CN111833450B - 一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维模型重建技术，特别涉及一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建及分析方法，所述重建方法包括：以超声波点阵所在的平面为x‑y平面建立笛卡尔坐标系；对所需要扫描的空间域进行网格化剖分，将需要扫描的空间划分为多个子空间；在已进行网络划分的扫描空间中，利用M×N的超声波点阵分别对物体的主视图、仰视图、左视图、右视图、俯视图、后视图进行数据的采集；针对每个视图的超声波点阵，进行三维三次样条插值，获得该视图的三维曲面；将物体各个视图的三维曲面进行拼接，获得物体的三维模型；本发明不依赖计算机成像辅助算法，图像清晰度具有大幅提高；同时本申请数据运算量少，大幅度减少空间感知信息。

Description

一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建及分析方法

技术领域

本发明属于三维模型重建技术，特别涉及一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建及分析方法。

背景技术

物体三维重建是计算机辅助几何设计、计算机图形学、计算机动画、计算机视觉、医学图像处理、科学计算和虚拟现实、数字媒体创作等领域的共性科学问题和核心技术。目前对物体进行三维重建的主要方法是基于计算机视觉的三维重建技术。

基于计算机视觉的三维重建技术可以分为基于主动视觉的三维重建技术与基于被动视觉的三维重建技术。基于主动视觉的三维重建技术主要是利用光学原理对物体进行光学扫描，然后通过分析扫描得到的数据点云从而实现三维重建。基于被动视觉的三维重建技术相比于基于主动的三维重建技术来说简单方便一些，这种方法不需要直接控制利用光源，而是通过照片或者图像中的多方面信息，逆向思维，对实际物体建立模型进行逆向工程，以此来得到物体的三维模型。

但是由于实际情况的复杂性，例如受到光线、噪音等因素的影响，基于主动视觉的三维重建技术的鲁棒性太差，而基于被动视觉的三维重建技术对于照片或者图像的要求过高，并且无论是主动视觉法还是被动视觉法，计算机运行量都很大，运行效率很低。

在实际的工程应用中，对一个物体进行三维重建之后，我们不仅仅是为了得到物体的三维图像，还需要对物体内部的时空耦合参量进行动态响应分析，来获取实际工况中的运行信息。为此，我们提出了一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法，有助于在三维物体重建的基础上，深入分析物体内部时空耦合参量的动态响应特征。

发明内容

为了解决基于传统超声波重建技术重建图像清晰度不够，以及基于计算机视觉的三维重建技术运行量过大，鲁棒性太差的问题，本文提出了一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法，如图1，具体包括以下步骤：

以超声波点阵所在的平面为x-y平面建立笛卡尔坐标系；

对所需要扫描的空间域进行网格化剖分，将需要扫描的空间划分为多个子空间；

在已进行网络划分的扫描空间中，利用M×N的超声波点阵分别对物体的主视图、仰视图、左视图、右视图、俯视图、后视图进行数据的采集；

针对每个视图的超声波点阵，进行改进型三维三次样条插值，获得该视图的三维曲面；

将物体各个视图的三维曲面进行拼接，获得物体的三维模型。

进一步的，对物体进行数据采样的过程具体包括：

获取在M×N的超声波点阵建立的笛卡尔坐标系x-y平面中两个相邻的点投影在x轴上的距离为L_M、y轴上的距离为L_N；

分析每个空间位置超声波的衰减率、传播时间，粗略构建待测物体的大致轮廓；

以x轴和y轴上超声波点的距离为约束，在待测求解域内，确定每个子域节点的位置；

根据获取的子域节点的位置，将待重建物体划分为形状大体相同、子域相互连接的六面体单元网格。

进一步的，基于超声波换能器相互间获取能量与传播时间的差值，去除传播时间相似、衰减率近乎为零的子空间，粗略构建待测物体轮廓。

进一步的，改进型三维三次样条插值具体包括：

获取进行网络化剖分得到的六面体单元网格以及传感器阵列所采集的感知信息，如位置、传播时间以及衰减率；

根据待测物体中每个节点处及其相邻子域处的空间感知信息以及先验物理参量建立约束条件；

在待测物体中每个节点处提取三个不同方向上、每个六面体网格单元中的超声波传播速度以及衰减率；

构建并且求解有关插值节点变量的线性方程组，在空间上获取平滑的空间子模型函数，即六个视图的三维曲面。

本发明还提出一种融合有限元分析法的超声波三维快速分析方法，根据一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法进行物体重建，基于重建时相同的空间网格，对待测物体的任意边界位置施加不同类型的外部扰动信号，获得时空耦合的全局响应特征，完成分析。

