一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法技术

本发明专利技术提供一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法。该方法包括：步骤1：利用纳米CT系统扫描样品并从扫描数据中读取两张镜像投影图像，对两张投影图像进行预处理；步骤2：设置特征点提取阈值，对两张投影图像进行特征点提取、匹配与筛选，记录筛选出的所有优质匹配点的坐标；步骤3：根据两张投影图像所有优质匹配点的中点坐标拟合出旋转轴偏转角及旋转轴横向偏移两个参数；步骤4：对扫描数据中所有角度下的投影图像通过仿射变换进行旋转轴偏转角和旋转轴横线偏移两个参数的标定，然后重建得到无几何伪影的三维体数据。本发明专利技术通过优质匹配特征点的坐标拟合参数具有更好的抗噪声性能。的抗噪声性能。的抗噪声性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法


[0001]本专利技术涉及图像处理
，尤其涉及一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法。

技术介绍

[0002]计算机断层成像(Computed Tomography,CT)是一种利用X射线穿透物体后的衰减信息来实现物体三维重建的技术，具有无损成像、分辨精度高、成像速度快等突出优势，被广泛应用于无损检测等领域。纳米CT技术是在CT基础上发展起来的能够对物体进行纳米级高分辨率断层成像的技术。
[0003]纳米CT系统获取待测样品三维数据主要包括投影数据采集、数据校正、图像重建以及图像后处理几个关键步骤。实际应用中，受CT设备的机械加工及人工安装精度等因素影响，X射线源、旋转平台以及平板探测器中心不在同一直线上，纳米CT系统实际空间结构参数和理想成像模型几何参数失配导致重建图像中产生几何伪影。主要表现为三维重建图像模糊甚至出现双边缘伪影现象，严重影响重建图像质量和空间分辨率。因此，进行CT系统几何参数标定对高质量三维重建图像的获取具有重要意义。
[0004]为解决锥束CT系统几何参数失配导致的重建图像质量的下降，研究人员提出了许多CT系统几何参数标定方法。主要可以分为：基于定标体模的几何参数标定方法、基于重建图像特征的几何参数自标定方法、基于投影图像特征的几何参数自标定方法。基于定标体模的方法基本原理是借助一个几何结构已知的标准模板即定标体模，在需标定的轨迹下采集定标体模的一个或多个投影，利用投影轨迹的参数与系统成像几何模型间的关系来求解系统的几何参数。该方法具有校正精度高、求解速度快等优点。但该方法需要制作与放置高精度定标体模，因此在单次成像视野仅有几毫米的纳米CT中难以应用。基于重建图像特征的几何参数自标定算法主要通过重建图像的熵、锐度、高频能量等作为评价函数实现几何参数的标定。这些方法都需要多次迭代重建，校正效率低。基于投影图像特征的方法主要通过投影图像的镜像特性，通过镜像图像之间关系构建代价函数，实现几何参数的标定。但现有基于投影图像特征的方法中，直接使用投影图像灰度值进行几何参数计算易受噪声及锥形束锥角影响。

