CN103971388A - 一种切片尺寸自适应的火焰ct图像重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切片尺寸自适应的火焰CT图像重建方法，该方法包括以下步骤：（1）提取前景图像；（2）建立射线直线方程及计算切片单元权值；（3）切片生成。本发明能够根据火焰投影图像确定火焰在每个二维切片上的实际范围，自适应地选取每一层切片上对重构火焰目标有效的面元，进而提高CT重建速度、减弱光带的影响；对于一些在空间、时间上几何形状不断发生变化的火焰三维重构有重要的实际意义，例如蜡烛或者燃烧器火焰在空间高度上形状不一样，内燃机点火时火焰随时间向外膨胀扩散；该方法简化了线性方程组的次元，提高了重建速度；通过提取前景限定有效的面元，减少光带影响，提高二维切片的重构质量。

Description

一种切片尺寸自适应的火焰CT图像重建方法

技术领域

本发明涉及图像的三维重建领域，尤其涉及火焰燃烧领域中火焰内部场分布的三维重建。

背景技术

目前，越来越多的技术人员开始采用计算机层析成像技术对火焰等透明或半透明体进行三维重构研究，利用若干个同步CCD相机从目标物体的几个不同的角度，拍摄得到目标物体在各个方向的投影图像，再利用这些投影图像利用适当的数学优化方法重建目标物体内部的三维场分布，实验装置示意图如图1所示。这与医学上的计算机层析成像技术(Computed Tomography,CT)具有相似的原理。医学上的CT是在不损伤对象内部结构的基础上，采用X射线等射线源，根据从对象外部获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建成像技术，生成对象内部的二维断面对象，再从一系列二维图像构成三维图像，重现对象内部特征。

CT在由投影图像生成切片场时，医学上通常使用滤波反投影(Filter back projection，FBP)和代数重建法(Algebra Reconstruction Technique,ART)两种方法。FBP算法能够很准确地估算出医学图像的密度，因此理论上来说FBP算法在重构效果上优于ART算法。但是FBP算法需要很多视角的投影图像，并且对于噪声比较敏感。故本重建方法采用ART重建算法。

切片生成的质量和速度是利用整个火焰CT图像重建的效果的至关重要的环节。投影角度选取的越多，利用二维重构切片恢复三维形状的效果越接近于实际物体形状。但是受限于硬件平台或者实际操作环境，很多情况下投影角度不可能足够地多， 而在投影角度有限的情况下，必然的面临的问题是生成的切片会产生光带的影响，并且二维切片重构速度也对实时三维重构提出了挑战。工业上为了提高切片重构的速度，往往采用高性能的刀片式服务器来实现。

在一定的硬件条件下，为了减弱切片光带影响同时为了提高二维切片的重构速度，只能从算法的角度上进行改进。传统的切片重构方法，将投影图像的每一行看成一个二维切片的投影，二维切面由均匀分布的圆形面单元填充，每一面元所占的面积是由实际需要的分辨率决定的，投影图像每一行上的每个像素值看作是一条射线上所有单元辐射强度的叠加。通过标定CCD及燃烧火焰的位置，建立几何坐标系，从而进一步建立火焰每一条辐射射线的直线方程。算出切面上每一个面元对辐射射线的贡献率W_ij，投影辐射强度便是这些单元的辐射强度f_j的叠加。公式表示为

P_i＝ΣW_ijf_j (1)

式中，P_i表示第i条射线上的辐射强度的叠加，即投影图像上一个像素。W_ij表示第j个单元对第i条射线的贡献率，f_j表示切面上第j个单元的辐射强度。对于每一个二维切片，其在投影图像上对应一条水平的像素行，像素行上的每一个像素点均对应一条辐射线。对于一幅N*N的投影图像，一个二维切片面在一个CDD摄像机角度上将有N条辐射线，设二维切面上面元的个数为M，则建立的辐射方程如式(2)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=W_{11}{f}_1+W_{12}{f}_2+W_{13}{f}_3+......+W_{1M}{f}_M\\ P_2=W_{21}{f}_1+W_{22}{f}_2+W_{23}{f}_3+......+W_{2M}{f}_M\\ P_3=W_{31}{f}_1+W_{32}{f}_2+W_{33}{f}_3+......W_{3M}{f}_M\\ .\\ .\\ .\\ P_N=W_{N1}{f}_1+W_{N2}{f}_2+W_{N3}{f}_3+......{+W}_{\mathrm{NM}}{f}_M\end{array}\right.---\left(2\right)$

