全幀CCD探測器CT掃描數(shù)據(jù)讀出與拖影校正研究

安 康，吳石琳，杜 宇，段曉礁，李汶芳，周日峰，王 玨,*

(1.重慶大學 光電技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室 ICT研究中心，重慶 400044；2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044；3.中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽 621000)

電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)通常具有微米級像元尺寸，以CCD作為探測器圖像傳感器制作的光纖耦合X射線探測器可實現(xiàn)微米級的空間分辨力，在高精度計算機層析成像(computed tomography, CT)掃描中得到廣泛應用。科學級全幀CCD動態(tài)范圍高、綜合性能優(yōu)異，是光纖耦合X射線探測器圖像傳感器的首選器件。由于X射線的強穿透能力，傳統(tǒng)的相機快門無法屏蔽X射線，也無法應用于光纖耦合結構探測器的熒光屏蔽，在X射線輻射成像應用中，光纖耦合全幀CCD探測器通常工作在無快門模式。

全幀CCD具有標準讀出和電荷擦除讀出兩種常規(guī)數(shù)據(jù)讀出模式[1-2]，在無快門模式下進行圖像讀出時會形成不同的圖像拖影。拖影是科學級全幀CCD的特性噪聲[3]，是降低圖像質量、增加圖像處理難度的不良因素[4-6]，拖影的存在嚴重降低了CCD探測器有效數(shù)據(jù)動態(tài)范圍，是X射線輻射成像必須解決的問題。目前，全幀CCD圖像拖影的抑制與校正主要有以下幾種方法。1) 在CCD芯片的成像區(qū)添加機械快門抑制拖影[7-9]。在曝光結束后關閉快門，屏蔽電荷轉移時的新電荷注入，實現(xiàn)無拖影圖像讀出。然而，要實現(xiàn)X射線屏蔽，需使用一定厚度的高原子序數(shù)材料制作特殊的屏蔽快門。Sarkar等在基于幾何放大結構的微焦CT射線源端增加機械快門有效抑制了圖像拖影[10]，但該方法會間接造成微焦CT設備體積的成倍增大。2) 通過提高CCD電荷轉移速率抑制拖影[11]。提高電荷轉移速率可減小數(shù)據(jù)讀出時間與曝光時間之比，從而達到抑制拖影的目的。此類方法無法完全消除拖影，且須從源頭入手改進CCD讀出結構，重新制作CCD芯片，成本高昂。3) 結合電荷轉移原理利用圖像暗像元區(qū)域(optical black region, OBR)校正拖影[12-13]。在不同讀出模式下，暗像元行數(shù)據(jù)包含了與曝光圖像對應的拖影信息，利用暗像元行數(shù)據(jù)可實現(xiàn)拖影校正。但CCD暗像元區(qū)域通常較小，自身數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性存在波動，特別是輻射成像應用中，X射線的輻射干擾會為暗像元區(qū)域的數(shù)據(jù)帶來額外的曝光輻射噪聲從而加劇數(shù)據(jù)波動。

本文研究全幀CCD在常規(guī)讀出模式下讀出圖像中拖影的特點及廣泛應用的暗像元校正法校正圖像拖影的原理。針對暗像元校正法應用于輻射投影圖像拖影校正時可能帶來條形校正偽影問題，提出一種改進的非曝光行校正法以避免條形校正偽影的產(chǎn)生；針對動態(tài)曝光CT掃描應用時常規(guī)讀出模式下的圖像拖影校正難題，提出基于輻射屏蔽的被測樣品感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)快速讀出模式，通過減少冗余數(shù)據(jù)讀出，降低數(shù)據(jù)讀出時間以抑制拖影的產(chǎn)生。

1 科學級全幀CCD數(shù)據(jù)讀出

1.1 電荷轉移與拖影產(chǎn)生原理

科學級全幀CCD的數(shù)據(jù)讀出原理是在曝光結束后將積分電荷從CCD感光區(qū)域逐行移入水平移位寄存器，然后按像元依次讀出，圖1為數(shù)據(jù)讀出原理示意圖[14-15]。

圖1 科學級全幀CCD數(shù)據(jù)讀出原理Fig.1 Data readout principle of scientific full-frame CCD

曝光期間，CCD感光區(qū)所有像元進行光電轉換產(chǎn)生積分電荷。曝光結束后，若CCD共有M行像元，則在有效積分時間t0內(nèi)，其第j行像元的積分電荷為：

D(j)=t0Sj

(1)