技术实现思路

[0005]针对现有几何参数标定算法存在的上述不足，为了能够至少部分解决这些不足，本专利技术从圆扫描轨迹下成对投影图像的镜像特性出发，提供了一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法。
[0006]本专利技术提供的一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法，包括：
[0007]步骤1：利用纳米CT系统扫描样品并从扫描数据中读取两张镜像投影图像，对两张投影图像进行预处理；
[0008]步骤2：设置特征点提取阈值，对两张投影图像进行特征点提取、匹配与筛选，记录
筛选出的所有优质匹配点的坐标；
[0009]步骤3：根据两张投影图像所有优质匹配点的中点坐标拟合出旋转轴偏转角及旋转轴横向偏移两个参数；
[0010]步骤4：对扫描数据中所有角度下的投影图像通过仿射变换进行旋转轴偏转角和旋转轴横线偏移两个参数的标定，然后重建得到无几何伪影的三维体数据。
[0011]进一步地，所述特征点筛选的过程具体包括：
[0012]在两个投影图像中任意选取两个匹配点对，分别记作匹配点对和匹配点对并计算其中一个匹配点对在同一坐标系下的中点S
mid
的坐标；其中，和表示从其中一个投影图像中提取的特征点，和表示从另一个投影图像中提取的特征点；
[0013]将特征点和中点S
mid
构成第一特征三角形，将特征点和中点S
mid
构成第二特征三角形；
[0014]若第一特征三角形和第二特征三角形全等，则认为和为筛选出的优质匹配点。
[0015]进一步地，判断特征三角形全等的过程包括：
[0016]计算第一特征三角形任意两顶点之间的距离和计算第二特征三角形任意两顶点之间的距离计算第二特征三角形任意两顶点之间的距离和
[0017]若满足公式(2)，则第一特征三角形和第二特征三角形全等：
[0018][0019]进一步地，判断特征三角形全等的过程包括：
[0020]计算第一特征三角形任意两顶点之间的距离和计算第二特征三角形任意两顶点之间的距离计算第二特征三角形任意两顶点之间的距离和
[0021]从第一特征三角形中的三组距离值中任意选取两组距离值记作D1
main
和D2
main
，从第二特征三角形中选取对应匹配的两组距离值记作D1
mirror
和D2
mirror
，按照公式(3)计算F值：
[0022][0023]设定F值的阈值λ，构建准则函数p
ij
：
[0024][0025]依据准则函数构造投票函数设置投票比t使得筛选后所有特征点对的中点组成的点集S
mid
为：
[0026][0027]其中，N表示特征点的个数。
[0028]进一步地，步骤3具体包括：
[0029]通过随机抽样一致性方法对所有优质匹配点的中点坐标进行直线拟合，拟合得到的直线即为旋转轴，所述旋转轴与投影图像垂直中轴线夹角即为旋转轴偏转角，旋转轴与投影图像水平中轴线之间的交点与投影图像中心横坐标之间的距离即为旋转轴横线偏移。
[0030]本专利技术的有益效果：
[0031]本专利技术提供的一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法，利用了纳米CT投影图像在圆扫描轨迹下的镜像特性以及旋转轴不动性，仅利用一次扫描下获取的投影数据通过镜像投影图像中的特征点的提取、匹配以及特征三角形全等实现特征点的筛选，最终拟合旋转轴位置，从而实现了旋转轴偏转角及旋转轴横向偏移的标定。该方法无需制作与放置高精度的定标体模，同时一次扫描提高了X射线利用率，并且该方法无需重复重建，只需要对标定后投影数据一次重建即可实现纳米CT系统几何参数的标定。相比其他直接通过投影值进行参数计算的方法，该方法通过优质匹配特征点的坐标拟合参数具有更好的抗噪声性能。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例提供的一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法的流程示意图；
[0033]图2为本专利技术实施例提供的通过特征三角形全等进行特征点筛选示意图；
[0034]图3为纳米CT成像系统几何关系结构图；
[0035]图4为有无几何伪影仿真shepp
‑
Logan体模重建结果对比图：(a)为无伪影重建图像；(b)为有伪影重建图像；
[0036]图5为本专利技术实施例提供的蚂蚁数据校正前后重建图像切片：(a)未进行几何参数标定的图像切片；(b)利用本专利技术方法进行几何参数标定后重建切片；
[0037]图6为图5中红线位置对应像素值。
具体实施方式
[0038]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法，其特征在于，包括：步骤1：利用纳米CT系统扫描样品并从扫描数据中读取两张镜像投影图像，对两张投影图像进行预处理；步骤2：设置特征点提取阈值，对两张投影图像进行特征点提取、匹配与筛选，记录筛选出的所有优质匹配点的坐标；步骤3：根据两张投影图像所有优质匹配点的中点坐标拟合出旋转轴偏转角及旋转轴横向偏移两个参数；步骤4：对扫描数据中所有角度下的投影图像通过仿射变换进行旋转轴偏转角和旋转轴横线偏移两个参数的标定，然后重建得到无几何伪影的三维体数据。2.根据权利要求1所述的一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法，其特征在于，所述特征点筛选的过程具体包括：在两个投影图像中任意选取两个匹配点对，分别记作匹配点对和匹配点对并计算其中一个匹配点对在同一坐标系下的中点S
mid
的坐标；其中，和表示从其中一个投影图像中提取的特征点，和表示从另一个投影图像中提取的特征点；将特征点和中点S
mid
构成第一特征三角形，将特征点和中点S
mid
构成第二特征三角形；若第一特征三角形和第二特征三角形全等，则认为和为筛选出的优质匹配点。3.根据权利要求2所述的一种基于投影特征匹配的纳米CT几何参数自标定方法，其特征在于，判断特征三角形全等的过程包括：计算第一特征三角形任意两顶点之间的距离和计算第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：李磊，杨双站，韩玉，闫镔，席晓琦，朱林林，刘梦楠，谭思宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：