本發(fā)明屬于焦炭顯微圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建方法。

背景技術(shù)：

焦炭是一種多孔脆性且含有裂紋的復(fù)合材料，在高爐內(nèi)直接影響高爐順行和熱狀態(tài)，因此是高爐重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一。同時(shí)焦炭也作為供熱劑、還原劑和料柱骨架，對(duì)高爐煉鐵起著至關(guān)重要的作用。因此，通過(guò)較深入的了解焦炭氣孔和焦炭光學(xué)組織在焦炭?jī)?nèi)部的分布有助于提高焦炭利用率，從而降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。所以，如何深入了解焦炭?jī)?nèi)部顯微結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)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、分辨率及色彩信息上都相同，不能充分顯示其復(fù)雜的三維細(xì)節(jié)，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征。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員普遍通過(guò)二維圖像對(duì)焦炭顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。然而，在二維分析中，基質(zhì)的連續(xù)性被低估了。因此，很有必要研究焦炭三維顯微結(jié)構(gòu)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，三維重建技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在醫(yī)療、虛擬現(xiàn)實(shí)、軍事、廣告?zhèn)髅降戎T多領(lǐng)域。這些成熟的技術(shù)大部分是采用投射激光、面結(jié)構(gòu)光等主動(dòng)手段，能獲取較為精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)，但存在系統(tǒng)操作復(fù)雜、成本高和表面變化不能實(shí)時(shí)跟蹤等缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，目的是提供了一種操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、靈活性高和成本低的焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建方法，用該方法得到的焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖能直觀、準(zhǔn)確地反映焦炭顯微結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案的具體步驟是：

步驟一、先在焦炭表面選取一個(gè)區(qū)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(duì)焦炭顯微圖片集進(jìn)行平滑處理，然后拼接融合，得到焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖。

所述金相顯微鏡的放大倍數(shù)為n倍，n為自然數(shù)，40≤n≤200。

步驟二、利用3D Slicer軟件，對(duì)步驟一所述焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖采用體繪制技術(shù)進(jìn)行三維重建，得到體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

步驟三、對(duì)步驟二所述體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖的焦炭氣孔和焦炭基質(zhì)進(jìn)行人工識(shí)別，再對(duì)人工識(shí)別后的焦炭氣孔和焦炭基質(zhì)涂以不同顏色，然后基于不同顏色的邊緣輪廓線進(jìn)行分割，得到分割后的體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

步驟四、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖從X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行1/2、或1/4、或1/8剖切處理，得到相應(yīng)的焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維剖視圖。

步驟五、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖中焦炭基質(zhì)的透明度設(shè)為0，焦炭氣孔的透明度設(shè)為1，得到焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維透視圖。

步驟六、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖用3D Slicer軟件統(tǒng)計(jì)焦炭氣孔所占像素點(diǎn)，按長(zhǎng)度/像素的換算關(guān)系，計(jì)算出氣孔率。

步驟七、對(duì)步驟一所述焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖的焦炭光學(xué)組織進(jìn)行人工識(shí)別，對(duì)人工識(shí)別后的焦炭光學(xué)組織涂以不同顏色，再基于不同顏色的邊緣輪廓線進(jìn)行分割，然后對(duì)分割后的焦炭光學(xué)組織采用面繪制技術(shù)進(jìn)行三維重建，得到面繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)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(gè)方形區(qū)域，該方形區(qū)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(dòng)，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(duì)應(yīng)像素的灰度值，每個(gè)像素都被掃描一次后則為平滑處理。

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(shí)先去掉相鄰的焦炭顯微圖片的重疊部分。

所述三維重建是基于相鄰層配準(zhǔn)的插值方法對(duì)焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行插值處理。

所述分割過(guò)程是采用自動(dòng)分割與手工分割相結(jié)合的人機(jī)交互處理方法。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本發(fā)明提供的焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建方法，利用金相顯微鏡能得到不同倍數(shù)的焦炭顯微圖片集，通過(guò)濾波法經(jīng)平滑處理后進(jìn)行拼接融合，得到焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖，獲得了較廣的組織分布圖，從而全面得到焦炭顯微結(jié)構(gòu)信息。

（2）本發(fā)明利用3D Slicer軟件對(duì)焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行三維重建，得到體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖，克服了傳統(tǒng)二維分析方法的缺陷。通過(guò)旋轉(zhuǎn)可從各個(gè)角度更全面、直觀地觀察焦炭?jī)?nèi)部的三維形貌特征。

