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基于投影匹配的X射线双能计算机层析成像投影分解算法李保磊层析成像第31卷第3期xx年3月光学学报V ol . 31, N o . 3March , xx基于投影匹配的X 射线双能计算机层析成像投影分解算法李保磊1, 2张耀军11(公安部第一研究所, 北京100048; 2北京大学数学科学学院, 北京100871)摘要 X 射线双能计算机层析成像(CT ) 技术是安全检查领域一种重要的材料探测与识别手段。
双能C T 投影分解是双能CT 预处理重建算法的核心内容和关键步骤。
针对现有投影分解算法的不足, 提出了一种基于投影匹配的双能CT 投影分解算法。
依据系统能谱和基材料线性衰减系数曲线, 通过求解投影积分方程组建立高低能投影查找表。
对于给定的高低能投影, 在查找表中寻找最佳匹配点, 进而获取基材料分解投影。
该算法避免了现有算法复杂的迭代优化过程, 简化了系统的标定过程, 分解精度取决于查找表的设定步长。
相对现有算法该算法有实现过程简单、易于并行计算的优点。
仿真实验结果验证了算法的有效性。
关键词 X 射线光学; 双能计算机层析成像; 投影匹配; 投影分解; 预处理重建 T P391 A do i :10. 3788/AOS xx31. 0311002Projection De position Algorithm of X -Ray Dual -Ene rgy Compute d Tomography Base d on Projection MatchingLi Baolei 1, 2 Zhang Yaojun 11The First R esearch Instit ut e of Minist ry of Public Security , Bei __g 100048, China2School of Mathematical Sciences , Peking University , Bei __g 100871, ChinaAbstract X -ray dual -energy puted tomography imaging technique is an important material detec tion and recognition method in the field of security inspection . The projection deposition is the nuclear content and key technique in the pre -rec onstruction algorithm of dual -energy puted tom ography . Ac cording to the disadvantages of the c urrent algorithms , a projection deposition algorithm based on projection matching is proposed . Firstly , based on energy spectrum of the system and the linear attenuation coefficient curve of the ba sic materials , the high -and low -energy projection lookup table can be got by solving the projection integral equations set . For a given dual -energy projection , find the best match point in the lookup table and then obtain the deposition projection of basic m ateria ls . The proposed algorithm avoids the processof plex iteration and optimization and simplifies the proc ess of system calipation . The deposition ac curacy depends on the step setting of lookup table . Compared to the c urrent algorithms , the proposed algorithm ′s realization is more simple and easy for parallel putation . The feasibility of the a lgorithm is va lidated by the results of sim ulation experiment . Key wo rds X -ray optic s ; dual -energy puted tomography ; projection matching ; projection deposition ; pre -reconstructionOCIS co des 110. 0110; 340. 0340; 020. 0020; 250. 02501 引言X 射线双能计算机断层成像(C T ) 作为一种重要的成像技术, 在安全检查领域起着越来越重要的作用[1～3]包括单能X 射线透视、双能X 射线透视、多视角、背散射和X 射线CT 技术等) , 双能C T 技术具有较高的探测能力, 它能够较准确的获取材料的电子密度、有效原子序数二维信息, 而利用此二维信息能够实。
![层析成像的重建方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/b9dcdaea03d8ce2f01662338.png)
专利名称：层析成像的重建方法专利类型：发明专利
发明人：孔明明,李冬东,赵辉
申请号：CN201410211463.2申请日：20140519
公开号：CN105096357A
公开日：
20151125
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明是关于层析成像的重建方法。
根据本发明的一实施例，一层析成像的重建方法包含：获取投影数据；图形处理单元使用开放计算语言对该投影数据进行滤波；及该图形处理单元使用该开放计算语言对所滤波的投影数据进行反投影，对经该反投影而重建的容积图像进行归一化处理。
本发明实施例所提供的层析成像的重建方法通过协调CPU与GPU之间的任务分担，巧妙利用开放计算语言的结构特点而减少数据传输占用的额外时间，可大幅度提高重建的速度。
另外，本发明实施例还通过加权及归一化等处理提高成像的质量。
申请人：锐珂(上海)医疗器材有限公司
地址：上海市浦东新区浦东新金桥路27号
国籍：CN
代理机构：北京律盟知识产权代理有限责任公司
代理人：章蕾
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第44卷第6期航天返回与遥感2023年12月SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING1星载反射式成像系统计算光学设计方法综述高金铭1,2,3郭劲英3孙越4卞殷旭1,2于钱5彭吉龙5贺融6罗茂7匡翠方1,2司徒国海3,*（1 浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室，杭州310027）（2 浙江大学杭州国际科创中心，杭州311215）（3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800）（4 中国科学院南京天文光学技术研究所，南京210042）（5 北京环境卫星工程研究所，北京100094）（6 重庆嘉陵华光光电科技有限公司，重庆400700）（7 重庆嘉陵特种装备有限公司，重庆400032）摘要星载反射式遥感成像系统的结构集成度高、光学面型复杂，面临光学初始结构难以求解和像质优化难以收敛的设计难题。