其中，Sj為第j行像元的信號積分速率，j=1,2,3,…,M。

由于曝光結束后熒光的持續(xù)輸入，感光區(qū)所有像元仍處于感光狀態(tài)，各行積分電荷轉移通過其他行時會有該行產(chǎn)生的新電荷注入，新注入的電荷稱為拖影電荷。當?shù)趈行像元的積分電荷轉移經(jīng)過第i行像元位置，停留時間為t′，則拖影電荷為：

(2)

其中，Si為第i行像元的信號積分速率，i=1,2,3,…,j-1。

當光輸入量穩(wěn)定不變時，第j行像元的積分電荷轉移經(jīng)第i行像元位置，停留時間t′為電荷行轉移時間t1和等待行讀出時間t2之和，拖影電荷與第i行像元積分電荷的關系為：

D(j)i=(δ1+δ2)D(i)

(3)

其中，δ1=t1/t0，δ2=t2/t0，D(i)為第i行像元的積分電荷。

1.2 標準讀出模式

當科學級全幀CCD工作在標準讀出模式下時，在等待積分及電荷轉移過程中，CCD在驅動控制下持續(xù)交替進行電荷行轉移與水平讀出。在每次曝光前，CCD行像元累積的電荷為：

(4)

曝光完成后，各行像元累積的電荷為：

(5)

讀出電荷后，各行像元累積的電荷為：

(6)

也可表示為：

(7)

為簡化拖影校正，實驗中將曝光時間設置為t0+t1+t2，則式(7)變?yōu)椋?/p>

(8)

其中，D(j)為積分電荷；余項為拖影電荷。

1.3 電荷擦除讀出模式

當科學級全幀CCD工作在電荷擦除讀出模式下時，在等待積分之前可完全取消對CCD的驅動控制，在曝光開始時，快速行轉移以清除殘留電荷。清除殘留電荷后，CCD行像元累積的電荷為：

(9)

曝光完成后，各行像元累積的電荷為：

(10)

讀出電荷后，各行像元累積的電荷為：

(11)

也可表示為：

(12)

為簡化拖影校正，實驗中將曝光時間設置為t0+t1+t2，則式(12)變?yōu)椋?/p>

(13)

2 輻射投影圖像的拖影校正

錐束CT掃描時，射線源和探測器與被測樣品需通過相對旋轉運動完成覆蓋被測樣品180°或360°輻射成像，CT掃描控制與圖像采集方案有兩種：一是靜態(tài)曝光成像，當被測樣品到達既定位置后，相對靜止在當前位置觸發(fā)曝光成像，完成圖像采集后再運動到下一位置；二是動態(tài)曝光成像，當被測樣品到達既定位置后觸發(fā)曝光成像，繼續(xù)相對勻速旋轉，在運動過程中完成圖像曝光與采集。

2.1 靜態(tài)曝光成像的圖像拖影校正

1) 暗像元校正法及其問題

暗像元法是全幀CCD圖像拖影校正方法中最簡單、有效且廣泛應用的方法之一，其原理是利用CCD暗像元區(qū)域不感光，曝光時積分電荷為0，所包含信息均為圖像轉移拖影的特點進行校正。

圖2為應用暗像元校正法對小海螺的輻射投影圖像的拖影校正實驗，圖2a為原始讀出圖像，圖2b為圖2a中的紅色方框區(qū)域放大圖，可明顯觀察到圖像拖影；圖2c為利用暗像元校正法校正拖影后的圖像，圖2d為圖2c中紅色方框區(qū)域放大圖。圖2b、d對比可見：應用暗像元校正法可很好校正圖像拖影，但校正后圖像中出現(xiàn)了新的細條形校正偽影。分析校正偽影產(chǎn)生的原因為：暗像元區(qū)域數(shù)據(jù)行數(shù)較少，列像元求均值后數(shù)據(jù)波動仍舊較大，列像元均值間的數(shù)據(jù)波動會帶來校正偽影；曝光時間內(nèi)X射線的強輻射干擾，會加劇暗像元區(qū)域的數(shù)據(jù)波動。

