基于自适应准则的闪光照相图像重建
高能闪光照相是一项利用X射线的强穿透能力以及它与物质相互作用的性质,根据成像平面上X射线能量分布确定被照相物体(又称客体)的几何性质和物理性质,从而达到对客体及其内部结构进行定量测量与诊断目的的测试技术。利用高能闪光照相获得客体的几何界面位置以及空间密度分布对研究客体在爆轰过程中的行为具有重要意义。为了实现这个目的,美国、法国、俄罗斯等建立了一系列的闪光X光照相实验平台,获得了高质量的闪光照相图像及10%左右误差的密度测量结果。为了获得更高精度的闪光照相密度测量数据,美国正斥巨资建立质子闪光照相系统以获得误差小于1%的闪光照相密度测量数据[1]。和一般的低能X光照相一样,高能X光照相属于投影成像技术,因此图像重建技术是高能闪光照相图像处理技术中的重要研究内容。图像重建中常用的滤波反投影方法(FBP)与代数法(ART)两类方法在高能闪光照相中得到了广泛的应用。特别是ART方法,由于其对噪声具有较强的抑制能力以及可以方便地加入各种先验知识作为约束条件,成为高能闪光照相图像重建技术的首选方法。由于在边缘保持能力方面具有一定的优势,基于偏微分方程(PDE)和约束共轭梯度(CCG)的重建方法受到很多学者的关注[2-5]。
本文介绍一种基于自适应准则的高能闪光照相图像重建方法。针对高能闪光照相图像噪声大、模糊严重以及要求定量测量等特点,在ART重建中考虑图像边界信息作为先验知识以获得对重建结果的边界保持能力。
1 闪光照相图像重建模型
闪光照相成像系统如图1所示,该过程可以简单描述为:由光源发出的X光穿透照相客体后到达图像探测平面,由图像接收器件记录X光的空间强度分布,形成照相图像。为了便于理解闪光照相中的图像重建应用,若仅考虑无散射、平行单能、无模糊等理想条件下的闪光照相成像过程,有
式中:I(x,y)为X光的透射强度;I0为入射X光强度;μ(x,y,z)为照相客体质量吸收系数的空间分布;ρ(x,y,z)为照相客体的空间密度分布;z为X光传播方向。式(1)稍加改写,有
(2)
式中:p(x,y)=ln[I0/I(x,y)]。式(2)即为闪光照相图像的投影成像公式,用矩阵表述为
针对本文讨论的高能闪光照相系统,主要应用于诊断爆轰过程中的材料的压缩行为。其照相客体一般为不同材料制成的多层球壳结构,且在照相时刻客体处于爆轰压缩过程中。因此照相客体具有一定的特殊性,通常高能闪光照相使用的照相客体具有以下主要特征[6]:照相客体具有旋转对称结构;照相客体内部具有一个或数个不联通的孔洞;在照相客体的旋转对称轴线上有一个小洞;在顶部的大洞内部具有一些小的细节。这些特点可以利用图2所示的模拟客体来描述。
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