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科学技术论文

工业CT扫描技术在原木内部缺陷检测中的运用

时间:2018年12月28日 所属分类:科学技术论文 点击次数:

下面文章中提出利用工业CT对三组原木进行扫描,并通过VGStudioMAX软件将扫描数据进行三维重建,检测原木内部缺陷。最终发现原木的三维重建体模型能反映出缺陷在原木中的三维空间分布情况,对原木截面的虚拟剖切,可直观了解缺陷的形状、位置和分布,精确获知

  下面文章中提出利用工业CT对三组原木进行扫描,并通过VGStudioMAX软件将扫描数据进行三维重建,检测原木内部缺陷。最终发现原木的三维重建体模型能反映出缺陷在原木中的三维空间分布情况,对原木截面的虚拟剖切,可直观了解缺陷的形状、位置和分布,精确获知缺陷的大小,实现优质和珍贵原木的利用率及利用价值最大化。

  关键词:工业CT,VGStudioMAX,缺陷检测,三维重建体模型

 木材加工机械

  原木的锯切加工过程,需根据木材最终用途,尽量减少内部缺陷的残留,因此,对原木内部缺陷的位置、大小和分布等进行准确、全面的检测,意义重大[1-2]。计算机断层成像(ComputedTomography,CT)技术集计算机技术、X射线扫描技术和数字化图像重建技术于一体,在无损伤破坏的条件下,以二维断面图像或三维立体图像的形式,展示原木内部的构造及缺陷信息[3-4]。

  近年来,相关研究人员已开始应用医用或工业CT扫描,获取木材内部构造图像,并据此研究木材内部结构,如髓心、年轮、节子、腐朽、裂隙等的分布[5-9],这类研究大都是针对原木中是否存在缺陷、缺陷的分类识别以及缺陷的边缘提取技术等展开的,而对于原木内部缺陷的几何尺寸以及不同切面上缺陷的位置、角度却无法精确获取。VGStudioMAX软件是由德国VolumeGraphics公司开发的专用于工业CT三维重建的商业软件[10]。

  采用该软件处理原木扫描数据可实现:1)原木的三维重构可视化;2)任意截面剖切,并获得原木三个截面的图像,便于观察和了解缺陷形状、位置和分布;3)在CT重建图像上,对任意两点距离、两条线段夹角进行测量、标注,便于了解缺陷的大小;4)用透明或半透明的方式展示缺陷的位置以及缺陷在原木中的三维空间分布情况。笔者在利用工业CT扫描原木获取二维断面图像的基础上,使用三维重建专业软件VGStudioMAX2.1,对被检原木的二维CT图像进行三维重建,得到原木的三维重建体模型,对原木内部缺陷进行检测,以图像可视化的方式,模拟原木切削,旨在为提供最优下锯方案,实现优质或珍贵原木的高效利用及利用价值的最大化。

  1材料和方法

  1.1CT扫描原理

  CT扫描的基本原理:射线源发射X射线束,部分光子被木材吸收或发生散射,探测器接收衰减后的X射线强度,计算X射线在木材内的线性衰减系数,大小用CT值来表示。衰减系数的差异,反映了木材内部的不同构造和缺陷状况[11-12]。木材内部构造不同,使其在密度上存在差异,木材密度越大,对射线的吸收就越强。

  1.2原木样本

  选取具有不同缺陷类型的三组原木样本,分别为:檀香紫檀、红松和青冈。紫檀和青冈样本由中国林科院木材所标本馆提供。

  1.3试验方法

  采用通用型工业450-TY-ICTCT机,对原木进行扫描。被测原木试样置于旋转载物台中心,在不同旋转角度时,探测器采集透过原木的X射线强度,采集系统获取原木360°的投影数据用于三维重建,得到的原木三维体模型分辨率(体素voxel)为:160μm×160μm×160μm。CT设备型号、扫描参数、成像分辨率、图像重建算法以及原木直径、材长等因素,对原木扫描的成像结果均有影响。因此在前期试验的基础上,根据原木试样的长度,分别设定檀香紫檀、红松以及青冈的扫描层间距为8、5和4mm。试验设定原木旋转一周为一个扫描周期。

