转可从各个角度更全面、直观地观察焦炭内部的三维形貌特征。

（3）本发明通过分割、剖切和透视，依次得到分割后的体绘制焦炭显微结构三维重建图、焦炭显微结构三维剖视图和焦炭显微结构三维透视图，能更加准确和直观地观察到气孔在焦炭内部呈贯穿型及连通型等气孔，亦能观察到气孔和焦炭基质的相互交织和焦炭光学组织在三维空间的分布与毗邻关系。

（4）本发明基于相邻层配准的插值方法对焦炭断层序列二维显微结构图进行插值处理，可提高重建的精度；在分割过程中采用自动分割与手工分割相结合的人机交互处理方法，提高了重建准确度。

（5）本发明只需要金相显微镜和计算机及其相应软件，便可实现焦炭显微结构图的三维重建，操作简单、实用、灵活性高和成本低。

因此，本发明具有操作简单、实用、灵活性高和成本低的特点，所得到的焦炭显微结构图能直观、准确地反映焦炭内部的显微结构，适用于焦炭显微结构的研究。

附图说明

图1是本发明的一种顶装焦显微图片集；

图2是对图1拼接融合后的顶装焦断层序列二维显微结构图；

图3是对图2进行三维重建后的体绘制顶装焦显微结构三维重建图；

图4是对图3分割后的体绘制顶装焦显微结构三维重建图；

图5是由图4得到的顶装焦显微结构三维重建透视图；

图6是由图2得到的面绘制顶装焦显微结构三维重建图；

图7是本发明的一种捣固焦显微图片集；

图8是对图7拼接融合后的捣固焦断层序列二维显微结构图；

图9是对图8进行三维重建后的体绘制捣固焦显微结构三维重建图；

图10是对图9分割后的体绘制捣固焦显微结构三维重建图；

图11是由图10得到的捣固焦显微结构三维重建透视图；

图12是由图8得到的面绘制捣固焦显微结构三维重建图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述，并非对本发明保护范围的限定。

实施例1

一种顶装焦显微结构图的三维重建方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、先在顶装焦表面选取一个区域作为待重建面，用金相显微镜拍摄所述待重建面，得到如图1所示的顶装焦显微图片集。再用滤波法对顶装焦显微图片集进行平滑处理，然后拼接融合，得到如图2所示的顶装焦断层序列二维显微结构图。

所述金相显微镜的放大倍数为n倍，n为40。

步骤二、利用3D Slicer软件，对步骤一所述顶装焦断层序列二维显微结构图采用体绘制技术进行三维重建，得到如图3所示的体绘制顶装焦显微结构三维重建图。

步骤三、对步骤二所述体绘制顶装焦显微结构三维重建图的顶装焦气孔和顶装焦基质进行人工识别，再对人工识别后的顶装焦气孔和顶装焦基质涂以不同颜色，然后基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，得到如图4所示的分割后的体绘制顶装焦显微结构三维重建图。

步骤四、对步骤三所述分割后的体绘制顶装焦显微结构三维重建图从X轴、Y轴、Z轴进行1/2剖切处理，得到顶装焦显微结构三维剖视图。

步骤五、对步骤三所述分割后的体绘制顶装焦显微结构三维重建图中顶装焦基质的透明度设为0，顶装焦气孔的透明度设为1，得到如图5所示的顶装焦显微结构三维透视图。

步骤六、对步骤三所述分割后的体绘制顶装焦显微结构三维重建图用3D Slicer软件统计顶装焦气孔所占像素点，按长度/像素的换算关系，计算出气孔率。

步骤七、对步骤一所述顶装焦断层序列二维显微结构图的顶装焦光学组织进行人工识别，对人工识别后的顶装焦光学组织涂以不同颜色，再基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，然后对分割后的顶装焦光学组织采用面绘制技术进行三维重建，得到如图6所示的面绘制顶装焦显微结构三维重建图。

所述平滑处理是在顶装焦显微图片集中的任一副顶装焦显微图片上取一个方形区域，该方形区域称为平滑窗口；用所述平滑窗口在所述顶装焦显微图片上滑动，用平滑窗口所覆盖像素中的中间灰度值代替平滑窗口所对应像素的灰度值，每个像素都被扫描一次后则为平滑处理。

