板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法及装置与流程
本发明实施例涉及x射线计算机层析成像技术领域，尤其涉及一种板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法及装置。
背景技术：
在x射线计算机层析成像(computedtomography，简称ct)系统中，x射线源发出x射线，从不同角度穿过被检测物体的某一区域，放置于射线源对面的探测器在相应角度接收。然后，根据各角度射线不同程度的衰减，利用一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被扫描区域的射线线衰减系数分布映射图像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该区域内的介质密度、成分和结构形态等特征。
重建效率、重建精度和三维可视化难易程度是当前ct技术重点关注的成像指标。受成像原理制约，诸如太阳能帆板、电路板等具有大面积-厚度比的板壳物体，传统ct技术难以取得良好的重建结果。
近年，helfenl等，ontheimplementationofcomputedlaminographyusingsynchrotronradiation，reviewofscientificinstruments,vol.82,no.6,pp:129-151,2011，实现了一种专门针对板壳结构的倾斜扫描ct成像技术(computedlaminography，简称cl)，能较好解决上述问题。但该技术也存在如下局限性：当倾斜转台平面不平或者板壳物体表面凸起特征导致主平面无法与转台平面贴合时，cl切片难以与板壳表面平行，导致重建时间长、重建精度低以及三维可视化困难等问题。
目前，尚未发现有能克服上述问题的板壳x射线计算机层析成像技术。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法及装置，以减小板壳物体ct重建体积，提高成像效率和重建精度，增强图像可读性。
本发明实施例的一个方面是提供一种板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法，包括如下步骤：
步骤1、获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；
步骤2、对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用带方位角的新型三维滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体对应的三维ct切片图像。
进一步地，步骤1还包括：板壳物体放置于倾斜转台上，在扫描过程中板壳物体随着转台转动而转动；
所述板壳物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖。
进一步地，所述对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，包括：
依据公式(1)对所述二维投影图像序列i(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1:10表示从1取到10，1:k表示从1取到k，i(i,1:10,1:k)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为k的区域。
进一步地，所述采用带方位角的新型滤波反投影重建算法对所述板壳物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述板壳物体对应的三维ct切片图像，包括：
依据公式(2)-(6)对所述板壳物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述板壳物体的三维ct切片图像f：
x＝(x”cosα+(y”sinα+z”cosα)sinγ)cosβ-(y”cosα-z”sinα)sinβ(4)
其中，f(x”,y”,z”)表示被重建的三维板壳物体，(x”,y”,z”)表示三维物体质点在物体坐标系中的坐标位置，(x,y,z)表示三维物体质点在某个旋转角度下在系统坐标系中的坐标位置，d表示射线源到探测器的距离，p(s,v,β)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器，α,
本发明实施例的另一个方面是提供一种板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像装置，包括：
获取模块，用于获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像；
计算模块，用于对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列；利用带方位角的新型三维滤波反投影重建算法对二维线积分图像序列进行图像重建，获得所述物体对应的三维ct切片图像。
进一步地，获取模块还包括：板壳物体放置于倾斜转台上，在扫描过程中板壳物体随着转台转动而转动；
所述板壳物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中成像区被锥束覆盖。
进一步地，所述计算模块具体用于依据公式(1)对所述二维投影图像序列i(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1:10表示从1取到10，1:k表示从1取到k，i(i,1:10,1:k)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为k的区域。
进一步地，所述计算模块具体用于依据公式(2)-(6)对所述物体的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述物体的三维ct切片图像f：
