光信号长积分模式成像方法及成像系统与流程

本发明涉及成像影像设备领域，特别涉及一种光信号长积分模式成像方法及成像系统。

背景技术：

在工业检测和某些特殊应用领域，感兴趣区对于待成像物体，往往有着非常低的对比度差异，而受限于光源提供的光照强度和光信号接受装置本身的饱和剂量等因素，致使在常规光照剂量下，难以得到满足检测要求的高信噪比图像；

鉴于此，本发明提供一种新的长积分模式成像系统及其实现方法，解决上述图像信噪比不足导致的检测应用问题。

该成像系统将支持该长积分模式在其内部实现。

该方法的基本原理，是基于相同采集条件下，在时间轴上进行多帧图像叠加和平均运算，最终生成的图像信噪比snr会得到改善。

同时，多帧图像叠加运算，可以在数字域中，解决因模数转换器adc位深限制导致的动态范围不足问题。

技术实现要素：

为了解决单帧曝光信号不足导致的图像信噪比难以满足实际应用的问题，本发明提供了一种光信号长积分模式成像方法及成像系统，以改善单次曝光不足引起的成像效果不佳的问题。所谓长积分模式，是指发光装置进行连续或间歇性发光的持续时间，应覆盖多帧(两帧或两帧以上)图像的成像时间。本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供了第一种光信号长积分模式成像方法，基于成像系统，所述成像系统包括光源和光信号接收装置，所述成像方法包括：

根据预设的成像系统配置参数条件和曝光条件，采集原始序列曝光图像；

在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，获取未曝光的原始序列暗场图像，生成偏置校正用图像；

在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像；

根据所述偏置校正用图像和增益校正用图像，对所述原始序列曝光图像中的每一帧曝光图像进行偏置校正和增益校正，得到校正后图像；

获取原始序列曝光图像对应的校正后图像的平均图像，得到目标图像。

另一方面，本发明提供了第二种光信号长积分模式成像方法，基于成像系统，所述成像系统包括光源和光信号接收装置，所述成像方法包括：

根据预设的成像系统配置参数条件和曝光条件，采集原始序列曝光图像；

获取所述原始序列曝光图像的平均曝光图像；

在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，获取未曝光的原始序列暗场图像，生成偏置校正用图像；

根据所述偏置校正用图像，对所述平均曝光图像进行偏置校正；

在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像；

根据所述增益校正用图像，对完成偏置校正的图像进行增益校正，得到目标图像。

再一方面，本发明提供了第三种光信号长积分模式成像方法，基于成像系统，所述成像系统包括光源和光信号接收装置，所述成像方法包括：

根据预设的成像系统配置参数条件和曝光条件，采集原始序列曝光图像；

对所述原始序列曝光图像求和，得到曝光序列和图像；

在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，获取与原始序列曝光图像相同帧数的未曝光的原始序列暗场图像，并对所述原始序列暗场图像求和，得到暗场序列和图像；

根据所述暗场序列和图像，对所述曝光序列和图像进行偏置校正；

在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像；

根据所述增益校正用图像，对完成偏置校正的图像进行增益校正，得到目标图像。

进一步地，所述成像方法还包括：

确保光信号接收装置未达到饱和值，以使每一帧曝光图像均为未达到饱和状态；

判断成像过程中像素值是否溢出，若产生溢出，则扩展像素位宽，以使保持叠加图像像素值的有效性。

进一步地，所述生成偏置校正用图像包括：

在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，获取未曝光的序列暗场图像；

对所述序列暗场图像求和，得到暗场序列和图像；

根据所述序列暗场图像的帧数，获取所述暗场序列和图像的平均图像，作为偏置校正用图像。

进一步地，所述生成增益校正用图像及增益校正方法包括：

在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，设置特定曝光条件，获取所述无物体的原始序列曝光图像；

对序列中所有原始图像进行求和，然后进行平均得到该原始序列曝光图像的平均图像；

将该平均图像减去偏置校正用图像，得到经偏置校正后的平均图像；

计算该平均图像的均值，利用均值除以每个像素值，得到对应像素点的增益系数，作为增益校正用图像；

将待增益校正的图像的各个像素点乘以增益校正用图像相对应的像素所表示的增益系数，得到增益校正后的新图像像素，所述生成增益校正用图像和执行增益校正的过程均应用浮点数实现。

