[发明专利]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

说明书

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。

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。