[發(fā)明專利]一種基于點擴散函數(shù)漸近序列的層析成像系統(tǒng)評價方法

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• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114913139A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹章;溫晉婷;徐立軍;李泓瑤
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G06T11/00
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本發(fā)明提出一種基于點擴散函數(shù)漸近序列的層析成像系統(tǒng)評價方法，包括基本參數(shù)設(shè)置、輸入圖像重建、重建結(jié)果擬合和評價指標(biāo)計算四個主要步驟。本方法采用二維高斯函數(shù)序列作為層析成像系統(tǒng)的輸入，實現(xiàn)對單位沖激輸入的逼近，并將系統(tǒng)輸出的重建圖像序列作為點擴散函數(shù)的漸近序列，估計點擴散函數(shù)的最大半高全寬和中心點偏移距離。本方法通過估計點擴散函數(shù)與單位沖激函數(shù)在形狀和位置上的偏離程度實現(xiàn)層析成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的定量評價，能夠定量比較具有不同投影數(shù)目的光束布局，并能對成像質(zhì)量進行逐點分析。本發(fā)明為層析成像系統(tǒng)提供了一種可靠的成像質(zhì)量評價手段，有助于實現(xiàn)層析成像傳感器的光束布局優(yōu)化設(shè)計，具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出一種基于點擴散函數(shù)漸近序列的層析成像系統(tǒng)評價方法，屬于層析成像技術(shù)領(lǐng)域。該方法通過估計點擴散函數(shù)與單位沖激函數(shù)在形狀和位置上的偏離程度，評價以激光吸收光譜層析成像系統(tǒng)為代表的層析成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

背景技術(shù)

激光吸收光譜技術(shù)是一種非接觸式燃燒診斷技術(shù)，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、可靠性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于燃燒場溫度、組分濃度和壓強等參數(shù)的監(jiān)測中。將激光吸收光譜技術(shù)與層析成像技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)對燃燒流場溫度和濃度二維分布的重建。然而，工業(yè)現(xiàn)場測試環(huán)境中可供安裝激光器和探測器的位置有限，導(dǎo)致激光吸收光譜層析成像系統(tǒng)可獲得的投影數(shù)據(jù)少，重建結(jié)果誤差大。類似的問題同樣存在于X射線層析成像等其他層析成像技術(shù)中。在投影數(shù)目有限的前提下，通過優(yōu)化光束布局實現(xiàn)合理的光線排布，成為提高層析成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的關(guān)鍵。研究人員采用不同的評價方法，比較具有不同光束布局的層析成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，這些評價方法主要可分為三種：直接計算重建圖像的誤差、間接評估重建圖像的誤差和比較靈敏度矩陣的質(zhì)量。前兩種評價方法通過比較重建圖像與參考圖像之間的差異來評價成像質(zhì)量，第三種評價方法則通過靈敏度矩陣所反映的待求解方程組的數(shù)學(xué)性質(zhì)來評價成像質(zhì)量。

直接計算重建圖像誤差的評價方法需要針對具體的應(yīng)用場合，選擇有代表性的被測分布作為參考分布，并利用圖像重建算法獲得參考分布的重建結(jié)果，通過計算重建結(jié)果的誤差，評價層析成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，所采用的評價指標(biāo)主要包括平均相對誤差、歸一化平均絕對距離和結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)等。2016年Xia等發(fā)表在《中國物理B》(Chinese PhysicsB)第25卷第6期第064205頁的論文《可調(diào)諧二極管激光吸收光譜氣體溫度和濃度精確成像的代數(shù)重建技術(shù)分析》(Analysis of algebraic reconstruction technique foraccurate imaging of gas temperature and concentration based on tunable diodelaser absorption spectroscopy)中，利用高斯分布模擬典型工況下的平焰燃燒爐火焰溫度和濃度場，通過比較最大相對誤差和平均相對誤差，探討了平行光束布局的投影角度數(shù)對激光吸收光譜層析成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響。該工作使用了單一的高斯分布作為原始分布，其結(jié)論僅適用于以典型層流火焰燃燒場為被測對象的光束布局優(yōu)化場景。2015年Xia等發(fā)表在《紅外物理與技術(shù)》(Infrared Physics and Technology)第72卷第170-178頁的論文《基于可調(diào)諧二極管激光吸收層析成像技術(shù)的燃燒場二維水蒸氣濃度和溫度分布的數(shù)值研究》(Numerical study of two-dimensional water vapor concentration andtemperature distribution of combustion zones using tunable diode laserabsorption tomography)中，針對高斯形式的溫度和濃度二維分布重建結(jié)果，利用歸一化均方距離、歸一化平均絕對距離和歸一化相對誤差三個重建圖像質(zhì)量評價指標(biāo)，討論了投影角度數(shù)和每角度投影數(shù)對平行光束布局圖像重建效果的影響。該工作還使用了拋物面分布對部分結(jié)果進行驗證，但拋物面分布與高斯分布較為接近，都具有中間高、周圍低和中心對稱的特點，因而其結(jié)論同樣不適用于更為復(fù)雜的分布。2015年Hong等發(fā)表在《光學(xué)》(Optik)第126卷第2期第292-296頁的論文《基于ASA和SQP算法的二維溫度和濃度重建的最佳光束布局設(shè)計》(Optimal beam arrangement design for two-dimensionaltemperature and concentration reconstruction using ASA and SQP algorithms)中，將兩個高斯峰疊加在一個拋物面上，按照高斯峰的相對位置關(guān)系形成了五種有代表性的溫度分布，并將五種分布的歸一化平均絕對距離的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為評價指標(biāo)，采用自適應(yīng)模擬退火算法和順序二次規(guī)劃算法相結(jié)合的方式實現(xiàn)了不規(guī)則光束布局的優(yōu)化。相比于單一的高斯分布，綜合考慮五種雙高斯峰與拋物面相疊加的分布，能夠在一定程度上使光束布局的優(yōu)化結(jié)果更具有代表性，但該工作對于環(huán)形分布和湍流分布等其他典型的燃燒場溫度濃度分布形式仍缺乏考慮。2021年Bauer等發(fā)表在《英國皇家學(xué)會會刊A-數(shù)學(xué)物理與工程科學(xué)》(Proceedings of the Royal Society A-Mathematical Physical andEngineering Sciences)第477卷第2250期第1-28頁的論文《工業(yè)計算機層析成像的球面采集軌跡的選擇和評估》(Selection and evaluation of spherical acquisitiontrajectories for industrial computed tomography)中，以包含球體和圓柱體兩種局部特征的鐵制工件為被測對象，利用均方根誤差、結(jié)構(gòu)相似性指數(shù)、歸一化香農(nóng)熵和歸一化互信息等指標(biāo)全面評價圖像重建結(jié)果，實現(xiàn)了稀疏投影的X射線掃描軌跡優(yōu)化。該工作使用了多種圖像重建質(zhì)量評價指標(biāo)進行綜合評價，從多個角度印證了掃描軌跡優(yōu)化結(jié)果的可靠性。但該工作僅考慮了球形和圓柱形兩種簡單的被測分布，并未對結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的被測對象進行討論。直接計算重建圖像誤差的評價方法能夠定量比較具有不同光束布局的層析成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，但得到的光束布局優(yōu)化結(jié)果來源于特定的被測分布形式，無法有效保證其通用性。此外，這類評價方法所使用的圖像重建質(zhì)量評價指標(biāo)并沒有統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)，這也增加了光束布局優(yōu)化結(jié)果的不確定性。