综述着重探讨星载反射式成像系统中的计算光学设计方法。
星载反射式成像系统计算光学设计，包括复杂曲面反射镜、曲面反射型光栅等硬件设计，以及计算成像图像解码等算法设计。
面对星载遥感成像的不同应用，文章从深度学习光学结构设计、合成孔径计算成像、景深延拓计算成像、主动光学计算像差补偿和曲面光栅计算光谱成像等几个方面进行系统性地分类讨论。
本综述结论为：基于计算光学的设计方法，无论在光学结构与面型求解方面，还是图像信号非线性逆问题求解方面，都具有强大的设计能力。
在发展趋势上，计算光学在航天光学系统的设计潜力刚刚被挖掘。
在“人工智能时代”的软、硬件算力支持下，计算光学方法将大大提升星载反射式成像系统设计的便捷性。
关键词遥感成像光学设计人工智能计算光学中图分类号: O439文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2023)06-0001-11DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2023.06.001Overview of Computational Optics Design for Space-Borne ReflectiveImaging SystemGAO Jinming1,2,3GUO Jinying 3SUN Yue 4BIAN Yinxu 1,2YU Qian 5PENG Jilong 5HE Rong 6LUO Mao 7KUANG Cuifang 1,2SITU Guohai3,*（1 State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation, College of Optical Science and Engineering, ZhejiangUniversity, Hangzhou 310027, China）（2 ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, Zhejiang University, Hangzhou 311215, China）（3 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 201800, China）（4 Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China）（5 Beijing Environmental Satellite Engineering Institute, Beijing 100094, China）（6 Chongqing Jialing Huaguang Optoelectronic Technology Co. Ltd., Chongqing 400700, China）（7 Chongqing Jialing Special Equipment Co. Ltd., Chongqing 400032, China）Abstract The space-borne reflective remote sensing imaging system are facing challenges to solve the收稿日期：2023-07-26基金项目：国家自然科学基金项目（61991452，62061136005，12104472，62005120）引用格式：高金铭, 郭劲英, 孙越, 等. 星载反射式成像系统计算光学设计方法综述[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(6): 1-11.GAO Jinming, GUO Jinying, SUN Yue, et al. Overview of Computational Optics Design for Space-Borne ReflectiveImaging System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(6): 1-11. (in Chinese)2航天返回与遥感2023年第44卷optical initial structure and optimize the image quality, which are with high structural integration and complex optical facets. This review focuses on computational optical design methods in space-borne reflective imaging systems. These include hardware design of complex curved mirrors and curved reflective gratings, as well as algorithm design of computational signal decoding. This review systematically discusses several aspects such as deep learning optical structure design, synthetic aperture computational imaging, depth-of-field extension computational imaging, active optics computational aberration compensation, and curved grating computational spectral imaging. In conclusion, the design methods based on computational optics have powerful design capabilities, both solving optical structure and optimizing image signal nonlinear inverse problem. As trend, the potential of computational optics in aerospace optical systems has just been explored. With the support of computing power in the "artificial intelligence era", the computational optics method will greatly improve the convenience of designing satellite-based reflective imaging systems.Keywords remote imaging; optical design; artificial intelligence; computational optics0 引言目前，大口径、宽波段、长焦距、轻量化以及极短波长探测等是空间遥感光学系统的发展趋势。
基于扇束双投影方向的改进迭代层析成像算法
方静;程乐红;张玉萍;罗高鹏
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2014(0)10
【摘要】提出一种适用于气体扩散分布重建的改进代数迭代算法.针对投影射线扇束构型及双投影方向,在算法迭代步骤中引入先验矩阵,对迭代结果间隔性地进行中值滤波.以高斯烟羽模型为测试对象,分析迭代次数、松弛因子及不同滤波器使用策略对重建结果的影响,结果表明:迭代次数为500次,松弛因子为2时,均方误差、峰值相对误差基本收敛,并将波峰控制在一定范围内.改进代数迭代算法的均方误差、峰值相对误差重建指标优于传统代数迭代重建算法;同时,改进后算法能够准确定位波峰,完成尾峰重建,具有较强的抗噪性.
