X射線圖像非均勻性分析及校正

羅程遠，劉世梁，藍志鵬

（東華理工大學，南昌 330013）

0 引言

自從德國科學家威廉倫琴（1854—1923）于1895年發現X 射線以來，X 射線技術在科學界引起了研究熱潮，X 射線成像技術在醫療診斷、無損檢測和安全監控等領域已得到了廣泛應用。現階段高精度X 射線成像系統造價成本高、結構復雜且操作不方便，核心技術多數還掌握在歐美、德國日本國家[1]，所以自主研制出結構簡單、成本低的X 射線成像系統勢在必行。X 射線成像系統的成像器件從最初的膠片、熒光屏、成像板到現在的平板探測器、線陣探測器，考慮到成本和成像范圍本文選用線陣探測器。X 射線成像過程中，首先X 射線穿透物體到達線陣探測器，經光電效應和AD 轉換后得到數字信號，采集到的數信號經轉換后得到對應的X 射線圖像，在這整個成像過程中存在各種干擾，嚴重影響X 射線的成像質量。采集的原始X 射線圖像普遍圖像偏暗、對比度不高、噪聲大、分辨率和清晰度低，圖像處理是成像系統中關鍵的一步，計算機處理技術在近十幾年的發展，為X 射線成像系統的發展提供關鍵性的技術支持[2]。本文重點研究線陣探測器對X 射線圖像非均勻性的影響，測試和驗證了非均勻性圖像處理的常規算法，如一點校正法、兩點校正法和非線性校正法等，最后在兩點校正法的基礎上，確定了多點定標分段校正方法，對X 射線圖像的非均勻性有顯著的校正效果。

1 X射線成像非均勻性分析

1.1 成像檢測方案

X射線成像檢測系統技術方案如圖1所示。

圖1 X射線成像檢測系統技術方案

系統工作時，由X 射線源產生X 射線，X 射線準直后經過被檢測樣品形成透射后的X 射線，在成像探測器線陣上被接收并轉換成點陣圖像數據，傳輸至后臺成像系統軟件，生成單色灰度圖像或偽彩圖像，用于判別檢測樣品的形狀、結構、厚度、物質構成等信息。

1.2 線陣探測器對成像質量的影響

當X 射線透過物體，攜帶了物體內部信息的X 射線均勻的照射在線陣探測器上時，每個成像單元都會有自己相應的輸出，由于每個成像都有自己的偏置量和增益，即使在均勻輻照的情況下，輸出的結果也會有所差異，線陣探測器一般是由很多探測小卡拼接而成，各個小卡之間可能也會存在響應不均勻，這種現象稱作為像素響應不均勻，這種現象的存在，導致采集的X 射線圖像會出現很多條紋[3]。

本文使用的探測器的A∕D 精度為14 bits，采集的數據范圍為0～16 383，整個線陣探測器是由是個探測小卡拼接而成。如圖2 所示，每個光電二級管對應的本底噪聲大小不一致，每個探測小卡所顯示的數據也存在微小差距，采集的數據在小范圍內波動。線陣探測器造成X射線不均勻的原因主要是線陣探測器的各個成像單元響應不一致且為非線性、成像單元前置放大電路不一致以及本底值不一致。由于上述種種因素的影響，采集的X射線空打的原始圖像如圖3所示。

圖2 探測器本底噪聲

圖3 X射線空打原始圖像

由于本文使用的探測器是由10 個成像小卡拼接而成，各個成像小卡之間響應不一致，空打的X 射線圖存在明顯不一致，有區域界線將整張圖分割成10 個長矩形區域，故造成了圖像的明顯的區域分割，其中某一行數據如圖4（a）所示。各垂直層次上也存在像素不均勻的情況，主要原因可能是X 射線不夠穩定以及探測器的采集頻率與射線頻率不一致，某一列數據如圖4（b）所示。

圖4 圖像行列數據比較

2 圖像非均勻性校正

在均勻X 射線照射下，理想情況下各行各列的像素灰度值應該是一致的（如圖5虛線所示），但是由于各種干擾因素的存在，導致各行各列像素的灰度值在理想值上下波動（如圖5實線所示）[4]，在成像小卡的拼接處灰度值波動更為嚴重，因此要對此進行校正和補償。

