一種焦炭顯微結構圖的三維重建方法與流程

2023-06-15 00:35:56

本發明屬於焦炭顯微圖像處理技術領域。具體涉及一種焦炭顯微結構圖的三維重建方法。

背景技術：

焦炭是一種多孔脆性且含有裂紋的複合材料，在高爐內直接影響高爐順行和熱狀態，因此是高爐重要技術經濟指標之一。同時焦炭也作為供熱劑、還原劑和料柱骨架，對高爐煉鐵起著至關重要的作用。因此，通過較深入的了解焦炭氣孔和焦炭光學組織在焦炭內部的分布有助於提高焦炭利用率，從而降低生產成本，提高經濟效益。所以，如何深入了解焦炭內部顯微結構是當前研究的熱點和難點之一。

斷層序列是物體在不同位置上的截面信息的一系列二維圖像，這些圖像在大小、解析度及色彩信息上都相同，不能充分顯示其複雜的三維細節，而且各相鄰二維圖像在空間上相鄰且保持一定距離，所以斷層序列在空間上具備三維特徵。

近年來，國內外技術人員普遍通過二維圖像對焦炭顯微結構進行分析。然而，在二維分析中，基質的連續性被低估了。因此，很有必要研究焦炭三維顯微結構。隨著計算機技術和圖像處理技術的發展，三維重建技術已經成功應用在醫療、虛擬實境、軍事、廣告傳媒等諸多領域。這些成熟的技術大部分是採用投射雷射、面結構光等主動手段，能獲取較為精準的三維數據，但存在系統操作複雜、成本高和表面變化不能實時跟蹤等缺陷。

技術實現要素：

本發明旨在克服現有技術的不足，目的是提供了一種操作簡單、實用、靈活性高和成本低的焦炭顯微結構圖的三維重建方法，用該方法得到的焦炭顯微結構圖能直觀、準確地反映焦炭顯微結構。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案的具體步驟是：

步驟一、先在焦炭表面選取一個區域作為待重建面，用金相顯微鏡拍攝所述待重建面，得到焦炭顯微圖片集。再用濾波法對焦炭顯微圖片集進行平滑處理，然後拼接融合，得到焦炭斷層序列二維顯微結構圖。

所述金相顯微鏡的放大倍數為n倍，n為自然數，40≤n≤200。

步驟二、利用3D Slicer軟體，對步驟一所述焦炭斷層序列二維顯微結構圖採用體繪製技術進行三維重建，得到體繪製焦炭顯微結構三維重建圖。

步驟三、對步驟二所述體繪製焦炭顯微結構三維重建圖的焦炭氣孔和焦炭基質進行人工識別，再對人工識別後的焦炭氣孔和焦炭基質塗以不同顏色，然後基於不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，得到分割後的體繪製焦炭顯微結構三維重建圖。

步驟四、對步驟三所述分割後的體繪製焦炭顯微結構三維重建圖從X軸、Y軸、Z軸進行1/2、或1/4、或1/8剖切處理，得到相應的焦炭顯微結構三維剖視圖。

步驟五、對步驟三所述分割後的體繪製焦炭顯微結構三維重建圖中焦炭基質的透明度設為0，焦炭氣孔的透明度設為1，得到焦炭顯微結構三維透視圖。

步驟六、對步驟三所述分割後的體繪製焦炭顯微結構三維重建圖用3D Slicer軟體統計焦炭氣孔所佔像素點，按長度/像素的換算關係，計算出氣孔率。

步驟七、對步驟一所述焦炭斷層序列二維顯微結構圖的焦炭光學組織進行人工識別，對人工識別後的焦炭光學組織塗以不同顏色，再基於不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，然後對分割後的焦炭光學組織採用面繪製技術進行三維重建，得到面繪製焦炭顯微結構三維重建圖。

所述平滑處理是在焦炭顯微圖片集中的任一副焦炭顯微圖片上取一個方形區域，該方形區域稱為平滑窗口；用所述平滑窗口在所述焦炭顯微圖片上滑動，用平滑窗口所覆蓋像素中的中間灰度值代替平滑窗口所對應像素的灰度值，每個像素都被掃描一次後則為平滑處理。

所述拼接融合是將焦炭顯微圖片集中的所有焦炭顯微圖片按相鄰位置拼接為一幅，拼接時先去掉相鄰的焦炭顯微圖片的重疊部分。

所述三維重建是基於相鄰層配準的插值方法對焦炭斷層序列二維顯微結構圖進行插值處理。

所述分割過程是採用自動分割與手工分割相結合的人機互動處理方法。

採用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有以下優點：

（1）本發明提供的焦炭顯微結構圖的三維重建方法，利用金相顯微鏡能得到不同倍數的焦炭顯微圖片集，通過濾波法經平滑處理後進行拼接融合，得到焦炭斷層序列二維顯微結構圖，獲得了較廣的組織分布圖，從而全面得到焦炭顯微結構信息。

