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原文传递基于特征纹理模板的锥束CT系统探测器角度偏差测量方法

专利名称：	基于特征纹理模板的锥束CT系统探测器角度偏差测量方法
摘要：	本发明提供了一种基于特征纹理模板的锥束CT系统探测器角度偏差测量方法，属于图像处理领域里的计算机层析成像技术领域。其特征是本发明使用包含旋转对称纹理及平移对称纹理的特定模板，将探测器的角度偏差与两种纹理图像的对称性之间建立联系，求解探测器角度偏差。本发明的效果和益处是利用具有特征纹理的标定模板，采集单角度投影数据求解得出锥束CT系统中探测器的角度偏差，模板制作容易，操作简单，解决了模板制作复杂及测量操作复杂的不足。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	大连理工大学
发明人：	孙怡;杜勇
专利状态：	有效
发布日期：	2019-01-01T00:00:00+0800
申请号：	CN201810466388.2
公开号：	CN108663386A
代理机构：	大连理工大学专利中心 21200
代理人：	温福雪;侯明远
分类号：	G01N23/046(2018.01)I;G;G01;G01N;G01N23;G01N23/046
申请人地址：	116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路2号
主权项：	1.一种基于特征纹理模板的锥束CT系统探测器角度偏差测量方法，其特征在于，步骤如下：(1)基本概念标定模板：用于测量锥束CT系统探测器角度偏差的物体；模板纹理：模板中的图案为棋盘格纹理与同心圆环纹理的叠加纹理，二者中心重合；平移对称纹理：标定模板中的棋盘格纹理；旋转对称纹理：标定模板中的同心圆环纹理；投影图像：实际场景中标定模板经过X射线照射在探测器中所成的像；平移对称纹理图像：包含平移对称纹理的投影图像；旋转对称纹理图像：包含旋转对称纹理的投影图像；非理想偏转图像：探测器角度偏差不为零时标定模板的投影图像；理想正对图像：探测器无角度偏差时标定模板的投影图像；(2)锥束CT几何成像系统定义及投影图像之间的关系锥束CT几何成像系统，包括X射线源、置物台、探测器和标定模板；S为X射线源焦点，在标定模板平面上建立世界坐标系OW‑XWYWZW，原点OW为标定模板平面的中心点，YW轴为旋转轴，XWOWYW平面为标定模板平面；在探测器平面上建立探测器成像坐标系XCOYC，其中，原点OC为中心射线在探测器上的投影位置，XC轴平行于探测器平面水平方向，YC轴平行于探测器平面垂直方向；在探测器平面上建立图像坐标系UOV，原点O位于探测器平面左上角，U轴平行于XC轴，V轴平行于YC轴；点S到XWOWYW平面的距离为R,点S在图像坐标系UOV内的坐标为(u0,v0)；探测器通过旋钮进行绕XC轴、YC轴、ZW轴角度的调节，探测器绕XC轴旋转角度为面外俯仰角θx，绕YC轴旋转角度为面外偏转角θy，绕ZW轴旋转角度为面内偏转角θz；对标定模板进行X射线照射，模板上某点(xW,yW,zW)在探测器上得到的对应投影点坐标为(u,v)，用齐次坐标表示两者的映射关系为：其中，s为一个常数因子，N为内参数矩阵，D表示射线源到探测器的距离，(u0,v0)表示射线源焦点在图像坐标系中的坐标，px和py分别表示探测器U轴方向和V轴方向的像元尺寸，本发明中令px＝py；T是平移矩阵，R是一个3×3的旋转矩阵；探测器的旋转顺序：先绕ZW轴顺时针旋转，再绕YC轴顺时针旋转，最后绕XC轴顺时针旋转，用探测器面外俯仰角θx、面外偏转角θy及面内偏转角θz表示旋转矩阵R为：标定模板的投影图像是由平移对称纹理图像和旋转