CN104268940B - 基于ct扫描图像的mems结构重构与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于CT扫描图像的MEMS结构的三维重构与检测方法，以解决现有检测手段检测环境要求高、不能反应其三维形貌的问题，同时保证了MEMS的无损检测。本方法首先采用工业CT技术扫描得到MEMS器件的系列图像，然后进行图像处理并得到其体数据，根据体数据进行表面模型重建，得到MEMS器件的表面三角网格模型。然后对表面模型进行修复，识别并提取其特征信息将器件模型的不同特征划分为不同的特征块，最后对划分好的特征块进行拟合，提取特征参数并导出数据接口文件。通过以上技术手段，实现了MEMS结构的三维尺度结构的准确检测。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS结构的重构与检测，具体为一种基于CT扫描图像的MEMS结构的三维重构和检测方法。
背景技术
MEMS是Micro-Electro-Mechanical System的缩写，全称为微机电系统。MEMS是近年来高速发展的一项高新技术，涉及多个学科交叉，其产品外形轮廓在毫米量级以下，纳米量级以上。由于MEMS产品体型超小，故而具有许多常规机械产品所不具有的光学、电学等特性，使得MEMS技术在许多领域具有十分广阔的应用前景。
MEMS产品的超小结构在具有突出的优势的同时，也给MEMS产品的加工质量检测带来了很大的难度。目前，MEMS加工检测技术已成为其设计和加工生产的重要保证手段，检测技术涉及三维微小几何尺寸、微米尺度下的运动、光、电、力学特性的检测及可靠性检测等。但由于MEMS元器件尺度微小，传统的检测手段尚无法对其三维结构进行可靠的检测，需要针对MEMS元器件探索新的检测手段。
现有的结构检测技术主要有扫描电子显微镜检测(SEM)、扫描探针显微镜检测(SPM)、光电坐标测量机检测(CMM-Opt)、超声检测、显微CT(Micro-CT)扫描检测和纳米级AFM检测等技术。这些技术或者对检测环境的要求特别高，或者测量周期长，或者会对被检测件的表面造成划伤，并且都是在二维尺度上的测量，并不能对MEMS的三维结构以及内部结构进行准确的检测。检测手段的落后可能导致了MEMS产品加工质量的不确定性，在一定程度上限制了MEMS的发展与应用。
发明内容
本发明提出了一种基于CT扫描图像的MEMS结构三维重构与检测方法，以解决现有检测手段检测环境要求高、不能反应其三维形貌的问题，同时保证了MEMS的无损检测。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于CT扫描图像的MEMS结构的三维重构与检测方法，其特征在于：基于工业CT扫描技术，采集到MEMS微机械结构的断层扫描图像，进行图像处理后将图像重建为三维表面模型，通过四面体剖分技术将表面模型重构为实体模型，对实体模型进行分块，提取其特征，进行特征识别和拟合，最后得到MEMS的参数并导入力学分析软件进一步分析其力学特性，主要包括以下步骤：
(1)根据MEMS元器件的结构特点，选择好扫描平面，用CT扫描设备对元件进行断层扫描，得到MEMS元件的断层扫描图像；
(2)将所述的断层扫描图像进行图像处理，过滤图像中的噪音点，同时进行滤波，选择合适的阈值进行二值化处理，得到MEMS的点云体数据；
(3)得到所述的点云体数据后，对提数据进行分组，形成体单元，将其输入到MC(Marching Cubes)算法中，进行三维表面网格模型的重建，得到表面模型；
(4)表面模型修复优化，检查建立的表面模型，找出其中的破损处，用孔洞修补方法对其进行修复，并优化三角面片的质量；
(5)四面体剖分，将优化好的三角面片数据文件剖分成*.node文件、*.face文件、*.neigh文件、*.smesh文件和*.ele文件；
(6)根据不同位置的点的特征值的特点进行边界提取，并将提取出的边界连接为连续的曲线，有边界曲线为基础进行模型划分；
(7)采用最小二乘方法首先对划分好的模型进行特征识别，确定其特征类型，然后根据不同的特征类型，有针对性的对数据进行特征拟合，确定各特征的相关参数，得到形状轮廓的检测结果数据；
(8)写出数据接口文件，导入三维建模软件和力学分析软件进行分别进行模型分析和力学特性分析。
附图说明
附图：本发明工作流程图。
具体实施方式
本发明以VC++6.0为开发平台，程序运行于Windows XP/Windows732位或64位操作系统平台。硬件环境，内存：2G或以上；硬盘：80G或以上；显卡：500M或以上；显示器：分辨率1024X768或以上。将MEMS元器件扫描后得到断层扫描图像，经过图像处理后读入程序进行模型重构，通过OpenGL实现图像的显示，进行交互。程序通过内部的算法计算之后，分别写出网格优化后的数据文件、四面体剖分数据文件、分块模型数据文件和模型的特征数据，最后通过数据接口导出Abacus文件和Solid works文件，以被进行模型结构分析和模型力学分析。具体步骤和操作如下：