获得切面上每个单元辐射强度的过程就是求解上述方程组的过程。上述方程组是一个含有M元的方程组，方程个数为N个，且N<<M。本专利采用ART迭代方法求取未知数f_j。

事实上，通常重建二维切片时并不是投影图像上所有像素都起作用，投影图像 的背景像素对于重建三维目标是不起作用的。如果将前景图像从投影图像中提取出来，在重建切片时只考虑图像中有效的范围，那么公式(2)这样的方程组，就可以减少次元，提高二维切片重构的速度。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种自适应的火焰CT图像重建方法；该方法对传统CT二维切片重构方法进行了改进，能够根据火焰投影图像确定火焰在每个二维切片上的实际范围，自适应地选取每一层切片上对重构火焰目标有效的面元，进而提高CT重建速度、减弱光带的影响。

本发明提出的一种切片尺寸自适应的火焰CT图像重建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、首先，对于拍摄得到的RGB火焰投影图像，进行预处理来消除环境因素导致的噪声，将RGB的红绿蓝三个通道分别进行重构，然后再将三个通道生成的切片进行合成；利用OSTU法选取一个自适应的全局阈值，对火焰投影图像进行二值化；利用得到的二值化图像，找到前景图像的边界像素点的坐标以及前景图像的最小外接矩形；

步骤2、投影图像上的每一行看成是一个二维切片的投影，每行中的各个像素点都看成是一条辐射线；根据CCD摄像机参数，以及火焰成像面与火焰的实际距离值信息，建立火焰辐射直线方程；然后确定切片上面元BLOB的分辨率；利用实测的图像成像面积，计算出每一个圆形单元的中心点坐标；利用二维高斯面元模型的方法，计算切片上每一个圆的圆心到每一条直线的距离，进而计算该单元的权值；

步骤3、生成切片，过程是从上到下的：即从投影图像的第一行开始最后一行结束，每一行像素看成一个辐射面，生成一个切片，在生成每一层切片时，由上面计算得到的前景图像的中心线和边界像素坐标，以中心坐标为圆心，边界像素到中心线的距离为半径做圆形限定空间；计算切片上每一个面元BLOB的中心坐标是否落在这个限定空间内，如果在这个范围内，将该BLOB记为有效并读取它的权值信息，将无效的BLOB 权值置为0；然后再利用这样的权值进行ART迭代运算；当迭代结束重构完一个切片时，将生成的该切片图像保存到指定路径，再进行下一行投影像素的迭代；依次进行到最后一行投影像素。

与现有技术相比，本发明对于一些在空间、时间上几何形状不断发生变化的火焰三维重构有重要的实际意义，例如蜡烛或者燃烧器火焰在空间高度上形状不一样，内燃机点火时火焰随时间向外膨胀扩散；该方法简化了线性方程组的次元，提高了重建速度；通过提取前景限定有效的面元，减少光带影响，提高二维切片的重构质量。

附图说明

图1为现有技术的火焰投影图像的获取方法示意图；

图2为现有技术的有效切片单元查找方法示意图；

图3为两个角度的投影图像；

图4为本发明算法流程图；

图5为传统方法与自适应方法重构切片图像和重构速度对比。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图4所示的算法流程，该流程的具体做法如下：

(1)提取前景图像

对于拍摄得到的火焰投影图像，首先进行预处理来消除环境因素导致的噪声，由于噪声通常具有随机性，因此采用高斯平滑滤波去除噪声。对于一幅RGB的火焰图像，我们通常是将RGB的红绿蓝三个通道分别进行重构，然后再将三个通道生成的切片进行合成。为了便于算法的陈述，我们假设将RGB图像先进行灰度转换，利用转换后的灰度图像进行重构。利用火焰前景图像与背景图像的差别比较大的特点，利用OSTU法 选取一个自适应的全局阈值，对火焰灰度图像进行二值化。利用得到的二值化图像，找到前景图像的边界像素点的坐标以及前景图像的最小外接矩形。