进一步地，所述预设的成像系统配置参数条件包括光信号接收装置的电压参数、增益水平、帧采集周期或频率；曝光条件包括光源的照射强度、照射时间和照射距离，成像物体的相对位置，射线过滤条件以及光信号接收装置的状态；所述保持与获取原始序列曝光图像相同的配置参数条件包括：待成像物体与光源和光信号接收装置的相对位置保持不变。

进一步地，所述光源与光信号接收装置之间的距离大于预设距离阈值，待成像物体静止设置于在所述光源与光信号接收装置之间，在曝光过程中，所述待成像物体与光源和光信号接收装置的相对位置保持不变。

本发明还提供了一种光信号长积分模式成像系统，包括光源、光信号接收装置和图像工作站，所述光信号接收装置与图像工作站通信连接，所述光源按照预设的成像系统配置参数条件向光信号接收装置发射光信号，所述光信号接收装置将接收到的光信号转换为第一原始序列曝光图像并发送至图像工作站；

在相同的成像系统配置参数条件下，所述光信号接收装置接收未曝光的原始序列暗场图像和无物体的第二原始序列曝光图像，并将其发送至图像工作站；

所述图像工作站根据未曝光的原始序列暗场图像和无物体的第二原始序列曝光图像分别得到偏置校正用图像和增益校正用图像，并对第一原始序列曝光图像进行偏置校正和增益校正，得到目标图像。

进一步地，所述光源包括x光发生器及球管，所述光源按照预设的发光条件产生连续x光信号或脉冲式x光信号；

所述光信号接收装置用于接收光源产生的光信号，并转换为数字图像；所述偏置校正及增益校正处理为在光信号接收装置中进行，或者传输至外部图像工作站中进行。

本发明提供的光信号长积分模式成像方法能够产生以下有益效果：

a.提供一种长积分模式的实现方法，解决因器件物理参数限制，导致的数字域饱和问题；

b.既能保持单帧图像所需要的灵敏度响应，又提供了高动态范围的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的x射线成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的x射线源三种发光方式对应的光波图；

图3是使用连续发光装置实现长积分模式所要求的积分和图像采集序列的示意图；

图4是使用异步发光装置实现长积分模式所要求的积分和图像采集序列的示意图；

图5是本发明实施例提供的第一种光信号长积分模式成像方法的流程图；

图6是本发明实施例提供的偏置校正用图像生成方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的增益校正方法流程图；

图8是本发明实施例提供的第一种光信号长积分模式成像操作示意图；

图9是本发明实施例提供的第二种光信号长积分模式成像方法的流程图；

图10是本发明实施例提供的第二种光信号长积分模式成像操作示意图；

图11是本发明实施例提供的第三种光信号长积分模式成像方法的流程图；

图12是本发明实施例提供的第三种光信号长积分模式成像操作示意图；

图13是本发明实施例提供的经偏置和增益校正后的物体序列曝光图像示意图；

图14是本发明实施例提供的物体序列曝光图像求和后的图像示意图；

图15是本发明实施例提供的物体序列曝光图像合并后再映射到原始像素位域后的图像示意图。

其中，附图标记包括：11-工作站，12-高压发生器，13-球管，14-探测器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的光信号长积分模式成像方法是基于成像系统的，所述成像系统包括光源和光信号接收装置，光信号接收装置可接收发光装置产生的光信号，并转换为数字图像。以x射线成像系统为例，参见图1，所述x射线成像系统包括平板探测器14(即所述光信号接收装置)和x射线源，x射线源包括高压发生器12和球管13，所述高压发生器12为球管13提供偏置高压以及灯丝电流，从而产生x射线。当探测器14接收到x射线，将其转换为电信号，并形成一幅二维的灰度图像，所述探测器14与工作站11进行双向通信。

上述长积分模式，是指发光装置进行连续或间歇性发光的持续时间，应覆盖多帧(两帧或两帧以上)图像的成像时间，也就是说，该方法需在相同照射条件获取多帧(>＝2)静态数字图像；这里的发光条件不变是指被检测物体与发光装置和成像装置的相对位置保持不变；对于每一帧静态数字图像而言，x射线源的照射强度和照射时间都相同。

