基于成像比例一致的通道式安檢設(shè)備形變圖像校正方法

孔維武 董明文

摘要：針對(duì)通道式X射線安檢設(shè)備采集圖像存在的形變問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于成像比例一致原則的形變圖像自動(dòng)校正方法，包括以下步驟：首先，根據(jù)設(shè)備探測(cè)器數(shù)量與通道尺寸，計(jì)算設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離;然后，計(jì)算每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)通道實(shí)際投影距離;接著，根據(jù)探測(cè)器實(shí)際投影距離與標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離間的比例關(guān)系，計(jì)算校正圖像中每個(gè)像素與實(shí)際圖像映射像素組;最后，利用此映射像素組對(duì)應(yīng)像素灰度值，插值計(jì)算出校正圖像對(duì)應(yīng)位置灰度值，完成形變圖像校正過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明，方法有效地改善了圖像形變現(xiàn)象，且對(duì)不同通道尺寸、不同源探關(guān)系設(shè)備形變圖像校正具有通用性。

關(guān)鍵詞：圖像校正;圖像形變;X射線圖像;安全檢查

中圖分類號(hào)：TL816.1;TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0091-03

0 引言

通道式X射線安全檢查設(shè)備中，由于射線源源心到探測(cè)器位置、源心到設(shè)備通道位置、設(shè)備通道到探測(cè)器位置三者間的距離變化較大，使采集到的圖像在通道不同位置縮放程度不一致，導(dǎo)致物體輪廓發(fā)生形變，與實(shí)際物體形狀存在一定視覺(jué)差異[1]。

具體表現(xiàn)為：同樣大小的物體，放置在通道距離射線源近的位置，其在圖像中呈現(xiàn)的尺寸比放置在距離射線源遠(yuǎn)的位置要大，從而使物體圖像產(chǎn)生扭曲形變。這種情況容易對(duì)安檢人員產(chǎn)生誤導(dǎo)，影響判讀結(jié)果。

一直以來(lái)，解決此類問(wèn)題的方法，大多依靠人工交互方式生成CAD（Central Address Distribution）表，通過(guò)查詢此表對(duì)原始采集圖像進(jìn)行變換，改善圖像形變程度。人工方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且圖像校正效果與設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)以及設(shè)備型號(hào)有關(guān)。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于通道成像比例一致原則的通道式安檢設(shè)備形變圖像自動(dòng)校正方法[2]，即一種安檢形變矯正CAD表自動(dòng)生成方法。

1 方法實(shí)現(xiàn)方案

一種基于通道成像比例一致原則的通道式安檢設(shè)備形變圖像自動(dòng)校正方法的主要思想是：首先根據(jù)設(shè)備探測(cè)器數(shù)量與通道尺寸，計(jì)算出設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離;然后根據(jù)探測(cè)板、通道與射線源源心位置，計(jì)算每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)通道實(shí)際投影距離;接著，根據(jù)探測(cè)器實(shí)際投影距離與標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離的比例關(guān)系，計(jì)算出校正圖像中每個(gè)像素與實(shí)際圖像的映射像素（組），進(jìn)而利用此映射像素（組）對(duì)應(yīng)像素灰度值，插值或映射計(jì)算出校正圖像對(duì)應(yīng)位置灰度值。

方法主要步驟包括：

（1）源探通道坐標(biāo)系建立與源探位置計(jì)算;

（2）標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離與每個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)通道實(shí)際投影距離計(jì)算;

（3）探測(cè)器投影比累計(jì)和計(jì)算;

（4）校正圖像與原始圖像映射像素（組）計(jì)算;

（5）插值計(jì)算或直接映射對(duì)圖像進(jìn)行校正。

下面以圖1所示虛擬設(shè)備為例，詳細(xì)說(shuō)明算法各步驟的設(shè)計(jì)流程。

為便于方法描述，設(shè)圖1所示設(shè)備通道尺寸為12個(gè)長(zhǎng)度單位，設(shè)備探測(cè)器個(gè)數(shù)為12個(gè)。

方法具體流程如下：

第一步，源探通道坐標(biāo)系以通道底部中間位置為原點(diǎn)，通道水平方向設(shè)為x軸，豎直方向設(shè)為y軸，通過(guò)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸與源探布局位置可以計(jì)算出射線源及探測(cè)器在虛擬坐標(biāo)系中的位置[1]。

第二步，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離L，L定義為：

圖1所示虛擬設(shè)備中L=1;每個(gè)探測(cè)器在通道中的實(shí)際投影距離可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出，如表1所示。為方便起見(jiàn)，探測(cè)器序號(hào)與圖1中所示探測(cè)器位置相似，均為由右向左遞增。

第三步，首先計(jì)算設(shè)備中每個(gè)探測(cè)器的投影比，探測(cè)器投影比定義為：

探測(cè)器投影比 = 探測(cè)器通道投影距離/標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離L

由于圖1所示虛擬設(shè)備中L=1，探測(cè)器投影比與投影距離值相同;接著，計(jì)算投影比累計(jì)和，如表1中，按照由右自左的順序計(jì)算出各個(gè)探測(cè)器的投影比累積和，如表2所示。

