木质文物三维断层扫描图像处理

赵桂玲，刘 丹，刘 祎，贺 喜，毛 磊，邓宗极

(1.东北农业大学 艺术学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.东北林业大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；3.南京林业大学 家居与工业设计学院，江苏 南京 210037；4.黑龙江省木材科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150040)

目前国内外用于无损检测的技术主要有Ross、王立海、岳小泉、梁善庆等利用应力波研究木材缺陷,研发了IntelliPost 模型系统。该系统由2个模型组:学习模型。先由工作人员操作仪器识别原木缺陷,然后系统建立缺陷识别图像规则；操作模型，根据第一阶段建立的识别规则,自动识别原木缺陷，但是这种方法无法识别原木内部的细纹[1-6]。李敏华[7]等采用手持式数码显微镜对木质工艺品外观拍摄微观与宏观构造图进行的比较分析。但是这种方法无法进行木质工艺品内部的可视化分析。朱晓东[8]等采用虚拟仪器来测定木材动弹性模量；虚拟仪器技术在木质复合材料无损检测方面具有结果准确、操作简单和成本低等优点。

三维断层扫描相可以清晰获取所扫描木质文物的内部组织结构。以本次试验扫描的“锦鸡牡丹”雕刻件，不仅扫描处理后我们所获取的三维模型与实物高度一致，而且木质试件内部的材质纹理清晰可见。对木质文物进行数字化处理不仅可以实现无损鉴定，同时可以进行三维表达和虚拟展示，而且精确的文物数字模型记录了木质文物原始真实的三维信息和纹理信息，为文物修缮和恢复提供了重要的数据和模型支持[9-12]。

1 材料与方法

1.1 试验准备与步骤

第1步，准备香樟木制试件，“锦鸡牡丹”雕刻件，合成大漆涂饰，漆膜厚度0.5 mm，香樟木制试件直径43.1 cm，雕刻件厚度1.5 cm。

第2步，将准备好的木制文物放入目标CT仓。CT扫描的参数设置见表1。该试验在三甲医院正常工作日的工作时间在CT扫描室进行扫描，扫描外在条件与患者CT诊断的室内物理环境相同。试验进行时对CT诊断室的噪音、照度进行了同步测试，CT诊断室的噪音为11.8 HU、照度为150 Lux。

第3步，验证该方法的有效性，利用MATLAB在Window7操作系统分割试验。

第4步，在TM-MIS软件中采用木质文物的CT图像进行体绘制和面绘制，分别重建。

第5步，在木质文物目标可视化位置进行分割，得到不同位置、不同角度的剖视图。

表1 64排philips CT 主要参数Table 1 Key parameters of 64 row philips CT

1.2 三维可视化

由于CT木质文物图像中目标物体灰度相近，而且部分目标相互连接，因此适合使用TVL1算法[13-15]。TVL1算法具有良好的边缘保护性和多尺度分解性，为了图像处理的精度更高，进行如下算法的改良。

首先根据Bresson等提出的边缘加权全变分模型：TVg(u)=wg|u|dxdy，然后进行算法的改良。通过改进的三维 TV-L1分割模型和快速原对偶投影，再引入离散方法得到了比较理想的分割效果。3DTVL1算法具有良好的边缘保护性和多尺度分解性，计算速度快、精度高，比较适合于木质品CT图像的分割[16]。

3DTVL1具有计算速度快、定位精准等优点，在医学图像分割方面被广泛应用。第1步，对CT木质文物图像进行滤波处理，使CT木质文物图像平滑；第2步，基于平滑图像采用3DTVL1分割；第3步，对分割后木质文物图像三维重建。流程如图1所示。

图1 木质文物图像三维重建流程Fig.1 Three dimensional reconstruction flow chart of wood artifacts

为证明本试验方法的有效，在Window7操作系统中使用MATLAB工具进行试验图像分割。选取CT木质“锦鸡牡丹”雕刻件图像数据进行试验来提取木质透雕文物部分。

采用64排CT扫描该“锦鸡牡丹”雕刻件，扫描层厚0.625 mm，得到序列图像690。以第345张处理前后的图像做去噪、滤波、分割试验比较。

图2 图像去噪结果Fig.2 Image denoising results

1.3 图像去噪

观察原始噪声CT木质透雕文物图像，发现所采集的CT木质透雕文物图像存在大量伪轮廓点，且图像灰度信息分布不均匀。为了获取清晰度较高的图像，采用总变差滤波对CT木质“锦鸡牡丹”雕刻件原始图像进行去噪，得到图3相对应的图像结果。可以明显看出，处理后的“锦鸡牡丹”雕刻件区域灰度均匀，组织边界清晰、平滑。

