X射線圖像非均勻性分析及校正

羅程遠(yuǎn)，劉世梁，藍(lán)志鵬

（東華理工大學(xué)，南昌 330013）

0 引言

自從德國科學(xué)家威廉倫琴（1854—1923）于1895年發(fā)現(xiàn)X 射線以來，X 射線技術(shù)在科學(xué)界引起了研究熱潮，X 射線成像技術(shù)在醫(yī)療診斷、無損檢測和安全監(jiān)控等領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)階段高精度X 射線成像系統(tǒng)造價成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且操作不方便，核心技術(shù)多數(shù)還掌握在歐美、德國日本國家[1]，所以自主研制出結(jié)構(gòu)簡單、成本低的X 射線成像系統(tǒng)勢在必行。X 射線成像系統(tǒng)的成像器件從最初的膠片、熒光屏、成像板到現(xiàn)在的平板探測器、線陣探測器，考慮到成本和成像范圍本文選用線陣探測器。X 射線成像過程中，首先X 射線穿透物體到達(dá)線陣探測器，經(jīng)光電效應(yīng)和AD 轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字信號，采集到的數(shù)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到對應(yīng)的X 射線圖像，在這整個成像過程中存在各種干擾，嚴(yán)重影響X 射線的成像質(zhì)量。采集的原始X 射線圖像普遍圖像偏暗、對比度不高、噪聲大、分辨率和清晰度低，圖像處理是成像系統(tǒng)中關(guān)鍵的一步，計算機(jī)處理技術(shù)在近十幾年的發(fā)展，為X 射線成像系統(tǒng)的發(fā)展提供關(guān)鍵性的技術(shù)支持[2]。本文重點研究線陣探測器對X 射線圖像非均勻性的影響，測試和驗證了非均勻性圖像處理的常規(guī)算法，如一點校正法、兩點校正法和非線性校正法等，最后在兩點校正法的基礎(chǔ)上，確定了多點定標(biāo)分段校正方法，對X 射線圖像的非均勻性有顯著的校正效果。

1 X射線成像非均勻性分析

1.1 成像檢測方案

X射線成像檢測系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 X射線成像檢測系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)工作時，由X 射線源產(chǎn)生X 射線，X 射線準(zhǔn)直后經(jīng)過被檢測樣品形成透射后的X 射線，在成像探測器線陣上被接收并轉(zhuǎn)換成點陣圖像數(shù)據(jù)，傳輸至后臺成像系統(tǒng)軟件，生成單色灰度圖像或偽彩圖像，用于判別檢測樣品的形狀、結(jié)構(gòu)、厚度、物質(zhì)構(gòu)成等信息。

1.2 線陣探測器對成像質(zhì)量的影響

當(dāng)X 射線透過物體，攜帶了物體內(nèi)部信息的X 射線均勻的照射在線陣探測器上時，每個成像單元都會有自己相應(yīng)的輸出，由于每個成像都有自己的偏置量和增益，即使在均勻輻照的情況下，輸出的結(jié)果也會有所差異，線陣探測器一般是由很多探測小卡拼接而成，各個小卡之間可能也會存在響應(yīng)不均勻，這種現(xiàn)象稱作為像素響應(yīng)不均勻，這種現(xiàn)象的存在，導(dǎo)致采集的X 射線圖像會出現(xiàn)很多條紋[3]。

本文使用的探測器的A∕D 精度為14 bits，采集的數(shù)據(jù)范圍為0～16 383，整個線陣探測器是由是個探測小卡拼接而成。如圖2 所示，每個光電二級管對應(yīng)的本底噪聲大小不一致，每個探測小卡所顯示的數(shù)據(jù)也存在微小差距，采集的數(shù)據(jù)在小范圍內(nèi)波動。線陣探測器造成X射線不均勻的原因主要是線陣探測器的各個成像單元響應(yīng)不一致且為非線性、成像單元前置放大電路不一致以及本底值不一致。由于上述種種因素的影響，采集的X射線空打的原始圖像如圖3所示。

