分析标定超声检测标定算法创新项目指导研究

摘要：超声检测标定算法是上海市大学生创新项目——“三维超声无损检测模板设计与研究”的核心组成部分。本文阐述了项目指导过程中有关如何指导学生设计完成检测标定算法的方法，包括超声成像的几何特征、特征点的拾取及标定算法的具体实现方法。指导的目的是培养学生动手能力与独立解决科研问题的能力，通过设计实践，使学生深刻理解如何通过标定算法计算二维超声图像的三维空间位置。
关键词：大学生创新；超声检测；无损检测；图像标定
1671-0568（2013）23-0095-03
超声无损检测技术具有检测对象范围广，检测深度大；缺陷定位准确，灵敏度高；成本低，使用方便；速度快，对人体无害以及便于现场使用等特点，从医学检查领域逐步向工业领域发展。但是，这一技术不同于医学上的应用，在工业探伤过程中使用超声探查存在着诸多限制。如对于表面粗糙的工件进行超声检测时，超声探头不能与被测零件表面直接接触；对于形状复杂的工件，超声探头的外法线方向有时很难准确对准；直接扫描得到的为二维图像，很难建立缺陷的三维模型。严重影响了超声检测缺陷的判定，影响检测结果与检测精度。为此，研究人员开始尝试进行超声三维立体成像的研究。三维成像的关键技术为超声图像的标定方法及算法，通常需要借助几何特性已知的引导模板来完成，“N”型引导模板的设计与研究已在本文基金项目的支持下完成。
本文以上海市大学生创新项目《三维超声无损检测模板设计与研究》为基础，进一步完成了项目的后续工作图像标定方法与算法的指导，为后续大学生创新项目的申请奠定基础。主要包括，指导学生设计完成检测标定算法的方法，包括超声成像的几何特征、特征点的拾取及标定算法的具体实现方法。指导的目的是培养学生动手能力与独立解决科研问题的能力，通过设计实践，使学生深刻理解如何通过标定算法计算二维超声图像的三维空间位置。
在项目实践过程中，按照以下内容对学生进行培养，协助学生完成创新任务，达到培养动手能力与创新能力的目的。

一、引导模板三维模型的建立

引导模板是图像标定算法研究的先决条件，学生充分认识其几何特性并加以正确运用，是标定算法实现的重要条件。“N”型模板是建立在模板框架中穿插的棉线形成的“N”型线框。“N”型线框由一组直径为0.5mm的棉线构成，这类棉线必须富有一定的弹性，使得棉线在干燥和潮湿状态下均保持绷紧。棉线从模板的前后壁上直径为1.5mm的小孔穿过，模板框架左右2侧都上下一共打出6个小孔。这样使得棉线在模板框架形成上下两层，每层两个，共4个“N”型线框，每层的两个“N”型线框有一条共用边，每个“N”型线框具有相同的尺寸（170mm×45mm），且都平行于模板坐标系的平面，“N”型端点在模板坐标系中的坐标已知，上述参数的精度通过模板及穿线孔的加工精度得以保证。要求学生用绘图软件绘制模板的三维模型图。

二、超声成像及标定算法要求

超声图像的标定是模板设计的后续工作，传统的扫描仪器只能呈现二维的平面图像，超声图像的标定根本目的是通过一系列算法将二维图像转换到三维空间。三维超声图像的重建，需要将像素点在超声图像平面坐标系内的坐标转化为在磁发射器坐标系中的坐标。通过三维标定，可以获取固定在超声探头上的接收器确立的空间坐标系与超声平面坐标系之间的转换关系。
通过仪器对模板的扫描，可以得到每条棉绳作为介质的成像点，但是必须满足条件，扫描时要扫描到每组“棉线截面M、L、R”，共4组，在对应扇形图中呈现10个亮点，即保证全部棉线截面呈现于超声图像中。
取其中一组N型线框的三个成像点作为超声检测图像标定的标志点，将其成像点在超声检测图像中取出，并记录坐标值。当扫描到“棉线截面””时，作为基准点，建立一系列计算得到相应点的坐标。

三、指导结果分析

1.模板模型的建立

在项目研究过程中，学生按照要求完成了计算机辅助模板模型的设计与建立。图

1、图2、图3为利用Soildwork3D按照实物尺寸绘制的模板三维模型的视图。

学生较好地完成了模板的设计工作，见图3。但是，过程中出现了诸多问题。如设计三维模型时个别特征形状无法实现、零件装配过程出现问题，等等。通过及时的引导与督促，学生在浓厚兴趣的作用下，将问题逐一解决，最终完成三维模型的建立。

2.标定算法的研究

学生实现了一种基础的图像标志点的计算方法，如图4。通过代表性的中间圆珠的计算与分析，类比其它直线上圆珠的计算，得到不同的坐标点，多次对比重叠不同位置的圆珠实验，可以更加精确地进行定位。算法的主要步骤为：①坐标已知；②分别建立直线与的数学模型；③建立经过点扫描平面直线；④建立经过点扫描平面直线；⑤建立经过点扫描平面直线；⑥根据上述条件计算、两点坐标。

3.创新思想分析

项目组成员中，多数学生具有一定的学习与动手能力，虽然创新思想存在一定的限制，但学习态度与学习积极性饱满，协调项目工作与课程学习的能力表现较好。
创新性思维能力是指导过程学生普遍存在的问题，在这一方面值得指导教师做进一步的思考与研究。学生的问题突出表现在想创新，但无从入手，他们在直觉思维能力、逻辑思维能力、联想思维源于：毕业论文www.618jyw.com
能力、发散思维能力、逆向思维能力等方面都还不成熟，因此需要在这些方面加强培养和锻炼。
四、结论
上述结果表明，通过正确的引导与有计划定期交流，与学生及时讨论创新项目研究过程中遇到的问题，可以激发学生研究热情。同时，针对项目研究过程中发现的学生普遍存在的创新洞察力、创新思维能力不足和专业基础知识不扎实的问题，将在未来的指导工作中进行进一步的研究与探讨。
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