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VGStudioMAX2


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计算机技术与应用

2011 年第 31 卷第 5 期

VGStudio MAX 2. 0 软件在 CT 图像 三维重建中的应用
张于北,王倩妮
( 中航工业北京航空材料研究院 检测中心,北京 100095)
摘 要: 为发展和应用工业 CT 测量技术,提高航空零部件无损检测质

量,我们在现有工业 CT 机二维计

算机层析的基础上,使用三维重建专业软件 VGStudio MAX 2. 0,对被检工件的系列二维 CT 图进行重建,得到 三维数据模型。计算机重建的工件可以实现更高级的几何显示功能、结构复杂部位的尺寸测量以及缺陷的检测 分析,让人们对产品的整体结构和质量有更为全面、深刻的了解。 关键词: 无损检测; VGStudio MAX 2. 0; 工业 CT; 测量; 三维重建 中图分类号: TH878 文献标识码: B 文章编号: 1674 - 5795 ( 2011) 05 - 0030 - 03

Application of Software VGStudio MAX 2. 0 in 3D Reconstruction of Industrial Computed Tomography Images
ZHANG Yubei,WANG Qianni
( Inspection Center,AVIC Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China) Abstract: To develop the measurement technique of Industrial Computed Tomography ( ICT) and obtain a higher NDT quality for aircraft parts,we reconstructed 2D ICT images by using software VGStudio MAX 2. 0. Three dimensional models of the testing parts were produced. Many advanced applications such as 3D demonstration,size measurement of complicated part as well as defects analysis were carried out,so that we can deeply know the structure and the quality of a product. Key words: NDT; VGStudio MAX 2. 0; ICT; measurement; 3D reconstruction

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引言

进入本世纪以来, 工业 CT 技术在应用上的一个 重大进步是三维可视化技术及其软件的发展 。科学计 算可视化技术将一系列二维 CT 图像重构成三维结 构,建立被检工件的三维数据库集,人们可以在计算 机上十分方便地对工件的任意方向或位置进行剖切 , 检查工件的所有细节部分; 同时又可对工件的整体布 局结构获得更为直观、 全面的了解。 工业 CT 技术不 仅在产品检测环节发挥作用,同时也参与到产品的设 计环节中,更多地影响着产品的生产进程。随着工业 CT 技术在逆向工程方面的日益增多的应用, 人们对 工业 CT 检测结果的概念也逐渐从单幅的二维 CT 图 片换成了整体的三维 CT 形象。 一些先进的、 功能强 大的工业 CT 后处理软件在所有的这些革命性变化中
收稿日期: 2011 - 08 - 03 作者简介: 张于北 ( 1957 - ) ,男,高级工程师,博士,从事 光学测量和无损检测研究。

发挥了重要作用,并越来越多地引导着工业 CT 技术 的应用。

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三维重建软件的功能

工业 CT 三维重建软件一般包括如下几个方面的 功能: 1) 三维数 据 重 构 与 显 示。 工 件 可 进 行 空 间 移 动、旋转、放大、缩小、剖切,在不同的断层位置都 可以形成切剖后新的三维模型,实现实时的三维图像 可视化。 2) 三维测量。 平面、 空间的尺寸测量, 包括内 部间隙、厚度、体积、面积测量。可通过颜色的变化 表示测量量值的大小。特别是在进行壁厚测量时,对 工件壁厚的整体情况一目了然,使检测直观方便。 3) 缺陷检测和分析。 通过密度测量发现内部缺 陷。采用透明或半透明的方式展示缺陷的位置 ,并以 不同颜色表征缺陷的大小。把全部缺陷在工件中的三 维空间分布情况清晰地呈现在人们面前 。对于结构复 杂的大型金属铸件的工艺改进,这样的检测结果将为

