基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法

本发明涉及计算机图像处理，尤其涉及一种基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法。

背景技术：

1、计算机断层扫描使用x射线穿透物体并利用射线衰减的信息来实现物体内部结构的高分辨率三维成像。它是现阶段最优越的无损检测技术，广泛应用于文物检测、生命科学和其他工业应用。在x射线成像任务中，光子计数探测器能够有效提高信噪比和图像分辨率。多数光子计数探测器通过模块拼接的方式实现大视野域成像。然而，这种方式导致探测器模块之间存在拼缝。这些拼缝表现在投影图像上为固定位置局部信息缺损，导致三维重建体数据区域信息丢失，严重影响成像效果。因此，填充拼缝区域信息具有重要意义。

2、目前，研究人员最近提出并开发了许多方法用于填充投影图像缺失区域。这些方法可以分为两大类。第一类以迭代方式对图像进行填充。2002年，karp等人提出使用约束傅里叶空间方法(cfs)来补偿高分辨率研究断层成像仪(hrrt)探测器模块“楔形”拼缝导致的投影数据丢失。然而，这种方法本质上是将间隙区域外侧投影数据置0，以迭代的方式设计掩膜以估计间隙区域信息。这种方法获取间隙信息在傅立叶空间中不是完全可分离的，因此会对图像全局信息产生一定的影响；2010年，tuna等人提出利用迭代方式在离散余弦变换(dct)域对拼缝区域进行填充，dct域的间隙信息更易于恢复，有效抑制全局信息的损失；2018年，kim等人提出在掩膜生成和间隙填充任务上迭代工作，以识别dct域中要保留的对象专用低频区域，从而使得拼缝信息接近dct域原始图像的属性。此类方法能够自适应得调整迭代过程对结果进行优化。然而此类算法收敛速度慢，迭代得到的信息难以满足现阶段高精密分辨率探测器的要求。

3、第二类依赖各类插值方式实现像素填充。2003年，de jong等人提出双线性插值方式填充模块之间高达17毫米的大面积拼缝，并利用前一张投影图像进行拟合和恢复。然而，这种方法效果较差，难以获取较为合适的结果。2013年，peltonen等人提出一种新的插值方法，通过图像降采样的方式以双线性插值方式填充拼缝，而后通过上采样方式获取无缝图像。但这种方法会导致图像分辨率下降，严重影响图像质量。2017年，brun等人利用像素梯度关系填充3像素探测器拼缝任务并取得较好的效果，但是这种方法难以应用于大尺寸的区域缺失任务。2022年，panda等人提出使用三次样条插值方法填补图像区域空白，在两两数据点之间采用不超过三次的多项式函数使其连接。然而，这种方法与上述插值方法类似，区域边缘信息被难以用于大尺寸拼缝区域的信息缺失。

技术实现思路

1、为了解决探测器模块之间存在拼缝而导致投影图像的局部区域信息缺失，严重影响图像成像效果的问题，本发明提供一种基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法。

2、本发明提供的基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法，包括：

3、步骤1：将目标样品固定在载物台上，采用光子探测器采集目标样品的主投影图像；

4、步骤2：射线源和光子探测器的位置保持不变，竖直移动载物台至设定位置后，采用光子探测器重新采集目标样品的参考投影图像；

5、步骤3：根据目标样品的主投影图像和参考投影图像，利用图像配准确定目标样品的几何位置偏移；

6、步骤4：利用目标样品的几何位置偏移，分别在主投影图像和参考投影图像中定位感兴趣区域，根据定位到的感兴趣区域以及主投影图像和参考投影图像的重合区域，通过图像拼接和融合方式构建得到目标样品的完整无拼缝投影图像。