为了解决传统方法对物体进行时空耦合全局特征响应分析时，可能导致实际物体的损伤问题，本发明提出一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法，根据前述的方法进行物体重建，并以进行重建时相同的网络化剖分方法对物体的三维模型施加不同类型的扰动信号，获得时空耦合的全局响应特征，完成分析。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1.与基于主动视觉的三维重建技术相比本发明提高了鲁棒性；

2.相比于传统的超声波成像，本发明不依赖于计算机辅助成像算法，操作更加便捷，图像重建的清晰度具有大幅度提高；

3.与基于计算机视觉的三维成像技术相比，本发明只需要进行M×N次运算，而传统重建至少需要(M×N)^2次运算，本发明在提高成像清晰度的同时，大幅度减少空间感知信息；

4.本发明重建的三维图像与现有技术的三维图像相比，本发明图像可以直接进行有限元分析，不需要进行进一步处理。

附图说明

图1为本发明一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法流程图；

图2为本发明超声波点阵采集管道数据以及网格化采集的管道示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法，如图1，具体包括以下步骤：

以超声波点阵所在的平面为x-y平面建立笛卡尔坐标系；

对所需要扫描的空间域进行网络化剖分，即将笛卡尔坐标系的求解域基于超场波点阵划分为有限个三维子模型；

采用M×N的超声波点阵，分别对物体的主视图、仰视图、左视图、右视图、俯视图、后视图进行数据的采集；

针对每个视图的超声波点阵，进行改进型三维三次样条插值，获得该视图的三维曲面；

将物体各个视图的三维曲面进行拼接，获得物体的三维模型。

实施例1

在本实施例中，以日常环境工程中应用到的管道为例，具体阐述此方法的过程。

如图2，采用x-y的超声波点阵，分别对物体的主视图、仰视图、左视图、右视图、俯视图、后视图进行一个样点的采集；

对管道的每一个视图进行超声波采集之后，将会得到6×M×N的数据，记为c，表示超声波点阵采集t视图时，从第i行，第j列发射出的超声波点到物体表面的距离，其中t＝1,2,…,6，分别表示六个视图；i＝1,2,…,M、j＝1,2,…,N，表示超声波点阵的位置；

对管道六个视图采集到的数据分别进行改进型三维三次样条插值(这里可以采用MATLAB软件)，会得到管道主视图、仰视图、左视图、右视图、俯视图以及后视图对应的三维模型；

第三步中得到的管道各视图三维模型进行拼接(主视图与后视图、左视图与右视图、俯视图与仰视图拼接，然后构成完整的三维模型)，得到管道的完整三维模型；

选取适当的三维坐标系，将管道的三维模型用坐标方式呈现出来，完成重建。

在重建过程中，对物体进行数据采样的过程具体包括：

获取在M×N的超声波点阵建立的笛卡尔坐标系x-y平面中两个相邻的点投影在x轴上的距离为L_M、y轴上的距离为L_N；

分析每个空间位置超声波的衰减率、传播时间，粗略构建待测物体的大致轮廓；

以x轴和y轴上超声波点的距离为约束，在待测求解域内，确定每个子域节点的位置；

根据获取的子域节点的位置，将待重建物体划分为形状大体相同、子域相互连接的六面体单元网格。

在采集过程中，本发明采用的超声波点阵包括超声波信号发射端和超声波接收端，该两端平行设置，一个发射端对应一个接收端，待测物体置于发射端与接收端之间。

采集完数据之后，基于超声波换能器相互间获取能量与传播时间的差值，去除传播时间相似、衰减率近乎为零的子空间，粗略构建待测物体轮廓；进一步的，若超声波点阵接收端的衰减率近乎为0，即近乎没有衰减，且传播时间相似的点，可能该点对应位置没有阻碍传播的物体，即待测物体，因此应该将该类点删除，除去这些点之后，剩下的点构成待测物体的大致轮廓，这些点构成的区间即为待测求解域。

获取待测物体的大致轮廓之后，对轮廓中的点进行改进型三次样条差值，具体包括以下步骤：

获取进行网络化剖分得到的六面体单元网格以及传感器阵列所采集的感知信息，如位置、传播时间以及衰减率；

根据待测物体中每个节点处及其相邻子域处的空间感知信息以及先验物理参量建立约束条件；

在待测物体中每个节点处提取三个不同方向上、每个六面体网格单元中的超声波传播速度以及衰减率；

构建并且求解有关插值节点变量的线性方程组，在空间上获取平滑的空间子模型函数，即六个视图的三维曲面。

本发明中空间感知信息为物理所处环境信息，包括所处环境的密度、温度等；边界化参量为每个六面体单元相邻单元的物理量信息，包括传播时间以及衰减率；对于相邻的节点，选择其在三个方向上的的六面体网格单元，三个方向可以为正视图、右视图、俯视图，正视图、右视图、仰视图等两两垂直的视图方向，以空间感知信息以及先验物理参量为约束，求解三个方向上构成的线性方程，获取平滑的空间子模型函数，即相邻节点之间对应的三维曲面，空间感知信息以及先验物理参量均通过现有技术传感器等进行获取，所述线性方程通过空间坐标系中两个相邻点进行构建。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上给出一个具体实施方案

