一种基于图像复原的工业ct几何尺寸测量方法
【技术领域】
[0001] 该发明涉及一种物体几何尺寸测量方法，特别是涉及一种基于图像复原的工业CT 几何尺寸测量方法。
【背景技术】
[0002] 几何尺寸测量是逆向工程的关键环节，基于工业计算机断层成像（Computed Tomography,CT)的几何尺寸测量方法通过采集不同角度下的X射线投影重建物体CT图像， 并基于CT图像完成几何尺寸测量。其优势体现在可以无损地测量物体的外部和内部结构 几何尺寸。基于工业CT的尺寸测量方法能有效弥补传统测量方法只能测量物体外表面结 构的不足，特别适合逆向工程、快速成型、3D打印等应用。但是，为了保证CT系统可以对一 些较难穿透的大型物体成像，射线源的功率需要相应地增大，随之而来地焦斑尺寸也逐渐 增大。焦斑变大将导致探测器投影图像中出现半影，反映在重建CT图像中是模糊退化效 应。模糊退化后的CT图像清晰度降低，并且进一步影响几何尺寸测量精度。
[0003] 针对以上问题，经过对现有技术的文献检索发现，前人主要采用测量系统点扩 展函数（PointSpreadFunction,PSF)，并将其用于图像复原的方法降低模糊退化效应。 2001 年，Dougherty等人在《Radiography》上发表文章"Thepointspreadfunction revisited:imagerestorationusing2_Ddeconvolution"，提出将针孔测量法得到的二 维PSF用于医学脊椎骨图像后处理中，经过维纳滤波方法的复原，得到了更加清晰的图像。 2006 年，Jeon等人在〈〈NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSection A》上发表文章"Determinationofpointspreadfunctionforaflat-panelX-ray imageranditsapplicationinimagerestoration"，提出使用测量到的二维PSF复原 不同直径的圆孔投影图像，通过比较维纳滤波和L-R迭代两种方法的图像复原效果，发现 L-R迭代能够获得更好的结果。2009年，黄魁东等人在全国射线数字成像会议上发表文章 "DR成像系统点扩展函数测量与图像恢复"，针对采集的投影图像，研究了逆滤波、维纳滤波 和约束最小二乘滤波三种图像复原算法的效果，实验结果表明约束最小二乘滤波复原效果 最好。上述的研究工作都是基于二维投影图像展开的，工业CT几何尺寸测量是在重建CT 图像上完成的，CT图像的点扩展效应是射线源焦斑、探测器弥散效应、重建算法等因素共同 产生的结果，通过重建CT图像获取系统PSF并将其用于图像复原，是提高工业CT几何尺寸 测量精度更为直接有效的方法。
[0004] 2012 年，Pakdel等人在《PhysicsinMedicineandBiology》上发表文章 "Generalizedmethodforcomputationoftruethicknessandx-rayintensity informationinhighlyblurredsub-millimeterbonefeaturesinclinicalCT images"，在对脑皮层小骨的测量研究中，通过建立一维PSF模型，解决了医学图像模糊退 化严重的问题，复原后的CT图像能够有效提高脑皮层小骨的测量精度。但是他们的方法针 对特定的医学图像，且只考虑了一维PSF模型，怎样将该方法拓展到工业CT图像的几何尺 寸测量中依然值得思考。
【发明内容】
[0005] 本发明克服了现有技术中，一些工业CT几何尺寸测量方法仍需改进的问题，提供 一种能同时降低CT图像模糊退化程度，并且精度较高的基于图像复原的工业CT几何尺寸 测量方法。
[0006] 本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的基于图像复原的工业CT几 何尺寸测量方法：具体步骤如下：（1)投影数据采集；（2)重建射束硬化校正后的CT图像； (3)计算二维PSF; (4)图像复原；（5)几何尺寸测量。
[0007] 所述步骤⑴的数据采集包括采集可被X射线穿透的被测量物体和已知尺寸小球 一起扫描的投影，小球材料最好与实际被测量物体材料的衰减系数接近，小球中心应与物 体被测量区域处于相同高度。判断物体是否穿透的具体方法为，若投影图像背景灰度值为 Pc，则要求投影图像物体区域的最小灰度值大于
[0008] 所述步骤（2)包括直接针对步骤（1)中采集的原始投影数据，通过构造指数模型， 以带有惩罚项约束的灰度熵为代价函数，使用单纯形法迭代求解射束硬化校正参数，并对 校正后的投影进行图像重建。
