一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法及系統(tǒng)，該方法包括：采集兩個位置的物體圖像和背景圖像；根據(jù)物體圖像和背景圖像，將兩個位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化后的一個位置的物體圖像為參照物體圖像、另一個位置的物體圖像為對照物體圖像，將參照物體圖像和對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像；根據(jù)第一迭代算法、第三物體圖像和參照物體圖像，計算參照物體圖像對應(yīng)位置的初始收斂相位分布；根據(jù)第二迭代算法、第三物體圖像、參照物體圖像以及參照物體圖像對應(yīng)位置的初始收斂相位分布，計算參照物體圖像對應(yīng)位置的最終收斂相位分布。實施本發(fā)明實施例，可以增強相位恢復(fù)的精確度、效率和穩(wěn)定性。
【專利說明】一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線相位襯度成像(X-ray phase contrast imaging, XPCI)是一種X射線成像技術(shù)，利用X射線通過物體后發(fā)生的相移變化成像?；诓煌某上裨?，目前有五種實現(xiàn)X射線相位襯度成像的技術(shù)，分別為:干涉法、衍射增強法、光柵剪切法、同軸相襯法以及編碼孔徑相襯成像法。同軸相襯成像裝置最為簡單，無需精密的光學(xué)元器件，可以基于實驗室普通的微焦斑X射線源，利用X射線通過樣品后在自由空間傳播，基于菲涅耳衍射成像原理將相位信息轉(zhuǎn)化為強度信息。
[0003]同軸相襯成像可以增強圖像的邊緣亮度，從而提高了圖像的對比度，但這種亮度的增強不是線性的，可能會呈現(xiàn)出錯誤的樣品厚度或密度。然而，可以通過算法從獲得的強度圖中恢復(fù)出相位分布圖，正確反應(yīng)出樣品的真實結(jié)構(gòu)與組織特性，但對基于普通微焦斑X射線源的同軸相襯成像，想實現(xiàn)精確相位恢復(fù)非常困難。目前，同軸相襯成像的相位恢復(fù)方法有:解析算法(或線性近似算法)和迭代算法。解析算法是將非線性方程進行線性近似得到方程的解，計算效率高，但相位的解可能不穩(wěn)定。此外，由于解析算法基于一定的假設(shè)和簡化，不同的方法適用的范圍不同、受限于成像物體組成或者受限于成像距離。迭代算法由于近似少，適用范圍更廣，且簡單、靈活、結(jié)果穩(wěn)定、精確。其中，基于傅里葉變換(Fouriertransform, FT)的迭代算法的效率高,但精度低，而基于蓋師貝格-撒克斯通(Gerchbergand Saxton)算法的精度高，但效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開了一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法及系統(tǒng)，用于增強相位恢復(fù)的精確度、效率和穩(wěn)定性。
[0005]本發(fā)明第一方面公開了一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法，包括:
[0006]采集第一位置的物體圖像以及所述第一位置的背景圖像；
[0007]采集第二位置的物體圖像以及所述第二位置的背景圖像；
[0008]根據(jù)所述第一位置的物體圖像和所述第一位置的背景圖像，以及所述第二位置的物體圖像和所述第二位置的背景圖像，將采集的所述第一位置的物體圖像和所述第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的所述第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的所述第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將所述參照物體圖像和所述對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像；
[0009]根據(jù)第一迭代算法、所述第三物體圖像和所述參照物體圖像，計算所述第一位置的初始收斂相位分布；
[0010]根據(jù)第二迭代算法、所述第三物體圖像、所述參照物體圖像以及所述第一位置的初始收斂相位分布，計算所述第一位置的最終收斂相位分布。
[0011]本發(fā)明第二方面公開了一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)系統(tǒng)，包括:
[0012]第一單元，用于采集第一位置的物體圖像以及所述第一位置的背景圖像；
