X射线光栅相位衬度成像中摩尔条纹的识别方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹的识别方法及装置，所述方法包括：步骤1：对待识别的摩尔条纹图像进行光照不均匀修正；步骤2：对经过光照不均匀修正后的摩尔条纹图像进行滤波；步骤3：对滤波后的摩尔条纹图像进行二值化，获得二值化图像；步骤4：对所述二值化图像进行细化，以提取二值化图像中摩尔条纹的中心线；步骤5：根据所提取的摩尔条纹的中心线识别摩尔条纹的精确位置。本发明提供的方法实现了摩尔条纹角度和方向计算的自动化，避免的仪器使用者的主观因素导致的误差，并且仪器调节速度大大提高，精确度也得到了很好的保证。
【专利说明】X射线光栅相位衬度成像中摩尔条纹的识别方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种条纹图像的角度与周期的自动检测方法，特别的，涉及X射线光 栅相位衬度成像装置对准过程中的莫尔条纹的角度和周期的自动识别方法。
【背景技术】
[0002] 自1895年德国科学家伦琴首次发现X射线至今的100多年里，X射线因其极强的 穿透本领，被广泛用于物体的成像领域。传统的X射线成像方法主要是基于物体对X射线 的吸收，最终获得的成像衬度的好坏很大程度上取决于物体内部各部分对X射线吸收特性 差异的大小。在医学领域，由于人体软组织部分对X射线的吸收很少，这就意味着X射线吸 收成像方法运用于人体的软组织病变诊断有很大的局限性。
[0003]自上世纪九十年代开始，随着第三代同步辐射装置的发展，硬X射线相位衬度成 像技术应运而生。目前已经有多种X射线相位衬度成像技术得以发展。其机理简单地说，就 是利用了X射线穿透物体后其相位发生的移动进行成像。相比较吸收衬度成像，相位衬度 成像的优势在于，同样剂量的X射线穿透软组织，相位移动产生的变化比射线强度吸收产 生的变化大得多，因此所得到的X射线图像衬度将会得到很大的提高，参见参考文献[1]。
[0004]X射线光栅步进相衬成像方法是目前发展较为成熟的一种X射线相衬成像方法， 由于其可利用通用X射线机产生的多色、非相干性光进行成像，目前被广泛采用，参见参考 文献[2]。现在普遍采用的X射线光栅相位衬度成像方法，是PfeifferF等人于2006年首 次提出的，该方法采用三块不同功能的光栅，实现了在通用X射线机上完成相位衬度成像。 实验中，光源光栅主要作用是将普通X射线光源分割成一系列互不相干的线光源。物体样 本放置于相位光栅之前，单个X射线线光源是部分相干的，可以与相位光栅产生泰伯效应， 最后通过放置于探测器之前的分析光栅，获取相位变化信息，参见参考文献[3]。
[0005] 采用该方法获取相位衬度图像的一个关键环节是相位光栅和分析光栅的对准，对 准的精度对获取的图像质量有明显的影响。对准方法为：先调整分析光栅，使其光栅线水 平，之后通过调整相位光栅，使得相位光栅的泰伯自成像与分析光栅恰好完全重合。判定对 准是否完成是依据相位光栅的泰伯自成像与分析光栅形成的莫尔条纹角度和周期判定的。 依据摩尔条纹的相关知识可知，当摩尔条纹垂直并且周期相等并趋于无限大时就可以近似 认为对准完成。而目前X射线光栅相衬成像实验中对准时摩尔条纹的角度与周期皆依据肉 眼判定，其弊端为带有个人主观意识，精度无法保证并且速度较慢，参见参考文献[4]。
[0006] 参考文献：
[0007] [1]ChapmanLD，TomlinsonWC，JohnstonRE，WashburnD，PisanoE，GmurN， ZhongZ，MenkR，ArfelliF，SayersD1997phys.med.biol. 42 2015
[0008] [2]AtsushiM0M0SE，RecentAdvancesinX-rayPhaseImaging，Japanese JournalofAppliedPhysics，Vol. 44,No.9A，2005,pp.6355-6367
[0009] [3]FranzPfeiffer，TimmWeitkamp，OliverBunk，ChristianDavid，Phase retrievalanddifferentialphase-contrastimagingwithlow-briIIianceX-ray sources?naturephysicsVOL2APRIL2006
[0010] [4]PavloBaturin，MarkShafer?Optimizationofgrating-based phase-contrastimagingsetup，MedicalImaging2014：PhysicsofMedicalImaging， Vol.9033,90334
【发明内容】
