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.      

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.      

基于结构光扫描数据点的内表面重建方法

提出基于结构光扫描获取的特征点重建物体内表面的方法.结构光扫描获取原始数据精度较高,但是存在数据密度不均的问题.通过剔除测量方向部分冗余数据点和插补扫描方向的稀疏数据,对原始三维数据密度进行适当调整,然后采用基于局部切平面簇的方法对调整后的数据点云进行表面重建.在某一特征点的邻域构造对应于该点的局部切平面,通过局部切平面簇逼近原始表面,采用Marching cubes算法提取等值面,得到三维表面重建的初始网格,根据优化算法简化网格,并采用Loop细分法平滑网格,获得描述物体表面特征的重建表面.该方法解决了由结构光扫描获取的不均匀原始数据点重建物体内表面的问题.      

三维CT重建几何参数的非线性最小二乘估计

重建几何参数的精度是3D-CT(Three Dimensional Computed Tomography)重建中严格控制的指标,在实际的X射线扫描成像中,这些参数无法直接测量得到,从而难以保证其精度.介绍了利用非线性最小二乘估计Feldkamp三维重建几何参数的方法,根据空间质点质心的投影位置与其投影的质心位置重合的原理,通过计算空间质点(实验中采用近似质点的目标体)投影质心坐标,求解非线性方程组估计重建几何参数的最优解.计算机模拟结果表明,在参数向量初始值接近于真值的情况下,估计所得参数值有较好的精度和重复性.利用此方法估计所得实际扫描系统的几何参数值进行三维重建,也得到了很好的重建结果.     

一种非合作目标模型快速测量方法

服务航天器跟踪、接近和捕获目标时,需要快速获取目标卫星局部模块的精密3D轮廓。文章研究了一种基于结构光的单目测量系统,能够同时满足三维测量速度快、精度高等需求。提出了一种黑白DeBruijn序列编码方法,使用单张相机图片就可以完成重建,采用黑白条纹,增强了对空间反射的抗干扰能力。相比较于双目测量方法,该方法认为投影装置模型和相机模型一致,省去了图像匹配步骤,有效减少了计算时间;采用迭代的方法对点云进行重建,不需要预先进行畸变校正。以卫星模型为目标,使用高速相机进行了重建试验,试验结果表明采用这种方法进行重建时,采集图像时间短,深度信息误差为0.0583mm,速度和精度都能满足非合作目标的三维测量要求。     

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.      

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.      

M51：螺旋星系的X射线辐射

如果我们能为整个螺旋星系进行X射线检测，将会见到何种景象？在这幅钱德拉影像所呈现的螺旋星系和它的近邻里，可以找到数百颗闪亮恒星的X射线。这幅影像结合了钱德拉的X射线数据和哈勃空间望远镜的可见光数据。其中，紫色是X射线数据。弥漫状的X射线通常是被超新星爆发加热到数百万摄氏度的气体辐射出来的。     

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.      

基于序列图像的空间目标三维重建

空间目标三维重建对空间态势感知和理论研究具有重要意义。针对空间目标图像存在的由纹理重复导致的错误重建问题,提出了一种新的基于运动信息恢复三维场景结构策略。该策略将序列目标图像的成像时间顺序作为先验信息,顺序地加入新图像进行迭代,以避免因目标结构对称、纹理重复所导致的重建错误。同时针对空间目标成像数据匮乏的问题,进行了空间目标图像仿真,并开展了空间目标地面模拟成像实验研究。结果表明:运动分析结果精确,对噪声有较强的鲁棒性,恢复出的目标三维点云能在一定程度上表达目标的结构信息。同时给出了进行空间目标三维重建时图像序列应满足的边界条件。      

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。      

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.     

投影栅相位法视觉检测技术研究

提出了一种新型的投影栅和相位法视觉检测系统,该系统由投射器将具有正弦分布的条纹投射到被测物体表面,利用不同方位投射条纹的相位来确定双目立体视觉中的对应匹配点。文中对该视觉检测系统进行了标定,建立了双目视觉传感器的三维测量数学模型,标定结果的平均误差为0.039 6mm,均方差为0.023 1mm,角度相对误差为0.2％。最后不仅给出了V型体表面测量的结果,角度相对误差为0.22％,同时还给出了V型体的三维重建图。     

基于三维点云模型的空间目标光学图像生成技术

空间探测任务中大量先验图像数据的缺乏，使得基于光学图像的态势感知和导航算法无法被有效定量测试和评估。针对此问题，提出了一种基于三维点云模型和射影变换基本理论的空间目标光学图像生成方法。在完成对空间目标三维点云模型和仿真摄像机模型构建基础之上，利用射影变换基本理论依次计算像平面所有像素点与空间目标三维点云模型空间点的对应关系，并基于Lambertian漫反射模型和相对应空间目标三维点云模型空间点的光照方向，得到所有像素点的灰度值，从而生成给定空间目标的光学图像。大量仿真实验表明:与传统的基于解析模型的仿真图像生成方法相比，所提的空间目标光学图像生成技术能够以更快的速度生成更加真实的仿真图像，且生成的仿真图像可以广泛应用于椭圆拟合、陨石坑检测、着陆器视觉导航、航天器交会对接、空间目标跟踪等典型空间应用算法的定性与定量评估。      

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。     

应用最优化理论中的投影定理计算平行正投影

拟应用最优化理论中的投影定理,从理论上严格证明物体平行正投影的存在和唯一性,并在此基础上建立一个全新的平行正投影计算方法.内容包括:①应用数学语言阐明三维物体平行正投影的含义;②应用最优化理论中的相关理论依次论证与投影定理有关的几个命题,并在此基础上严格证明物体平行正投影的存在和唯一性,以及利用傅里叶级数形式建立平行正投影计算式;③简要分析这种计算方法的特点.      

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.