木質(zhì)文物三維斷層掃描圖像處理

趙桂玲，劉 丹，劉 祎，賀 喜，毛 磊，鄧宗極

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 藝術學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.南京林業(yè)大學 家居與工業(yè)設計學院，江蘇 南京 210037；4.黑龍江省木材科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

目前國內(nèi)外用于無損檢測的技術主要有Ross、王立海、岳小泉、梁善慶等利用應力波研究木材缺陷,研發(fā)了IntelliPost 模型系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2個模型組:學習模型。先由工作人員操作儀器識別原木缺陷,然后系統(tǒng)建立缺陷識別圖像規(guī)則；操作模型，根據(jù)第一階段建立的識別規(guī)則,自動識別原木缺陷，但是這種方法無法識別原木內(nèi)部的細紋[1-6]。李敏華[7]等采用手持式數(shù)碼顯微鏡對木質(zhì)工藝品外觀拍攝微觀與宏觀構造圖進行的比較分析。但是這種方法無法進行木質(zhì)工藝品內(nèi)部的可視化分析。朱曉東[8]等采用虛擬儀器來測定木材動彈性模量；虛擬儀器技術在木質(zhì)復合材料無損檢測方面具有結果準確、操作簡單和成本低等優(yōu)點。

三維斷層掃描相可以清晰獲取所掃描木質(zhì)文物的內(nèi)部組織結構。以本次試驗掃描的“錦雞牡丹”雕刻件，不僅掃描處理后我們所獲取的三維模型與實物高度一致，而且木質(zhì)試件內(nèi)部的材質(zhì)紋理清晰可見。對木質(zhì)文物進行數(shù)字化處理不僅可以實現(xiàn)無損鑒定，同時可以進行三維表達和虛擬展示，而且精確的文物數(shù)字模型記錄了木質(zhì)文物原始真實的三維信息和紋理信息，為文物修繕和恢復提供了重要的數(shù)據(jù)和模型支持[9-12]。

1 材料與方法

1.1 試驗準備與步驟

第1步，準備香樟木制試件，“錦雞牡丹”雕刻件，合成大漆涂飾，漆膜厚度0.5 mm，香樟木制試件直徑43.1 cm，雕刻件厚度1.5 cm。

第2步，將準備好的木制文物放入目標CT倉。CT掃描的參數(shù)設置見表1。該試驗在三甲醫(yī)院正常工作日的工作時間在CT掃描室進行掃描，掃描外在條件與患者CT診斷的室內(nèi)物理環(huán)境相同。試驗進行時對CT診斷室的噪音、照度進行了同步測試，CT診斷室的噪音為11.8 HU、照度為150 Lux。

第3步，驗證該方法的有效性，利用MATLAB在Window7操作系統(tǒng)分割試驗。

第4步，在TM-MIS軟件中采用木質(zhì)文物的CT圖像進行體繪制和面繪制，分別重建。

第5步，在木質(zhì)文物目標可視化位置進行分割，得到不同位置、不同角度的剖視圖。

表1 64排philips CT 主要參數(shù)Table 1 Key parameters of 64 row philips CT

1.2 三維可視化

由于CT木質(zhì)文物圖像中目標物體灰度相近，而且部分目標相互連接，因此適合使用TVL1算法[13-15]。TVL1算法具有良好的邊緣保護性和多尺度分解性，為了圖像處理的精度更高，進行如下算法的改良。

首先根據(jù)Bresson等提出的邊緣加權全變分模型：TVg(u)=wg|u|dxdy，然后進行算法的改良。通過改進的三維 TV-L1分割模型和快速原對偶投影，再引入離散方法得到了比較理想的分割效果。3DTVL1算法具有良好的邊緣保護性和多尺度分解性，計算速度快、精度高，比較適合于木質(zhì)品CT圖像的分割[16]。

3DTVL1具有計算速度快、定位精準等優(yōu)點，在醫(yī)學圖像分割方面被廣泛應用。第1步，對CT木質(zhì)文物圖像進行濾波處理，使CT木質(zhì)文物圖像平滑；第2步，基于平滑圖像采用3DTVL1分割；第3步，對分割后木質(zhì)文物圖像三維重建。流程如圖1所示。

圖1 木質(zhì)文物圖像三維重建流程Fig.1 Three dimensional reconstruction flow chart of wood artifacts

為證明本試驗方法的有效，在Window7操作系統(tǒng)中使用MATLAB工具進行試驗圖像分割。選取CT木質(zhì)“錦雞牡丹”雕刻件圖像數(shù)據(jù)進行試驗來提取木質(zhì)透雕文物部分。