  2结果与分析

  2.1檀香紫檀横、纵切面CT图像

  对檀香紫檀进行CT扫描,重建得到其断面CT图像,对CT图像进行阈值分割,并根据图像灰度差异进行边缘检测,得到经过图像边缘提取后的紫檀横、纵切面的CT图像。进行纵向剖切得到的纵切面。阈值分割后CT图像将木段的良材和腐朽孔洞部分予以区分;纵切面CT图像清晰地显示了不同下锯位置时,得到锯材内部的腐朽位置和程度,从而辅助加工人员制定合理、最优的下锯方案。

  2.2红松横切面CT图像及三维重建体模型

  在红松木段中选取节子和径裂特征显著的某一横切面进行CT扫描,得到二维断面图像(图2a-e);三维重建体模型。不同物质密度的木材构造具有不同的CT值,反映在CT图像上为灰度值的差异。红松横切面CT图像上的年轮明显,早晚材急变,且灰度差异大。

  径向裂纹由边材沿半径方向延伸至木段髓心处,测得径向开裂宽度为14.17mm,深度为48.22mm,开裂角度为15.52°;节子嵌入在木段中,测得节子直径为12.11mm,嵌入木段深度为37.50mm。实现了对原木内部缺陷的测量和分析。

  2.3青冈CT图像及三维重建体模型

  利用工业CT扫描青冈木,得到二维断面图像及其三维重建体模型。青冈木段为双心缺陷材,且右侧存在一个明显的椭圆形节子。各切面CT图像和三维重建体模型均能呈现出椭圆形节子在木段中的三维分布情况,测得青冈中节子的长径为36.1mm,短径为14.8mm,高度为31.6mm。亦实现了对原木内部缺陷的测量和分析。

  3结语

  1)利用CT扫描技术辅以VGStudioMAX软件,可清晰地观察和了解带缺陷原木不同截面处缺陷的位置和形状、精确测量原木缺陷的大小,直观地呈现出缺陷在原木中的三维分布情况。检测结果可用于计算木材出材率,并以可视化方式模拟原木虚拟切削,确定原木最优下锯方案,提高原木的利用率。

  2)在原木试样扫描的过程中,影响因素包括CT设备型号、扫描参数以及原木直径、材长等因素。因此,针对不同的原木树种类型和规格尺寸,选取合适的CT扫描设备和测试条件,以提高原木扫描数据的精确度和重建图像的分辨率,有待进一步研究。

  3)断层扫描技术应用于原木缺陷检测,成本是制约其推广应用的主要因素。随着CT技术的进步以及CT系统的拓展应用,CT设备将会成为木材工业研究和生产中一种常规设备。

  参考文献:

  [1]童雀菊,丁建文,王厚立.非破坏性木材内部缺陷检测(续)——木材CT扫描研究动态[J].林产工业,2005,32(3):14-16.

  [2]丁建文,王宝金,郭晓磊.CT技术在木材工业中的应用[J].木材加工机械,2008,19(4):44-47.

  [3]高上凯.医学成像系统(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2010.

  [4]张训华,业宁,丁建文,等.原木CT图像3D重建及其虚拟加工技术研究[J].南京林业大学学报(自然科学版),2010,34(2):77-80.

  [5]LonguetaudF,MotheF,KerautretB,etal.AutomaticknotdetectionandmeasurementsfromX-rayCTimagesofwood:Areviewandvalidationofanimprovedalgorithmonsoftwoodsamples[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2012,85(5):77-89.

  [6]WeiQ,LeblonB,RocqueAL.OntheuseofX-raycomputedtomographyfordeterminingwoodproperties:areview[J].Can.J.For.Res.,2011,41(11):2120-2140.

  [7]WehrhausenM,LaudonN,BruchertF,etal.Crackdetectionincomputertomographicscansofsoftwoodtreediscs[J].ForestProd.J.,2012,62(6):434-442.

  推荐期刊:《木材加工机械》(双月刊)1984年创刊,是木材加工行业惟一的专业技术性刊物,由国家林业局北京林业机械研究所主办。主要刊登内容:木材加工机械行业的最新研究和设计成果,使用维护、技术革新、生产经营管理经验,新技术新产品介绍,国内外技术发民展趋势综述,技术经营信息,标准和检测及有关人造板生产工艺等。