闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法制造技术

本发明专利技术公开了一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，采用改进的XCT图像处理算法处理二进制泡沫铝X‑CT序列图像，并将其转换成UnsignedChar格式的图像，接着设置泡沫铝体属性，绘制三维细观模型，将体数据映射为屏幕图像，最后显示三维细观模型。本发明专利技术能够有效地解决闭孔泡沫铝XCT断层扫描图像中的胞孔粘连问题；根据XCT断层扫描图像建立的闭孔泡沫铝的三维细观模型，能够准确可靠地建立闭孔泡沫铝封闭的胞孔空气三维细观模型与胞壁三维细观模型，建立的模型与闭孔泡沫铝真实的细观结构完全一致。

Three dimensional meso model modeling algorithm for closed cell aluminum foam

The invention discloses a three-dimensional mesoscopic model modeling algorithm for closed cell aluminum foam, adopts the improved XCT image processing algorithm to process binary foam aluminum X CT CT sequence images, and converts them into UnsignedChar format images, then sets the properties of the aluminum foam body, and draws the three-dimensional mesoscopic model, and maps the volume data into the screen image. Finally, the three-dimensional mesoscopic model is displayed. The invention can effectively solve the problem of cell adhesion in closed cell aluminum foam XCT tomography images. According to the three-dimensional mesoscopic model of closed cell aluminum foams established by XCT tomographic images, the three-dimensional mesoscopic model and cell wall three-dimensional mesoscopic model of closed cell aluminum foam can be established accurately and reliably. The true mesoscopic structure of closed cell aluminum foam is the same.