[0013]所述第一單元，還用于采集第二位置的物體圖像以及所述第二位置的背景圖像；
[0014]第二單元，用于根據(jù)所述第一位置的物體圖像和所述第一位置的背景圖像，以及所述第二位置的物體圖像和所述第二位置的背景圖像，將采集的所述第一位置的物體圖像和所述第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的所述第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的所述第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將所述參照物體圖像和所述對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像；
[0015]第三單元，用于根據(jù)第一迭代算法、所述第三物體圖像和所述參照物體圖像，計算所述第一位置的初始收斂相位分布；
[0016]第四單元，用于根據(jù)第二迭代算法、所述第三物體圖像、所述參照物體圖像以及所述第一位置的初始收斂相位分布，計算所述第一位置的最終收斂相位分布。
[0017]本發(fā)明實施例中，采集第一位置的物體圖像以及第一位置的背景圖像；并采集第二位置的物體圖像以及第二位置的背景圖像；根據(jù)第一位置的物體圖像和第一位置的背景圖像，以及第二位置的物體圖像和第二位置的背景圖像，將采集的第一位置的物體圖像和第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將參照物體圖像和對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像；根據(jù)第一迭代算法、第三物體圖像和參照物體圖像，計算第一位置的初始收斂相位分布；根據(jù)第二迭代算法、第三物體圖像、參照物體圖像以及第一位置的初始收斂相位分布，計算第一位置的最終收斂相位分布。本發(fā)明實施例中，在進行迭代計算前，先對采集的物體圖像進行了圖像精確配準(zhǔn)，在進行迭代計算時，先用第一種迭代算法進行計算收斂相位分布，然后用該收斂相位分布為初始值繼續(xù)用第二種迭代算法進行計算得到最終的收斂相位分布，可以增強相位恢復(fù)的精確度、效率和穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1是本發(fā)明第一實施例公開的一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法的流程圖；
[0020]圖2是本發(fā)明第二實施例公開的另一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法的流程圖；
[0021]圖3是本發(fā)明第三實施例公開的一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023]本發(fā)明提供了一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法及系統(tǒng)，用于增強相位恢復(fù)的精確度、效率和穩(wěn)定性。以下分別進行詳細說明。
[0024]請參閱圖1，圖1是本發(fā)明第一實施例公開的一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法的流程圖。其中，圖1所示的基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法適用于X射線相襯成像系統(tǒng)。如圖1所示，該基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法可以包括以下步驟。
[0025]S101、采集第一位置的物體圖像以及第一位置的背景圖像。
[0026]本發(fā)明實施例中，X射線相襯成像系統(tǒng)采集第一位置的物體圖像以及第一位置的背景圖像。
[0027]本發(fā)明實施例中，采集的背景圖像為無物體放置的亮場圖像。
[0028]S102、采集第二位置的物體圖像以及第二位置的背景圖像。
[0029]本發(fā)明實施例中，X射線相襯成像系統(tǒng)采集第二位置的物體圖像以及第二位置的背景圖像。
[0030]本發(fā)明實施例中，第二位置與第一位置是兩個不同的位置，在采集圖像時，X射線圖像探測器與物體間的距離不同。
[0031]S103、根據(jù)第一位置的物體圖像和第一位置的背景圖像，以及第二位置的物體圖像和第二位置的背景圖像，將采集的第一位置的物體圖像和第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將參照物體圖像和對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像。