（2）本發明利用3D Slicer軟體對焦炭斷層序列二維顯微結構圖進行三維重建，得到體繪製焦炭顯微結構三維重建圖，克服了傳統二維分析方法的缺陷。通過旋轉可從各個角度更全面、直觀地觀察焦炭內部的三維形貌特徵。

（3）本發明通過分割、剖切和透視，依次得到分割後的體繪製焦炭顯微結構三維重建圖、焦炭顯微結構三維剖視圖和焦炭顯微結構三維透視圖，能更加準確和直觀地觀察到氣孔在焦炭內部呈貫穿型及連通型等氣孔，亦能觀察到氣孔和焦炭基質的相互交織和焦炭光學組織在三維空間的分布與毗鄰關係。

（4）本發明基於相鄰層配準的插值方法對焦炭斷層序列二維顯微結構圖進行插值處理，可提高重建的精度；在分割過程中採用自動分割與手工分割相結合的人機互動處理方法，提高了重建準確度。

（5）本發明只需要金相顯微鏡和計算機及其相應軟體，便可實現焦炭顯微結構圖的三維重建，操作簡單、實用、靈活性高和成本低。

因此，本發明具有操作簡單、實用、靈活性高和成本低的特點，所得到的焦炭顯微結構圖能直觀、準確地反映焦炭內部的顯微結構，適用於焦炭顯微結構的研究。

附圖說明

圖1是本發明的一種頂裝焦顯微圖片集；

圖2是對圖1拼接融合後的頂裝焦斷層序列二維顯微結構圖；

圖3是對圖2進行三維重建後的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖；

圖4是對圖3分割後的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖；

圖5是由圖4得到的頂裝焦顯微結構三維重建透視圖；

圖6是由圖2得到的面繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖；

圖7是本發明的一種搗固焦顯微圖片集；

圖8是對圖7拼接融合後的搗固焦斷層序列二維顯微結構圖；

圖9是對圖8進行三維重建後的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖；

圖10是對圖9分割後的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖；

圖11是由圖10得到的搗固焦顯微結構三維重建透視圖；

圖12是由圖8得到的面繪製搗固焦顯微結構三維重建圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的描述，並非對本發明保護範圍的限定。

實施例1

一種頂裝焦顯微結構圖的三維重建方法。本實施例所述製備方法的具體步驟是：

步驟一、先在頂裝焦表面選取一個區域作為待重建面，用金相顯微鏡拍攝所述待重建面，得到如圖1所示的頂裝焦顯微圖片集。再用濾波法對頂裝焦顯微圖片集進行平滑處理，然後拼接融合，得到如圖2所示的頂裝焦斷層序列二維顯微結構圖。

所述金相顯微鏡的放大倍數為n倍，n為40。

步驟二、利用3D Slicer軟體，對步驟一所述頂裝焦斷層序列二維顯微結構圖採用體繪製技術進行三維重建，得到如圖3所示的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖。

步驟三、對步驟二所述體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖的頂裝焦氣孔和頂裝焦基質進行人工識別，再對人工識別後的頂裝焦氣孔和頂裝焦基質塗以不同顏色，然後基於不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，得到如圖4所示的分割後的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖。

步驟四、對步驟三所述分割後的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖從X軸、Y軸、Z軸進行1/2剖切處理，得到頂裝焦顯微結構三維剖視圖。

步驟五、對步驟三所述分割後的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖中頂裝焦基質的透明度設為0，頂裝焦氣孔的透明度設為1，得到如圖5所示的頂裝焦顯微結構三維透視圖。

步驟六、對步驟三所述分割後的體繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖用3D Slicer軟體統計頂裝焦氣孔所佔像素點，按長度/像素的換算關係，計算出氣孔率。

步驟七、對步驟一所述頂裝焦斷層序列二維顯微結構圖的頂裝焦光學組織進行人工識別，對人工識別後的頂裝焦光學組織塗以不同顏色，再基於不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，然後對分割後的頂裝焦光學組織採用面繪製技術進行三維重建，得到如圖6所示的面繪製頂裝焦顯微結構三維重建圖。

所述平滑處理是在頂裝焦顯微圖片集中的任一副頂裝焦顯微圖片上取一個方形區域，該方形區域稱為平滑窗口；用所述平滑窗口在所述頂裝焦顯微圖片上滑動，用平滑窗口所覆蓋像素中的中間灰度值代替平滑窗口所對應像素的灰度值，每個像素都被掃描一次後則為平滑處理。