【技术实现步骤摘要】
闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法
本专利技术属于多胞类材料X-CT（X射线-电子计算机断层扫描）图像处理
，具体涉及一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法。
技术介绍
闭孔泡沫铝材料是一种轻质多孔材料，由于其优良的力学特性，在工程中得到了广泛的应用。对于闭孔泡沫铝材料来说，其主要由基体材料和封闭在胞孔中的空气组成，由于随机分布的细观结构导致其力学性能表现出典型的多尺度特性，需要开发一种能够真实反映其细观结构特性的三维细观模型。中国科学技术大学的郑志军教授采用三维Voronoi技术，专利技术了闭孔泡沫铝的三维细观模型，进一步公开了基于三维Voronoi技术的闭孔泡沫铝三维细观模型建模算法（详见其刊登于杂志“InternationalJournalofSolidsandStructures”的文章“Dynamicstress-strainstatesformetalfoamsusinga3Dcellularmodel”）。这些工作对于闭孔泡沫铝材料的静动态力学性能研究发挥了重要作用。郑志军教授专利技术的闭孔泡沫铝的三维细观模型具有以下两个方面的不足，一是，对于闭孔泡沫铝材料来说，其细观孔壁的厚度是不断变化的，基于三维Voronoi技术建立的三维细观模型，其孔壁厚度都是一样的，与实际情况差别较大。二是，基于三维Voronoi技术建立的闭孔泡沫铝的三维细观模型无法考虑胞孔内封闭的空气。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，解决了两个问题，一是解决了细观胞壁厚度随机性的问题，二是解决了封闭胞孔内空气建模的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，算法步骤如下：第一步，读取图像，采用改进的XCT图像处理算法处理二进制泡沫铝X-CT序列图像，获得BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像，通过vtkBMPReader类，读取上述BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像；第二步，转换图像类型，将上述泡沫铝X-CT图像，通过调用vtkImageCast类，转换成UnsignedChar格式的图像；第三步，设置图像属性，采用vtkVolumeProperty类，设置泡沫铝体属性；第四步，绘制三维细观模型，通过映射器vtkVolumeRayCastMapper类SetInput函数设置输入泡沫铝体数据，然后调用SetVolumeRayCastFunction函数载入已封装好体绘制算法的vtkVolumeRayCastCompositeFunction类将体数据映射为屏幕图像；第五步，显示三维细观模型，通过vtkVolume类将体数据属性与体数据图像结合，建立的泡沫铝三维细观模型。上述第一步中，读取图像，具体方法如下：步骤1-1、输入二进制泡沫铝X-CT序列图像；步骤1-2、提取胞壁骨架图像：调用MATLAB中bwmorph函数的skel运算，在保持二进制泡沫铝X-CT序列图像不被分割开的情况下，不断移除每幅图像的边界，最后得到宽度为1像素的胞壁图像骨架；步骤1-3、识别胞壁图像骨架的交点和末端点：根据交点以及末端点的几何结构，分别建立交点集合和末端点集合，运用滑动窗口法对交点集合和末端点集合分别进行检测，设置检测窗口大小为3×3像素，通过滑动检测窗口遍历每个像素，将每个像素对应的窗口内图像分别与交点集合和末端点集合中的数据进行配对，识别交点和末端点；步骤1-4、通过减法布尔运算，用胞壁图像骨架减去交点得到各个独立骨架，根据末端点的坐标，检索包含末端点的独立骨架，即为断裂骨架；步骤1-5、根据断裂骨架坐标检索粘连胞孔并标记，对标记的粘连胞孔进行距离变换，再根据粘连胞孔的距离图像进行分割，得到初步的分割线；步骤1-6、对初步的分割线进行优化，获得最优分割线；步骤1-7、计算每一条优化的分割线与对应的断裂骨架的夹角，筛选与断裂骨架夹角最小的分割线作为最优分割线；步骤1-8、通过减法布尔运算，用泡沫铝胞孔减去分割线，得到泡沫铝胞孔分割图像，即BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像；步骤1-9、调用vtkBMPReader类中的SetDataExtent函数、SetFilePrefix函数和SetFilePattern函数，首先通过SetDataExtent函数设置输入图像分辨率和图像序列号，再采用SetFilePrefix函数设置文件名相同部分，并用SetFilePattern函数设置文件名中序号变化部分，从而读取BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1）采用改进的XCT图像处理算法，能够有效地解决闭孔泡沫铝XCT断层扫描图像中的胞孔粘连问题；（2）建立了与真实胞壁厚度基本相同的三维细观模型；（3）实现了对闭孔泡沫铝中封闭胞孔内空气的建模；（4）可以在不同的硬件平台上实现快速建模。附图说明图1为本专利技术闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法流程图。图2为本专利技术改进的XCT图像处理算法流程图。图3为本专利技术实施例中不同的XCT图像处理算法结果对比图。图4为本专利技术建立的闭孔泡沫铝的三维细观模型图（胞孔较小），其中图（a）为胞孔模型；图（b）为胞壁模型。图5为本专利技术建立的闭孔泡沫铝的三维细观模型图（胞孔较大），其中图（a）为胞孔模型；图（b）为胞壁模型。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1和图2，本专利技术所述的一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，能够根据闭孔泡沫铝的细观结构特征，基于泡沫铝X-CT序列图像，建立和真实情况基本一致的三维细观模型，具体算法步骤如下：第一步，读取图像，采用改进的XCT图像处理算法处理二进制泡沫铝X-CT序列图像，获得BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像，通过vtkBMPReader类，读取上述BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像，具体方法如下：步骤1-1、输入二进制泡沫铝X-CT序列图像；步骤1-2、提取胞壁骨架图像：调用MATLAB中bwmorph函数的skel运算，在保持二进制泡沫铝X-CT序列图像不被分割开的情况下，不断移除每幅图像的边界，最后得到宽度为1像素的胞壁图像骨架。步骤1-3、识别胞壁图像骨架的交点和末端点：根据交点以及末端点的几何结构，分别建立交点集合和末端点集合，运用滑动窗口法对交点集合和末端点集合分别进行检测，设置检测窗口大小为3×3像素，通过滑动检测窗口遍历每个像素，将每个像素对应的窗口内图像分别与交点集合和末端点集合中的数据进行配对，识别交点和末端点。步骤1-4、通过减法布尔运算，用胞壁图像骨架减去交点得到各个独立骨架，根据末端点的坐标，检索包含末端点的独立骨架，即为断裂骨架。步骤1-5、根据断裂骨架坐标检索粘连胞孔并标记，对标记的粘连胞孔进行距离变换，再根据粘连胞孔的距离图像进行分割，得到初步的分割线；步骤1-6、对初步的分割线进行优化：步骤1-6-1，提取单个分割线，计算与粘连胞孔边缘的交点坐标，判断该交点与末端点的距离，如果所有交点的距离与末端点的距离均大于阈值，则认为该分割线为无效分割线并舍弃，如果存在交点距离与末端点距离小于阈值，则将该点设为基准点并将该分割线保留；步骤1-6-2，通过减法布尔运算，用分割线减去交点集合中的交点，得到分割线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，其特征在于，算法步骤如下：第一步，读取图像，采用改进的XCT图像处理算法处理二进制泡沫铝X‑CT序列图像，获得BMP格式的泡沫铝X‑CT序列图像，通过vtkBMPReader类，读取上述BMP格式的泡沫铝X‑CT序列图像；第二步，转换图像类型，将上述泡沫铝X‑CT图像，通过调用vtkImageCast类，转换成UnsignedChar格式的图像；第三步，设置图像属性，采用vtkVolumeProperty类，设置泡沫铝体属性；第四步，绘制三维细观模型，通过映射器vtkVolumeRayCastMapper类SetInput函数设置输入泡沫铝体数据，然后调用SetVolumeRayCastFunction函数载入已封装好体绘制算法的vtkVolumeRayCastCompositeFunction类将体数据映射为屏幕图像；第五步，显示三维细观模型，通过vtkVolume类将体数据属性与体数据图像结合，建立的泡沫铝三维细观模型。