x＝(x”cosα+(y”sinα+z”cosα)sinγ)cosβ-(y”cosα-z”sinα)sinβ(4)
其中，f(x”,y”,z”)表示被重建的三维板壳物体，(x”,y”,z”)表示三维物体质点在物体坐标系中的坐标位置，(x,y,z)表示三维物体质点在某个旋转角度下在系统坐标系中的坐标位置，d表示射线源到探测器的距离，p(s,v,β)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器，α,
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明能够解决板壳物体在三维正交笛卡尔坐标系下的方位角问题，快速高精度直接重建出平行于板壳物体表面的断层切片图像；步骤简单，缩小了重建体积从而提高了重建效率；在重建的过程中校正物体空间位置，而不是重建以后再对数据进行图像旋转以及空间插值，没有插值误差，因而提高了重建图像质量；重建出来的切片图像与板壳物体表明平行，易读性强，三维可视化精度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法流程图；
图2为本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像系统原理图；
图3为本发明实施例提供的板壳物体新型三维滤波反投影重建算法重建坐标系原理图；
图4为采用板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法获得的实际物体在一些扫描角度下的二维线积分图像；
图5为采用板壳物体新型三维滤波反投影重建算法获得的实际物体重建后的三维ct图像；
图6为采用传统重建算法重建获得的实际物体的三维ct图像；
图7为本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法流程图；本发明实施例针对现有板壳物体ct成像，切片图像难以与板壳表面平行，导致重建时间长、重建精度低以及三维可视化困难等问题，提供了基于新型滤波反投影重建算法的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法，该方法具体步骤如下：
步骤s101、获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是物体沿着轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述物体的二维投影图像。
图2为本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像系统原理图；如图2所示，板壳结构三维锥束计算机层析成像系统包括：x射线源20、x射线束21、倾斜转台22、待测板壳物体23、探测器24、计算机25。其中，待测板壳物体23放置在倾斜转台22上，探测器24、倾斜转台22和x射线源20分别与计算机25连接。计算机25用于控制x射线源20发生锥束的强度与时间、控制倾斜转台22转动速度，以及控制探测器24的采样周期。x射线源20形成的锥束21对待测物体23进行透射，待测物体23成像区被锥束21覆盖，转台22匀速沿着轴向转动，探测器24周期性采集透射过待测物体23的射线投影，当转台22转动360°后，计算机25控制探测器24停止采样、控制x射线源20停止发生锥束、同时控制转台22停止转动，整个三维锥束计算机层析成像系统完成一次单圆轨道锥束扫描。探测器24将每个采样周期采集到的射线投影形成一个二维投影图像，并将二维投影图像传输给计算机25，则转台22转动360°后，探测器24形成一系列二维投影图像即二维投影图像序列，并将二维投影图像序列传输给计算机25。图3为本发明实施例提供的板壳物体新型三维滤波反投影重建算法重建坐标系原理图。
优选的，所述物体沿着轴向转动，包括：所述物体沿着旋转轴的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中所述物体成像区均被锥束覆盖；所述探测器的采样周期可灵活设定，优选的，采样周期为所述物体沿着轴向匀速转动1度的时间。
另外，本发明实施例不限制探测器24的采样周期。
步骤s102、对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列。
计算机25对其获取的探测器采集到的二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，具体为依据公式(1)对所述二维投影图像序列i(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，当探测器的采样周期为所述多个物体同时沿着轴向匀速转动1度的时间时，i的取值为从1到360，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1:10表示从1取到10，1:k表示从1取到k，i(i,1:10,1:k)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为k的区域。
步骤s103、采用带方位角的新型滤波反投影重建算法对所述板壳物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述板壳物体对应的三维ct切片图像。具体为依据公式(2)-(6)对所述板壳物体对应的二维线积分子图像序列p进行图像重建获得所述板壳物体对应的三维ct切片图像f：
x＝(x”cosα+(y”sinα+z”cosα)sinγ)cosβ-(y”cosα-z”sinα)sinβ(4)
其中，f(x”,y”,z”)表示被重建的三维板壳物体，(x”,y”,z”)表示三维物体质点在物体坐标系中的坐标位置，(x,y,z)表示三维物体质点在某个旋转角度下在系统坐标系中的坐标位置，d表示射线源到探测器的距离，p(s,v,β)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。α,