[0011] 为了实现X射线光栅相衬成像对准过程中摩尔条纹角度和周期的准确快速测算， 从而提高仪器对准精度并获得高质量的相衬图像。
[0012] 本发明提出了一种X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹的识别方法，其包括：
[0013] 步骤1:对待识别的摩尔条纹图像进行光照不均匀修正；
[0014] 步骤2 :对经过光照不均匀修正后的摩尔条纹图像进行滤波；
[0015] 步骤3 :对滤波后的摩尔条纹图像进行二值化，获得二值化图像；
[0016] 步骤4:对所述二值化图像进行细化，以提取二值化图像中各摩尔条纹的初始位 置信息；
[0017] 步骤5 :根据所提取的各摩尔条纹的初始位置信息识别各摩尔条纹的精确位置。
[0018] 本发明还提出了一种X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹的识别装置，其包 括：
[0019] 修正模块：对待识别的摩尔条纹图像进行光照不均匀修正；
[0020] 滤波模块：对经过光照不均匀修正后的摩尔条纹图像进行滤波；
[0021] 二值化模块：对滤波后的摩尔条纹图像进行二值化，获得二值化图像；
[0022] 细化模块：对所述二值化图像进行细化，以提取二值化图像中各摩尔条纹的初始 位置信息；
[0023] 识别模块：根据所提取的各摩尔条纹的初始位置信息识别各摩尔条纹的精确位 置。
[0024] 与现有技术相比，本发明提供的方案实现了摩尔条纹角度和方向计算的自动化， 避免的仪器使用者的主观因素导致的误差，并且仪器调节速度大大提高，精确度也得到了 很好的保证。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为X射线光栅步进相位衬度成像系统的构成示意图；
[0026] 图2为两块光栅的几种典型相对位置和相应的莫尔条纹示意图；
[0027] 图3为本发明中X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹图像的识别方法的流程 图；
[0028] 图4 (a)-(e)为实现本发明X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹图像的识别方 法的软件界面和处理步骤示意图。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0030] 摩尔条纹产生原理如下：由泰伯效应可知相位光栅在泰伯距离产生光栅自成像， 我们将分析光栅放置于特定的泰伯距离，二者的条纹相交形成摩尔条纹，并由放置于分析 光栅后面的CCD探测器接收获得原始图像。
[0031]图1示出了X射线光栅步进相位衬度成像系统的构成。如图1所示，系统从右至 左依次为X射线光源，光源光栅，试验样品，相位光栅，分析光栅和CCD探测器。
[0032] 图2示出了分析光栅和相位光栅的几种典型相对位置和相应的莫尔条纹。如图2 所示，第一行各图左侧为分析光栅示意图，右侧为相位光栅的泰伯自成像，第二行为他们叠 加后形成的莫尔条纹。
[0033] 如图3所示，本发明公开了一种X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹图像的识 别方法，其包括：
[0034] 步骤1 :获取条纹图像，并对条纹图像进行光照不均匀修正；其中，所述条纹图像 可以为摩尔条纹，也可以为一般的条纹图像；
[0035] 实际实验中的X射线光源为点光源，因此获取的条纹图像必然存在光照不均匀的 状况。不均匀的光照会使图像质量下降，显示效果变差更重要的是会影响后续摩尔条纹计 算的精度。因此对获取的原始图像，本发明最先要进行光照不均匀修正。
[0036] 针对点光源的特征可知，图像中心亮度最大，各个像素点亮度大小为该像素点到 光照中心像素点距离的函数，往四周亮度逐渐衰减，符合点光源照射度的距离平方反比定 律与点光源照射度的距离平方反比余弦定律。针对该特征，本发明提出了一种简单可行的 修正方法。
[0037]点光源照射度的距离平方反比定律，即假设点光源的光强为Ie，点光源到探测器 照射中心的距离为I，则照射中心光照度为=f。而点光源照射度的距离平方反比余弦 定律，即假设点光源照射位置与照射面不垂直，仍假设点光源的光强为Ie，点光源到探测器 平面的距离为I，点光源与照射点法线方向夹角为Θ，则照射位置光照度为= |COSl 据此假定获取的图像灰度值矩阵为A= (aipmxn，光照中心位置像素点为aM，有 这里的k为光照度到图像灰度值的转换系数，则对任意一位置像素点灰度值为
[0038]
【权利要求】