7、进一步地，步骤3具体包括：

8、步骤3.1：将相同角度下的主投影图像和参考投影图像构成一个投影图像对，从而得到多个角度下的投影图像对；

9、步骤3.2：针对每个投影图像对，将对应的两个投影图像置于同一坐标系下，采用尺度不变特征转换算法生成两个投影图像中关键特征点的特征描述符；

10、步骤3.3：针对每个投影图像对，计算两个投影图像中特征描述符之间的相似度以完成特征点匹配；

11、步骤3.4：针对每个投影图像对，采用随机抽样一致算法对匹配的特征点对进行筛选，将筛选后的特征点对之间的几何距离均值作为目标样品的几何位置偏移。

12、进一步地，步骤4具体包括：

13、步骤4.1：利用目标样品的几何位置偏移构建空白矩阵(a-dx,b-dy)；其中，dx和dy分别表示投影图像在水平方向和垂直方向的偏移距离；a*b表示光子探测器采集的投影图像的尺寸大小；

14、步骤4.2：将空白矩阵分为重合区域和拼缝区域两个区域；

15、步骤4.3：根据目标样品的几何位置偏移(dx,dy)选择主投影图像与参考投影图像相互重叠区域的像素信息，计算两部分像素信息的灰度均值，将计算得到的灰度均值填充至空白矩阵的重合区域；

16、步骤4.4：根据目标样品的几何位置偏移(dx,dy)选择主投影图像和参考投影图像中的感兴趣区域，将两组感兴趣区域分别直接填充至空白矩阵的拼缝区域。

17、进一步地，还包括：

18、采用给定的加权函数对位于重合区域和拼缝区域之间的边界区域进行图像融合操作，具体包括：

19、按照公式(1)计算加权系数w：

20、

21、采用公式(2)对边界区域进行加权融合：

22、f(m,n)＝wa(m,n)+(1-w)b(m,n)(2)

23、其中，m,n分别表示加权像素点的行号和列号，a(m,n)和b(m,n)分别表示主投影图像和参考投影图像的重合区域，f(m,n)表示加权融合后的区域，λ表示拼缝的宽度。

24、本发明的有益效果：

25、1、本发明方法基于配准主投影和参考投影特征间的关系，利用图像配准定位感兴趣区域，并利用图像填充算法将感兴趣区域填充至空白矩阵，实现投影图像拼缝区域填充。与现有的其他方法相比，本发明方法在未造成额外时间损耗的情况下，能够更好地对拼缝图像进行填充，较好地保留了图像的拼缝区域的细节信息。

26、2、为了实现图像拼接区域边界的平滑过渡，本发明进一步提出了一种加权函数，利用该加权函数构建基于像素所在区域的像素加权系数，从而对边界区域的像素进行像素加权融合，能够有效提升图像质量。

27、3、在本发明方法处理后的图像上能够更适用于大尺寸图像拼缝信息缺失，同时该方法能够推广应用于多类型光子计数探测器采集投影图像，因此本发明方法具有良好可拓展性。

技术特征：

1.基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法，其特征在于，步骤3具体包括：

3.根据权利要求1所述的基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法，其特征在于，步骤4具体包括：

4.根据权利要求3所述的基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法，其特征在于，还包括：

技术总结
本发明提供一种基于图像配准的光子探测器采集投影图像模块拼缝填充方法。该方法包括：步骤1：将目标样品固定在载物台上，采用光子探测器采集目标样品的主投影图像；步骤2：射线源和光子探测器的位置保持不变，竖直移动载物台至设定位置后，采用光子探测器重新采集目标样品的参考投影图像；步骤3：根据目标样品的主投影图像和参考投影图像，利用图像配准确定目标样品的几何位置偏移；步骤4：分别在主投影图像和参考投影图像中定位感兴趣区域，根据定位到的感兴趣区域以及主投影图像和参考投影图像的重合区域，通过图像拼接方式构建得到目标样品的完整无拼缝投影图像。

技术研发人员：席晓琦,陈卓,韩玉,李磊,闫镔,符慧娟,刘昶,谭思宇
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31