本发明实施例相比于现有的锥束ct、cl技术，步骤简单，缩小了重建体积从而提高了重建效率；在重建的过程中校正物体空间位置，而不是重建以后再对数据进行图像旋转以及空间插值，没有插值误差，因而提高了重建图像质量；重建出来的切片图像与板壳物体表明平行，易读性强，三维可视化精度高。
为了证明上述实施例的效果，本发明实施例进行了如下实验，实验步骤如下：
(1)设定实验条件。本实验采用的板壳物体为一个两层的pcb印刷电路板。该印刷电路板具有板壳物体的典型特征，且在该电路板各层上具有许多空洞、焊点、线路等特征。x射线源具体采用x射线管，该x射线管的管电压为110kv，管电流为1.5ma，x射线源到探测器的距离为1180mm，探测器的角度采样数为360个，二维投影图像的大小为960*768。
(2)根据设定参数，计算机控制倾斜转台旋转，探测器采集投影数据，并依据投影数据生成二维投影图像序列。
(3)计算机依据上述公式(1)对二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列。
(4)计算机依据上述公式(2)-(6)对该板壳物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得该物体对应的三维ct切片图像。
图4为采用板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像方法获得的实际物体在一些扫描角度下的二维线积分图像；图5为采用板壳物体新型三维滤波反投影重建算法获得的实际物体重建后的三维ct图像。由图4和5可知，ct图像正确揭示了该pcb印刷电路板的结构，表明了本发明实施例方法的有效性。同时，可以观察到用本发明实施例方法重建出来的电路板断层“横平竖直”，与板壳物体表面平行，十分直观，可读性强。
图6为采用传统重建算法重建获得的实际物体的三维ct图像。通过图6可以显著观察到，由于传统算法没有考虑到板壳物体和三维笛卡尔直角坐标系各主轴之间存在的夹角，因此重建出的物体断层与电路板表面不平行，有明显夹角，使得重建图像不能直观、有效反应该电路板的信息。
由图4、5和6可知，本发明实施例能快速高精度地实现板壳物体的三维层析成像，直接重建出“横平竖直”的物体图像，不需要后续图像旋转插值的过程，重建效率高，重建精度高，三维可视化效果好。重建算法实现过程简单易实现。
图7为本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像装置的结构图。本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像装置可以执行板壳物体的三维锥束计算机层析成像方法实施例提供的处理流程，如图7所示，针对板壳物体三维锥束计算机层析成像装置70包括获取模块71和计算模块72，其中，获取模块71用于获取探测器采集到的二维投影图像序列，所述二维投影图像序列是该板壳物体沿着倾斜转台轴向转动过程中，所述探测器周期性采集透射过所述板壳物体的射线投影后获得的多个二维投影图像，且一个采样周期对应一个所述板壳物体的二维投影图像；计算模块72用于对所述二维投影图像序列进行对数解调获得二维线积分图像序列，采用本发明实施例提出的带方位角的新型滤波反投影重建算法对所述板壳物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得所述板壳物体对应的三维ct切片图像。
本发明实施例相比于现有的锥束ct、cl技术，步骤简单，缩小了重建体积从而提高了重建效率；在重建的过程中校正物体空间位置，而不是重建以后再对数据进行图像旋转以及空间插值，没有插值误差，因而提高了重建图像质量；重建出来的切片图像与板壳物体表明平行，易读性强，三维可视化精度高。
在上述实施例的基础上，所述板壳物体沿着倾斜转台的旋转中心匀速转动360度，且在转动过程中所述物体成像区均被锥束覆盖；所述探测器的采样周期可灵活设定，优选的，采样周期为所述板壳物体沿着轴向匀速转动1度的时间。
计算模块72具体用于依据公式(1)对所述二维投影图像序列i(i,m,n)进行对数解调获得二维线积分图像序列p(i,m,n)：
其中，i表示扫描角度，(m,n)表示在所述探测器的垂直面内探测通道的二位坐标，ln表示自然对数运算，mean表示二维均值运算，1:10表示从1取到10，1:k表示从1取到k，i(i,1:10,1:k)表示所述二维投影图像序列中第i个二维投影图像中宽度为10、高度为k的区域。
计算模块72具体用于依据上述公式(2)-(6)对该板壳物体对应的二维线积分图像序列进行图像重建获得该物体对应的三维ct切片图像。
x＝(x”cosα+(y”sinα+z”cosα)sinγ)cosβ-(y”cosα-z”sinα)sinβ(4)
其中，f(x”,y”,z”)表示被重建的三维板壳物体，(x”,y”,z”)表示三维物体质点在物体坐标系中的坐标位置，(x,y,z)表示三维物体质点在某个旋转角度下在系统坐标系中的坐标位置，d表示射线源到探测器的距离，p(s,v,β)表示进行对数解调后获得的二维线积分图像序列，(s,v)表示某像素在二维图像坐标系中的坐标位置，对应三维物体质点映射到二维线积分图像上的投影地址，β表示旋转角度，h(s)是一维滤波器。α,
本发明实施例提供的板壳物体快速高分辨三维锥束计算机层析成像装置可以具体用于执行上述图1所提供的方法实施例，具体功能此处不再赘述。
本发明实施例能快速高精度地实现板壳物体的三维层析成像，直接重建出“横平竖直”的物体图像，不需要后续图像旋转插值的过程，重建效率和精度高，三维可视化效果好，易读性强，实现过程简单。
综上所述，本发明实施例相比于现有的成像技术，重建图像体积大幅减小，节约了传统方法用于重建没有意义的空气体积的实际，提高了重建效率；不需要后续图像旋转纠正物体位置，不产生插值误差，从而提高了ct图像质量，简化了三维可视化进程。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！