1.4 图像滤波

滤波是对信号中某一特定频带的频率进行滤波的一种运算，在抑制和防止干扰中起着非常重要的作用。滤波分为经典滤波和现代滤波。考虑到经典滤波方法中各种滤波器的特殊性，在试验中应用了双边滤波器。双边滤波器是一种基于图像空间贴近度和像素值相似度的折衷方案。考虑到空间信息和灰度相似性，可以保留边缘，消除噪声，具有简单、非迭代部分的特点[15-16]。本文采用双边滤波器进行滤波。

图3 滤波后结果Fig.3 Filtered result

1.5 图像分割

图4为采用3DL1算法对图5分割的结果。使用3DL1算法可将木质透雕文物和非木质透雕文物部分分离。

图4 图像分割结果Fig.4 Image segmentation results

1.6 三维重建

三维重建是指计算机系统中主体的数学模型的建立。该技术是计算机系统中处理、操作和分析对象的基础，也是表达虚拟现实的关键技术。三维重建的方法主要有曲面绘制法和体绘制法[17]。曲面绘制方法是建立物体表面的几何模型，并用计算机图形学技术来表示模型[18]。结果如图5所示。体绘制技术是利用三维离散采样数据集显示图像(三维标量场)，其中的几何模型是不需要的[19]。本研究采用医学图像重建中的行进立方体算法进行体绘制。结果如图6所示。体绘制的优点是可以重建内部结构。内部结构如图7和图8所示。

在试验中，“锦鸡牡丹”雕刻件的CT图像进行体绘制和面绘制，分别重建，采用基于VTK的医学图像系统的研制。可视化工具包是一种开源软件系统，广泛应用于三维图形、图像处理和可视化等领域。三维重建结果如图5和图6所示。

图5 体绘制结果Fig.5 Volume rendering

图6 面绘制结果Fig.6 Surface rendering

2 结果与分析

通过透雕试件纵横2个位置的剖切，我们可以清楚的观察到所用木材的结构纹理，从另外2个角度的剖切断面可以观察出该试件由3层薄木胶压而成。试验证明我们可以在体绘制的基础上，对木质文物进行多角度、多位置的分割。在分割的图片中可以清晰地观察到木质文物的木材纹理状况(图7、图8)。

鉴于本次试验，我们可以通过移动CT或者CT获取三维断层扫描数据，然后进行试验分析，通过三维重建，可以观察出古文物木质构件的用材、内部腐朽或者虫蛀的精确位置、大小、形状等具体状况，从而为下一步的文物保护制定有效的干预方法，为文物保护工作提供科学、有力、可靠的技术支撑。

图7 试件3个胶合薄木层纵切木质纹理(1～3层)Fig.7 Specimens of three thin layers of wood glued wood longitudinal texture map (1-3)

图8 试件竖切断面木质纹理Fig.8 Wood texture map of vertical section

3 结论

通过本次木质文物内部成像试验，专业人士可以通过试验分割不同位置的图像进行木质文物内部材料情况的直观观察，也可以进一步根据木材的断面木纹、木射线等相关信息进行树种鉴定。另外利用专业的三维重建软件导入断层数据，直接生成高精度的三维模型，可以作为虚拟现实技术的前提。这项技术可以应用于博物馆和其他科普展览的虚拟展示。

但是目前三维重建、打印过程需要专业人员参与，并且工业CT价格昂贵，因而成本还是比较高的，且工业CT机器位置固定，无法随身携带，受扫描物体尺寸限制，不能扫描大型标本。同时缺乏图像自动分割软件，且打印速度较慢也是限制其应用的原因。本次试验的纵断面是由3层薄木胶压而成，木材断面不够大，所以图像不是很清晰。如果试验所用试件体积更大，所得试验图像会更加清晰。