【总页数】8页(P13-20)
【关键词】层析成像;迭代算法;中值滤波器;先验知识;遥感;双投影方向;扇束构型【作者】方静;程乐红;张玉萍;罗高鹏
【作者单位】合肥工业大学计算机与信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】O439
【相关文献】
1.基于半扇束扫描的CT图像迭代重建算法 [J], 许娟;许乙凯
2.基于视觉灵敏度及改进方向距离彩色图像迭代滤波算法 [J], 李高西;曹军;张福元;
李华
3.有序表改进扇束滤波反投影重建算法求解速度的研究 [J], 王培;郑兆瑞;郝记秀
4.基于改进迭代反投影算法的遥感影像超分辨率重建 [J], 郭桐宇
5.基于改进梯度投影法的MIMO-NOMA系统迭代信号检测算法 [J], 李刚;胡哲;景小荣;周子钰
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基于共轭投影平均的显微CT图像降噪算法
李保磊;陈浩;王远
【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2008(006)008
【摘要】基于正弦图的冗余信息,提出了一种显微CT图像降噪算法.该方法依据共轭投影场强服从相同参数的泊松分布这一规律,将对应共轭投影值求平均得到新的投影数据,然后利用滤波反投影算法重建CT图像.实际的实验结果证明,该方法可以有效抑制CT图像噪声,平滑区信噪比可以提高倍左右,且基本不损失空间分辨率.【总页数】4页(P26-29)
【作者】李保磊;陈浩;王远
【作者单位】北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京,100083;中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳,621900;中国工程物理研究院应用电子学研究所,绵阳,621900
【正文语种】中文
【中图分类】R4
【相关文献】
1.基于多幅图像平均法对数字图像降噪的研究 [J], 马艳娥;陈思;陈娟;刘妍;姚金杰
2.等式约束优化问题的一类混合共轭梯度投影算法 [J], 景书杰;赵海燕
3.Wolfe步长规则下约束优化问题的共轭梯度投影算法 [J], 景书杰;赵海燕
4.一种修正三项Hestenes-Stiefel共轭梯度投影算法及其应用 [J], 李丹丹;李远飞;王松华
5.基于平均密度投影和平移高斯模型的肺结节检测与分割算法 [J], 邱实;汶德胜;王磊
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基于突变信号检测的光学标记识别图像分割方法马磊;刘江;李晓鹏;陈霞【摘要】Concerning the accurate positioning of Optical Mark Recognition ( OMR) images without any position information, an image segmentation approach of mutation signal detection based on wavelet transformation was proposed. Firstly, the horizontal and vertical projective operations were processed, and then these functions were transformed by wavelet to detect mutation points, which can better reflect the boundary of OMR information. This algorithm's adaptability is based on limited times of wavelet transform and mutation signal detection. The experimental results demonstrate that the method possesses high accuracy of segmentation and stability, and the mean square error of segmentation accuracy can be 0. 416 7 pixels. The processing of this method is efficient because the segmentation only used the horizontal and vertical information. This algorithm is not sensitive to noise because of the statistic characteristic of projection functions and multi-resolution characteristic of wavelet tranformation.%针对无定位信息的光学标记识别(OMR)图像填涂区的精确定位问题,提出了一种基于小波变换突变信号检测的图像分割方法.该算法首先计算图像的水平和垂直投影函数,然后投影函数经过迭代小波变换后检测其突变点,突变点能够精确地反映OMR信息的边界位置.检测算法的适应性基于有限次数的小波变换和突变信号检测过程.实验结果表明该算法具有较高的分割精度和稳定性,分割精度均方差可以达到0.4167个像素.而且由于算法只使用图像的水平和垂直投影信息,因此具有较高的执行效率；投影函数的统计特性和小波变换的多分辨特性则使得该分割算法对噪声不敏感.