一种基于鱼眼图像校正的康普顿相机图像融合方法与流程

本发明属于核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种基于鱼眼图像校正的康普顿相机图像融合方法。

背景技术：

在核辐射探测领域，对环境中存在的γ辐射热点进行定位和成像的伽玛成像技术，广泛应用于天文观测、核工业、核应急、核安保以及国防等领域。伽玛成像技术通常将重建出的γ辐射热点以二维伪彩色图像给出，并与环境的光学图像相融合，显示出γ辐射热点在环境中的分布情况。康普顿散射成像是伽玛成像技术中的一种，基于入射γ光子的康普顿散射原理，通过测量散射点、吸收点的位置以及所沉积的能量，回溯重建出γ光子来源的方向。利用康普顿散射成像的原理，对γ辐射热点进行远距离成像的装置通常称为康普顿相机。

由于康普顿相机采用康普顿散射的工作原理，不需要使用准直器对入射γ光子进行阻挡，因此视野范围能够达到2π甚至4π。基于每个散射事例，康普顿散射重建会形成一个包含γ光子入射方向的圆锥面；多个散射事例对应的圆锥面相交叠，形成的交叠最密集区域即为γ辐射热点所在的方位。根据上述康普顿散射成像的原理，γ源重建图像所在的空间坐标系为球坐标系。为了将γ源重建图像显示在二维平面上，通常采用单位球坐标系，以纵轴为极角θ，横轴为方位角的经纬坐标表示重建的γ辐射热点方位(θ，)，其坐标范围为2π视野：θ∈(0，π)，4π视野：θ∈(0，π)，因此，在康普顿相机中，普通的光学镜头视野范围无法达到要求，目前通常采用视野范围达到180°(π)的鱼眼镜头来获取光学图像，并进一步与γ源重建图像进行融合。

目前康普顿相机中所使用的图像融合方法，一般为直接使用鱼眼镜头的光学畸变图像，将γ源重建的二维伪彩色图像叠加到鱼眼畸变图像上。这一技术方案，由于鱼眼畸变图像中的像素点包含了距离信息，其图像的坐标轴并不是采用单位球坐标系下的经纬坐标来表示的，因此无法将以经纬坐标(θ，)表示的γ源重建图像直接叠加到鱼眼畸变图像上，需要对γ源重建图像的经纬坐标(θ，)进行投影变换后(如平面投影(planeprojection)、立体投影(stereographicprojection)等)，再根据鱼眼畸变图像的半径对γ源重建图像进行插值，最后将插值后的γ源重建图像叠加到鱼眼畸变图像上完成图像融合。

由于γ源重建图像的经纬坐标(θ，)在经过投影变换后，投影在成像平面上的像素会发生变形，产生锯齿效果；为消除锯齿效果，如采用将γ源重建时的坐标步长进一步细分，或者采用更精细的插值方法，都将增加γ源重建的计算时间，不利于康普顿相机实现快速、实时的图像重建与融合。

技术实现要素：

针对目前康普顿相机图像融合中存在的问题，本发明的目的在于，提出一种基于鱼眼图像校正的康普顿相机图像融合方法，实现应用于康普顿相机的快速图像配准与融合。

该方法基于对鱼眼畸变图像的校正，通过对应的成像模型将其映射到以经纬坐标表示的单位球坐标系中；将同处单位球坐标系，且坐标原点相重合的γ源重建图像，经调整后叠加在鱼眼校正图像上实现图像融合。

该方法的流程图如图1所示，具体步骤包括：

1.将焦距为f的鱼眼镜头放置于距离康普顿相机探测器的视野中心前方f处，使鱼眼镜头的成像原点与康普顿相机的成像原点相重合；

2.通过所述鱼眼镜头获取得到视野范围为180°(π)的鱼眼畸变图像；通过所述康普顿相机探测器获取的数据，依据康普顿散射成像重建算法，得到以单位球坐标系的经纬坐标(θ，)表示的γ源重建图像；

3.对所述鱼眼畸变图像的校正过程如下：

3.1依据鱼眼镜头成像模型确定鱼眼镜头焦距f、鱼眼畸变图像有效区域半径r、入射光线与镜头光轴的夹角θλ三者之间的关系、以及坐标系间的转换方法，建立鱼眼畸变图像上坐标(u，v)与单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)的映射关系f：(u，v)→(λ，ψ)；

3.2依据所述映射关系，将鱼眼畸变图像上坐标(u，v)的值填入到对应的单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)里完成鱼眼图像校正；

3.3依据鱼眼镜头成像模型，将单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)的坐标范围扩展至(p(λ)，p(ψ))，得到鱼眼校正图像；

