光纤线包精细几何重构建模方法

本发明属于光纤几何重构建模，具体涉及光纤线包精细几何重构建模方法。

背景技术：

1、光纤线包是指将光纤紧密缠绕于圆台状芯筒表面所形成的纺锤形实体。在光纤线包的缠绕和成型过程中，光纤线径、缠绕张力和滞后角的波动，粘结剂涂覆不均匀，各材料热膨胀系数不同等因素都会导致光纤线包内部各种结构缺陷，而这些缺陷又会大大降低光纤释放时的可靠性。因此，需对光纤线包的内部结构进行观测与重构建模。

2、工业ct是应用于工业领域的计算机断层扫描技术。它是在x射线检测的基础上，围绕样品做连续多次的端面扫描,并将扫描结果重建为一个三维可视化图像。是一种以不损伤被检测对象性能为前提的一种无损检测技术，与视觉测量、x射线检测、超声探伤等常规无损检测方法相比，其具有检测速度快、分辨率高、不受被测对象几何结构限制等优点，被广泛应用于工业设备及产品的无损检测及质量评估中。

3、通过工业ct对光纤线包进行扫描，得到高分辨率的光纤线包三维图像，要想基于该三维图像进行精细几何重构建模，则还需对所得三维图像进行二维离散、图像增强、去除噪声、图像分割、特征提取等一系列数字图像处理，从而提取出其中有用的尺寸和位置信息。数字图像处理又称为计算机图像处理，是指通过将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。随着计算机和多媒体技术的迅速发展与普及，数字图像处理技术在许多应用领域受到了空前广泛的重视并取得了重大成就，如航空航天、生物医学工程、材料工程、工业制造、机器人视觉等。

4、数字图像处理技术具有精度高、处理内容丰富、方法多变、灵活度高等优点。但由于图像是通过像素的阵列来存储信息，且每一个像素点的精度一般为256级，故其数据量庞大，处理速度受计算机和数学器件限制，阻碍了它更进一步的发展与推广。而图像二值化技术则能使图像中的数据量大大减少，突出目标物，以便图像的进一步处理。图像的二值化，就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，即将整个图像呈现出只有黑和白的视觉效果。一幅图像一般包括目标物体、背景以及噪声，要从图像中提取出目标物体，常用的方法图像分割。即设定一个灰度阈值t，并用t将图像中所有像素点分为两类：灰度值大于t的像素群和灰度值小于t的像素群。根据阈值的确定方法可以将二值化算法大致分为全局阈值方法和局部阈值方法两类。全局阈值方法是依据某一规则确定一个全局阈值，利用该阈值对整幅图像的所有像素点进行二值化处理，如最大类间方差法、迭代法等等。而局部阈值方法，则是以单一像素为单位，根据其邻近区域像素点的有关信息，依照某一规则计算出该像素点的阈值，其中较为典型的算法包括niblack算法、sauvola算法等。

5、目前对光纤线包结构的分析主要通过三维建模进而实现有限元建模与仿真。该方法基于对线包表面结构进行观测，再将其表面结构套用于线包内部，从而绘制出理想的线包模型。这样得到的线包模型，其内部结构与实际情况相符程度未知，无法模拟线包内部可能存在的各类缺陷，因而需要引入对实际线包内部空间结构的三维表征手段。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供光纤线包精细几何重构建模方法，解决了现有技术无法模拟大尺寸光纤线包内部可能存在的各类缺陷的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，光纤线包精细几何重构建模方法，具体为：

3、步骤1、通过工业ct设备对样品光纤线包进行扫描拍摄；

4、步骤2、将扫描拍摄的图像结合fdk三维重建算法重建出样品光纤线包的内部结构特征，得到样品光纤线包高分辨率的三维图像；

5、步骤3、将三维图像沿圆周方向均匀离散，并对离散后的图像进行增强、二值化处理，得到二值化的二维截面图像；

6、步骤4、计算二维截面图像中各连通域的形心，得到光纤纤芯截面的形心坐标；根据光纤连线重构算法，识别出光纤截面中的关联形心点并将其按次序连接，得到光纤线包精细几何重构模型。

7、本发明的特点还在于：

8、步骤1具体过程为：采用具有微焦点射线源的工业ct设备以偏置扫描方式对样品光纤线包进行扫描拍摄。

9、步骤2具体过程为：

10、采用射线源发射x射线穿透被检样品光纤线包，并通过平板探测器接收衰减后的光子，以o-xyz为被检样品光纤线包坐标系，o-ab为平板探测器的投影坐标系，s为射线源，o表示旋转中心所在位置；作平行于平板探测器，过o点的虚拟探测器，so’表示射线源的中心射线，sn表示穿过(x,y,z)点的一条射线，sk’为射线sn在xoy面上的投影，取射线源s相对o点旋转的旋转角为β，k为锥角，γ为扇角，r表示射线源到旋转中心的距离；

11、定义加权过程是不同角度的x射线，以射线源为初始起点、以平板探测器为终点所形成的向量在中心射线的投影，加权后得到二维投影数据，采用权重对二维投影数据进行修正，修正公式为：

12、

13、式中，p(β,a,b)为旋转角β下的二维投影数据，a、b表示平板探测器在o-xyz坐标系中投影得到二维图像的坐标，pw(β,a,b)为修正后得到的二维投影数据；