成像系统在实现光信号长积分模式成像过程中，具备以下特点：

●成像系统包括光源、光信号接收装置和图像工作站，支持帧同步和序列采集；

●光源能够按预设的曝光参数发射连续射线、单脉冲射线或多脉冲射线，如图2所示；

●光信号接收装置用于接收光源发出的射线，并转换为数字图像；

●光源和光信号接收装置之间可同步或异步工作。工作在同步方式时，光信号接收装置在每一帧成像的扫描读出时序至少包括两个阶段，即射线积分阶段和读出阶段(图3)；射线需要在积分阶段同步输出，在积分阶段完成以前停止。工作在异步方式时，光信号接收装置的扫描读出时序仅有一个阶段，即读出阶段(图4)；射线不必进行同步控制输出。

●所述光信号接收装置与图像工作站通信连接，图像工作站用于接收来自光信号接收装置的序列图像或者目标图像，并进行图像处理和显示输出，图像处理可以在光信号接收装置中进行，也可以传输至外部图像工作站中进行。

实施例1

在本发明的一个实施例中，提供了一种光信号长积分模式成像方法，参见图5，所述光信号长积分模式成像方法包括以下流程：

s11、根据预设的成像系统配置参数条件，采集原始序列曝光图像。

s12、在保持与获取原始序列曝光图像相同的配置参数条件下，获取未曝光的原始序列暗场图像，生成偏置校正用图像。

所述预设的成像系统配置参数条件包括光源的照射强度、照射时间和照射距离；所述保持与获取原始序列曝光图像相同的配置参数条件包括：待成像物体与光源和光信号接收装置的相对位置保持不变。

s13、在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像。

s14、根据所述偏置校正用图像和增益校正用图像，对所述原始序列曝光图像中的每一帧曝光图像进行偏置校正和增益校正，得到校正后图像。

s15、计算原始序列曝光图像对应的校正后图像的平均图像，得到目标图像。

具体地，s12中，在保持与获取序列曝光图像相同的配置参数条件下，获取未曝光的原始序列暗场图像，生成偏置校正用图像的方法如图6所示，包括：

s121、在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，获取未曝光的序列暗场图像；

s122、对所述序列暗场图像求和，得到暗场序列和图像；

s123、根据所述序列暗场图像的帧数，计算所述暗场序列和图像的平均图像，作为偏置校正用图像。

s13中，在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像的方法如图7所示，包括：

s131、在保持与获取原始序列曝光图像相同的成像系统配置参数条件下，设置特定曝光条件，获取所述无物体的原始序列曝光图像；

s132、对序列中所有原始图像进行求和，然后进行平均得到该原始序列曝光图像的平均图像；

s133、将该平均图像减去偏置校正用图像，得到经偏置校正后的平均图像；

s134、计算该平均图像的均值，利用均值除以每个像素值，得到对应像素点的增益系数，作为增益校正用图像；

s135、将待增益校正的图像的各个像素点乘以增益校正用图像相对应的像素所表示的增益系数，得到增益校正后的新图像像素。

本实施例的成像原理为：在预设曝光条件下，获取物体的原始序列曝光图像，利用上述生成的偏置校正用图像和增益校正用图像，该序列图像经偏置校正及增益校正后，进行序列图像合并，并生成最终的平均图像，如图8所示。

在成像过程中，首先要确保光信号接收装置未达到饱和值，以使每一帧曝光图像均为未达到饱和状态，光的照射强度在采集图像之前可以预调整，但是，为保证图像各区域灰度的有效性，不应使光信号接收装置达到饱和值。在发光条件不变的前提下，采集多帧曝光图像。上述“不应使光信号接收装置在达到饱和值”，也就是说，采集的每一帧静态图像都应该未达到饱和值；其次要确保成像过程中像素值无溢出，为确保像素值无溢出，必要时候需要扩展像素位宽，以使保持叠加图像像素值的有效性。

实施例2

在本发明的一个实施例中，提供了一种光信号长积分模式成像方法，参见图9，所述光信号长积分模式成像方法包括以下流程：

s21、根据预设的成像系统配置参数条件，采集原始序列曝光图像。

s22、计算所述原始序列曝光图像的平均曝光图像。

s23、在保持与获取原始序列曝光图像相同的配置参数条件下，获取未曝光的原始序列暗场图像，生成偏置校正用图像。

s24、根据所述偏置校正用图像，对所述平均曝光图像进行偏置校正。

s25、在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像。

s26、根据所述增益校正用图像，对完成偏置校正的图像进行增益校正，得到目标图像。

具体地，生成偏置校正用图像的方法与增益校正方法如实施例1所述，参见图6和图7，在此不再赘述。

本实施例的成像原理为：针对物体的原始序列曝光图像先进行求和，并生成平均图像，再执行偏置校正和增益校正，生成目标图像，如图10所示。为保证像素运算数据的有效性，在图像求和时应扩展像素位域，在偏置校正和增益校正时，限定像素的有效值范围，防止数值越界或溢出。