以探測(cè)器位置4、10、12為例，說(shuō)明投影比累計(jì)和的物理意義：探測(cè)器位置4處的投影比累計(jì)和為2.81，其物理意義是，理想矯正圖像中，在第2.81個(gè)像素位置，其灰度值與原始圖像中第4個(gè)像素灰度值相同;探測(cè)器位置10處的投影比累計(jì)和為7.97，其物理意義是，理想矯正圖像中，在第7.97個(gè)像素位置，其灰度值與原始圖像中的第10個(gè)像素灰度值相同;同理，探測(cè)器位置12處的投影比累計(jì)和為12.0，其物理意義是，理想的矯正圖像中，在第12.0個(gè)像素位置，其灰度值與原始圖像中的第12個(gè)像素相同。

第四步，矯正圖像與原始圖像映射計(jì)算，這是方法的核心步驟。

觀察表2，投影比累積和的物理意義就反映了矯正圖像中的各個(gè)像素位置與原始圖像中各個(gè)像素（組）之間的映射關(guān)系。仍然以探測(cè)器位置4、5為例，說(shuō)明投影比累計(jì)和的物理意義：探測(cè)器位置4處值為2.81，其物理意義是，理想矯正圖像中的第2.81個(gè)像素，其與原始圖像中第4個(gè)像素存在完全的映射關(guān)系;探測(cè)器位置5處值為3.48，其物理意義是，理想矯正圖像中的第3.48個(gè)像素，其與原始圖像中第5個(gè)像素存在完全的映射關(guān)系;反過(guò)來(lái)說(shuō)，理想矯正圖像中的第3個(gè)像素，位于理想矯正圖像中第2.81至3.84個(gè)像素之間，也就是位于原始圖像的第4、5個(gè)像素之間，那么，以下兩組數(shù)據(jù)就存在了線性映射關(guān)系：

2.81—3.0—3.84與4—J（3）—5

其中，J（3）表示理想矯正圖像中第3個(gè)像素對(duì)應(yīng)的原始圖像中的位置，

J（3）=（3-2.81）/（3.84-2.81）×（5-4）+4=4.18

也就是說(shuō)，理想矯正圖像中第3個(gè)像素對(duì)應(yīng)的原始圖像中的第4.18個(gè)像素，不難理解，此時(shí)，矯正圖像中第3個(gè)像素可以通過(guò)原始圖像中的第4、5個(gè)像素插值得出，如下式所示：

Ajs（4）=0.18×Ori（4）+（1-0.18）×Ori（5）

按照上述思路，能夠獲得完整的理想矯正圖像與原始圖像之間的相關(guān)像素之間的插值關(guān)系。

第五步，對(duì)原始圖像進(jìn)行矯正計(jì)算，矯正圖像通過(guò)插值的方式計(jì)算出對(duì)應(yīng)像素灰度。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

以FISCAN某款設(shè)備采集圖像為例，給出本文方法的校正結(jié)果。

圖2給出了一塊厚鋼板傾斜放置于傳送帶采集圖像校正前后的結(jié)果。其中，圖2（a）為未校正圖像，可以看出，原本呈規(guī)則矩形的鋼板在圖2（a）中彎曲形變嚴(yán)重，安檢人員很難通過(guò)圖像判斷出被檢物體的原始形狀;圖2（b）為利用本文方法獲得的校正圖像，容易看出，圖像中鋼板彎曲現(xiàn)象得到了有效校正，圖像觀察效果與鋼板實(shí)際視覺(jué)效果吻合良好，由于采用了數(shù)據(jù)插值計(jì)算，在鋼板邊界附近灰度過(guò)渡柔和，沒(méi)有明顯的鋸齒痕跡。

圖3所示圖像，通過(guò)采集表面放置若干相同規(guī)格金屬墊片的矩形有機(jī)玻璃板獲得。圖3（a）為原始圖像，由于圖像存在形變，圖像左側(cè)金屬墊片呈現(xiàn)扁長(zhǎng)橢圓形，右側(cè)金屬墊片呈現(xiàn)瘦長(zhǎng)橢圓形，均與實(shí)際墊片圓形形狀差異較大;圖3（b）為利用本文方法獲得的校正圖像，觀察可見(jiàn)，圖像中的金屬墊片形變現(xiàn)象都得到了有效校正，這是由于，本文方法通過(guò)通道成像比例一致原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，因而在通道底面附近任意位置都能保證比較理想的校正效果。

3 結(jié)論

為改善通道式X射線安檢設(shè)備的圖像形變現(xiàn)象，提高安檢人員判讀圖像的準(zhǔn)確性，本文在形變圖像校正方法方面展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了一種基于通道成像比例一致原則的通道式安檢設(shè)備形變圖像校正方法，將校正過(guò)程分為源探通道坐標(biāo)系建立與源探位置計(jì)算、標(biāo)準(zhǔn)像素投影距離與探測(cè)器對(duì)應(yīng)通道實(shí)際投影距離計(jì)算、探測(cè)器投影比累計(jì)和計(jì)算、校正圖像與原始圖像映射像素（組）計(jì)算、插值計(jì)算或直接映射圖像校正五部分進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)本文方法處理后，通道式安檢設(shè)備圖像形變現(xiàn)象得到有效改善，經(jīng)過(guò)校正后的圖像與實(shí)際視覺(jué)觀察效果吻合良好，為安檢人員判讀圖像及進(jìn)一步圖像分析提供了良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陳俊，楊立瑞，孔維武，等.多視角X射線內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻物品密度探測(cè)新方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016（4）：231-236.