【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2012(032)004【总页数】4页(P1137-1140)【关键词】光学标记识别;小波变换;图像分割;突变点检测;多分辨分析【作者】马磊;刘江;李晓鹏;陈霞【作者单位】山东省图像采集与处理工程技术研究中心,济南250101;山东山大鸥玛软件有限公司,济南250101;山东省图像采集与处理工程技术研究中心,济南250101;山东山大鸥玛软件有限公司,济南250101;山东省图像采集与处理工程技术研究中心,济南250101;山东山大鸥玛软件有限公司,济南250101;山东省图像采集与处理工程技术研究中心,济南250101;山东山大鸥玛软件有限公司,济南250101【正文语种】中文【中图分类】TP391.40 引言光学标记识别(Optical Mark Recognition，OMR)技术具有快速简单、识别率高且成本低的特点，被大量应用于考试、票据、报表、普查等领域，具有很高的应用价值。
第31卷 第3期光 学 学 报V ol .31,N o .32011年3月ACTA OPTICA SINICAMarch ,2011基于投影匹配的X 射线双能计算机层析成像投影分解算法李保磊1,2 张耀军1(1公安部第一研究所,北京100048;2北京大学数学科学学院,北京100871)摘要 X 射线双能计算机层析成像(CT )技术是安全检查领域一种重要的材料探测与识别手段。
双能C T 投影分解是双能CT 预处理重建算法的核心内容和关键步骤。
针对现有投影分解算法的不足,提出了一种基于投影匹配的双能CT 投影分解算法。
依据系统能谱和基材料线性衰减系数曲线,通过求解投影积分方程组建立高低能投影查找表。
对于给定的高低能投影,在查找表中寻找最佳匹配点,进而获取基材料分解投影。
该算法避免了现有算法复杂的迭代优化过程,简化了系统的标定过程,分解精度取决于查找表的设定步长。
相对现有算法该算法有实现过程简单、易于并行计算的优点。
仿真实验结果验证了算法的有效性。
关键词 X 射线光学;双能计算机层析成像;投影匹配;投影分解;预处理重建中图分类号 T P391 文献标识码 A do i :10.3788/AOS 201131.0311002Projection De composition Algorithm of X -Ray Dual -Ene rgy Compute d Tomography Base d on Projection MatchingLi Baolei 1,2 Zhang Yaojun 11The First R esearch Instit ut e of Minist ry of Public Security ,Beijing 100048,China2School of Mathematical Sciences ,Peking University ,Beijing 100871,ChinaAbstract X -ray dual -energy computed tomography imaging technique is an important material detec tion and recognition method in the field of security inspection .The projection decomposition is the nuclear content and key technique in the pre -rec onstruction algorithm of dual -energy c om puted tom ography .Ac cording to the disadvantages of the c urrent algorithms ,a projection decomposition algorithm based on projection matching is proposed .Firstly ,based on energy spectrum of the system and the linear attenuation coefficient curve of the ba sic materials ,the high -and low -energy projection lookup table can be got by solving the projection integral equations set .For a given dual -energy projection ,find the best match point in the lookup table and then obtain the decomposition projection of basic m ateria ls .The proposed algorithm avoids the process of complex iteration and optimization and simplifies the proc ess of system calibration .The dec omposition ac curacy depends on the step setting of lookup table .Compared to the c urrent algorithms ,the proposed algorithm ′s realization is more simple and easy for parallel computation .The feasibility of the a lgorithm is va lidated by the results of sim ulation experiment .Key wo rds X -ray optic s ;dual -energy computed tomography ;projection matching ;projection decomposition ;pre -reconstructionOCIS co des 110.0110;340.0340;020.0020;250.0250 收稿日期:2010-06-10;收到修改稿日期:2010-11-30基金项目:国家科技支撑计划(2009BA K 64B02)资助课题。
