一种基于X射线的材料内部3D成像方法及装置与流程

本发明涉及一种3d成像方法及装置，具体涉及一种基于x射线的材料内部3d成像方法及装置。

背景技术：

x射线扫描成像是利用x射线对人体进行断层扫描后，由探测器收得的模拟信号再变成数字信号，经电子计算机计算出每一个像素的衰减系制数，再重建图像，显示材料内部结构的断层结构的装置。

随着科学的发展，人们对材料内部结构信息的需求越来越大。

在制造业方面，对产品质量检验和材料内部结构信息获取的要求越来越高，需要对越来越多的关键，复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。比如内部装备内部空袭，裂纹和杂质检测。x射线扫描图像可以在早期阶段识别产品缺陷，可以在产品批量生产之前最大程度的强化其性能，确保其高质量。各种铸件体上的孔隙缺陷扫描是ct应用的典型例子之一，还有一个例子就是组合结构中气泡或空隙的检测，例如宝马对汽车进行整车扫描，用于诊断整车是否合格。ct横断面扫描图可以清晰显示结构组合表面状况，显示出可能会影响结构完整性和牢固性的孔隙或缝隙的存在。

在材料检测方面，x射线扫描能以微米量级的细节分辨能力无损地全息再现各种结构和材料内部结构，材质的三维形态，在材料科学方面得到了越来越多的应用。

鉴于x射线成像的无损特性，其在航天，航空，军事，冶金，机械，石油，电力，地质，考古等方面也得到了越来越广泛的重视。

经过多年发展，x射线成像技术在相关领域出现的cr，ct机技术依然十分成熟。然而cr、ct机最为成熟的一面，仍是平面成像，平面图像对人体组织的空间结构及空间形态关系描述往往不够直观与准确。

一些基于ct机技术的x射线3d成像技术已然出现，但是其只能提供单一的拍摄角度的立体图像，视点位置、视线方向和视差都固定，要获得其他角度的立体图像只能换位重新拍摄。且由于人体组织在拍摄过程仍会发生一定的移动，对采用上述技术所导出的图像的成像精度仍会产生负面影响。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于x射线的材料内部3d成像方法及装置，可以实现工件360°无死角自动连续x射线探测3d成像。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种基于x射线的材料内部3d成像方法，具体包括如下步骤：

s1、将待成像的工件放置在精密移动台上，选用合适的x射线源，操作射线源xy移动台在y方向进行移动，使得x射线源和工件在x方向上处于同一条直线上；

s2、操作x射线接收板移动台在y方向进行移动，使x射线接收板中心和工件、x射线源三者在同一直线上；

s3、操作射线源xy移动台在x方向进行移动，调节x射线源和工件之间的距离，记为s1；

s4、操作x射线接收板移动台在x方向进行移动，调节x射线接收板和工件之间的距离，记为s2；

s5、精密移动台开始转动，平均每隔0.1°-0.5°，精密样品旋转台停止转动，x射线接收板记录衰减后的x射线量，记为1帧数据，直至工件旋转360°；

s6、通过3d数据重构对工件旋转360°记录的多帧数据进行计算处理，还原出工件原始的样貌。

优选的，所述步骤s6中采用如下方法对工件旋转360°记录的多帧数据进行计算处理：

s61、将探测器和光源都设置为一个点，探测器和光源之间的连线看作是投影的过程，假设一共有m条；

s62、设像素的值为x，对投影的贡献为a，通过公式(1)的计算方法得到投影过程的基本数学方程组模型：

ax＝p(公式1)

其中x＝[x1，x2，/cdot/cdot/cdot，xn]^t为离散化后的图像的二维数组表达式，xn代表的是图像x中不同的像素点的值，p＝[p1，p2，/cdot/cdot/cdot，pm]^t为离散化后的投影的表达式，pm代表的是图像x在不同角度下的投影，a是m*n的系数矩阵，其中a的元素ai，j代表的是第j个像素点对第i个投影的贡献；

s63、使用art算法或者sart算法求解矩阵x，重构图像。

优选的，所述步骤s5中，平均每隔0.25°，精密样品旋转台停止转动，x射线接收板记录衰减后的x射线量，记为1帧数据，精密样品旋转台旋转一周360°共记录1440帧数据。