采用64排CT掃描該“錦雞牡丹”雕刻件，掃描層厚0.625 mm，得到序列圖像690。以第345張?zhí)幚砬昂蟮膱D像做去噪、濾波、分割試驗比較。

圖2 圖像去噪結果Fig.2 Image denoising results

1.3 圖像去噪

觀察原始噪聲CT木質(zhì)透雕文物圖像，發(fā)現(xiàn)所采集的CT木質(zhì)透雕文物圖像存在大量偽輪廓點，且圖像灰度信息分布不均勻。為了獲取清晰度較高的圖像，采用總變差濾波對CT木質(zhì)“錦雞牡丹”雕刻件原始圖像進行去噪，得到圖3相對應的圖像結果?？梢悦黠@看出，處理后的“錦雞牡丹”雕刻件區(qū)域灰度均勻，組織邊界清晰、平滑。

1.4 圖像濾波

濾波是對信號中某一特定頻帶的頻率進行濾波的一種運算，在抑制和防止干擾中起著非常重要的作用。濾波分為經(jīng)典濾波和現(xiàn)代濾波?？紤]到經(jīng)典濾波方法中各種濾波器的特殊性，在試驗中應用了雙邊濾波器。雙邊濾波器是一種基于圖像空間貼近度和像素值相似度的折衷方案。考慮到空間信息和灰度相似性，可以保留邊緣，消除噪聲，具有簡單、非迭代部分的特點[15-16]。本文采用雙邊濾波器進行濾波。

圖3 濾波后結果Fig.3 Filtered result

1.5 圖像分割

圖4為采用3DL1算法對圖5分割的結果。使用3DL1算法可將木質(zhì)透雕文物和非木質(zhì)透雕文物部分分離。

圖4 圖像分割結果Fig.4 Image segmentation results

1.6 三維重建

三維重建是指計算機系統(tǒng)中主體的數(shù)學模型的建立。該技術是計算機系統(tǒng)中處理、操作和分析對象的基礎，也是表達虛擬現(xiàn)實的關鍵技術。三維重建的方法主要有曲面繪制法和體繪制法[17]。曲面繪制方法是建立物體表面的幾何模型，并用計算機圖形學技術來表示模型[18]。結果如圖5所示。體繪制技術是利用三維離散采樣數(shù)據(jù)集顯示圖像(三維標量場)，其中的幾何模型是不需要的[19]。本研究采用醫(yī)學圖像重建中的行進立方體算法進行體繪制。結果如圖6所示。體繪制的優(yōu)點是可以重建內(nèi)部結構。內(nèi)部結構如圖7和圖8所示。

在試驗中，“錦雞牡丹”雕刻件的CT圖像進行體繪制和面繪制，分別重建，采用基于VTK的醫(yī)學圖像系統(tǒng)的研制?？梢暬ぞ甙且环N開源軟件系統(tǒng)，廣泛應用于三維圖形、圖像處理和可視化等領域。三維重建結果如圖5和圖6所示。

圖5 體繪制結果Fig.5 Volume rendering

圖6 面繪制結果Fig.6 Surface rendering

2 結果與分析

通過透雕試件縱橫2個位置的剖切，我們可以清楚的觀察到所用木材的結構紋理，從另外2個角度的剖切斷面可以觀察出該試件由3層薄木膠壓而成。試驗證明我們可以在體繪制的基礎上，對木質(zhì)文物進行多角度、多位置的分割。在分割的圖片中可以清晰地觀察到木質(zhì)文物的木材紋理狀況(圖7、圖8)。

鑒于本次試驗，我們可以通過移動CT或者CT獲取三維斷層掃描數(shù)據(jù)，然后進行試驗分析，通過三維重建，可以觀察出古文物木質(zhì)構件的用材、內(nèi)部腐朽或者蟲蛀的精確位置、大小、形狀等具體狀況，從而為下一步的文物保護制定有效的干預方法，為文物保護工作提供科學、有力、可靠的技術支撐。

圖7 試件3個膠合薄木層縱切木質(zhì)紋理(1～3層)Fig.7 Specimens of three thin layers of wood glued wood longitudinal texture map (1-3)

圖8 試件豎切斷面木質(zhì)紋理Fig.8 Wood texture map of vertical section

3 結論

通過本次木質(zhì)文物內(nèi)部成像試驗，專業(yè)人士可以通過試驗分割不同位置的圖像進行木質(zhì)文物內(nèi)部材料情況的直觀觀察，也可以進一步根據(jù)木材的斷面木紋、木射線等相關信息進行樹種鑒定。另外利用專業(yè)的三維重建軟件導入斷層數(shù)據(jù)，直接生成高精度的三維模型，可以作為虛擬現(xiàn)實技術的前提。這項技術可以應用于博物館和其他科普展覽的虛擬展示。

但是目前三維重建、打印過程需要專業(yè)人員參與，并且工業(yè)CT價格昂貴，因而成本還是比較高的，且工業(yè)CT機器位置固定，無法隨身攜帶，受掃描物體尺寸限制，不能掃描大型標本。同時缺乏圖像自動分割軟件，且打印速度較慢也是限制其應用的原因。本次試驗的縱斷面是由3層薄木膠壓而成，木材斷面不夠大，所以圖像不是很清晰。如果試驗所用試件體積更大，所得試驗圖像會更加清晰。