2) 非曝光行校正法

為解決暗像元圖像拖影校正存在的問題，需從兩點入手：避免曝光時間內(nèi)的輻射干擾；增加校正用的讀出數(shù)據(jù)行數(shù)、提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。應用非曝光行替代暗像元校正圖像拖影可很好解決以上兩個問題，非曝光行是在CCD曝光時并不存在的虛擬行，與暗像元一樣具有無曝光積分電荷的特性，可在CCD有效曝光時的一幀數(shù)據(jù)完整讀出前后額外讀出獲得。由于非曝光行在曝光積分時并不存在，很好地解決了輻射干擾問題；同時，非曝光行可按需求自定義讀出行數(shù)，讀出行數(shù)越多，列像元求均值后的數(shù)據(jù)波動越小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性越好。

a——拖影校正前；b——圖a的局部放大圖；c——拖影校正后；d——圖c的局部放大圖圖2 基于暗像元行數(shù)據(jù)的圖像拖影校正Fig.2 Smear correction based on line pixels data of optical black region

對標準讀出模式而言，非曝光行數(shù)據(jù)包含行轉移拖影和等待讀出拖影，可直接在曝光積分幀數(shù)據(jù)讀出前后按行讀出獲得；對電荷擦除讀出模式而言，校正用非曝光行數(shù)據(jù)僅包含行轉移拖影，應在快速行轉移清空電荷后按行讀出獲得，在讀出數(shù)據(jù)的過程中，若部分非曝光行仍處于曝光區(qū)內(nèi)，則讀出過程中會疊加等待讀出拖影而無法用于校正。

為解決電荷擦除讀出模式下非曝光行疊加等待讀出拖影的問題，本文將輻射屏蔽塊放置于CCD電荷讀出端，如圖3所示，輻射屏蔽塊放置在CCD讀出端，形成1個輻射屏蔽區(qū)，覆蓋了CCD曝光區(qū)的部分行像元，輻射屏蔽的曝光區(qū)數(shù)據(jù)行數(shù)應大于準備應用于圖像拖影校正的非曝光行數(shù)，以保證數(shù)據(jù)讀出時，校正用非曝光行全部處于輻射屏蔽區(qū)內(nèi)不會疊加等待讀出電荷。

圖3 基于輻射屏蔽的非曝光行獲取 Fig.3 Non-exposed line pixels data acquisition based on radiation shield

2.2 動態(tài)曝光成像的圖像拖影校正

1) 動態(tài)曝光成像CT掃描的拖影校正

在靜態(tài)曝光成像的圖像拖影校正中采用上述校正方法能取得較好的拖影校正效果。然而，由于動態(tài)曝光成像CT掃描讀出圖像時的被測樣品位置變動，讀出圖像的拖影電荷與曝光電荷的關聯(lián)性發(fā)生變化，采用前述圖像拖影校正方法難以實現(xiàn)圖像拖影校正。圖4為采用非曝光行校正法對靜態(tài)曝光投影圖像與動態(tài)曝光投影圖像進行拖影校正的效果對比。

圖4a為靜態(tài)曝光成像原圖，圖4e為采用非曝光行校正法校正圖4a后的圖像，圖4c、g分別為圖4a、e中對應于R1區(qū)域的放大圖像；圖4b為動態(tài)曝光成像原圖，圖4f為采用非曝光行校正法校正圖4b后的圖像，圖4d、h分別為圖4b、f中對應于R1區(qū)域的放大圖像。圖4c、g對比可見：在靜態(tài)曝光成像時采用非曝光行校正法能很好實現(xiàn)去除投影圖像拖影；圖4d、h對比可見：在動態(tài)曝光成像時采用非曝光行校正法校正后的投影圖像拖影變得更復雜。

2) 基于輻射屏蔽的ROI快速讀出模式

CT掃描時，被檢測樣品通常僅有小部分關鍵區(qū)域有檢測需求[16-19]，可僅讀出投影圖像中該關鍵區(qū)域對應的投影數(shù)據(jù)用于重建?；诖?，本文提出基于輻射屏蔽的CCD電荷ROI快速讀出模式，縮短了ROI積分電荷的轉移時間、抑制圖像拖影以適用于動態(tài)曝光CT掃描成像。如圖5所示，通過屏蔽塊遮擋一半的CCD感光區(qū)域形成X射線屏蔽區(qū)，利用剩余區(qū)域采集曝光，曝光結束后，感光區(qū)域電荷快速行轉移到X射線屏蔽區(qū)域后讀出。數(shù)據(jù)讀出過程在輻射屏蔽區(qū)內(nèi)進行，無新電荷注入，則ROI區(qū)域內(nèi)第j行讀出電荷為：

a——靜態(tài)曝光成像原圖；b——動態(tài)曝光成像原圖；c——圖a中R1區(qū)域放大圖；d——圖b中R1區(qū)域放大圖；e——拖影校正后的靜態(tài)曝光圖像；f——拖影校正后的動態(tài)曝光圖像；g——圖e中R1區(qū)域放大圖；h——圖f中R1區(qū)域放大圖圖4 基于非曝光行數(shù)據(jù)的圖像拖影校正Fig.4 Smear correction based on non-exposed line pixels data