[0032]本發(fā)明實施例中，X射線相襯成像系統(tǒng)根據(jù)第一位置的物體圖像和第一位置的背景圖像，以及第二位置的物體圖像和第二位置的背景圖像，將采集的第一位置的物體圖像和第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將參照物體圖像和對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像。
[0033]本發(fā)明實施例中，一般需要采集兩幅物體圖像，一幅X射線圖像探測器與物體近貼的吸收圖像、一幅X射線圖像探測器與物體具有一定間隔的相襯圖像，或者直接采集兩幅相襯圖像。
[0034]本發(fā)明實施例中，采集了兩個不同位置的物體圖像和相應(yīng)位置的背景圖像后，首先需要對物體圖像進行歸一化處理，即用采集的物體圖像除以物體圖像對應(yīng)位置的背景圖像，得到歸一化處理后的物體圖像。
[0035]本發(fā)明實施例中，在對物體圖像進行迭代計算以前，還需要對物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)預(yù)處理，這是由于在不同位置采集的圖像其幾何放大倍數(shù)不同，而且系統(tǒng)自身也存在一定的機械精度，應(yīng)用中采集的兩幅物體圖像存在縮放、平移和旋轉(zhuǎn)，在進行相位恢復(fù)前對物體圖像的精確配準(zhǔn)，可以提高相位恢復(fù)精度。采用基于傅氏變換的方法完成圖像精確配準(zhǔn)，相對基于灰度或基于特征的配準(zhǔn)算法，更方便處理采集的物體圖像。因為圖像的比例、旋轉(zhuǎn)和平移變換均能在傅里葉變換頻域中反映出來，且在頻域內(nèi)對噪聲干擾有一定的抵抗能力，同時，傅里葉變換可以采用快速傅里葉變換(FFT)方法提高處理速度，并且有成熟的快速算法，易于硬件實現(xiàn)。實現(xiàn)圖像精確配準(zhǔn)的步驟如下:
[0036]1)選擇歸一化后的物體圖像A為參照物體圖像，歸一化后的物體圖像B為對照物體圖像，對參照物體圖像A與對照物體圖像B分別做傅里葉變換，得到新的參照物體圖像A與新的對照物體圖像羞；
[0037]2)在傅里葉空間對新的參照物體圖像2與新的對照物體圖像.1 -分別進行對數(shù)極坐標(biāo)變換；
[0038]3)再在對數(shù)極坐標(biāo)下利用相位相關(guān)求得對照物體圖像B相對于參照物體圖像A的縮放因子a和旋轉(zhuǎn)角度Θ ^ ;
[0039]4)根據(jù)縮放因子a和旋轉(zhuǎn)角度Θ ^，對對照物體圖像B進行角度和縮放比例補償，補償以后得到的物體圖像B2與參照物體圖像A之間僅存在平移量的差別；
[0040]5)利用直角坐標(biāo)下的相位相關(guān)求出對照物體圖像B相對于參照物體圖像A的平移量;
[0041]6)根據(jù)平移量，對物體圖像B2進行平移補償，得到新的物體圖像C。
[0042]S104、根據(jù)第一迭代算法、第三物體圖像和參照物體圖像，計算第一位置的初始收斂相位分布。
[0043]本發(fā)明實施例中，X射線相襯成像系統(tǒng)根據(jù)第一迭代算法、第三物體圖像和參照物體圖像，計算第一位置的初始收斂相位分布。
[0044]本發(fā)明實施例中，第一迭代算法為傅里葉變換算法。傅里葉變換(Fouriertransform, FT)迭代算法的原理:
[0045]基于Wu和Liu提出的一般性相襯成像公式[Xizeng Wu and Hong Liu, A generaltheoretical formalism for X-rayphase contrast imaging, 2003],公式可寫為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)方法，其特征在于，包括: 采集第一位置的物體圖像以及所述第一位置的背景圖像； 采集第二位置的物體圖像以及所述第二位置的背景圖像； 根據(jù)所述第一位置的物體圖像和所述第一位置的背景圖像，以及所述第二位置的物體圖像和所述第二位置的背景圖像，將采集的所述第一位置的物體圖像和所述第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的所述第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的所述第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將所述參照物體圖像和所述對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像； 根據(jù)第一迭代算法、所述第三物體圖像和所述參照物體圖像，計算所述第一位置的初始收斂相位分布； 根據(jù)第二迭代算法、所述第三物體圖像、所述參照物體圖像以及所述第一位置的初始收斂相位分布，計算所述第一位置的最終收斂相位分布。