基于正弦图的计算机断层图像配准

为了解决工业X射线无损检测中图像配准的问题,以计算机断层(CT,Computerized Tomography)图像中物体的位置变化与采集的投影数据之间的理论关系为基础,提出了基于正弦图的CT图像配准算法.该算法结合实际的投影采集系统对投影信号进行预处理,并利用投影信号的相关性寻找物体的位置变化,可以解决二维平行束和扇束投影采集方式下物体二维刚性变换的配准问题.由于提出的算法是在重建之前的投影域内进行,因此相比传统的图像域内的配准算法适用性更高,尤其当投影数据不足、质量不高、噪声较大、重建图像有严重的伪影时,该方法更加有效可靠.对某一封装零件的配准结果证明了算法的可行性.      

基于加权全变差最小化的中子外部CT重建算法

针对中子外部CT检测需求，提出了基于加权方向全变差（WDTV）最小化的中子外部CT重建算法。首先，利用平行束数据对称性原理将正弦图中旋转中心另一侧缺失的投影数据进行补充；其次，采用传统FBP算法进行了外部CT扫描模式下的CT重建。为了抑制传统FBP、SART算法重建图像中径向边缘伪影，采用WDTV算法计算沿径向和周向方向的局部方向差分并作加权和。另外，在重建模型的WDTV项中引入2个权重参数以控制径向边缘和切向边缘的不同响应强度。最后，采用所提算法研究了重建图像质量与投影数据量的关系。计算机仿真和真实冷中子实验表明:基于WDTV最小化的中子外部CT重建算法能够有效抑制径向边缘伪影，获得高质量重建图像。      

工业CT半扫描成像技术

工业CT即ICT(Industrial Computed Tomography)采用三代扫描方式对构件进行快速检测.但受探测器长度的限制,三代的扫描视场小,可检构件的尺寸受到限制.为解决较大尺寸构件ICT快速检测问题,讨论了一种工业CT半扫描成像技术,推导了其滤波反投影FBP(Filter Back-Projection)重构算法.该算法首先利用扇束三代CT重排原理,将半扫描形成的扇束投影数据修正为360°内不完备的平行束数据;然后利用平行束对称性,生成180°内完备的平行束数据;最后利用平行束重建算法实施重建.计算机模拟和实验结果证明了该技术的正确性.分析表明,其有效扫描视野比三代提高0.8倍以上.     

不完全角度CT图像重建的模型与算法

为了提升不完全角度计算机断层成像(CT)图像的重建精度和重建效率,研究了有限角度和稀疏角度下的CT图像重建问题,提出新的全变差最小化目标函数,通过将上一步迭代重建的图像作为反馈加入到新的迭代之中,不断更新目标函数的已知项。在算法求解时,采用增广Lagrangian罚函数方法,将约束问题非约束化,并将之转化为等价的3个子问题,通过在交替方向上求解子问题来获得优化问题的最优解。实验结果表明,该算法重建出的图像信息完整,细节清晰,重建精度高,与Split Bregman算法相比,本文算法结果的相对均方误差可下降42.1%~98.5%,条纹指标可下降42.8%~98.5%。     

基于球投影的面阵探测器扭转角测量与校正

为了消除基于面阵探测器的锥束X射线计算机断层成像(XCT,X-ray Computed Tomography)检测系统中探测器的安装误差对重建断层图像的影响,使投影坐标系准确建立,并与重建坐标系精确配准,提出了基于椭圆拟合的平板探测器位姿参数的估计方法.并在此基础上,从锥束XCT的近似重建算法FDK(Feldkamp)出发,结合空间坐标变换原理,改进了重建算法中投影地址的计算方式,使之能在存在安装误差的情况下准确计算投影地址,重建出正确的断层图像.该方法简单有效,计算量小,无需对系统硬件进行调整.实验结果表明,利用该方法可以有效地消除由于探测器位姿引起的图像伪影.     

大尺寸构件工业CT成像方法

为解决大尺寸构件快速ICT(Industrial Computed Tomography)成像问题,提出了一种通过检台2次偏置扩大扫描视场的ICT成像方法,并基于三代ICT投影数据存在的冗余特征,推导了它的投影数据重排预处理方法和滤波反投影(FBP,Filter Back-Projection)重建算法.该重排预处理方法建立了扇束投影数据与平行束投影数据间的函数映射关系,可将探测器在2个扫描位置采集的2组不完整扇形射束投影数据重排成一组完整的平行射束投影,从而使后续重建得以进行.计算机仿真结果表明,该方法在重构大尺寸构件图像时,获得了满意的质量.分析表明,在增加一次360°回转扫描情况下,其有效扫描视野达到标准三代ICT方法的2.8倍左右.该方法仅需CT扫描台具备平移和旋转自由度,易于与现有三代ICT兼容,工程实现方便.      