为保证采集的每帧图像都有效，待检测物体在成像过程中应保持静止，同时，x光平板探测器每帧接收到的剂量不应导致所生成的灰度图像达到饱和，因为饱和时信号灰度值并不能真实反应x光信号的累积剂量。

实施例3

在本发明的一个实施例中，提供了一种光信号长积分模式成像方法，参见图11，所述光信号长积分模式成像方法包括以下流程：

s31、根据预设的成像系统配置参数条件，采集原始序列曝光图像。

s32、对所述原始序列曝光图像求和，得到曝光序列和图像。

s33、在保持与获取原始序列曝光图像相同的配置参数条件下，获取与原始序列曝光图像相同帧数的未曝光的原始序列暗场图像。

s34、对所述原始序列暗场图像求和，得到暗场序列和图像。

s35、根据所述暗场序列和图像，对所述曝光序列和图像进行偏置校正；

s36、在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，生成增益校正用图像；

s37、根据所述增益校正用图像，对完成偏置校正的图像进行增益校正，得到目标图像。

为扩展图像数字域范围，提高光信号接收装置的动态范围；求和后的图像也可以不进行平均；相应的偏置校正可以按以下方式进行：在保持与获取序列图像一致的配置参数条件下，获取相同帧数的未曝光的暗场图像并求和，将此作为该合并序列图像的偏置校正用图像，然后执行求和后的序列图像的偏置校正，得到高动态范围图像；最后对所述经偏置校正后图像进行增益校正处理，得到目标图像，如图12所示。

如图13示出了16帧曝光图像组成的序列图经偏置和增益校正后的物体序列曝光图像。确保成像过程中像素值无溢出，为确保像素值无溢出，必要时候需要扩展像素位宽，以使保持叠加图像像素值的有效性，如图14，示出了图13中物体序列曝光图像(共16帧)求和后的图像，为了确保像素值无溢出，像素位域扩展到32比特。图15示出了物体序列曝光图像合并后再映射到原始像素位域后的图像，可以看出，所选区域信噪比(mean/stddev)提高约3倍。

在本发明的光信号长积分模式成像过程中，在保证灰度不饱和以及图像求和无溢出的情况下，序列图累计的帧数越多，最终目标图像的信噪比越大。

进一步地，生成偏置校正用图像可按以下方法进行：在保持与获取序列曝光图像相同的配置参数条件下，获取未曝光的原始序列暗场图像，对序列中所有暗场图像进行求和，然后计算得到平均图像，作为偏置校正用图像。

进一步地，生成增益校正用图像可按以下方法进行：在预设曝光条件下，获取无物体的原始序列曝光图像，对序列中所有原始图像进行求和，然后进行平均后减去偏置校正用图像，得到经偏置校正后的平场图像，计算该平场图像的平均值；利用平均值除以每个像素值，得到对应像素点的增益系数，作为增益校正用图像。

实施例4

在本发明的一个实施例中，提供了一种光信号长积分模式成像系统，如图1所示，包括光源、光信号接收装置和图像工作站，所述光信号接收装置与图像工作站通信连接，所述光源按照预设的成像系统配置参数条件向光信号接收装置发射光信号，所述光信号接收装置将接收到的光信号转换为第一原始序列曝光图像并发送至图像工作站；

在相同的配置参数条件下，所述光信号接收装置接收未曝光的原始序列暗场图像和无物体的第二原始序列曝光图像，并将其发送至图像工作站；

所述图像工作站根据未曝光的原始序列暗场图像和无物体的第二原始序列曝光图像分别得到偏置校正用图像和增益校正用图像，并对第一原始序列曝光图像进行偏置校正和增益校正，得到目标图像。