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集第一位置的物體圖像以及所述第一位置的背景圖像之前，還包括: 設(shè)置射線源的優(yōu)化工作參數(shù)以及探測器的工作模式。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)第一迭代算法、所述第三物體圖像和所述參照物體圖像，計算所述第一位置的初始收斂相位分布之前，還包括: 計算焦斑幾何模糊光學(xué)傳輸函數(shù)； 計算探測器響應(yīng)的光學(xué)傳輸函數(shù)； 將所述參照物體圖像和所述第三物體圖像進行去卷積處理； 設(shè)置所述第一位置的初始相位分布。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一迭代算法為傅里葉變換算法，所述第二迭代算法為蓋師貝格-撒克斯通算法或泊松分布算法。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)第二迭代算法、所述第三物體圖像、所述參照物體圖像以及所述第一位置的初始收斂相位分布，計算所述第一位置的最終收斂相位分布之后，還包括: 判斷所述第一位置的最終收斂相位分布是否在物平面，若否，則用菲涅爾傳播因子對所述第一位置的最終收斂相位分布進行去卷積處理，獲得物體在物平面的最終收斂相位分布。
6.一種基于混合迭代的同軸相襯成像相位恢復(fù)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 第一單元，用于采集第一位置的物體圖像以及所述第一位置的背景圖像； 所述第一單元，還用于采集第二位置的物體圖像以及所述第二位置的背景圖像； 第二單元，用于根據(jù)所述第一位置的物體圖像和所述第一位置的背景圖像，以及所述第二位置的物體圖像和所述第二位置的背景圖像，將采集的所述第一位置的物體圖像和所述第二位置的物體圖像進行歸一化處理，選擇歸一化處理后的所述第一位置的物體圖像為參照物體圖像，選擇歸一化處理后的所述第二位置的物體圖像為對照物體圖像，將所述參照物體圖像和所述對照物體圖像進行圖像精確配準(zhǔn)，獲得第三物體圖像； 第三單元，用于根據(jù)第一迭代算法、所述第三物體圖像和所述參照物體圖像，計算所述第一位置的初始收斂相位分布；第四單元，用于根據(jù)第二迭代算法、所述第三物體圖像、所述參照物體圖像以及所述第一位置的初始收斂相位分布，計算所述第一位置的最終收斂相位分布。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 第五單元，用于在所述第一單元采集第一位置的物體圖像以及所述第一位置的背景圖像之前，設(shè)置射線源的優(yōu)化工作參數(shù)以及探測器的工作模式。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 第六單元，用于在所述第三單元根據(jù)第一迭代算法、所述第三物體圖像和所述參照物體圖像，計算所述第一位置的初始收斂相位分布之前，計算焦斑幾何模糊光學(xué)傳輸函數(shù)； 第七單元，用于計算探測器響應(yīng)的光學(xué)傳輸函數(shù)； 第八單元，用于將所述參照物體圖像和所述第三物體圖像進行去卷積處理； 第九單元，用于設(shè)置所述第一位置的初始相位分布。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一迭代算法為傅里葉變換算法，所述第二迭代算法為蓋師貝格-撒克斯通算法或泊松分布算法。
10.如權(quán)利要求6-9任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 第十單元，用于在所述第四單元根據(jù)第二迭代算法、所述第三物體圖像、所述參照物體圖像以及所述第一位置的初始收斂相位分布，計算所述第一位置的最終收斂相位分布之后，判斷所述第一位置的最終收 斂相位分布是否在物平面； 第十一單元，用于在所述第十單元的判斷結(jié)果為否時，用菲涅爾傳播因子對所述第一位置的最終收斂相位分布進行去卷積處理，獲得物體在物平面的最終收斂相位分布。
【文檔編號】G06T5/50GK103559698SQ201310485409
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】桂建保, 鄭海榮, 陳垚, 胡戰(zhàn)利 申請人:中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院