（3）本發(fā)明通過(guò)分割、剖切和透視，依次得到分割后的體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖、焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維剖視圖和焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維透視圖，能更加準(zhǔn)確和直觀地觀察到氣孔在焦炭?jī)?nèi)部呈貫穿型及連通型等氣孔，亦能觀察到氣孔和焦炭基質(zhì)的相互交織和焦炭光學(xué)組織在三維空間的分布與毗鄰關(guān)系。

（4）本發(fā)明基于相鄰層配準(zhǔn)的插值方法對(duì)焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行插值處理，可提高重建的精度；在分割過(guò)程中采用自動(dòng)分割與手工分割相結(jié)合的人機(jī)交互處理方法，提高了重建準(zhǔn)確度。

（5）本發(fā)明只需要金相顯微鏡和計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)軟件，便可實(shí)現(xiàn)焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、靈活性高和成本低。

因此，本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、靈活性高和成本低的特點(diǎn)，所得到的焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖能直觀、準(zhǔn)確地反映焦炭?jī)?nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)，適用于焦炭顯微結(jié)構(gòu)的研究。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的一種頂裝焦顯微圖片集；

圖2是對(duì)圖1拼接融合后的頂裝焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖；

圖3是對(duì)圖2進(jìn)行三維重建后的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖；

圖4是對(duì)圖3分割后的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖；

圖5是由圖4得到的頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建透視圖；

圖6是由圖2得到的面繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖；

圖7是本發(fā)明的一種搗固焦顯微圖片集；

圖8是對(duì)圖7拼接融合后的搗固焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖；

圖9是對(duì)圖8進(jìn)行三維重建后的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖；

圖10是對(duì)圖9分割后的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖；

圖11是由圖10得到的搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建透視圖；

圖12是由圖8得到的面繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。

實(shí)施例1

一種頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建方法。本實(shí)施例所述制備方法的具體步驟是：

步驟一、先在頂裝焦表面選取一個(gè)區(qū)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(duì)頂裝焦顯微圖片集進(jìn)行平滑處理，然后拼接融合，得到如圖2所示的頂裝焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖。

所述金相顯微鏡的放大倍數(shù)為n倍，n為40。

步驟二、利用3D Slicer軟件，對(duì)步驟一所述頂裝焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖采用體繪制技術(shù)進(jìn)行三維重建，得到如圖3所示的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

步驟三、對(duì)步驟二所述體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖的頂裝焦氣孔和頂裝焦基質(zhì)進(jìn)行人工識(shí)別，再對(duì)人工識(shí)別后的頂裝焦氣孔和頂裝焦基質(zhì)涂以不同顏色，然后基于不同顏色的邊緣輪廓線進(jìn)行分割，得到如圖4所示的分割后的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

步驟四、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖從X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行1/2剖切處理，得到頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維剖視圖。

步驟五、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖中頂裝焦基質(zhì)的透明度設(shè)為0，頂裝焦氣孔的透明度設(shè)為1，得到如圖5所示的頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維透視圖。

步驟六、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖用3D Slicer軟件統(tǒng)計(jì)頂裝焦氣孔所占像素點(diǎn)，按長(zhǎng)度/像素的換算關(guān)系，計(jì)算出氣孔率。

步驟七、對(duì)步驟一所述頂裝焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖的頂裝焦光學(xué)組織進(jìn)行人工識(shí)別，對(duì)人工識(shí)別后的頂裝焦光學(xué)組織涂以不同顏色，再基于不同顏色的邊緣輪廓線進(jìn)行分割，然后對(duì)分割后的頂裝焦光學(xué)組織采用面繪制技術(shù)進(jìn)行三維重建，得到如圖6所示的面繪制頂裝焦顯微結(jié)構(gòu)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(gè)方形區(qū)域，該方形區(qū)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(dòng)，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(duì)應(yīng)像素的灰度值，每個(gè)像素都被掃描一次后則為平滑處理。

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(shí)先去掉相鄰的頂裝焦顯微圖片的重疊部分。

所述三維重建是基于相鄰層配準(zhǔn)的插值方法對(duì)頂裝焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行插值處理。

所述分割過(guò)程是采用自動(dòng)分割與手工分割相結(jié)合的人機(jī)交互處理方法。

實(shí)施例2

一種搗固焦顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建方法。本實(shí)施例所述制備方法的具體步驟是：