计测技术 工件制造的设计和工艺人员提供依据性的帮助 。 4) 数据比较。三维重建后的结果, 可与原设计 数据或检测人员提供的参照物进行三维比较 ,得到数 值或空间位置上的差异; 并在工件相对应的部位,施 以不同颜色来表征差异的大小。 5) 可以对点或线的位置进行测量及定位, 并可 以测量灰度值。可以定义平面,对平面进行测量,同 时进行属性分析,包括灰度值和像素值的统计,得到 面积、平均值、偏差值等。 6 ) 生 成 三 维 内 外 表 面 网 格 数 据。 输 出 STL, VRML 等标准格式的数据文件,以便以后直接导入到 通用的 CAD,CAM 和有限元分析软件及快速成型机 中。

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近年来,围绕着各类科研生产任务,针对不同的 应用,我们开展了工业 CT 三维重建、 零部件三维立 体旋转展示、零部件任意截面剖切、零部件内缺陷的 发现和分布等方面的实验研究。下面以某铸铝工件为 例,介绍北京航空材料研究院检测中心应用 VGStudio MAX 2. 0 软件的一些情况。 对于一些形状、结构复杂的铸件,特别是新产品 的介绍和展示,往往希望工件可以任意旋转, 如图 1 所示。人们能从不同角度作全面、 整体性的三维观 察, 详 细 了 解 工 件 的 各 个 部 位、 角 落 的 情 况。 VGStudio MAX 2. 0 软件可以完全满足这种展示需要, 并且用 VGStudio MAX 2. 0 软件的计算机模拟三维展 示比用实物更为方便、灵活,特别是能避免那些沉重 的大型金属件移动、变换位置困难的问题,让实际中 难以做到的事在计算机的帮助下轻松实现 。

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目前商业化的两种三维重建软件

1) Mimics,由比利时 Materialise 公司开发研制, 已有十几年的发展历 史。 最 初 是 为 了 医 学 CT 而 设 计,以后拓展到工程领域。目前可以应用于医学和工 程模型制造、有限元分析、多孔结构分析等。 Mimics 可以将断层扫描图像 ( 如 CT / MRI) 精确 地重建为三维模型,得到分析计算所需要的单元,并 通过相应的文件格式给到第三方分析软件。Mimics 支持的分析软件有 Patran,Ansys,Ansys workbench, Abaqus,Fluent,Nastran,Comsol 等。Mimics 在将模 型输出到第三方软件之前, 还可以进一步优化模型, 包括对模型的几何简化和网格质量的优化 ,从而使得 后续的处理更加方便, 快捷。Mimics 不仅可以提供 一个精确的模型,更重要的是它可以计算出单元的灰 度值,并根据灰度值和材料属性的经验公式 ,对单元 分配材质。使仿真能够更加准确地反映真实的结构特 点。 Mimics 有良好的逆向工程应用性, 可以通过不 同的输出格式,将断层扫描图像与 FEA / CFD 链接起 来,从而为后续的分析提供一个精确的模型 。输出的 文 件 格 式 包 括 ASCIISTL, Binay STL, DXF, VRML2. 0,Point Clouds。 2) VGStudio MAX,由德国 Volume Graphics 公司 开发。是一套专门用于 工 业 CT 三 维 重 建 的 商 业 软 件。尽管操作复杂, 但只要按照 Volume Graphics 公 司编的专用培训教材和软件一步步练习 ,是比较容易 学会和掌握的。除了上面介绍的通用功能外,它的一 个显著特点是具有强大的展示功能 。其输出文件格式 有 STL,VRML,OFF,Point cloud 等。