4.对所述γ源重建图像，调整其经纬坐标(θ，)的坐标范围，使之与鱼眼校正图像的坐标范围保持一致；

5.将所述调整后的γ源重建图像叠加到所述鱼眼校正图像上完成康普顿相机的图像融合；融合显示效果通过调节γ源重建图像的显示阈值进行优化。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明避免了对γ源重建图像的经纬坐标(θ，)进行投影变换，保持γ源重建图像的信息完整性，不产生锯齿效果；校正后的鱼眼图像消除了距离信息，以单位球坐标系下经纬坐标的表示方法实现对γ源方位的定位；同时校正后的鱼眼校正图像坐标系原点与γ源重建图像坐标系的原点相重合，能够实现快速准确的图像融合。该方法适用于通过鱼眼镜头获取光学图像的康普顿相机设备，能够优化康普顿相机的γ热点显示效果，进一步增强其市场应用能力。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为鱼眼镜头与康普顿相机探测器放置示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于鱼眼图像校正的康普顿相机图像融合方法，该方法的实施步骤包括：

1.放置鱼眼镜头于康普顿相机探测器前方使两者成像原点重合；

2.通过鱼眼镜头获取鱼眼畸变图像；通过康普顿相机探测器获取的数据，依据康普顿散射成像重建算法，得到以单位球坐标系的经纬坐标表示的γ源重建图像；

3.对鱼眼畸变图像进行校正：

3.1依据鱼眼镜头成像模型和坐标系转换的方法，建立鱼眼畸变图像坐标与单位球坐标系的经纬坐标的映射关系；

3.2依据该映射关系，将鱼眼畸变图像上坐标的值填入到单位球坐标系的经纬坐标里完成鱼眼图像校正；

3.3依据鱼眼镜头成像模型，将单位球坐标系的经纬坐标范围扩展，得到鱼眼校正图像；

4.对γ源重建图像，调整其坐标范围使之与鱼眼校正图像的坐标范围一致；

5.将调整后的γ源重建图像叠加到鱼眼校正图像上完成康普顿相机的图像融合；融合显示效果通过调节γ源重建图像的显示阈值进行优化。

在步骤1中，请参阅图2，放置鱼眼镜头于康普顿相机探测器前方使两者成像原点重合的方法是：将焦距为f的鱼眼镜头放置于距离康普顿相机探测器的视野中心前方f处，使鱼眼镜头的成像原点与康普顿相机探测器的成像原点相重合。

在步骤2中，通过鱼眼镜头获取得到的鱼眼畸变图像的视野范围为180°(π)；通过康普顿相机探测器获取的数据，依据康普顿散射成像重建算法，得到的γ源重建图像是以单位球坐标系的经纬坐标(θ，)表示的，其范围为θ∈[0,π]，

需要说明的是，通过康普顿相机探测器获取的数据为入射γ光子在探测器中的散射位置与沉积能量、完全吸收位置与沉积能量；康普顿散射重建算法可以为反投影算法(simplebackprojectin，sbp)、滤波反投影算法(filteredbackprojectin，fbp)、极大似然期望最大化法(maximumlikelihoodexpectationmaximization，mlem)等，此处不做限定。

具体的，获取康普顿相机探测器数据的具体方法、依据康普顿散射成像重建算法得到γ源重建图像的方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

在步骤3中，对鱼眼畸变图像的校正过程如下：

3.1依据鱼眼镜头成像模型确定的焦距f、鱼眼畸变图像有效区域半径r、入射光线与镜头光轴的夹角θλ三者之间的关系、以及坐标系间的转换方法，建立鱼眼畸变图像上坐标(u，v)与单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)的映射关系f：(u，v)→(λ，ψ)；

3.2依据所述映射关系，将鱼眼畸变图像上坐标(u，v)的值填入到对应的单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)里完成鱼眼图像校正；

3.3依据鱼眼镜头成像模型，逐一将单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)的坐标扩展至(p(λ)，p(ψ))，得到鱼眼校正图像；

在步骤3.1中，具体的，依据鱼眼镜头成像模型确定焦距f、鱼眼畸变图像有效区域半径r、入射光线与镜头光轴的夹角θλ三者之间关系的具体方法，依据θλ、r、f的关系以及坐标系间的转换建立鱼眼畸变图像上坐标与单位球坐标系的经纬坐标的映射关系的具体方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

在步骤3.2和3.3中，需要说明的是，鱼眼图像校正过程是从单位球坐标系下的经纬坐标开始，逐一依据映射关系找到在鱼眼畸变图像中对应坐标的像素值，并填入当前的经纬坐标中，而非此过程的逆过程。而最终得到的鱼眼校正图像的坐标，其实是单位球坐标系的经纬坐标的扩展(p(λ)，p(ψ))，扩展关系p是依据鱼眼镜头成像模型确定的。作为示例，当鱼眼镜头采用等距投影的成像模型时，鱼眼校正图像上的点(p(λ)，p(ψ))与单位球坐标系的经纬坐标(λ，ψ)的扩展关系为：p(λ)＝λ/f，p(ψ)＝ψ/f，其中f为鱼眼镜头的焦距。此扩展过程与坐标的拉伸变换相类似。

在步骤4中，调整步骤2获得的γ源重建图像经纬坐标(θ，)的范围，使之与鱼眼校正图像的坐标范围保持一致。具体的，调整坐标范围的方法为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

在步骤5中，将调整后的γ源重建图像叠加到鱼眼校正图像上完成康普顿相机的图像融合；融合显示效果通过调节γ源重建图像的显示阈值进行优化。具体的，图像叠加的方法、调节图像显示阈值的方法，为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施方法，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。