步驟一、先在搗固焦表面選取一個(gè)區(qū)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(duì)搗固焦顯微圖片集進(jìn)行平滑處理，然后拼接融合，得到如圖8所示的搗固焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖。

所述金相顯微鏡的放大倍數(shù)為n倍，n為200。

步驟二、利用3D Slicer軟件，對(duì)步驟一所述搗固焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖采用體繪制技術(shù)進(jìn)行三維重建，得到如圖9所示的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

步驟三、對(duì)步驟二所述體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖的搗固焦氣孔和搗固焦基質(zhì)進(jìn)行人工識(shí)別，再對(duì)人工識(shí)別后的搗固焦氣孔和搗固焦基質(zhì)涂以不同顏色，然后基于不同顏色的邊緣輪廓線進(jìn)行分割，得到如圖10所示的分割后的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖。

步驟四、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖從X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行1/8剖切處理，得到搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維剖視圖。

步驟五、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖中搗固焦基質(zhì)的透明度設(shè)為0，搗固焦氣孔的透明度設(shè)為1，得到如圖11所示的搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維透視圖。

步驟六、對(duì)步驟三所述分割后的體繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖用3D Slicer軟件統(tǒng)計(jì)搗固焦氣孔所占像素點(diǎn)，按長(zhǎng)度/像素的換算關(guān)系，計(jì)算出氣孔率。

步驟七、對(duì)步驟一所述搗固焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖的搗固焦光學(xué)組織進(jìn)行人工識(shí)別，對(duì)人工識(shí)別后的搗固焦光學(xué)組織涂以不同顏色，再基于不同顏色的邊緣輪廓線進(jìn)行分割，然后對(duì)分割后的搗固焦光學(xué)組織采用面繪制技術(shù)進(jìn)行三維重建，得到如圖12所示的面繪制搗固焦顯微結(jié)構(gòu)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(gè)方形區(qū)域，該方形區(qū)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(dòng)，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(duì)應(yīng)像素的灰度值，每個(gè)像素都被掃描一次后則為平滑處理。

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(shí)先去掉相鄰的搗固焦顯微圖片的重疊部分。

所述三維重建是基于相鄰層配準(zhǔn)的插值方法對(duì)搗固焦斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行插值處理。

所述分割過(guò)程是采用自動(dòng)分割與手工分割相結(jié)合的人機(jī)交互處理方法。

本具體實(shí)施方式與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）本具體實(shí)施方式提供的焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建方法，利用金相顯微鏡能得到不同倍數(shù)的焦炭顯微圖片集，通過(guò)濾波法經(jīng)平滑處理后進(jìn)行拼接融合，得到焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖，獲得了較廣的組織分布圖，從而全面得到焦炭顯微結(jié)構(gòu)信息。

（2）本具體實(shí)施方式利用3D Slicer軟件對(duì)焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行三維重建，得到體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖，克服了傳統(tǒng)二維分析方法的缺陷。通過(guò)旋轉(zhuǎn)可從各個(gè)角度更全面、直觀地觀察焦炭?jī)?nèi)部的三維形貌特征。

（3）本具體實(shí)施方式通過(guò)分割、剖切和透視，依次得到分割后的體繪制焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維重建圖、焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維剖視圖和焦炭顯微結(jié)構(gòu)三維透視圖，能更加準(zhǔn)確和直觀地觀察到氣孔在焦炭?jī)?nèi)部呈貫穿型及連通型等氣孔，亦能觀察到氣孔和焦炭基質(zhì)的相互交織和焦炭光學(xué)組織在三維空間的分布與毗鄰關(guān)系。

（4）本具體實(shí)施方式基于相鄰層配準(zhǔn)的插值方法對(duì)焦炭斷層序列二維顯微結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行插值處理，可提高重建的精度；在分割過(guò)程中采用自動(dòng)分割與手工分割相結(jié)合的人機(jī)交互處理方法，提高了重建準(zhǔn)確度。

（5）本具體實(shí)施方式只需要金相顯微鏡和計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)軟件，便可實(shí)現(xiàn)焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖的三維重建，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、靈活性高和成本低。

因此，本具體實(shí)施方式具有操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、靈活性高和成本低的特點(diǎn)，所得到的焦炭顯微結(jié)構(gòu)圖能直觀、準(zhǔn)確地反映焦炭?jī)?nèi)部的顯微結(jié)構(gòu)，適用于焦炭顯微結(jié)構(gòu)的研究。