本发明还公开了一种基于x射线的材料内部3d成像装置，包括：机架，所述机架上安装有基座，所述基座顶部中心安装有精密移动台，所述精密移动台的一侧安装有射线源xy移动台，所述射线源xy移动台上装载有多种不同类型的x射线源，x射线接收板移动台安装在基座上且位于精密移动台的另外一侧且与射线源xy移动台相对设置，x射线接收板安装在x射线接收板移动台上，所述精密移动台、x射线源和x射线接收板均与中央控制系统连接。

优选的，所述精密移动台包括精密样品旋转台、精密xy移动台和精密z移动台，所述精密样品旋转台安装在基座上，精密xy移动台安装在精密样品旋转台上，精密z移动台安装在精密xy移动台上，工件放置在精密z移动台上。实际操作过程中，精密样品旋转台用于带动工件按照预设的角度进行旋转，精密xy移动台用于精确调整工件在xy方向上的位置，精密z移动台用于精确调整工件在z方向上的位置，确保工件在最佳位置完成x射线扫描3d成像。

优选的，所述射线源xy移动台上并排装载有一个双管x射线源和一个单管x射线源，便于根据不同工件的成像要求选择双管x射线源或者单管x射线源。

优选的，所述机架与基座之间安装有隔震气垫，以减少精密移动台、射线源xy移动台或者x射线接收板移动台移动时因为震动而造成对工件位置的影响，提高成像精度。

本发明提供的一种基于x射线的材料内部3d成像方法及装置的有益效果在于：

1)本基于x射线的材料内部3d成像方法简单易行，无需复杂的操作即可实现工件360°无死角自动连续x射线探测3d成像，而且通过3d数据重构对工件旋转360°记录的多帧数据进行计算处理，可以精确还原出工件内部原始的样貌，3d成像的效果好。

2)本基于x射线的材料内部3d成像装置结构简单，自动化程度高，采用多种类型x射线源，可以适应不同工件的3d扫描要求，适应性强，通过精密移动台、射线源xy移动台以及x射线接收板移动台之间的配合，可实现工件360°无死角自动连续x射线探测3d成像。

附图说明

图1为本发明中基于x射线的材料内部3d成像装置的立体结构示意图。

图2为本发明中基于x射线的材料内部3d成像装置的前视图。

图3为本发明中基于x射线的材料内部3d成像装置的侧视图。

图4为本发明中基于x射线的材料内部3d成像装置的俯视图。

图5为本发明中基于代数迭代重构算法来实现三维重构的示意图。

图中：1、双管x射线源；2、单管x射线源；3、射线源xy移动台；4、精密样品旋转台；5、精密xy移动台；6、精密z移动台；7、工件；8、x射线接收板；9、x射线接收板移动台；10、基座；11、机架；12、隔震气垫。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例1：一种基于x射线的材料内部3d成像方法。

参照图1至图4所示，一种基于x射线的材料内部3d成像方法，具体包括如下步骤：

s1、将待成像的工件7放置在精密移动台上，根据工件7成像的性质，选用双管x射线源1或者单管x射线源2作为合适的x射线源，操作射线源xy移动台3在y方向进行移动，使得双管x射线源1或者单管x射线源2与工件7在x方向上处于同一条直线上；

s2、操作x射线接收板移动台9在y方向进行移动，使x射线接收板8中心和工件7、x射线源三者在x方向上处于同一条直线上；

s3、操作射线源xy移动台4在x方向进行移动，调节x射线源和工件7之间的距离，记为s1；

s4、操作x射线接收板移动台9在x方向进行移动，调节x射线接收板8和工件7之间的距离，记为s2，s1/s2的大小影响3d扫描成像的分辨率，因此在实际操作过程中根据实际需要，调节合适的s1、s2；