实施效果如图2所示，重建一个管道结构的三位物体，超声波点阵如图所示，包括超声波点阵接收端和超声波点阵发射端，两端的超声波点阵一一对应，在进行采集时，根据划分的网格将物体分为多个小的“六面体”，即正视图、后视图、左视图、右视图、俯视图以及仰视图六个视图的六个面形成的“六面”，对采集的数据进行粗处理，即基于超声波换能器相互间获取能量与传播时间的差值，去除传播时间相似、衰减率近乎为零的子空间，传播时间相似、衰减率近乎为零的子空间大多数为没有任何物体阻挡的空间，因此需要去除，去除之后得到的物体大致轮廓；其中超声波换能器为超声波点阵的一部分，用于获取超声波在接收端与发射端之间的传播时间和衰减率。

在超声波采集点阵的相邻的点之间进行三次样条差值，进一步细化管道的细节，即可得到管道的具体结构。

实施例3

本实施例提出一种融合有限元分析法的超声波三维快速分析方法，首先根据实施例1～2的方法对物体进行重建，基于重建时相同的空间网格，对待测物体的任意边界位置施加类型的外部信号，获得时空耦合的全局响应特征，完成分析。

由于在重建时，采用网格划分，不仅提高了重建的精度，并且在对重建的物体金进行有限元分析时，可以直接采用重建时划分的空间网格，不必进行划分，节约对物体进行有限元分析时进行剖分的步骤，提高效率。

物体的时空耦合的全局响应特征可以根据现有三维模型分析软件进行获取，本实施例将实施例1得到的完整管道三维模型导入到多物理场仿真软件(如COMSOL)之中，对管道进行应力分析(例如：可以对管道进行在压力载荷和持续载荷作用下的应力分析)。

有关管道的应力分析结果，对管道在实际工程应用中进行进一步的分析，例如，可以根据得出的应力分析结果，分析出管道在外力载荷作用下的抗压能力等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

以超声波点阵所在的平面为x - y平面建立笛卡尔坐标系；

对所需要扫描的空间域进行网格化，将需要扫描的空间划分为多个子空间；

在已进行网格划分的扫描空间中，利用M×N的超声波点阵分别对物体的主视图、仰视图、左视图、右视图、俯视图、后视图进行数据的采集；具体包括以下步骤：

获取在M×N的超声波点阵建立的笛卡尔坐标系x - y平面中两个相邻的点投影在x轴上的距离为L _M 、y轴上的距离为L _N ；

分析每个空间位置超声波的衰减率、传播时间，粗略构建待测物体的大致轮廓；

以x轴和y轴上超声波点的距离为约束，在待测求解域内，确定每个子域节点的位置；

根据获取的子域节点，将待重建物体划分为形状大体相同、子域相互连接的六面体单元网格；

针对每个视图的超声波点阵，进行改进型三维三次样条插值，获得该视图的三维曲面；改进型三维三次样条插值包括：

获取进行网络化剖分得到的六面体单元网格以及传感器阵列所采集的感知信息，包括位置、传播时间以及衰减率；

根据待测物体中每个节点处及其相邻子域处的空间感知信息以及先验物理参量建立约束条件；

在待测物体中每个节点处提取三个不同方向上、每个六面体网格单元中的超声波传播速度以及衰减率；

构建并且求解有关插值节点变量的线性方程组，在空间上获取平滑的空间子模型函数，即六个视图的三维曲面；

将物体各个视图的三维曲面进行拼接，获得物体的三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种融合有限元分析法的超声波三维快速重建方法，其特征在于，基于超声波换能器相互间获取能量与传播时间的差值，去除传播时间相似、衰减率近乎为零的子空间，粗略构建待测物体轮廓。

3.一种融合有限元分析法的超声波三维快速分析方法，其特征在于，根据权利要求1~2所述任一方法进行物体重建，基于重建时相同的空间网格，对待测物体的任意边界位置施加外部信号，获得时空耦合的全局响应特征，完成分析。