[發(fā)明專利]一種基于壓縮傳感的閃光照相客體三維重構(gòu)方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310075016.4
• 申請日: 2013-03-08
• 公開（公告）號: CN103208134A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳宏春;程玉雄;曹良志;鄭友琦
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G06T15/06
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于三維重構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種三維重構(gòu)方法，尤其是一種基于壓縮傳感的閃光照相客體三維重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

高能閃光利用高能射線穿透客體成像。在高能閃光照相系統(tǒng)中，電子在直線感應(yīng)加速器加速后，撞擊靶件，產(chǎn)生高能（MeV）光子，利用高能光子照射客體，高能光子在客體中進(jìn)行輸運(yùn)過程，并與之發(fā)生相互作用，如康普頓散射，電子對效應(yīng)和光電效應(yīng)等，最后穿透客體，并在底片成像。散射照射量通過一定的設(shè)備扣除，通過研究透射粒子在底片的成像信息來反推客體的物理性質(zhì)和幾何性質(zhì)。故能否從底片透射照射量信息建立合適的重建模型對精確反演客體的物理參數(shù)和幾何參數(shù)影響很大。基于此，對高能閃光照相系統(tǒng)重建模型進(jìn)行研究，并對模型的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，對于提高重構(gòu)客體質(zhì)量、獲得精確的線性吸收系數(shù)的空間分布和客體的幾何結(jié)構(gòu)分布具有重要意義。

目前國內(nèi)外開展了一些閃光照相客體重建研究，其中包括解析重建和迭代重建。解析重建包括的方法有濾波放投影等技術(shù)，它先對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再把濾波后的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行反投影計(jì)算。這類算法具有分辨率高的特點(diǎn)，但是它對數(shù)據(jù)完備性具有嚴(yán)格要求，這就意味著需要進(jìn)行較長時(shí)間和全角度范圍的檢測，以獲取足夠的探測信息，這帶來了昂貴的檢測成本。迭代重建算法有明確的幾何意義和物理意義，而且重建算法簡單，但是迭代重建算法計(jì)算量大，計(jì)算速度相對較慢，并且其對初值的選擇也比較敏感，較差的初值選取嚴(yán)重影響重建結(jié)果。在迭代算法中，最為熟悉的是代數(shù)重構(gòu)算法。

基于正則化的重建是近年以來研究的熱點(diǎn)，主要針對充分獲得探測信息的基礎(chǔ)上，這類算法主要有Tikhonov正則化算法，截?cái)嗥娈愔嫡齽t化算法，和全變分正則化算法。Tikhonov正則化提出較早，在圖像處理和信號處理領(lǐng)域運(yùn)用較多。在閃光照相系統(tǒng)一維檢測中，采用錐形束投影，一次采集可以獲取數(shù)目較大的采集量。Tikhonov在最小二乘的基礎(chǔ)上加上了帶有正則化參數(shù)的懲罰正則化項(xiàng)，雖然可以抑制噪聲，但是懲罰項(xiàng)是基于二范數(shù)的，它嚴(yán)重平滑了重建客體的邊界信息，給邊緣帶來模糊。截?cái)嗥娈愔嫡齽t化直接對原系統(tǒng)方程進(jìn)行改造，將原方程進(jìn)行奇異值分解，數(shù)值較小的系統(tǒng)奇異值在一定的數(shù)學(xué)準(zhǔn)則下被截?cái)啵ＷC截?cái)嗪蟮南到y(tǒng)與原系統(tǒng)在二范數(shù)范疇下是等價(jià)的。這樣系統(tǒng)可以有效的抑制測量誤差對重構(gòu)結(jié)果帶來的誤差放大。全變分正則化是在最小二乘的基礎(chǔ)上添加了懲罰項(xiàng)，并用正則參數(shù)調(diào)和二者的比例關(guān)系，用以保證重構(gòu)結(jié)果的合理性和穩(wěn)定性。懲罰項(xiàng)是基于L1范數(shù)的，數(shù)學(xué)上允許客體線吸收系數(shù)的不連續(xù)。利用全變分正則化項(xiàng)具有較好的處理不連續(xù)線吸收系數(shù)的性質(zhì)，對閃光照相客體內(nèi)部相鄰兩種材料的分界做出明顯界定。正則參數(shù)由一定的數(shù)學(xué)優(yōu)化準(zhǔn)則確定，比如說廣義交叉驗(yàn)證原理，Ｌ曲線方法等。閃光照相中，采用單軸照相，只能獲得單一角度的成像底片。對于三維客體重構(gòu)，信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重構(gòu)三維客體所需要的信息，傳統(tǒng)的Tikhonov正則化方法，截?cái)嗥娈愔捣椒ê腿兎终齽t化方法失效。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于壓縮傳感的閃光照相客體三維重構(gòu)方法，該方法利用少量信息基于壓縮傳感的三維閃光照相客體重構(gòu)技術(shù)，具有較強(qiáng)的幾何適應(yīng)性，能夠完成任意三維幾何的線性吸收系數(shù)重構(gòu)，而且具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠?qū)θS閃光照相客體自適應(yīng)選擇展開基，以獲得較高的重建精度。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的：

這種基于壓縮傳感閃光照相客體三維重構(gòu)方法，包括以下步驟：

1）利用AutoCAD獲取客體的投影矩陣；

3）通過正向光子輸運(yùn)計(jì)算獲取閃光照相成像底片信息；

3）通過壓縮傳感的方法獲得閃光照相客體線性吸收系數(shù)的空間分布和幾何參數(shù)。

進(jìn)一步，以上步驟1）中，采用軟件AutoCAD的二次開發(fā)語言VBA宏運(yùn)用程序，實(shí)現(xiàn)對射線信息的追蹤處理，獲取射線在實(shí)體的交點(diǎn)并計(jì)算相應(yīng)的攝像長度信息及區(qū)域材料信息。

進(jìn)一步，以上步驟2）具體為：

（1）從成像底片上選取獲得各個(gè)像素點(diǎn)的中心坐標(biāo)；

（2）光子輸運(yùn)正向模型計(jì)算得到成像底片像素點(diǎn)透射照射量信息；

（3）從閃光成像底片透射照射量，利用壓縮傳感方法得到閃光照相三維客體吸收系數(shù)空間分布。

進(jìn)一步，以上步驟（3）中，自適應(yīng)尋求閃光照相客體線吸收系數(shù)空間展開基形式，進(jìn)行壓縮；采用基于L0范數(shù)的優(yōu)化算法正交匹配追蹤算法，尋求稀疏線性吸收系數(shù)的非零元素的數(shù)值大小和位置，并通過反變換得到三維閃光照相客體的線性吸收系數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：