圖2 探測器本底噪聲

圖3 X射線空打原始圖像

由于本文使用的探測器是由10 個成像小卡拼接而成，各個成像小卡之間響應(yīng)不一致，空打的X 射線圖存在明顯不一致，有區(qū)域界線將整張圖分割成10 個長矩形區(qū)域，故造成了圖像的明顯的區(qū)域分割，其中某一行數(shù)據(jù)如圖4（a）所示。各垂直層次上也存在像素不均勻的情況，主要原因可能是X 射線不夠穩(wěn)定以及探測器的采集頻率與射線頻率不一致，某一列數(shù)據(jù)如圖4（b）所示。

圖4 圖像行列數(shù)據(jù)比較

2 圖像非均勻性校正

在均勻X 射線照射下，理想情況下各行各列的像素灰度值應(yīng)該是一致的（如圖5虛線所示），但是由于各種干擾因素的存在，導(dǎo)致各行各列像素的灰度值在理想值上下波動（如圖5實線所示）[4]，在成像小卡的拼接處灰度值波動更為嚴(yán)重，因此要對此進(jìn)行校正和補(bǔ)償。

圖5 線性校正示意圖

2.1 線性校正

線性校正主要有一點校正法和兩點校正法。一點校正過程分為標(biāo)定和校正兩步，首先計算出各個成像單元在同一X 射線強(qiáng)度下輸出響應(yīng)，計算出校正系數(shù)，完成標(biāo)定；然后將各個成像單元實際輸出響應(yīng)與成像單元對應(yīng)的校正因子相乘，即完成一點校正[5]。一點校正本質(zhì)上只對器件的偏置做了補(bǔ)償，并沒有對增益做校正，即相當(dāng)于將響應(yīng)直線做了位置平移；當(dāng)目標(biāo)輻射度偏離標(biāo)定點不大時，校正效果較好，但是當(dāng)目標(biāo)輻照度偏離標(biāo)定點較大時，校正效果就會大大降低，由于各個成像單元的響應(yīng)度不一致，校正誤差也會越差，因此，一點校正不適用于X射線圖像的校正[6]。

兩點校正算法在工程實際中應(yīng)用范圍最廣，它能對探測元件輸出的加性噪聲進(jìn)行補(bǔ)償修正的同時對乘性噪聲進(jìn)行了校正，該算法簡單易于實現(xiàn)，對線性度高的探測器件有很好的校正效果。假設(shè)線陣探測器的成像單元響應(yīng)值為DN與X射線輻射強(qiáng)度?呈線性變化，選取兩個高低射線輻射強(qiáng)度最為定標(biāo)點，可建立以下校正模型：

式中：Yi,j為校正后的像素值；Xi,j為實際采集的像素值；Gi,j為校正因子；Oi,j為偏置系數(shù)。

兩點校正的示意圖如圖6 所示，校正前有3 條不同的響應(yīng)曲線隨輻射度變化而變化，校正后為一條響應(yīng)函數(shù)直線：

圖6 兩點校正法示意圖

將高低輻射度為?H和?L的圖像為定標(biāo)點，校正因子Gi,j和偏置系數(shù)Oi,j可根據(jù)下式計算：

兩點校正法同樣分定標(biāo)和校正兩個過程，兩點校正算法補(bǔ)償了器件偏置同時還對增益作了修正[7]，其效果要優(yōu)于一點校正法，理論上可以完全消除非均勻性，但實際上由于線陣探測器的非線性響應(yīng)，使用兩點校正仍然會引入較大誤差。

2.2 非線性校正

非線性校正方法算法較復(fù)雜，對于一般的檢測系統(tǒng)，不確定檢測器件模型時，就無法確定探測成像單元響應(yīng)曲線的函數(shù)模型，由于多種因素的影響，響應(yīng)曲線往往是不規(guī)則的曲線，很難選擇合適的函數(shù)模型去做擬合，如果模型選擇不當(dāng)可能會使校正結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的偏差[8]。

