一種基于圖像復(fù)原的工業(yè)ct幾何尺寸測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 該發(fā)明涉及一種物體幾何尺寸測(cè)量方法，特別是涉及一種基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT 幾何尺寸測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 幾何尺寸測(cè)量是逆向工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，基于工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像（Computed Tomography,CT)的幾何尺寸測(cè)量方法通過(guò)采集不同角度下的X射線投影重建物體CT圖像， 并基于CT圖像完成幾何尺寸測(cè)量。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在可以無(wú)損地測(cè)量物體的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 幾何尺寸。基于工業(yè)CT的尺寸測(cè)量方法能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量方法只能測(cè)量物體外表面結(jié) 構(gòu)的不足，特別適合逆向工程、快速成型、3D打印等應(yīng)用。但是，為了保證CT系統(tǒng)可以對(duì)一 些較難穿透的大型物體成像，射線源的功率需要相應(yīng)地增大，隨之而來(lái)地焦斑尺寸也逐漸 增大。焦斑變大將導(dǎo)致探測(cè)器投影圖像中出現(xiàn)半影，反映在重建CT圖像中是模糊退化效 應(yīng)。模糊退化后的CT圖像清晰度降低，并且進(jìn)一步影響幾何尺寸測(cè)量精度。
[0003] 針對(duì)以上問(wèn)題，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，前人主要采用測(cè)量系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò) 展函數(shù)（PointSpreadFunction,PSF)，并將其用于圖像復(fù)原的方法降低模糊退化效應(yīng)。 2001 年，Dougherty等人在《Radiography》上發(fā)表文章"Thepointspreadfunction revisited:imagerestorationusing2_Ddeconvolution"，提出將針孔測(cè)量法得到的二 維PSF用于醫(yī)學(xué)脊椎骨圖像后處理中，經(jīng)過(guò)維納濾波方法的復(fù)原，得到了更加清晰的圖像。 2006 年，Jeon等人在〈〈NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSection A》上發(fā)表文章"Determinationofpointspreadfunctionforaflat-panelX-ray imageranditsapplicationinimagerestoration"，提出使用測(cè)量到的二維PSF復(fù)原 不同直徑的圓孔投影圖像，通過(guò)比較維納濾波和L-R迭代兩種方法的圖像復(fù)原效果，發(fā)現(xiàn) L-R迭代能夠獲得更好的結(jié)果。2009年，黃魁東等人在全國(guó)射線數(shù)字成像會(huì)議上發(fā)表文章 "DR成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)測(cè)量與圖像恢復(fù)"，針對(duì)采集的投影圖像，研究了逆濾波、維納濾波 和約束最小二乘濾波三種圖像復(fù)原算法的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明約束最小二乘濾波復(fù)原效果 最好。上述的研究工作都是基于二維投影圖像展開的，工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量是在重建CT 圖像上完成的，CT圖像的點(diǎn)擴(kuò)展效應(yīng)是射線源焦斑、探測(cè)器彌散效應(yīng)、重建算法等因素共同 產(chǎn)生的結(jié)果，通過(guò)重建CT圖像獲取系統(tǒng)PSF并將其用于圖像復(fù)原，是提高工業(yè)CT幾何尺寸 測(cè)量精度更為直接有效的方法。
[0004] 2012 年，Pakdel等人在《PhysicsinMedicineandBiology》上發(fā)表文章 "Generalizedmethodforcomputationoftruethicknessandx-rayintensity informationinhighlyblurredsub-millimeterbonefeaturesinclinicalCT images"，在對(duì)腦皮層小骨的測(cè)量研究中，通過(guò)建立一維PSF模型，解決了醫(yī)學(xué)圖像模糊退 化嚴(yán)重的問(wèn)題，復(fù)原后的CT圖像能夠有效提高腦皮層小骨的測(cè)量精度。但是他們的方法針 對(duì)特定的醫(yī)學(xué)圖像，且只考慮了一維PSF模型，怎樣將該方法拓展到工業(yè)CT圖像的幾何尺 寸測(cè)量中依然值得思考。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中，一些工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法仍需改進(jìn)的問(wèn)題，提供 一種能同時(shí)降低CT圖像模糊退化程度，并且精度較高的基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸 測(cè)量方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種具有以下步驟的基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾 何尺寸測(cè)量方法：具體步驟如下：（1)投影數(shù)據(jù)采集；（2)重建射束硬化校正后的CT圖像； (3)計(jì)算二維PSF; (4)圖像復(fù)原；（5)幾何尺寸測(cè)量。
[0007] 所述步驟⑴的數(shù)據(jù)采集包括采集可被X射線穿透的被測(cè)量物體和已知尺寸小球 一起掃描的投影，小球材料最好與實(shí)際被測(cè)量物體材料的衰減系數(shù)接近，小球中心應(yīng)與物 體被測(cè)量區(qū)域處于相同高度。判斷物體是否穿透的具體方法為，若投影圖像背景灰度值為 Pc，則要求投影圖像物體區(qū)域的最小灰度值大于
