气缸盖的图像分割

本教程将使用单缸摩托车发动机的工业 CT 扫描数据展示如何使用 3D 编辑和其他工具、滤波器等精准分割气缸盖和配件掩膜。

本教程所用数据：Cylinder_Head.raw

1. 导入图像数据

1. 在软件欢迎页点击 Stack or raw images。

2. 在 Import images 对话框：

点击 Select File(s)… 选择 Cylinder_Head.raw。
输入图像体积中体素的物理尺寸，本例为立方体，填写 Spacing 下方的X (mm)、Y (mm)、Z (mm) 均为 0.5。
设置 Pixel type 为 Unsigned short (16 bit)。
输入图像体积的像素数量，Size - X(pixels)、Size - Y (pixels)、和 Number of slices 分别为 430、255 和 405。
内置的 File size check 应该显示为 OK。如果显示 “WARNING: File is too big”或类似的信息，请查看像素数和 Pixel type 是否有错误。
点击 Finish 导入数据。

3. 数据加载后，点击 View — 2D slice views — Orientations，选择 Classic。

2. 可视化图像数据

调整体积渲染设置更清晰地展示数据。

更改体积渲染设置

如果背景体积渲染没有显示，请确认是否打开了彩色立方体的渲染按钮。
点击 3D 视图工具栏的 Background volume rendering settings 按钮，打开 Background volume rendering 对话框。
点击 Auto set 应用默认设置。
点击并拖拽控制点调整图像数据的 Opacity 和 Colour 映射，如下图绿色的气缸盖和黄色的配件。
点击 Close 关闭 Background volume rendering 对话框。

该发动机的 CT 扫描中灰度较高的区域表示质量密度较高的配件，而灰度较低的区域表示质量密度较低的气缸盖。Background volume rendering 可以快速可视化数据，确定零件的数量及其在 3D 中的位置。气缸盖和配件将会被分割成单独的掩膜。

3. 分割气缸盖

3.1 阈值分割气缸盖

1. 点击 Image processing — Segmentation —Threshold，通过设置灰度值范围创建掩膜，可以在 2D 切片视图使用 Profile line 确定所需范围。

2. 在 Threshold 工具面板：

不勾选 Fill cavities in the resulting mask 和 Only keep the largest resulting island。
在 Apply on 的下拉菜单选择 All slices。
在 Output 的下拉菜单选择 <New mask>。
点击 Profile line 栏，在 2D 切片视图画一条轮廓线用于阈值校准。

3. 在创建轮廓线之前，将 XZ 2D 视图最大化并滑动至第 205 张切片。

4. 为创建轮廓线分析灰度值，在 2D 切片视图中依次点击两个位置（或单击并拖动）画线。这条线应跨越气缸盖的一部分（中灰色）、高密度环（白色）和周围的空气（黑色）。

5. 在 Threshold 工具的 Profile line 区域：

图中显示跨越所画线长内的灰度值变化，x 轴为以像素为单位的距离，y 轴是灰度值。
图中有三个值得注意的区域，从左至右：
左侧低灰度平坦区域：周围的空气
中间高灰度峰值：环
右侧中灰度平坦区域：气缸盖
阈值范围可以通过移动红色水平线设置，交互式的阈值会随着滑块的移动而即时更新，在 2D 切片视图中显示的掩膜预览有助于调整范围。由于灰度强度与 CT 成像中的质量密度为线性关系，因此应在气缸盖和周围空气之间的中点选择最小灰度值，如 15200。在环和气缸盖之间的中点选择最大灰度值，如 31488。
设置 Lower value 和 Upper value 分别为 15200、31488。

6. 点击 Apply 创建新掩膜。

使用阈值工具创建的 Mask 1 中包含了指定灰度范围内的所有像素，右键点击 Dataset browser 下方的 Mask 1，选择 Rename 重命名为 Cylinder_Head。

3.2 可视化气缸盖

1. 返回至 2D 和 3D 视图同时显示的布局页面。

2. 打开 3D 视图上方的 Live 3D 按钮生成 3D 模型的实时预览。

3. 气缸盖的初始分割应如下所示。

4. 旋转查看模型，在螺栓孔周围有几个区域需要处理。首先，填充下图突出显示 4 个螺栓孔周围的间隙。由于 Cylinder_Head 掩膜在这些区域接触到了图像的边界，可以采用 Fill gaps 工具检测图像边界并自动填充间隙。

3.3 填充螺栓孔周围的间隙

1. 点击 Image processing — Additional — Fill gaps。

2. 在 Fill gaps 工具：

保持 Gap assignation rule 的默认设置。这里该操作只应用在一个掩膜上，这个选项没有影响。
不勾选 Fill gaps of any size，设置 Max size of gap to fill (voxels) 为 250。为避免应用工具后填充螺栓孔本身，此设置可以限制填充间隙的尺寸。
勾选 Include gaps touching image boundaries。这将有效地将图像边界视为相邻掩膜，以便将螺栓孔周围的间隙包含在应用范围。
点击 Apply 应用工具。

3. 在下图中，间隙已被填充且螺栓孔并不受影响。另外，此操作还填充了掩膜中任何体素低于 250 的内部空腔/空隙。

剩余的螺栓孔仍还有一些区域需要处理，如下所示。

在阈值分割的过程中，还包含了一些高灰度值配件的体素，它们的部分体积与气缸盖具有相同的灰度强度。通过应用 3D editing 工具可以删除这些不需要的区域，同时处理剩余的螺栓孔。