s5、精密移动台开始转动，平均每隔0.25°，精密样品旋转台停止转动，x射线接收板记录衰减后的x射线量，记为1帧数据，直至工件旋转360°，精密样品旋转台旋转一周360°共记录1440帧数据；

s6、通过3d数据重构对工件旋转360°记录的1440帧数据进行计算处理，还原出工件原始的样貌。

其中，所述步骤s6中采用如下方法对工件旋转360°记录的多帧数据进行计算处理：如图5所示：采用基于代数迭代重构算法来实现三维重构。这里假设探测器和光源都是一个点，探测器和光源之间的连线就可以看作是投影的过程，假设一共有m条。设像素的值为x，对投影的贡献为a，就可以得到投影过程的基本数学方程组模型：

ax＝p(公式1)

其中x＝[x1，x2，/cdot/cdot/cdot，xn]^t为离散化后的图像的二维数组表达式，xn代表的是图像x中不同的像素点的值，p＝[p1，p2，/cdot/cdot/cdot，pm]^t为离散化后的投影的表达式，pm代表的是图像x在不同角度下的投影，a是m*n的系数矩阵，其中a的元素ai，j代表的是第j个像素点对第i个投影的贡献。因此重构图像的过程就为求解矩阵x的过程。使用art算法或者sart算法求解矩阵x，重构图像。

代数迭代重构算法中最常见的是art(algebraicreconstructiontechnique)，art算法形式上可以写成：

也可使用sart算法，sart算法形式上可以写成：

通过art算法或者sart算等代数迭代重构算法对工件旋转360°记录的1440帧数据进行计算处理，来实现三维重构，还原出工件原始的样貌。

本基于x射线的材料内部3d成像方法简单易行，无需复杂的操作即可实现工件360°无死角自动连续x射线探测3d成像，而且通过3d数据重构对工件旋转360°记录的1440帧数据进行计算处理，可以精确还原出工件内部原始的样貌，3d成像的效果好。

实施例2：一种基于x射线的材料内部3d成像装置。

参照图1至图4所示，一种基于x射线的材料内部3d成像装置，包括：机架11，所述机架11上安装有大理石基座10，所述基座10顶部中心安装有精密移动台，所述精密移动台包括精密样品旋转台4、精密xy移动台5和精密z移动台6，其中精密样品旋转台4安装在基座10上，精密xy移动台5安装在精密样品旋转台4上，精密z移动台6安装在精密xy移动台5上，工件7放置在精密z移动台6上，实际操作过程中，精密样品旋转台4用于带动工件7按照预设的角度进行旋转，精密xy移动台5用于精确调整工件7在xy方向上的位置，精密z移动台6用于精确调整工件7在z方向上的位置，确保工件7在最佳位置完成x射线扫描3d成像，所述精密移动台的一侧安装有射线源xy移动台3，所述射线源xy移动台3上并排装载有一个双管x射线源1和一个单管x射线源2，便于根据不同工件7的成像要求选择双管x射线源2或者单管x射线源1作为合适的x射线源，x射线接收板移动台9安装在基座10上且位于精密移动台的另外一侧且与射线源xy移动台3相对设置，x射线接收板8安装在x射线接收板移动台9上，所述精密移动台、双管x射线源1、单管x射线源2和x射线接收板8均与中央控制系统连接，通过中央控制系统实现自动对准及测试操作，机架11与基座10之间安装有隔震气垫12，以减少精密移动台、射线源xy移动台3或者x射线接收板移动台9移动时因为震动而造成对工件7位置的影响，提高成像精度。

本基于x射线的材料内部3d成像装置结构简单，自动化程度高，采用多种类型x射线源，可以适应不同工件7的3d扫描要求，适应性强，通过中央控制系统可以自动控制精密移动台、射线源xy移动台3以及x射线接收板移动台9之间的配合，实现工件7的360°无死角自动连续x射线探测3d成像。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。