【技术特征摘要】
1.一种闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，其特征在于，算法步骤如下：第一步，读取图像，采用改进的XCT图像处理算法处理二进制泡沫铝X-CT序列图像，获得BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像，通过vtkBMPReader类，读取上述BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像；第二步，转换图像类型，将上述泡沫铝X-CT图像，通过调用vtkImageCast类，转换成UnsignedChar格式的图像；第三步，设置图像属性，采用vtkVolumeProperty类，设置泡沫铝体属性；第四步，绘制三维细观模型，通过映射器vtkVolumeRayCastMapper类SetInput函数设置输入泡沫铝体数据，然后调用SetVolumeRayCastFunction函数载入已封装好体绘制算法的vtkVolumeRayCastCompositeFunction类将体数据映射为屏幕图像；第五步，显示三维细观模型，通过vtkVolume类将体数据属性与体数据图像结合，建立的泡沫铝三维细观模型。2.根据权利要求1所述的闭孔泡沫铝的三维细观模型建模算法，其特征在于：上述第一步中，读取图像，具体方法如下：步骤1-1、输入二进制泡沫铝X-CT序列图像；步骤1-2、提取胞壁骨架图像：调用MATLAB中bwmorph函数的skel运算，在保持二进制泡沫铝X-CT序列图像不被分割开的情况下，不断移除每幅图像的边界，最后得到宽度为1像素的胞壁图像骨架；步骤1-3、识别胞壁图像骨架的交点和末端点：根据交点以及末端点的几何结构，分别建立交点集合和末端点集合，运用滑动窗口法对交点集合和末端点集合分别进行检测，设置检测窗口大小为3×3像素，通过滑动检测窗口遍历每个像素，将每个像素对应的窗口内图像分别与交点集合和末端点集合中的数据进行配对，识别交点和末端点；步骤1-4、通过减法布尔运算，用胞壁图像骨架减去交点得到各个独立骨架，根据末端点的坐标，检索包含末端点的独立骨架，即为断裂骨架；步骤1-5、根据断裂骨架坐标检索粘连胞孔并标记，对标记的粘连胞孔进行距离变换，再根据粘连胞孔的距离图像进行分割，得到初步的分割线；步骤1-6、对初步的分割线进行优化，获得最优分割线；步骤1-7、计算每一条优化的分割线与对应的断裂骨架的夹角，筛选与断裂骨架夹角最小的分割线作为最优分割线；步骤1-8、通过减法布尔运算，用泡沫铝胞孔减去分割线，得到泡沫铝胞孔分割图像，即BMP格式的泡沫铝X-CT序列图像；步骤1-9、调用vtkBMPReader类中的SetDataExtent函数、SetFilePrefix函数和SetFilePattern函数，首先通过SetDataExtent函数设置输入图像分辨率和图像序列号，再采用SetFilePrefix函数设置文件名...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚栋，张锦华，王贵坤，陈力，范俊余，方秦，彭裴，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32