(14)

其中：j=m+1,m+2,…,m+n；m+1為ROI的讀出起始行；n為ROI行數(shù)?；谳椛淦帘蔚腞OI快速讀出模式下得到的ROI數(shù)據(jù)僅包含行轉移拖影，采用讀出各行數(shù)據(jù)直接減去非曝光行數(shù)據(jù)實現(xiàn)拖影校正。

圖5 ROI快速讀出模式原理Fig.5 Principle of ROI fast readout mode

3 實驗測試與結果分析

為驗證本文提出的圖像拖影校正方法的效果，應用自制CCD探測器與濱松閉管微焦點射線源L10321搭建測試平臺進行成像實驗。探測器以安森美公司科學級全幀CCD KAF-16803作為圖像傳感器，采用光纖面板耦合方式制作，探測器像元尺寸為9 μm，有效成像區(qū)域36 mm×36 mm，電荷轉移速率10 MHz，通過5 mm厚鋼板形成屏蔽區(qū)域。

3.1 DR成像實驗

1) 靜態(tài)曝光DR成像實驗

為驗證非曝光校正法應用于靜態(tài)曝光成像的圖像拖影校正的效果，在X射線測試成像系統(tǒng)上進行了靜態(tài)曝光DR成像實驗。射線源管電壓為100 kV，探測器積分時間為2 s時，采用標準讀出模式獲得的螺栓DR圖像如圖6a所示；射線源管電壓為80 kV，探測器積分時間為2 s時，采用電荷擦除讀出模式獲得雙絲像質計的DR圖像如圖6b所示；圖6c、d為應用暗像元校正拖影后的圖像；圖6e、f為應用非曝光行(讀取100行)校正拖影后的圖像。從圖6c～f可看出：兩種校正方法均能有效去除圖像拖影。圖6g、h分別為圖6c、e中對應于R1區(qū)域的放大后灰度拉伸圖像，圖6i、j分別為圖6d、f中對應于R2區(qū)域的放大后灰度拉伸圖。圖6g、h對比可見：利用暗像元校正后的圖像出現(xiàn)了細條形偽影；圖6i、j對比可見：利用非曝光行校正后的圖像避免了細條形偽影的產(chǎn)生，很好解決了校正偽影問題。

圖6 暗像元校正與非曝光行校正對比Fig.6 Comparison of smear correction by line pixels data of optical black region and non-exposure line pixels data

圖7a為對圖6a、c、e中紅色標線1的對應位置繪制的灰度曲線, 圖7b為對圖6a、c、e中紅色標線2的對應位置繪制的灰度曲線，圖7c為對圖6b、d、f中紅色標線3的對應位置繪制的灰度曲線，圖7d為對圖6b、d、f中紅色標線4的對應位置繪制的灰度曲線。從圖7可看出，去除圖像拖影后，圖像的灰度值大幅下降，圖像拖影占用了探測器的較大動態(tài)范圍。

圖7 校正前后灰度曲線對比Fig.7 Comparison of gray curve before and after correction

表1進一步量化對比了圖像拖影校正前后R1、R2的灰度、有效探測信號占比及信噪比SNR。由表1可見：采用常規(guī)的讀出模式獲得的圖像數(shù)據(jù)中，有效信號占比不足60%，拖影的存在使讀出數(shù)據(jù)損失了較大的動態(tài)范圍[20]；采用暗像元校正法校正圖像前后，R1、R2區(qū)域的信噪比分別提升7.5 dB和10.4 dB，采用非曝光行校正法校正圖像前后的R1、R2區(qū)域的信噪比分別提升7.8 dB和10.9 dB，進一步證明非曝光行校正法的校正效果優(yōu)于暗像元校正法。實驗結果表明，采用非曝光行校正法可有效校正靜態(tài)曝光投影圖像拖影，提高投影圖像質量。

表1 校正前后R1/R2區(qū)域灰度值與信噪比Table 1 Gray value and SNR of R1/R2 region before and after correction