2.3 多點定標(biāo)分段校正法

線陣探測器對X射線成像造成的非均勻性為非線性，其相應(yīng)的曲線函數(shù)模型也是無法確定的，采用常規(guī)的線性一點校正算法、兩點校正法和非線性校正法，進(jìn)實驗驗證分析，都無法達(dá)到較理想的校正效果。多點定標(biāo)分段校正法本質(zhì)上是將線陣探測器的響應(yīng)去想分成若干段，然后再每一小段上分別使用兩點校正，相對于兩點校正而言，多點定標(biāo)分段校正法的校正圖像與實際圖像更加吻合[9]。分段校正過程就類似于擬合的過程，段分的越多，擬合度就越高，校正精度就越高，多點定標(biāo)分段校正法能夠更好地避免由于兩點校正帶來的線性惡化，同時又可以補(bǔ)償探測成像單元響應(yīng)的非線性問題，對X 射線圖像的非均勻性有很好的校正效果，下一小節(jié)將對多點定標(biāo)分段校正法進(jìn)行驗證分析。

3 多點定標(biāo)分段校正法的驗證與分析

3.1 校正效果

基于多點定標(biāo)分段校正法的校正效果如圖7所示。

圖7 非均勻校正前后對比

經(jīng)過非均勻校正后，原圖中的條紋基本都被消除了，整個張圖像的灰度沒有明顯差異，圖像質(zhì)量得到明顯改善，下面對空打圖像校正前后圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖像行列數(shù)據(jù)折線圖對比如圖8所示。

圖8 校正前后圖像行列數(shù)據(jù)對比

前面通過視覺效果對比，可以明顯看出校正前后圖像均勻度得到了較大的提升；再通過對校正前后行列數(shù)據(jù)的對比，可以看出由探測成像單元響應(yīng)不一致和X 射線源不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)大波動基本被拉平在小范圍內(nèi)波動。

3.2 校正前后圖像非均勻度

非均勻度為圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差與其均值的百分比（又稱差異系數(shù)CV），計算出的非均勻度可表征為圖像灰度不均勻（離散）的程度，非均勻度越小，代表數(shù)據(jù)離散程度越小，圖像越均勻[10-11]。非均勻度CV計算公式如下：

均值和標(biāo)準(zhǔn)差σ的計算公式如下：

式中：m為圖像的數(shù)據(jù)行數(shù)；n為圖像的數(shù)據(jù)行數(shù)；x（i，j）為圖像數(shù)據(jù)的第i行、第j列數(shù)據(jù)值；為所有圖像數(shù)據(jù)的均值。

根據(jù)上述公式計算出校正前后的非均勻度，如表1所示。

根據(jù)上述非均勻度計算公式，計算得校正前后非均勻度分別為13.38%和2.43%，校正后圖像的非均勻度降低了約82%，圖像的非均勻度得到了顯著改善。

4 結(jié)束語

采集的原始X 射線圖像質(zhì)量普遍較低，需要進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理才能獲得分辨率、對比度較高的圖像。本文主要針對線陣探測器對X 射線圖像造成的非均勻性進(jìn)行探究，首先分析了產(chǎn)生圖像非均勻原因，然后利用一點校正法、兩點校正法和非線性校正法進(jìn)行非均勻校正，驗證發(fā)現(xiàn)在線陣探測器線性響應(yīng)范圍內(nèi)兩點校正法有較理想的校正效果，但由于線陣探測器的非線性響應(yīng)，使得兩點校正存在較大的局限性；一點校正法由于線陣探測器的各個成像單元響應(yīng)不一致，會產(chǎn)生較大校正誤差；不能確定線陣探測器的響應(yīng)模型，很難進(jìn)行擬合[12]。最后本文將兩點校正拓展成多點定標(biāo)分段校正，經(jīng)實驗驗證，該算法對X 射線圖像的不均勻性有較理想的校正效果。