在本发明的另一个实施例中，所述图像工作站的处理工作由光信号接收装置完成，或者，所述图像工作站与光信号接收装置集成为一体结构。

进一步地，待成像物体应静止设置在所述光源与光信号接收装置之间；所述待成像物体与光源和光信号接收装置的相对位置，在序列曝光图像采集过程中应保持不变。

进一步地，工作在长积分模式下，光信号接收装置能够将接收到的一系列光信号转换为多帧曝光图像组成的序列图像。

进一步地，长积分模式下，生成目标图像的过程可在光信号接收装置中执行，也可在图像工作站中执行。

进一步地，长积分模式下，对于工作在同步方式时的脉冲光源，在获取物体原始序列曝光图像过程中，每个脉冲的强度和宽度不必保持相同。

进一步地，所述光信号接收装置为探测器，所述探测器未达到饱和值，以使每一帧曝光图像均为未达到饱和状态。

进一步地，所述光源包括x光发生器及球管，所述光源按照预设的发光条件产生连续x光信号或脉冲式x光信号。

增益一致性运算依赖于增益图像，而增益图像是在一定剂量下进行多帧图像像素的归一化运算生成，用于补偿各个像素在同一剂量下的增益不一致性现象。

为实验目的，置待成像物体于平板探测器一侧。预设平板探测器每采集一帧所需时间为t，从第1帧开始，接收x光发生器及球管所产生的连续x光信号；假设到第n帧结束，一共采集所花费时间约为n*t(n>1)。对应连续x光信号的累积剂量，可以用关于t(时间)的线性函数表示，y＝a*t*n(a为剂量强度或水平)。

假设每帧图像中，剂量强度a对应的有效灰度为g(a)*t，则n帧图像叠加后的有效灰度值为n*g(a)*t；n帧图像信号强度是单帧图像信号强度的n倍；而对于随机噪声而言，多帧图像叠加的随机噪声水平虽然也会增加，但是增加的速度不及信号；从而多帧叠加后整个图像的snr是增加的，图像数量越多，叠加后的snr越高。

举例来说，假设x光平板探测器所采用adc位深为16比特，那么所能表示的图像灰度范围为0～65535；假设每帧x光信号的平均灰度为2e4，则叠加10帧时，x光信号的累积剂量所产生的灰度均值接近2e5(该值已超过单帧像素所能反映的图像灰度)。

假定背景噪声为均值为0的随机噪声，且与信号无相关性；第i帧图像的信号表示为yi＝x+ri,i∈n，其中x为真实信号，ri为叠加的随机噪声。对所生成的n幅图像进行平均，重新映射到16比特数字域，则信噪比对应提升了倍，而在实际应用中，噪声却并不能无限减小。

为达到最好的成像效果，(描述校正所应采用的方式和方法)，原始图像应经过偏置(去本底)和乘增益两步校正处理。在偏置校正过程中，使用的本底图像应由与曝光图像相同帧数的暗场图像以相同方式计算平均所得。增益数据是通过增益校准过程获取的。在进行增益校准时，所述光源与光信号接收装置之间的距离大于预设距离阈值(光源与探测器之间的距离尽可能的拉大)，以使得到达探测器表面的光线分布尽可能的均匀，待成像物体静止设置在所述光源与光信号接收装置之间，所述待成像物体与光源和光信号接收装置的相对位置保持不变。在一定剂量下多帧曝光图像，并将其合并为一张平均图像。用整幅图像的均值除以每个像素值即得到该像素点的增益系数g。校正后的像素值为y＝g*(x-o)，其中，x为原始图像中的像素值，o为本底图像中的像素值。

本发明中的方法可应用于自动曝光检测方式中，当光信号接收装置开始侦测到光信号到来时，按固定时序启动图像的采集过程，当侦测到光信号停止时，进行序列图像的叠加操作；该技术可使用连续发光装置或单次发光装置进行累积曝光，使用异步发光装置实现长积分模式所要求的积分和图像采集序列如图5所示，使用同步发光装置实现长积分模式所要求的积分和图像采集序列如图6所示。

本发明公开了一种光信号长积分模式成像系统及实现方法，成像系统可实现同步或异步的长积分模式成像；成像方法包括：根据光源预设的发光条件，采集序列曝光图像，并在执行偏置校正和增益校正后，进行合并运算，计算平均图像作为目标图像；或者采集序列曝光图像后，先进行合并运算，生成平均图像后，再执行偏置校正和增益校正，生成目标图像。通过长积分图像合成方式，提高了光信号接收装置的动态范围；通过合成图像生成的平均曝光图像，对比序列中单帧曝光图像，提高了图像的信噪比；既解决因器件物理因素限制导致的光信号接收装置动态范围不足的问题，又解决光源单次曝光强度或剂量不足的问题，从而有效解决了物体成像信噪比不足的情形。本发明实施例也可针对对于非连续x光信号进行累积，该方法关心的是总的x光信号，即累积剂量的变化情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。