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.     

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.     

基于原始投影正弦图的X-CT硬化校正

在X射线层析成像(X-CT,X-ray Computed Tomography)技术中,X射线束能谱的多色性将导致层析重建图像出现杯状或条状等射束硬化伪迹,降低成像质量.在分析射束硬化现象具有的3个物理属性基础上,提出了一种对原始多色投影正弦图进行操作的硬化校正方法,并从数学上证明了其校正原理. 针对该方法带来的噪声放大问题,研究了一种基于高、低频信息分类处理的噪声抑制方法.计算机仿真和2种典型试件的实际CT扫描数据的硬化校正结果表明了该方法的有效性.与传统基于多项式拟合技术的校正法相比,该方法不需要事先进行建模扫描和计算,校正程序简单、实时,校正结果具有更高信噪比,且不受扫描条件限制.      

极稀疏投影数据的CT图像重建

从稀疏投影数据足够精确地重建断层图像，从而能够在显著降低计算机断层成像（CT）检查X-射线辐射剂量的前提下，提供充分适宜影像学临床诊断需求的重建图像。针对圆周扫描扇束投影的二维CT图像重建，提出了投影驱动的系统模型，并将CT迭代图像重建与压缩感知（CS）理论相结合，设计了一种CT迭代图像重建算法，且将算法扩展到圆周扫描锥束投影的三维CT图像重建。仿真实验结果表明:在极稀疏投影数据的条件下（[0，2π）范围内扇束/锥束扫描不超过20个投影角度），算法数值精度高，计算复杂度低，内存开销少，有很强的工程实用性。      

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.      

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.      

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.     

基于空间解析几何关系的焦点投影位置测量

为了抑制工业计算机层析成像(CT,Computed Tomography)过程中的重建伪影,研究了一种基于空间解析几何关系的射线源焦点投影位置测量方法,并完成了计算机仿真和实验验证.该方法根据工业CT扫描系统的几何结构关系建立射线源焦点投影位置和转台旋转中心投影位置之间的空间解析表达式,然后通过测量转台旋转中心在多个位置的投影来解析求解射线源焦点投影位置.该方法要求转台具有3个自由度:旋转,平行于探测器方向移动,和垂直于探测器方向移动.仿真和实验结果表明,该方法能够有效抑制重建伪影.该方法无需使用特殊模体,不需要任何先验几何参数,较现有方法更为方便.      

基于C型臂的Tomosynthesis快速重建方法

传统的层析X射线摄影合成(Tomosynthesis)算法不适合对C型臂X射线投影进行切片重建.提出了一种改进的Tomosynthesis算法CTS (C-arm based Tomosynthesis),依据C型臂成像原理,将不同角度的X射线投影按其映射关系在三维空间内旋转-叠加来重建切片.该算法可以对等中心C型臂连续采集的一组有限角度X射线投影进行切片重建.通过计算机模拟空心球和空心圆柱模型的C型臂X射线投影,用该算法对其二维投影进行切片重建,并利用重建结果分析了CTS算法的重建精度以及抗噪声干扰能力.最后给出了将CTS算法推广到可以对非等中心C型臂进行切片重建的步骤. CTS为基于C型臂的术中三维成像提供了一种参考方法.      

利用图像相关法精确测量3D-CT成像系统焦距

对于实际的3D-CT成像系统,射线源焦点和物体旋转轴中心的位置不能直接测量,如何采取简单易行的方法精确测量二者之间的距离(即系统焦距)成为一项工程技术难点.通过双圆目标体二次成像获得射线数字成像(DR,Digital Radiography)图像,对各DR图像进行自相关处理,获得双圆投影中心距,再通过解析方法求解出系统焦距值.实验结果表明,测量精度达到了实际扫描系统的重建要求.该方法实现简单, 具有较强的抗噪能力,可实现自动测量.      