14、对修正后得到的二维投影数据进行时域滤波，表达式为：

15、

16、式中，表示滤波后的二维投影数据，h(a)表示卷积核，表示卷积运算；

17、沿着射线方向对滤波后的二维投影数据进行反投影计算，并对经过体素的所有旋转角度下的反投影数据进行累加求和，得到重建数据f(x,y,z)：

18、

19、式中，n为投影数据的采样次数；

20、将重建数据f(x,y,z)输入三维重建软件voxelstudio recon，得到样品光纤线包高分辨率的三维图像。

21、步骤3具体过程为：

22、步骤3.1、以光纤线包的三维图像底部端面圆心为原点，垂直于光纤线包底部端面的轴线为z轴，建立半极坐标系，将三维图像沿圆周方向，以g为步长，在半极坐标系的ρoz平面上截取n个光纤线包二维截面图像，得到二维截面图像堆栈i1～in；

23、

24、步骤3.2、对二维截面图像i1～in进行图像增强处理，得到增强后的二维截面图像i1’～in’；

25、步骤3.3、使用局部自适应阈值二值化算法对增强后的二维截面图像i1’～in’进行二值化处理，得到二值化的二维截面图像i1”～in”。

26、步骤3.2具体过程为：

27、对二维截面图像i1～in绘制灰度分布直方图，由灰度分布直方图得光纤线包二维截面图像的像素灰度级分布在[min,max]之间，并且所有像素的灰度最大值为max，将光纤线包二维截面图像的灰度范围[min,max]线性扩展至[0,255]；对于图像中的任意点的灰度值tb(x,y)进行线性灰度变换，变换公式为：

28、

29、变换后任意点灰度值为ta(x,y)，变换后得到增强后的图像i1’～in。

30、步骤3.3具体过程为：通过计算选取不同邻域半径时同一区域内连通域数量nr与实际光纤截面数量n的相对差值δ，比较得出能实现最佳二值化效果的局部自适应阈值二值化方法所需的邻域半径ρ，δ计算公式为：

31、

32、计算任意像素点的ρ邻域内灰度均值m(x,y)与标准方差s(x,y)：

33、

34、

35、其中，h(i,j)是点(x,y)的ρ邻域内任一像素点的灰度值；

36、计算ρ邻域内每一像素点的二值化阈值计算公式为：

37、

38、式中，ε为去噪系数，由经验预先设定；

39、每个像素点的灰度值如果大于二值化阈值就设置为白色，否则设置为白色，得到二值化的二维截面图像i1”～in”。

40、步骤4中计算二维截面图像中各连通域的形心具体过程为：使用matlab中形心计算工具regionprops，获取第i个二维截面图像的二值化图像中所有连通域的形心位置及其二维形心坐标(x0,y0)，i＝1,2，…，n，将二维形心坐标(x0,y0)转化为三维柱坐标，即光纤纤芯截面的形心坐标，转换公式为：

41、

42、式中，ρ、z、θ即对应柱坐标系的三维坐标，n为将三维图像沿圆周方向截取得到的二维截面图像的数量。

43、根据光纤连线重构算法，识别出光纤截面中的关联形心点并将其按次序连接具体过程为：

44、设光纤直径为d，芯筒直径为d，手动选取起始点p(l,m,q)，柱坐标为(ρ0,θ0,z0)，表示第l层第m匝光纤第q个截面上的光纤纤芯形心点，l，m，q皆为正整数，

45、在第q+1个截面中找到起始点p(l,m,q)的半径为δ的邻域；

46、定义两个相邻截面上相关联的光纤纤芯截面形心点为关联形心点，计算光纤退绕时的相邻两截面关联形心点之间的最大距离为χ'，计算公式为：

47、

48、计算δ邻域中各点与起始点p(l,m,q)的距离；

49、

50、若计算得到的最小距离χmin<χ'，则该距离最小点即为q+1截面中的关联形心点p(l,m,q+1)，连接点p(l,m,q)与p(l,m,q+1)；

51、若计算得到的最小距离χmin≥χ'，则设k+1截面中的关联形心点p(l,m,q+1)柱坐标为(ρ0，θ0+1，z0)，连接点p(l,m,q)与p(l,m,q+1)；

52、依次识别所有截面的关联形心点并连接，即完成一匝光纤的连线；

53、当时，将点p(l,m,q)的三维柱坐标设为下一匝光纤连线起始点p(l,m,q+1)的坐标，再依次遍历所有截面寻找各截面上的关联点，完成下一匝光纤的连线；直到将需重构区域重构完成。

54、本发明有益效果是：

55、本发明光纤线包精细几何重构建模方法，采用高分辨率工业ct设备拍摄得到的高分辨率三维图像进行重构，第一次观测到大尺寸复杂光纤线包内部的精细缠绕结构；

56、本发明通过将三维图像离散为二维截面图像，再采用线性图像增强、局部自适应阈值二值化等数字图像处理技术，准确得到了光纤纤芯截面形心在各层、各角度、各匝的三维坐标，得到了重构建模的数据基础；

57、本发明使用基于距离计算判定关联形心点的光纤连线重构算法，能够实现光纤线包感兴趣区域的精细几何重构建模，准确重构出大尺寸复杂光纤线包内部的光纤真实缠绕结构。