压缩感知在电容层析成像中的应用

压缩感知(CS)理论是在充分利用信号稀疏性或可压缩性的情况下,对信号进行少量采样即可实现信号的精确重建。本文尝试将CS理论应用于电容层析成像(ECT)图像重建中,首先,使用快速傅里叶变换(FFT)基将原始图像灰度信号进行稀疏化处理;其次,将ECT灵敏度矩阵的各行按随机顺序进行排列,得到ECT系统随机观测矩阵;最后,选取当前普遍使用的基于内点法、梯度投影(GPSR)算法以及贪婪算法的CS图像重建算法进行ECT图像重建,并与线性反投影及Landweber迭代算法进行了对比。仿真实验结果表明:基于CS图像理论的ECT图像重建算法,其重建精度有所提高。本文同时分析了3种CS图像重建算法的优缺点及适用范围。     

单圆轨道扫描的Grangeat改进算法

为减少ICT(Industrial Computed Tomography)重建图像的伪影,研究了Grangeat精确重建算法的原理.基于平板探测器依次通过对投影数据沿行、列一阶偏微分,求Radon导以及两步反投影等步骤仿真实现了Grangeat算法.针对单圆轨道锥束扫描投影数据的不完备性,分析了Radon空间的数据缺失情况,提出了通过近邻插值、线性插值、二次三点插值和一元线性回归插值的方法对Radon空间缺失数据进行插值改进该算法的几种途径.计算机仿真结果证明了改进算法的正确性和可行性.     

空间材料科学实验中的X光三维成像仿真

用于空间材料科学研究的X射线观察设备已列入空间站材料科学实验规划,仿真实现X光三维成像的流程可为X射线观察设备的研制提供设计依据.仿真流程主要包括三个步骤:使用锥束X光照射被扫描对象并旋转对象,获取多角度下的投影影像;根据投影影像和几何信息重建扫描对象,获取对象空间点数据;将扫描对象三维显示出来.使用线衰减系数不同且相互重叠的多个椭球组成的三维Shepp-Logan模型对算法进行了仿真测试,仿真结果能很好地将模型重建并显示出来.      

电容成像双共轭梯度图像重建改进算法

针对电容层析成像技术（ECT）逆问题中软场效应的影响,以及重建图像时使用的传统迭代类算法迭代次数多、成像速度慢等问题,将双共轭梯度（BICG）应用到电容层析成像技术中,为了得到更好的重建效果,提出了双共轭梯度与正则化思想相结合来求解逆问题的最佳解。通过COMSOL5.3软件进行建模,使用MATLAB 2014a进行图像重建与图像评估,分别使用Tikhonov、Landweber、共轭梯度（CG）、BICG、所提改进算法进行图像重建。实验表明:所提改进算法的成像效果不仅优于其他迭代类算法,而且大大缩短了图像重建需要的时间;尤其对一些复杂流型成像效果更佳,图像错误率低至约0.2,相关系数高达约0.88,成像时间缩短至2.77 s,迭代次数减少至20次。      

基于对抗神经网络有限角度的磁层边界CT重构技术

对地球磁层进行软X射线成像探测是近年来磁层研究的前沿方向.由二维X射线成像图重构三维磁层边界的方法研究是与成像探测相关的重要研究课题.传统的计算机断层成像技术（CT）重构方法在图像数据很少时无法得到较好的重构结果，甚至无法重构三维结构.考虑到地球磁层空间分布范围方面的约束，当前卫星任务的轨道设计很难满足扫描角度的全方位覆盖，只能从有限角度观测磁层，这给磁层的CT重构带来困难.作为三维重构研究的基础，本文考查简化的二维磁层结构重构方法，采用基于对抗神经网络的CT技术对简化的地球磁层边界结构进行重构.首先使用改进的生成式对抗网络（GAN）对有限角度的卫星扫描图像进行图像补全，进而使用代数迭代重建方法（ART）重构磁层.实验表明，当扫描角度大于90°时，生成式对抗网络能有效准确地补全缺失图像，重构效果较好.      

基于ICP算法的手术导航三维配准技术

针对计算机辅助手术三维导航技术中术前CT图像与术中实际空间的配准问题,提出一种基于最近点迭代(ICP,Iterative Closest Point)算法的特征点云配准技术.利用医学图像空间和实际空间特征区域的两片点云坐标进行三维配准.对CT图像进行重建、分割及交互式操作得到医学图像特征点云;利用光学定位仪实时采集实际空间中对应区域的点云;通过主元分析(PCA,Principal Component Analysis)获取两组点云数据的特征向量进行初配准;进行最近点迭代使配准矩阵收敛到一个最优解,其中采用k-d tree寻找邻近点加速迭代过程.以塑料脊柱模型骨为对象进行了脊柱手术导航配准精度实验,进一步对实验中的点云数据加入高斯噪声以进行误差分析.结果表明这种配准方法简单可靠,在模型骨情况下配准精度在1mm以内.     

基于单目视觉的三维重构相机技术研究

针对飞行器执行在轨服务获取空间多维图像的需求，提出了基于单目视觉的三维重构相机技术，利用基于亮度法体素着色原理实现空间目标的三维重构。搭建地面试验，设计模拟圆轨道和椭圆轨道多种试验，验证了在200 m范围内伴飞状态下,实现对目标的高分辨率三维重构图像，重构精度为0.105 m，为识别空间目标特征部位奠定技术基础。     

基于新息正交的工业CT图像自适应缺陷识别

针对X射线投影图像的特点,研究基于Kalman滤波算法新息正交原理的缺陷识别问题.建立了投影图像的二维状态空间模型,定义了确定图像区域大小与灰度的动态评价函数和相应的阈值.在分析Kalman滤波算法新息正交性的基础上,得到了一种新的缺陷判别方法,提出了图像数据自适应补偿算法,提高了图像的识别效率和精度,并通过实验验证了方法的有效性.