[0009] 所述步骤（2)中基于优化策略的迭代框架为：I对原始投影数据对数变换，得到 待校正的投影，并为射束硬化校正参数赋初值；II根据指数校正模型，得到相应射束硬化校 正参数下校正后的投影图像；III重建校正后的CT图像，并计算重建CT图像对应的代价函数 值；IV判断是否满足迭代收敛条件，若满足条件则停止迭代，以当前射束硬化校正参数作为 最优解，否则进行下一轮迭代，按照单纯形法迭代更新射束硬化校正参数，重复步骤II至步 骤IV。
[0010] 所述步骤（3)包括针对步骤（2)中经过射束硬化校正后的CT图像，选择小球中心 所在的平面，均匀提取过小球中心不同方向的剖线，通过构造一种基于可分离高斯函数的 PSF模型，利用黄金分割法迭代求解模型参数；步骤（3)在确定用于计算二维PSF的剖线采 集数量时，综合考虑了结构相似性（StructureSimilarity，SSIM)指数和计算时间两个指 标，将采集过圆心的剖线数量控制在12-20之间。
[0011] 所述步骤⑷包括以步骤⑵中经过射束硬化校正后的CT图像的TV作为目标函 数建立最优化模型，并利用步骤（3)中求到的PSF，通过交替方向TV最小化方法求解复原后 的CT图像。
[0012] 所述步骤（5)包括针对步骤（4)复原后的CT图像，首先用标称物体修正体素尺 寸，然后利用改进的Canny边缘检测算法提取亚像素级别的边缘，并根据实际需求计算测 量结果。
[0013] 与现有技术相比，本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法具有以下优 点：使用该发明方法复原后的CT图像，其模糊退化效应能得到有效抑制，并且能够获得更 好的几何尺寸测量精度。
【附图说明】
[0014]图1是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法的几何尺寸测量流程 图；
[0015] 图2是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法的射束硬化校正流程 图；
[0016] 图3是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法中不同高斯模糊条件下 卷积不意图；
[0017] 图4是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法中用于图像复原体模的 相对位置关系示意图；
[0018] 图5是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法中小球中心平面剖线采 样示意图；
[0019] 图6是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法计算的二维PSF示意图；
[0020] 图7是本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方法中实际CT图像不同方法 复原后测量精度的比较图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明基于图像复原的工业CT几何尺寸测量方 法作进一步说明：
[0022] 本发明是通过以下技术方案实现的，如附图1所示，具体步骤如下：
[0023] (1)投影数据采集。在保证可以被X射线穿透的前提下，采集被测量物体和已知尺 寸小球一起扫描的投影；
[0024] (2)重建射束硬化校正后的CT图像。直接针对步骤（1)中采集的原始投影数据， 通过构造指数模型，以带有惩罚项约束的灰度熵为代价函数，使用单纯形法迭代求解射束 硬化校正参数，并对校正后的投影进行图像重建；
[0025] (3)计算二维PSF。针对步骤⑵中经过射束硬化校正后的CT图像，选择小球中 心所在的平面，均匀提取过小球中心不同方向的剖线，通过构造一种基于可分离高斯函数 的PSF模型，利用黄金分割法迭代求解模型参数；
[0026] (4)图像复原。以步骤⑵中经过射束硬化校正后的CT图像的TV作为目标函数 建立最优化模型，并利用步骤（3)中求到的PSF，通过交替方向TV最小化方法求解复原后的 CT图像；
[0027] (5)几何尺寸测量。针对步骤（4)复原后的CT图像，首先用标称物体修正体素尺 寸，然后利用改进的Canny边缘检测算法提取亚像素级别的边缘，并根据实际需求计算测 量结果。
[0028] 步骤（1)采集实际投影数据的具体方法为，为了给CT系统设置合适的扫描电压 与电流，若投影图像背景灰度值为Pc，则要求投影图像物体区域的最小灰度值大于
外，被测量物体需要和一个小球共同扫描，小球材料最好与实际被测量物体材料的衰减系 数接近，小球中心应与物体被测量区域处于相同高度；
[0029] 步骤（2)直接针对原始投影数据，设计了一种如附图2所示的基于优化策略的迭 代框架：
[0030] I对原始投影数据对数变换，得到待校正的投影，并为射束硬化校正参数赋初 值；
[0031] II根据指数校正模型，得到相应射束硬化