1. 一种X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹的识别方法，其包括： 步骤1:对待识别的摩尔条纹图像进行光照不均匀修正； 步骤2 :对经过光照不均匀修正后的摩尔条纹图像进行滤波； 步骤3 :对滤波后的摩尔条纹图像进行二值化，获得二值化图像； 步骤4 :对所述二值化图像进行细化，以提取二值化图像中各摩尔条纹的初始位置信 息； 步骤5 :根据所提取的各摩尔条纹的初始位置信息识别各摩尔条纹的精确位置。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述步骤1中根据点光源照射度的距离平方反比定 律和电光源照射度的距离平方反比余弦定律，对所述摩尔条纹图像进行光照不均匀修正。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，所述步骤1中修正后的摩尔条纹图像上的任意位置 像素点灰度值如下计算： C^j =Qij (/2/(/2 +(f-P)2 + (/ -g)2))1 其中，aij和a' 。.分别为所述摩尔 条纹图像上任意像素点（i，j)修正前和修正后的像素灰度值，I为点光源到摩尔条纹图像 探测器照射位置的距离，P和q分别为光照中心位置像素点（P，q)的像素坐标。
4. 如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，步骤2具体包括： 步骤21 :对所述经过光照不均匀修正后的摩尔条纹图像进行快速傅里叶变换； 步骤22 :从快速傅里叶变换后的结果选取频域滤波函数进行滤波； 步骤23 :将频域滤波后的图像进行傅里叶反变换，得到滤波后的摩尔条纹图像。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，步骤22中采用的频域滤波函数如下表示：
其中^为低通滤波器滤波半径，r2为带通滤波器滤波半径，u，V为滤波平面上点的坐 标，Uci, Vci为带通滤波中心坐标。
6. 如权利要求1_3、5任一项所述的方法，其中步骤5具体包括： 步骤51 :获取当前待识别摩尔条纹的初始位置信息，设当前待识别摩尔条纹的中心点 为（Xtl, ，长度为1，角度为0 步骤52 :设定计算偏置角度a和划线数量n，以（?,%)为中心，1为长度，向左右侧各 倾斜a划n条直线； 步骤53 :设各直线上像素点的方差依次为〇p〇 2, 〇 3，......，〇 2n，则计算各直线对应 的直线偏角0i; 步骤54:根据各条直线上像素点灰度方差的大小，给各条直线倾斜角赋予权重
计算得到的当前待识别摩尔条纹的新的角度； 步骤55 :依据步骤52设定的迭代计算次数，重复步骤52到步骤54迭代计算过程，最 终得到当前待识别摩尔条纹的精确位置。
7. 如权利要求1所述的方法，其中，步骤5中所述当前待识别摩尔条纹的精确位置包括 当前待识别摩尔条纹的中心点和角度。
8. 如权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括： 步骤6 :根据计算得到的各摩尔条纹的角度以及摩尔条纹周期判断是否达到仪器校准 的标准。
9. 一种X射线光栅相位衬度成像中的摩尔条纹的识别装置，其包括： 修正模块：对待识别的摩尔条纹图像进行光照不均匀修正； 滤波模块：对经过光照不均匀修正后的摩尔条纹图像进行滤波； 二值化模块：对滤波后的摩尔条纹图像进行二值化，获得二值化图像； 细化模块：对所述二值化图像进行细化，以提取二值化图像中各摩尔条纹的初始位置 信息； 识别模块：根据所提取的各摩尔条纹的初始位置信息识别各摩尔条纹的精确位置。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所述识别模块如下识别各摩尔条纹的精确位置： 首先获取当前待识别摩尔条纹的初始位置信息，设当前待识别摩尔条纹的中心点为 (xQ，yQ)，长度为1，角度为0 Q; 设定迭代计算次数，计算偏置角度a和划线数量n，以（X(l，ytl)为中心，1为长度，向左 右侧各倾斜a划n条直线；设各直线上像素点的方差依次为，〇p〇 2，〇 3，......，〇2n，则 计算各直线对应的直线偏角0i; 根据各条直线上像素点灰度方差的大小，给各条直线倾斜角赋予权重
计算得到的当前待识别摩尔条纹的新的角度； 根据上述设定的迭代计算次数，重复上述迭代计算过程，最终得到当前待识别摩尔条 纹的精确位置。
【文档编号】G06T7/00GK104504710SQ201410840694
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】吴自玉, 韩华杰, 王圣浩, 张灿, 杨萌, 王志立, 高昆 申请人:中国科学技术大学