作者简介:李保磊(1980—),男,博士,主要从事X 射线计算机断层成像技术及其应用等方面的研究。
E -mail :bao lei li @yahoo .com .cn1 引 言X 射线双能计算机断层成像(C T )作为一种重要的成像技术,在安全检查领域起着越来越重要的作用[1～3]。
在常见的X 射线安全检查技术中(主要包括单能X 射线透视、双能X 射线透视、多视角、背散射和X 射线CT 技术等),双能C T 技术具有较高的探测能力,它能够较准确的获取材料的电子密度、有效原子序数二维信息,而利用此二维信息能够实光 学 学 报现对绝大部分材料的探测识别[4]。
同时CT型安检设备也是美国FAA唯一认定的EDS型安检设备。
可见双能C T技术在整个X射线安检技术中的地位。
双能CT的概念在20世纪70年代由Robert E. Alvarez等[5]首次提出并进行了研究。
最初该项技术主要用于医学射线图像的骨骼与软组织的分离和病灶诊断,之后其应用逐渐扩展到工业检测和安全检查领域,如利用双能技术对CT图像进行射束硬化校正等。
在安全检查领域,国外Reveal和Analogic公司均已推出自己的双能CT行包检查系统[6,7]。
双能CT安检系统的核心技术是双能CT重建算法。
双能CT重建算法大致可以分为三类。
1)迭代重建算法[8,9]。
这类方法通过迭代的过程,得到与能谱无关或者近似无关的CT图像,进而抑制由射束硬化效应带来的伪影,改善图像质量;或者通过双能迭代,得到材料分解图像。
不过此类方法计算速度慢,不易实际应用。
2)后处理重建算法[10～12]。
该方法首先利用高低能投影重建出高低能CT图像,然后再对高低能CT图像进行处理,获取物体断层的物理参数分布图像。
由于其自身固有的特点,此类方法不能从根本上消除射束硬化效应,因此精度难以保证。
3)基于投影分解的双能CT重建算法[13～16]。
对于这类方法,基于两种常见的物质线性衰减系数分解模型———双效应分解模型和基材料分解模型[13,17],对应着两种投影分解过程。
这类方法通过对投影数据的预处理分解,利用分解的参数完成双能C T重建进而对材料进行识别探测,因此又称为预处理重建算法。
这种算法理论上可以得到不受能谱影响的物质有效原子序数和电子密度图像,是目前双能CT 技术领域的主流重建算法。
在预处理重建算法中,投影分解是关键技术和核心内容,现有文献中已有多种投影分解方法,如多项式间接拟合法、多项式直接拟合法、分段多项式拟合法、等值线法和高次曲面函数拟合法等[16,18]。
这些方法在一定程度上促进了双能CT技术的发展,但是它们求解过程复杂,需要复杂的标定过程,计算速度慢,对噪声十分敏感,分解精度还有待提高。
2006年,Zhengro ng Ying等[19,20]提出了双能CT的优化投影分解方法,提高了分解算法的稳定度和收敛性能,但是仍然存在计算速度与初值的选取问题。
总之,现有投影分解方法还不能满足安检实际工作需求,需要研究简便实用的投影分解算法。
2 双能CT重建原理物质的线性衰减系数有两种常见的分解模型:μ(E)=a c f K N(E)+a p f p(E),(1)μ(E)=b1μ1(E)+b2μ2(E),(2)式中f p(E),f K N(E)为只与能量E有关而与材质无关的分解系数。
且有f p(E)=1E3,(3)f KN(α)=1+αα22(1+α)1+2α-1αln(1+2α)+12αln(1+2α)-1+3α(1+2α)2,(4)式中α=E/510.975keV,a p表示光电效应系数,a c 为康普顿散射效应系数,a p,a c是独立于能量只与材质有关的物理量,且有a p=l1ρZnA, a c=l2ρZA,n≈4～5,(5)式中l1,l2为两常数,ρ为物质密度,Z为原子序数,A 为原子量;μ1(E),μ2(E)分别为两种基材料的线性衰减系数。
b1,b2为对应两种基材料的分解系数,对于某一固定的物质,b1,b2是两个常数。
(1)式表示在一定的射线能量范围内,物质的衰减可由光电效应和康普顿散射两种作用共同组成。
(2)式表示任何一种物质的线性衰减系数都可由两种基材料的线性衰减系数线性叠加而成[13,17]。
依据这两种衰减系数分解模型,记A c=∫a c d l,A p=∫a p d l;B1=∫b1d l,B2=∫b2d l,根据宽能谱射线条件下的Beer定律可得P L=-ln{∫S L(E)ex p[-A c f K N(E)-A p f p(E)]d E}+ln∫S L(E)d EP H=-ln{∫S H(E)exp[-A c f KN(E)-A p f p(E)]d E}+ln∫S H(E)d E,(6) P L=-ln{∫S L(E)exp[-B1μ1(E)-B2μ2(E)]d E}+ln∫S L(E)d EP H=-ln{∫S H(E)ex p[-B1μ1(E)-B2μ2(E)]d E}+ln∫S H(E)d E,(7)李保磊等: 基于投影匹配的X射线双能计算机层析成像投影分解算法式中S L(E),S H(E),P L,P H分别为高低能谱和高低能投影。