图1

能任意方向旋转的三维显示

在复杂精铸金属部件的检测中,很重要的一方面 是通过检查部件剖面的情况了解部件内部的质量 。不 但要求对常规的标准位置的剖面情况 ( 如图 2 所示 的工件分别在 Z,Y,X 轴上的剖面图 ) 要掌握, 对 特殊的或任意指定位置的剖面情况也必须掌握 ,力求 百分 之 百 地 了 解 被 检 部 件 的 质 量 情 况 。 VGStudio MAX 2. 0 软件的任意截面位置的剖切功能, 正是针 对工程实际中的这种需求而设置 。它可以让用户任意 地选择关心的部位进行剖切,详尽入微地了解工件的 每个末端或细节, 突出某一个局部, 放大微小的部 位。把被检部件的真实情况详细地展现在观察者面 前。仿佛人们可以随心所欲地进入零件内部 ,任凭你 全面地检查一切可能出现缺陷或值得怀疑的地方 ,找 出存在的缺陷,最大限度地排除和避免漏检的发生。 VGStudio MAX 2. 0 软件还可以随意地存储各个剖切 后的零件模型,以备份缺陷信息,方便以后的研究和 展示。如图 3 所示, 当用户发现工件的低密、 夹杂、 气孔等缺陷后,可以依照需要,随时定格图像,存储 单幅照片或连续的录影文件,建立全面、完整的检测 资料档案。 VGStudio MAX 2. 0 软 件 比 较 以 前 的 1. 0 版 本, 增加了一个重要的实用功能: 模型透明度的调节,运

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基于 VGStudio MAX 2. 0 的实验

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2011 年第 31 卷第 5 期 缺陷空间分布,对于鉴定该产品的设计、工艺水平及 合理性是非常重要的,它为设计人员与工艺流程的制 定者提供了有益的参考信息,并对产品的质量做出了 全面、直观的显示。

图2

在 Z,Y,X 轴上的剖面图

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结论和讨论

实 验 结 果 表 明, 就 一 般 的 工 业 检 测 而 言, VGStudio MAX 2. 0 软件具有良好的实用性和展示性。 通过三维显示和对零部件的任意方向、 位置的剖切, 能对零件内部的缺陷做较为直观的观察 ,对缺陷的形 状、大小、位置和分布加深了解。被测物体的透明化 功能进一步从整体上强化了观察效果 ,使零件的内部 缺陷一目了然。这款软件适用于对零件形状和缺陷的 三维展示。 然而,VGStudio MAX 2. 0 软件生成的三

图3

工件在任意位置做切剖后形成的模型

行这种功能可以使工件由初始的不透明实体状态渐变 为透明状态。而工件内部不同密度部位的透明程度是 不一样的,因而可以将工件正常部位与低密、 夹杂、 气孔等缺陷部位有效地区分开来 ,形成工件缺陷空间 分 布 的 完 整 展 示 , 图4 所 示 。 解 一 种 新 产 品 的 如 了

维模型,距真正意义上的逆向工程所使用的三维模型 还有一定的距离,需要完成 CAD 模型等专业工作。 参 考 文 献
[ 张朝宗,郭志平,张朋,等. 工业 CT 技术和原理 [ . 1] M] 北京: 科学出版社,2009. [ 荣烈润. 面向 21 世纪反求工程技术 [J] 机电一体化, 2] . 2006 ( 6) : 6 - 10. [ 史桂蓉,邢渊,张永清. 反向工程数据获取和几何建模 3] J] 方法 [ . 机械科学与技术,2000,19 ( 9) : 161 - 163. [ 李燕,谭 鸥,段 会 龙. 三 维 医 学 图 像 可 视 化 技 术 综 述 4] [ . 中国图像图形学报,2001,6 ( S2) : 103 - 110. J] [ 刘力,王燕芳,阎永康. 基于 ICT 断层扫描图像的逆向 5] . 工程功能设计 [J] 中国体视学与图像分析,2005,10 ( 3) : 158 - 161. [ Hsieh J. 计算机断层成像技术──原理、设计、伪像和 6] M] 进展 [ . 谢强 译. 北京: 科学出版社,2006.

图4

工件透明化后,缺陷的空间分布

檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮 ( 上接第 21 页) 段的情况较多,在中低温段的测量点测得的值与标准 值吻合完好,而在高温段测量值产生了较大偏差 ; 机 舱内测温的二次仪表和连接线缆在低温段受到复杂环 境的影响较小,能够准确显示传感器所测得的温度, 但是在高温段工作时由于测量温度与室温差距较大 , 显示结果受到了一定影响; 机舱内的复杂环境特别是 高温对热电偶温度传感器产生了一定影响 ,使得传感 器在高温测量时结果失真,测量结果偏高。 参 考 文 献
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