[0008] 所述步驟（2)包括直接針對(duì)步驟（1)中采集的原始投影數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)造指數(shù)模型， 以帶有懲罰項(xiàng)約束的灰度熵為代價(jià)函數(shù)，使用單純形法迭代求解射束硬化校正參數(shù)，并對(duì) 校正后的投影進(jìn)行圖像重建。
[0009] 所述步驟（2)中基于優(yōu)化策略的迭代框架為：I對(duì)原始投影數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)變換，得到 待校正的投影，并為射束硬化校正參數(shù)賦初值；II根據(jù)指數(shù)校正模型，得到相應(yīng)射束硬化校 正參數(shù)下校正后的投影圖像；III重建校正后的CT圖像，并計(jì)算重建CT圖像對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù) 值；IV判斷是否滿足迭代收斂條件，若滿足條件則停止迭代，以當(dāng)前射束硬化校正參數(shù)作為 最優(yōu)解，否則進(jìn)行下一輪迭代，按照單純形法迭代更新射束硬化校正參數(shù)，重復(fù)步驟II至步 驟IV。
[0010] 所述步驟（3)包括針對(duì)步驟（2)中經(jīng)過(guò)射束硬化校正后的CT圖像，選擇小球中心 所在的平面，均勻提取過(guò)小球中心不同方向的剖線，通過(guò)構(gòu)造一種基于可分離高斯函數(shù)的 PSF模型，利用黃金分割法迭代求解模型參數(shù)；步驟（3)在確定用于計(jì)算二維PSF的剖線采 集數(shù)量時(shí)，綜合考慮了結(jié)構(gòu)相似性（StructureSimilarity，SSIM)指數(shù)和計(jì)算時(shí)間兩個(gè)指 標(biāo)，將采集過(guò)圓心的剖線數(shù)量控制在12-20之間。
[0011] 所述步驟⑷包括以步驟⑵中經(jīng)過(guò)射束硬化校正后的CT圖像的TV作為目標(biāo)函 數(shù)建立最優(yōu)化模型，并利用步驟（3)中求到的PSF，通過(guò)交替方向TV最小化方法求解復(fù)原后 的CT圖像。
[0012] 所述步驟（5)包括針對(duì)步驟（4)復(fù)原后的CT圖像，首先用標(biāo)稱物體修正體素尺 寸，然后利用改進(jìn)的Canny邊緣檢測(cè)算法提取亞像素級(jí)別的邊緣，并根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算測(cè) 量結(jié)果。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法具有以下優(yōu) 點(diǎn)：使用該發(fā)明方法復(fù)原后的CT圖像，其模糊退化效應(yīng)能得到有效抑制，并且能夠獲得更 好的幾何尺寸測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法的幾何尺寸測(cè)量流程 圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法的射束硬化校正流程 圖；
[0016] 圖3是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法中不同高斯模糊條件下 卷積不意圖；
[0017] 圖4是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法中用于圖像復(fù)原體模的 相對(duì)位置關(guān)系示意圖；
[0018] 圖5是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法中小球中心平面剖線采 樣示意圖；
[0019] 圖6是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法計(jì)算的二維PSF示意圖；
[0020] 圖7是本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方法中實(shí)際CT圖像不同方法 復(fù)原后測(cè)量精度的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明基于圖像復(fù)原的工業(yè)CT幾何尺寸測(cè)量方 法作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0022] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，如附圖1所示，具體步驟如下：
[0023] (1)投影數(shù)據(jù)采集。在保證可以被X射線穿透的前提下，采集被測(cè)量物體和已知尺 寸小球一起掃描的投影；
[0024] (2)重建射束硬化校正后的CT圖像。直接針對(duì)步驟（1)中采集的原始投影數(shù)據(jù)， 通過(guò)構(gòu)造指數(shù)模型，以帶有懲罰項(xiàng)約束的灰度熵為代價(jià)函數(shù)，使用單純形法迭代求解射束 硬化校正參數(shù)，并對(duì)校正后的投影進(jìn)行圖像重建；
[0025] (3)計(jì)算二維PSF。針對(duì)步驟⑵中經(jīng)過(guò)射束硬化校正后的CT圖像，選擇小球中 心所在的平面，均勻提取過(guò)小球中心不同方向的剖線，通過(guò)構(gòu)造一種基于可分離高斯函數(shù) 的PSF模型，利用黃金分割法迭代求解模型參數(shù)；
[0026] (4)圖像復(fù)原。以步驟⑵中經(jīng)過(guò)射束硬化校正后的CT圖像的TV作為目標(biāo)函數(shù) 建立最優(yōu)化模型，并利用步驟（3)中求到的PSF，通過(guò)交替方向TV最小化方法求解復(fù)原后的 CT圖像；
[0027] (5)幾何尺寸測(cè)量。針對(duì)步驟（4)復(fù)原后的CT圖像，首先用標(biāo)稱物體修正體素尺 寸，然后利用改進(jìn)的Canny邊緣檢測(cè)算法提取亞像素級(jí)別的邊緣，并根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算測(cè) 量結(jié)果。
[0028] 步驟（1)采集實(shí)際投影數(shù)據(jù)的具體方法為，為了給CT系統(tǒng)設(shè)置合適的掃描電壓 與電流，若投影圖像背景灰度值為Pc，則要求投影圖像物體區(qū)域的最小灰度值大于
外，被測(cè)量物體需要和一個(gè)小球共同掃描，小球材料最好與實(shí)際被測(cè)量物體材料的衰減系 數(shù)接近，小球中心應(yīng)與物體被測(cè)量區(qū)域處于相同高度；
[0029] 步驟（2)直接針對(duì)原始投影數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種如附圖2所示的基于優(yōu)化策略的迭 代框架：
[0030] I對(duì)原始投影數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)變換，得到待校正的投影，并為射束硬化校正參數(shù)賦初 值；
[0031] II根據(jù)指數(shù)校正模型，得到相應(yīng)射束硬化