(2)建立射线直线方程及计算切片单元权值

投影图像上的每一行看成是一个二维切片的投影，每行中的各个像素点都看成是一条辐射线。根据CCD摄像机参数，以及火焰成像面与火焰的实际距离值等信息，建立火焰辐射直线方程。然后按照实际需要，确定切片上面元的分辨率。本专利方法中，面元是一个个面积相等均匀分布于切片的圆形单元，记为BLOB。利用实测的图像成像面积，计算出每一个圆形单元的中心点坐标。利用二维高斯面元模型的方法，计算切片上每一个圆的圆心到每一条直线的距离，进而计算该单元的权值。

(3)ART迭代

切片生成的过程是从上到下的，从投影图像的第一行开始最后一行结束。每一行像素看成一个辐射面，都可以生成一个切片。在生成每一层切片时，由上面计算得到的前景图像的中心线和边界像素坐标，以中心坐标为圆心，边界像素到中心线的距离为半径做圆形限定空间。计算切片上每一个BLOB的中心坐标是否落在这个限定空间内，如果在这个范围内，将该BLOB记为有效并读取它的权值信息，将无效的BLOB权值置为0。然后再利用这样的权值进行ART迭代运算。当迭代结束重构完一个切片时，将生成的该切片图像保存到指定路径，再进行下一行投影像素的迭代。依次进行到最后一行投影像素。

为了验证本发明所提的自适应火焰CT图像重建方法的正确性及有效性，采用蜡烛火焰作为重构对象，利用两台成90°角度的CCD相机对蜡烛火焰进行同步拍摄，如图3所示。

拍摄的火焰投影图像为128×128像素，为了实验方便并且不影响切片重构的精度，选择切片图像分辨率为原投影图像分辨率的1/2，即64×64。切片重构算法选取ART方法，实验所用计算机CPU为Intel Core2Duo，内存为2G，利用公式(3)计算切片重构迭代一次平均耗时

$\stackrel{\&OverBar;}{T}=\frac{T}{N\&times;n}---\left(3\right)$

式(3)中的T表示重构N幅切片的总时间，n表示重构每一幅切片迭代次数。为了体现出本方法的优越性，表1给出了利用本专利所提方法和传统方法生成的部分切片图像和相应切片重构迭代一次耗时的对比。

通过图5可以看出，本专利所提自适应方法在切片重构质量和速度均优于传统方法。利用专利所提自适应方法重构的切片可有效消除光带的影响，提高了切片重构的质量，并且重构速度也大大提高，重构时间比传统方法减少了一半。

Claims (1)

1.一种切片尺寸自适应的火焰CT图像重建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤（1）、首先，对于拍摄得到的RGB火焰投影图像，进行预处理来消除环境因素导致的噪声，将RGB的红绿蓝三个通道分别进行重构，然后再将三个通道生成的切片进行合成；利用OSTU法选取一个自适应的全局阈值，对火焰投影图像进行二值化；利用得到的二值化图像，找到前景图像的边界像素点的坐标以及前景图像的最小外接矩形；

步骤（2）、投影图像上的每一行看成是一个二维切片的投影，每行中的各个像素点都看成是一条辐射线；根据CCD摄像机参数，以及火焰成像面与火焰的实际距离值信息，建立火焰辐射直线方程；然后确定切片上面元BLOB的分辨率；利用实测的图像成像面积，计算出每一个圆形单元的中心点坐标；利用二维高斯面元模型的方法，计算切片上每一个圆的圆心到每一条直线的距离，进而计算该单元的权值；

步骤（3）、生成切片，过程是从上到下的：即从投影图像的第一行开始最后一行结束，每一行像素看成一个辐射面，生成一个切片，在生成每一层切片时，由上面计算得到的前景图像的中心线和边界像素坐标，以中心坐标为圆心，边界像素到中心线的距离为半径做圆形限定空间；计算切片上每一个面元BLOB的中心坐标是否落在这个限定空间内，如果在这个范围内，将该BLOB记为有效并读取它的权值信息，将无效的BLOB权值置为0；然后再利用这样的权值进行ART迭代运算；当迭代结束重构完一个切片时，将生成的该切片图像保存到指定路径，再进行下一行投影像素的迭代；依次进行到最后一行投影像素。