2) 動態(tài)曝光DR成像實驗

為驗證ROI快速讀出模式對動態(tài)曝光成像的適用性，在X射線測試成像系統(tǒng)上進行了動態(tài)曝光DR成像實驗。

圖8為射線源管電壓為70 kV，探測器積分時間為2 s，轉臺以每圈180 s的較高速度旋轉時，對BGA芯片焊接電路的DR測試圖像。采用標準讀出模式讀出的圖像中選擇1 000行感興趣區(qū)域圖像，與采用ROI快速讀出模式讀出該區(qū)域獲得的圖像進行對比。圖8a為采用標準讀出模式獲得的圖像，圖8b為圖8a校正拖影后的圖像，圖8c為采用ROI快速讀出模式獲得的圖像，圖8d為圖8c校正拖影后的圖像，圖8e～h為對圖8a～d中R1區(qū)域的放大圖像。從圖8e～f可見：采用標準讀出模式獲得的DR圖像校正前后BGA焊盤與PCB過孔難于分辨。從圖8g～h可見：采用ROI快速讀出模式獲得的DR圖像校正前后BGA焊盤與PCB過孔均清晰可見。

由表2進一步量化對比兩種讀出模式的差異。由表2可見：標準讀出模式的曝光數(shù)據(jù)中拖影占用了近50%的動態(tài)范圍；而ROI快速讀出模式中，通過積分電荷的快速轉移直接有效抑制了拖影的產(chǎn)生，有效數(shù)據(jù)占比達讀出數(shù)據(jù)的98.3%，校正前后拖影對圖像的顯示影響均較小。

實驗結果證明：ROI快速讀出模式應用于動態(tài)曝光成像，可有效抑制投影圖像拖影，提高投影圖像有效信號動態(tài)范圍。

3.2 動態(tài)曝光CT掃描實驗

a——牙簽；b——掃描位置ROI1；c——ROI1重建三維圖像圖9 牙簽的動態(tài)曝光CT掃描實驗Fig.9 Dynamic exposure CT scanning experiment of toothpicks

為驗證ROI快速讀出模式應用于CT掃描的效果，在X射線成像系統(tǒng)上進行了動態(tài)曝光CT掃描實驗，采用標準讀出模式與ROI快速讀出模式進行對比。如圖9a所示，將4根牙簽用透明膠綁在一起，對圖9b中紅色方框區(qū)域(1 000行)進行CT掃描，重建三維圖像如圖9c所示。射線源管電壓為100 kV，探測器積分時間為2 s，放大倍數(shù)設置為7倍(SDD=210 mm，SOD=30 mm)。

CT掃描斷層圖像如圖10所示，圖10a、b為采用標準讀出模式采集圖像，經(jīng)圖像拖影校正前后的重建CT圖像，圖10e、f為圖10a、b中對應于R1區(qū)域的放大圖；圖10c、d為采用ROI快速讀出模式采集圖像，經(jīng)圖像拖影校正前后的重建CT圖像，圖10g、h為圖10c、d中對應于R1區(qū)域的放大圖。從圖10e、f可見：標準讀出模式獲取的投影圖像拖影校正前后的重建CT圖像R1區(qū)域均比較模糊。從圖10g、h可見：采用ROI快速讀出模式獲取的投影圖像拖影校正前后的重建CT圖像R1區(qū)域均更加清晰，紅色箭頭所指示微米級小孔清晰可見。

實驗證明，ROI快速讀出模式應用于動態(tài)曝光CT掃描可有效提升CT圖像質量，解決了CCD探測器應用于動態(tài)曝光CT掃描的拖影校正難題。

4 結論

本文對光纖耦合全幀CCD探測器應用于CT掃描的投影圖像拖影校正進行了研究，分析了全幀CCD的數(shù)據(jù)讀出原理及常規(guī)讀出模式的圖像拖影組成。針對暗像元校正法應用于輻射投影圖像拖影校正時可能帶來條形偽影的問題，提出了改進的非曝光行校正法，實驗結果證明該方法應用于靜態(tài)曝光X射線成像，有效避免了校正偽影的產(chǎn)生，提高了校正后圖像信噪比。針對動態(tài)曝光CT掃描應用時的圖像拖影校正難題，提出了基于輻射屏蔽的ROI快速讀出模式，實驗結果證明應用該模式讀取投影圖像可有效抑制拖影的產(chǎn)生，提升探測器像元有效數(shù)據(jù)動態(tài)范圍，提高重建CT圖像質量。

圖10 牙簽斷層CT圖像Fig.10 CT image of toothpicks