将滤波器应用于整个掩膜可能并不总是合适的，如当模型中存在不应改变的具有较薄特征或高度精细区域时。在这些情况下，可以使用 3D editing 工具将滤波器应用在掩膜的特定子区域。该工具可以使用感兴趣区域（ROI）在 3D 视图突出显示选定区域，即滤波器的应用范围。在本示例中，为使用 3D editing 工具的掩膜感兴趣区域功能，将先分割出配件的占位掩膜，如此便可以在气缸盖掩膜特定区域应用滤波器。

3.4 分割占位配件掩膜

1. 双击 Dataset browser 的 Masks 创建新的空白掩膜。

2. 右键新掩膜重命名为 Placeholder_Fittings。

3. 右键 Placeholder_Fittings 选择 Isolate，只显示该掩膜。

4. 点击 Image processing — Segmentation — Threshold。

5. 在 Threshold 工具：

在 Histogram 栏，设置 Lower value 为 24000，Upper value 拖至最右侧即 49562。采用较宽的阈值范围分割配件周围额外部分的体积。
不勾选 Fill cavities in the resulting mask 和 Only keep the largest resulting island。
在 Apply on 下拉菜单选择 All slices。
在 Output 下拉菜单选择 Placeholder_Fittings <REPLACE>。
点击 Apply 应用。

6. 点击 Image processing — Morphological — Dilate。

7. 在 Dilate 工具，勾选 Cubic/isotropic values，设置 X radius (pixels) 数值为 1，点击 Apply。

3.5 创建掩膜 ROI

1. 将 3D 视图最大化。

2. 点击 Image processing — Segmentation — 3D editing — Advanced 3D editing。

3. 在 Advanced 3D editing 工具面板：

在 Regions of interest 区域点击 Mask 按钮。
按住 Ctrl 键并将鼠标悬停在 3D 视图的其中一个配件上方。当光标变为星形时，左键点击创建一个新的配件掩膜 ROI。

默认情况下，点击 3D 视图中的掩膜区域将为单个选定区域创建新的掩膜 ROI。通过同时按住 Ctrl 键，点击一个掩膜区域将会把掩膜的所有区域添加到掩膜 ROI。

3.6 使用 Advanced 3D editing 处理气缸盖

1. 右键点击 Cylinder_Head 掩膜选择 Isolate。

2. 在 Advanced 3D editing 工具面板：

Operation 选择 Open，设置 Strength (pixels) 为 1。
不勾选 Apply on visible surfaces only。
点击 Apply。应用操作并自动更新 3D 视图。

3. 在 Advanced 3D editing 工具面板：

Operation 选择 Smooth，设置 Strength (pixels) 为 1。
不勾选 Apply on visible surfaces only。
点击 Apply。应用操作并自动更新 3D 视图。

4. 有一个区域，在应用过打开和平滑滤波器后还没有删除配件的一部分体积。可以在删除掩膜 ROI 后对此特征处应用强度更大的打开滤波器。

5. 在 Advanced 3D editing 工具面板：

在 Regions of interest 区域，依次点击 Delete all 和 Yes 删除掩膜 ROI。
在 Primitive 的下拉菜单选择 Cylinder。
在上述要删除的特征处点击并拖拽，调整圆柱体 ROI 的尺寸。
通过操纵小部件重新定位使其与要删除的特征精准重叠。
Operation 选择 Open，设置 Strength (pixels) 为 2。
点击 Apply。应用更强的打开操作并自动更新 3D 视图。

不需要的特征已被完全移除。

在 3D 视图查看模型，在应用了 Open 滤波器的地方有一些不连接区域，可以使用 Mask flood fill 工具点击一键删除。

3.7 使用 Mask flood fill 删除不连接区域

1. 返回至 2D 和 3D 视图布局。

2. 确认选中 Cylinder_Head 掩膜使其为 Active mask。

3. 点击 Image processing — Segmentation — Mask flood fill。

4. 在 Mask flood fill 工具：

Operation 选择 Flood fill。
Mode 选择 3D。
在 Apply on 的下拉菜单选择 All slices。
在 Output 的下拉菜单选择 Cylinder_Head <REPLACE>。

5. 在 2D 切片视图，左键点击气缸盖的任意主要区域，如下图的坐标 (100,70,202) 处。

6. 在 3D 视图查看不相连的区域已完全从气缸盖中删除。

4. 分割配件

4.1 阈值分割配件

1. 点击 Image processing — Segmentation — Threshold。

2. 在 Threshold 工具面板。

在 Histogram 栏，设置 Lower value 为 27000，Upper value 拖到最右即 49562。
不勾选 Fill cavities in the resultant mask 和 Only keep the largest resulting island。
在 Apply on 下拉菜单选择 All slices。
在 Output 下拉菜单选择 <New mask>。
点击 Apply 应用，生成 Mask 1。

3. 将 Mask 1 重命名为 Fittings。

4. 右键点击 Fittings 选择 Isolate。

初始阈值分割结果中包含了部分螺栓，因为它们与配件的灰度值相似，可以通过 Simple 3D editing 工具删除。

4.2 删除配件掩膜中的螺栓

1. 点击 Image processing — Segmentation — 3D editing — Simple 3D editing。

2. 在 Simple 3D editing 工具面板：

Operation 选择 Delete。
调整 3D 视图使所有螺栓水平排列，在 Simple 3D editing 对话框选择 Rectangle。
在 3D 视图中点击拖拽选中 8 个螺栓的区域，松开鼠标，螺栓将在短暂突出显示后被删除。

配件上有一些孔洞，可以通过形态学 Close 滤波器填充。

4.3 填充配件掩膜中的孔洞

1. 点击 Image processing — Morphological — Close。

2. 在 Morphological - Close 工具面板：

勾选 Cubic/isotropic values。
设置 X radius (pixels) 为 2。
不勾选 Fill cavities in the resulting mask。
点击 Apply 应用。

4.4 删除气缸盖和配件的重叠区域