所述拼接融合是将顶装焦显微图片集中的所有顶装焦显微图片按相邻位置拼接为一幅，拼接时先去掉相邻的顶装焦显微图片的重叠部分。

所述三维重建是基于相邻层配准的插值方法对顶装焦断层序列二维显微结构图进行插值处理。

所述分割过程是采用自动分割与手工分割相结合的人机交互处理方法。

实施例2

一种捣固焦显微结构图的三维重建方法。本实施例所述制备方法的具体步骤是：

步骤一、先在捣固焦表面选取一个区域作为待重建面，用金相显微镜拍摄所述待重建面，得到如图7所示的捣固焦显微图片集。再用滤波法对捣固焦显微图片集进行平滑处理，然后拼接融合，得到如图8所示的捣固焦断层序列二维显微结构图。

所述金相显微镜的放大倍数为n倍，n为200。

步骤二、利用3D Slicer软件，对步骤一所述捣固焦断层序列二维显微结构图采用体绘制技术进行三维重建，得到如图9所示的体绘制捣固焦显微结构三维重建图。

步骤三、对步骤二所述体绘制捣固焦显微结构三维重建图的捣固焦气孔和捣固焦基质进行人工识别，再对人工识别后的捣固焦气孔和捣固焦基质涂以不同颜色，然后基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，得到如图10所示的分割后的体绘制捣固焦显微结构三维重建图。

步骤四、对步骤三所述分割后的体绘制捣固焦显微结构三维重建图从X轴、Y轴、Z轴进行1/8剖切处理，得到捣固焦显微结构三维剖视图。

步骤五、对步骤三所述分割后的体绘制捣固焦显微结构三维重建图中捣固焦基质的透明度设为0，捣固焦气孔的透明度设为1，得到如图11所示的捣固焦显微结构三维透视图。

步骤六、对步骤三所述分割后的体绘制捣固焦显微结构三维重建图用3D Slicer软件统计捣固焦气孔所占像素点，按长度/像素的换算关系，计算出气孔率。

步骤七、对步骤一所述捣固焦断层序列二维显微结构图的捣固焦光学组织进行人工识别，对人工识别后的捣固焦光学组织涂以不同颜色，再基于不同颜色的边缘轮廓线进行分割，然后对分割后的捣固焦光学组织采用面绘制技术进行三维重建，得到如图12所示的面绘制捣固焦显微结构三维重建图。

所述平滑处理是在捣固焦显微图片集中的任一副捣固焦显微图片上取一个方形区域，该方形区域称为平滑窗口；用所述平滑窗口在所述捣固焦显微图片上滑动，用平滑窗口所覆盖像素中的中间灰度值代替平滑窗口所对应像素的灰度值，每个像素都被扫描一次后则为平滑处理。

所述拼接融合是将捣固焦显微图片集中的所有捣固焦显微图片按相邻位置拼接为一幅，拼接时先去掉相邻的捣固焦显微图片的重叠部分。

所述三维重建是基于相邻层配准的插值方法对捣固焦断层序列二维显微结构图进行插值处理。

所述分割过程是采用自动分割与手工分割相结合的人机交互处理方法。

本具体实施方式与现有技术相比具有以下优点：

（1）本具体实施方式提供的焦炭显微结构图的三维重建方法，利用金相显微镜能得到不同倍数的焦炭显微图片集，通过滤波法经平滑处理后进行拼接融合，得到焦炭断层序列二维显微结构图，获得了较广的组织分布图，从而全面得到焦炭显微结构信息。

（2）本具体实施方式利用3D Slicer软件对焦炭断层序列二维显微结构图进行三维重建，得到体绘制焦炭显微结构三维重建图，克服了传统二维分析方法的缺陷。通过旋转可从各个角度更全面、直观地观察焦炭内部的三维形貌特征。

（3）本具体实施方式通过分割、剖切和透视，依次得到分割后的体绘制焦炭显微结构三维重建图、焦炭显微结构三维剖视图和焦炭显微结构三维透视图，能更加准确和直观地观察到气孔在焦炭内部呈贯穿型及连通型等气孔，亦能观察到气孔和焦炭基质的相互交织和焦炭光学组织在三维空间的分布与毗邻关系。

（4）本具体实施方式基于相邻层配准的插值方法对焦炭断层序列二维显微结构图进行插值处理，可提高重建的精度；在分割过程中采用自动分割与手工分割相结合的人机交互处理方法，提高了重建准确度。

（5）本具体实施方式只需要金相显微镜和计算机及其相应软件，便可实现焦炭显微结构图的三维重建，操作简单、实用、灵活性高和成本低。

因此，本具体实施方式具有操作简单、实用、灵活性高和成本低的特点，所得到的焦炭显微结构图能直观、准确地反映焦炭内部的显微结构，适用于焦炭显微结构的研究。