对称纹理图像组合而成，两种纹理的中心重合，且棋盘格纹理中方格的长宽尺寸与同心圆环纹理的半径尺寸相对固定；使用X射线照射标定模板，得到非理想偏转图像I1；假设探测器角度偏差θx、θy为0，得到的投影图像为仅包含θz偏差的非理想偏转图像I2；无角度偏差时，投影得到的图像为理想正对图像I3；世界坐标系中同一点P(xW,yW,zW)在三种投影图像中的投影点分别为点P1(u1,v1)、P2(u2,v2)与P3(u3,v3)，则有其中，Sa为射线源到旋转轴距离；则根据式(3)、(4)、(5)对三种投影图像进行转换；(3)探测器角度偏差求解当标定模板的投影图像为理想正对图像，其面外俯仰角θx与面外偏转角θy均为0，此时同心圆环纹理经过FE变换后为平移对称纹理，而平移对称纹理为低秩纹理；当投影图像为非理想偏转图像，其θx与θy不为0，经过FE变换后的纹理不是平移对称纹理，不具有低秩性；对特征纹理模板投影图像进行FE变换，令变换后的图像大小为m×n；当投影图像为理想正对图像I3时，I3分为8个图像块，每个图像块均通过一个图像块经过旋转、翻转、平移得到，则其FE变换图像I3F具有周期性，且周期T＝8；根据图像的列秩的定义，对于I3F的第n/8+1列至第n列像素，均由第1列至第n/8列像素经过线性相关得到，因此rank(I3F)＝n/8；当投影图像为非理想偏转图像I2，其FE变换图像I2F不具有周期性，rank(I2F)>n/8；可知，当投影图像为理想正对图像时，其秩最小，用低秩矩阵恢复原理式(6)对非理想偏转图像进行计算，得到探测器的面外俯仰角θx和面外偏转角θy；其中，I表示投影图像，I0表示探测器无角度偏差时的投影图像，E为噪声矩阵，F{}表示FE变换，τ表示探测器角度偏差；由式(3)(4)得探测器三个角度偏差均不为0时，点P1与探测器角度偏差中θx＝0,θy＝0,θz≠0时点P2之间转换关系为在得到探测器的θx和θy之后，通过式(7)将三个角度偏差均不为0的投影图像转换为θx＝0,θy＝0,θz≠0的投影图像；此时的投影图像中仅包含探测器的面内偏转角θz偏差，用于θz的测量；本发明中使用的特征纹理模板的投影图像是由两种具有不同特征的纹理图像组合而成的，理想正对图像表示如下：I3＝It+Ir (8)其中，It表示平移对称纹理图像，即棋盘格纹理图像；Ir表示旋转对称纹理图像，即同心圆环纹理图像；I3表示组合后的混合纹理图像；对于平移对称纹理图像It，若以垂直于图像平面的轴进行旋转，纹理发生变化，其傅里叶变换幅度谱也发生变化，即其傅里叶变换幅度谱的变化反应了其纹理特征的变化；若取权重为1，对经过不同角度旋转后的平移对称纹理图像傅里叶变换幅度谱进行加权平均，得到的幅度谱中包含的平移对称纹理特征大大减少；而对于旋转对称纹理图像Ir，若进行同样的旋转，纹理不发生变化，其傅里叶变换幅度谱也不发生明显变化；因此，对经过不同角度旋转后的旋转对称纹理图像傅里叶变换幅度谱进行加权平均，得到的幅度谱仍具有丰富的旋转对称纹理特征；若对混合纹理图像I3绕垂直于图像的轴进行多次旋转，并对旋转后图像的傅里叶变换幅度谱进行加权平均，由式(8)得其中，表示对图像I₃进行二维离散傅里叶变换，α表示图像旋转的角度，n为图像旋转的次数；此时的傅里叶变换幅度谱中平移对称纹理特征大大减少，而旋转对称纹理特征仍保持不变，对得到的傅里叶变换幅度谱进行傅里叶逆变换，得到的图像中旋转对称纹理特征保持不变，而平移对称纹理特征相对于旋转对称纹理特征减少很多；对于得到的图像中含有的少量平移对称纹理，设定阈值将其消除，可得到仅包含旋转对称纹理特征的图像；再从混合纹理图像中减去该图像，即得到仅包含平移对称纹理特征的图像，对该图像使用低秩矩阵恢复算法进行计算，即得到θ_z的精确测量值。
所属类别：	发明专利