一种新颖的ICT扫描方式及其FBP重构算法

计算机层析成像检测的突出问题是获取一幅图像的时间太长.为了缩短较大尺寸构件层析成像检测的二代(TR,Transverse Rotation)扫描时间,讨论了一种准三代(RR,Rotation and Rotation)扫描的概念,推导了它的滤波反投影算法. 计算机模拟结果证明了该算法的正确性. 分析表明,在同样检测条件下,它的扫描速度将比TR提高3倍以上.      

基于球场重建的球员运动数据分析

足球比赛中球员运动数据分析对增加观众的观看体验和辅助教练进行球员评估有着重要意义。球员运动数据分析的难点在于如何定位球员在球场上的坐标，即如何确定足球视频中单帧画面出现的缺损球场与标准二维球场之间的映射关系。针对如何在足球比赛中克服相机的高速移动和视角剧烈变化，设计并提出了利用球场重建与球员跟踪来进行球员运动数据分析的方法。球场重建方面，将足球视频中的球场分组为左中右3部分，每组通过球场分割、球场直线检测、球场直线分组、球场中圈点集合识别和球场关键点匹配来实现缺损球场到标准球场的映射；球员跟踪采用核相关滤波(KCF)跟踪算法，得到了球员运动数据统计的可视化结果。结合球场重建和球员跟踪算法定位球员的标准坐标，统计球员的一系列运动数据并进行可视化分析。提出的球员运动数据分析方法能够准确而快速地统计出球员的运动数据，包括球员坐标、运动轨迹、奔跑速度、活动范围和球员间距。球场重建方面采用图像交并进行评估，交并比达到87%，相比于传统的基于字典查询的方法(交并比为83.3%)准确度提升了3.7%。实验结果表明:所提出的球场重建方法能够更准确地表示球场映射关系，为球员运动数据分析统计提供更好的支持。      

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。      

太阳极紫外光谱仪无缝成像技术研究

传统极紫外成像光谱仪无法实时观测大范围的太阳活动.无缝成像技术使得光谱仪能够获得大视场范围内的太阳空间信息和光谱信息.通过无缝成像光谱仪成果分析,提出了一种改进的光学设计思路,并通过模拟数据重建证明其能够大幅提高多普勒速度反演的准确性,从而极大提高了观测数据的可信度.      

基于光场成像技术的散射性火焰温度场重建

光场成像是一项新兴的非接触式测温技术，针对传统辐射成像温度场重构效率低的问题，开展了基于光场成像的散射性火焰温度场重建研究。在火焰光场成像模型的基础上，以广义源项多流法为正问题模型，利用Landweber算法重构吸收散射性火焰的三维温度场，同时引入最小二乘QR（LSQR）分解算法作为对比以衡量Landweber算法的性能。分析了测量误差对于重建精度的影响，重建结果表明，即使在添加5%测量误差的情况下温度场的平均重建相对误差也仅为0.91%和0.92%，重建结果仍然是合理的。Landweber算法和LSQR算法具有相当的计算精度，但Landweber算法的计算时间是LSQR算法的1/10，其计算效率明显优于LSQR算法。      

基于CDD函数的ICT系统设计技术

工业计算机层析成像(ICT,Industrial Computed Tomography)是一种先进的非接触式无损 检测技术,具有复杂精密、非通用和高成本的特点,需要根据用户的具体检测需求进行定制 开发,以降低系统研发风险和成本.为此,提出并研究了一种基于对比度-细节-剂量(CDD ,Contrast-Detail-Dose)函数的ICT系统设计技术框架.据此,推导了扇束三代二维ICT 系统基于CDD函数的设计平台,并完成了软件开发.该项技术包括基于CDD函数的计算机辅助 设计(CAD,Computer Aided Design)模块、扇束三代二维ICT成像数字仿真模块和CT图像 性能评定模块3部分.其输入参数是表征用户检测需求的初始设计参数,输出参数是满足用户 检测需求的最优解.初始设计参数首先进入CAD模块完成性能考核;如果满足要求,再进入仿 真模块完成仿真考核;最后,对仿真结果进行量化评定,得到设计参数对应的系统性能指标 .计算机仿真和工程系统开发结果验证了该设计技术的有效性.