所述拼接融合是將頂裝焦顯微圖片集中的所有頂裝焦顯微圖片按相鄰位置拼接為一幅，拼接時先去掉相鄰的頂裝焦顯微圖片的重疊部分。

所述三維重建是基於相鄰層配準的插值方法對頂裝焦斷層序列二維顯微結構圖進行插值處理。

所述分割過程是採用自動分割與手工分割相結合的人機互動處理方法。

實施例2

一種搗固焦顯微結構圖的三維重建方法。本實施例所述製備方法的具體步驟是：

步驟一、先在搗固焦表面選取一個區域作為待重建面，用金相顯微鏡拍攝所述待重建面，得到如圖7所示的搗固焦顯微圖片集。再用濾波法對搗固焦顯微圖片集進行平滑處理，然後拼接融合，得到如圖8所示的搗固焦斷層序列二維顯微結構圖。

所述金相顯微鏡的放大倍數為n倍，n為200。

步驟二、利用3D Slicer軟體，對步驟一所述搗固焦斷層序列二維顯微結構圖採用體繪製技術進行三維重建，得到如圖9所示的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖。

步驟三、對步驟二所述體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖的搗固焦氣孔和搗固焦基質進行人工識別，再對人工識別後的搗固焦氣孔和搗固焦基質塗以不同顏色，然後基於不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，得到如圖10所示的分割後的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖。

步驟四、對步驟三所述分割後的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖從X軸、Y軸、Z軸進行1/8剖切處理，得到搗固焦顯微結構三維剖視圖。

步驟五、對步驟三所述分割後的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖中搗固焦基質的透明度設為0，搗固焦氣孔的透明度設為1，得到如圖11所示的搗固焦顯微結構三維透視圖。

步驟六、對步驟三所述分割後的體繪製搗固焦顯微結構三維重建圖用3D Slicer軟體統計搗固焦氣孔所佔像素點，按長度/像素的換算關係，計算出氣孔率。

步驟七、對步驟一所述搗固焦斷層序列二維顯微結構圖的搗固焦光學組織進行人工識別，對人工識別後的搗固焦光學組織塗以不同顏色，再基於不同顏色的邊緣輪廓線進行分割，然後對分割後的搗固焦光學組織採用面繪製技術進行三維重建，得到如圖12所示的面繪製搗固焦顯微結構三維重建圖。

所述平滑處理是在搗固焦顯微圖片集中的任一副搗固焦顯微圖片上取一個方形區域，該方形區域稱為平滑窗口；用所述平滑窗口在所述搗固焦顯微圖片上滑動，用平滑窗口所覆蓋像素中的中間灰度值代替平滑窗口所對應像素的灰度值，每個像素都被掃描一次後則為平滑處理。

所述拼接融合是將搗固焦顯微圖片集中的所有搗固焦顯微圖片按相鄰位置拼接為一幅，拼接時先去掉相鄰的搗固焦顯微圖片的重疊部分。

所述三維重建是基於相鄰層配準的插值方法對搗固焦斷層序列二維顯微結構圖進行插值處理。

所述分割過程是採用自動分割與手工分割相結合的人機互動處理方法。

本具體實施方式與現有技術相比具有以下優點：

（1）本具體實施方式提供的焦炭顯微結構圖的三維重建方法，利用金相顯微鏡能得到不同倍數的焦炭顯微圖片集，通過濾波法經平滑處理後進行拼接融合，得到焦炭斷層序列二維顯微結構圖，獲得了較廣的組織分布圖，從而全面得到焦炭顯微結構信息。

（2）本具體實施方式利用3D Slicer軟體對焦炭斷層序列二維顯微結構圖進行三維重建，得到體繪製焦炭顯微結構三維重建圖，克服了傳統二維分析方法的缺陷。通過旋轉可從各個角度更全面、直觀地觀察焦炭內部的三維形貌特徵。

（3）本具體實施方式通過分割、剖切和透視，依次得到分割後的體繪製焦炭顯微結構三維重建圖、焦炭顯微結構三維剖視圖和焦炭顯微結構三維透視圖，能更加準確和直觀地觀察到氣孔在焦炭內部呈貫穿型及連通型等氣孔，亦能觀察到氣孔和焦炭基質的相互交織和焦炭光學組織在三維空間的分布與毗鄰關係。

（4）本具體實施方式基於相鄰層配準的插值方法對焦炭斷層序列二維顯微結構圖進行插值處理，可提高重建的精度；在分割過程中採用自動分割與手工分割相結合的人機互動處理方法，提高了重建準確度。

（5）本具體實施方式只需要金相顯微鏡和計算機及其相應軟體，便可實現焦炭顯微結構圖的三維重建，操作簡單、實用、靈活性高和成本低。

因此，本具體實施方式具有操作簡單、實用、靈活性高和成本低的特點，所得到的焦炭顯微結構圖能直觀、準確地反映焦炭內部的顯微結構，適用於焦炭顯微結構的研究。