步骤一：获取MEMS元件的微机械结构断层扫描图像。以现有的工业CT扫描技术为基础，对MEMS结构件进行扫描，得到MEMS结构的断层扫描系列图像为*.bmp格式。将图像命名为000,001,002到00n以方便程序对图像数据的读取。
步骤二：图像预处理。调用程序的“读入图像”命令，指定图像所在的文件夹目录，任意选择系列图像中的一张，即可读入图像数据。读入数据之后对图像进行降噪处理，消除噪音点，然后根据图像特点选择合适的阈值进行二值化处理，将图像中的像素点分为“0”和“1”两种状态。“0”表示无，“1”表示有。
步骤三：模型重构与重构模型优化。将读入程序的数据进行表面模型的三维重建，得到MEMS的三维表面模型*.stl文件。表面模型的结构为三角网格，其质量优劣不等。为提高模型质量，定义接近于正三角形的三角网格为质量好的网格，优化模型面片质量并同时进行模型的孔洞修复。
步骤四：四面体剖分。选用Delaunay剖分算法，将生成的表面模型进行四面体剖分，剖分后的体元为四面体结构。四面体剖分后生成*.node文件、*.face文件、*.neigh文件、*.smesh文件和*.ele文件五个数据文件。用Laplacian方法对四面体模型进行光顺处理，得到优化的模型结构。
步骤五：用剖分后的*.node文件进行特征识别与参数提取。首先采用基于特征边缘的方法对模型进行分块，将不通的特征部分区分开，提取出每个特征面的数据点。根据提取出的点的特征值来判断曲面的类型，然后用最小二乘法分别对每个特征面进行拟合，得到特征面的参数数据。
步骤六：导出数据接口。调用程序的“导出Abacus文件”命令可以将重建并剖分好的模型输出为Abacus的*.inp文件，可以直接在Abacus中打开进行分析，检测MEMS元件结构的力学性能；调用程序的“导出STEP文件”命令可以将模型输出为国际通用的产品模型数据交换标准STEP文件，可以在其它的三维建模软件中打开，进行模型分析。
本发明的有益成果是：实现了MEMS的三维立体检测，能够清晰完整的反映出其三维空间结构特点和内部形貌特征。本发明基于CT扫描图像进行检测，不会损伤被测元器件的表面结构，可重复操作，同时CT技术对检测环境的要求不高，易于操作，检测成本低。实现了对MEMS结构和力学性能的同时检测，对保证MEMS加工质量有重要意义，有利于推动MEMS结构的进一步发展应用。
Claims (1)
1.一种基于CT 扫描图像的MEMS 结构三维重构与检测方法，其特征在于：基于工业CT扫描技术，采集到MEMS 微机械结构的断层扫描图像，进行图像处理后将图像重建为三维表面模型，通过四面体剖分技术将表面模型重构为实体模型，对实体模型进行分块，提取其特征，进行特征识别和拟合，最后得到MEMS 的参数并导入力学分析软件进一步分析其力学特性，包括以下步骤：
(1) 根据MEMS 元件的结构特点，选择好扫描平面，用CT 扫描设备对元件进行断层扫描，得到MEMS 元件的断层扫描图像；
(2) 将所述的断层扫描图像进行图像处理，过滤图像中的噪音点，同时进行滤波，选择合适的阈值进行二值化处理，得到MEMS 的点云体数据；
(3) 得到所述的点云体数据后，对体数据进行分组，形成体单元，将其输入到MC(Marching Cubes) 算法中，进行三维表面网格模型的重建，得到表面模型；定义接近于正三角形的三角网格为质量好的网格，优化模型面片质量；
(4) 表面模型修复优化，检查建立的表面模型，找出其中的破损处，用孔洞修补方法对其进行修复，并优化三角面片的质量；
(5) 四面体剖分，将优化好的三角面片数据文件剖分成*.node 文件、*.face 文件、*.neigh 文件、*.smesh 文件和*.ele 文件；
(6) 根据不同位置的点的特征值的特点进行边界提取，首先采用基于特征边
缘的方法对模型进行分块，将不同的特征部分区分开，提取出每个特征面的数据点，根据提取出的点的特征值来判断曲面的类型，并将提取出的边界连接为连续的曲线，由边界曲线为基础进行模型划分；
(7) 采用最小二乘方法首先对划分好的模型进行特征识别，确定其特征类型，然后根据不同的特征类型，有针对性的对数据进行特征拟合，确定各特征的相关参数，得到形状轮廓的检测结果数据；
(8) 写出数据接口文件，导入三维建模软件和力学分析软件分别进行模型分析和力学特性分析。
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