圖5 線性校正示意圖

2.1 線性校正

線性校正主要有一點校正法和兩點校正法。一點校正過程分為標定和校正兩步，首先計算出各個成像單元在同一X 射線強度下輸出響應，計算出校正系數，完成標定；然后將各個成像單元實際輸出響應與成像單元對應的校正因子相乘，即完成一點校正[5]。一點校正本質上只對器件的偏置做了補償，并沒有對增益做校正，即相當于將響應直線做了位置平移；當目標輻射度偏離標定點不大時，校正效果較好，但是當目標輻照度偏離標定點較大時，校正效果就會大大降低，由于各個成像單元的響應度不一致，校正誤差也會越差，因此，一點校正不適用于X射線圖像的校正[6]。

兩點校正算法在工程實際中應用范圍最廣，它能對探測元件輸出的加性噪聲進行補償修正的同時對乘性噪聲進行了校正，該算法簡單易于實現，對線性度高的探測器件有很好的校正效果。假設線陣探測器的成像單元響應值為DN與X射線輻射強度?呈線性變化，選取兩個高低射線輻射強度最為定標點，可建立以下校正模型：

式中：Yi,j為校正后的像素值；Xi,j為實際采集的像素值；Gi,j為校正因子；Oi,j為偏置系數。

兩點校正的示意圖如圖6 所示，校正前有3 條不同的響應曲線隨輻射度變化而變化，校正后為一條響應函數直線：

圖6 兩點校正法示意圖

將高低輻射度為?H和?L的圖像為定標點，校正因子Gi,j和偏置系數Oi,j可根據下式計算：

兩點校正法同樣分定標和校正兩個過程，兩點校正算法補償了器件偏置同時還對增益作了修正[7]，其效果要優于一點校正法，理論上可以完全消除非均勻性，但實際上由于線陣探測器的非線性響應，使用兩點校正仍然會引入較大誤差。

2.2 非線性校正

非線性校正方法算法較復雜，對于一般的檢測系統，不確定檢測器件模型時，就無法確定探測成像單元響應曲線的函數模型，由于多種因素的影響，響應曲線往往是不規則的曲線，很難選擇合適的函數模型去做擬合，如果模型選擇不當可能會使校正結構產生較大的偏差[8]。

2.3 多點定標分段校正法

線陣探測器對X射線成像造成的非均勻性為非線性，其相應的曲線函數模型也是無法確定的，采用常規的線性一點校正算法、兩點校正法和非線性校正法，進實驗驗證分析，都無法達到較理想的校正效果。多點定標分段校正法本質上是將線陣探測器的響應去想分成若干段，然后再每一小段上分別使用兩點校正，相對于兩點校正而言，多點定標分段校正法的校正圖像與實際圖像更加吻合[9]。分段校正過程就類似于擬合的過程，段分的越多，擬合度就越高，校正精度就越高，多點定標分段校正法能夠更好地避免由于兩點校正帶來的線性惡化，同時又可以補償探測成像單元響應的非線性問題，對X 射線圖像的非均勻性有很好的校正效果，下一小節將對多點定標分段校正法進行驗證分析。

3 多點定標分段校正法的驗證與分析

3.1 校正效果

基于多點定標分段校正法的校正效果如圖7所示。

圖7 非均勻校正前后對比

經過非均勻校正后，原圖中的條紋基本都被消除了，整個張圖像的灰度沒有明顯差異，圖像質量得到明顯改善，下面對空打圖像校正前后圖像數據進行分析，圖像行列數據折線圖對比如圖8所示。

圖8 校正前后圖像行列數據對比

前面通過視覺效果對比，可以明顯看出校正前后圖像均勻度得到了較大的提升；再通過對校正前后行列數據的對比，可以看出由探測成像單元響應不一致和X 射線源不穩定造成數據大波動基本被拉平在小范圍內波動。

3.2 校正前后圖像非均勻度

非均勻度為圖像數據的標準差與其均值的百分比（又稱差異系數CV），計算出的非均勻度可表征為圖像灰度不均勻（離散）的程度，非均勻度越小，代表數據離散程度越小，圖像越均勻[10-11]。非均勻度CV計算公式如下：

均值和標準差σ的計算公式如下：

式中：m為圖像的數據行數；n為圖像的數據行數；x（i，j）為圖像數據的第i行、第j列數據值；為所有圖像數據的均值。

根據上述公式計算出校正前后的非均勻度，如表1所示。

根據上述非均勻度計算公式，計算得校正前后非均勻度分別為13.38%和2.43%，校正后圖像的非均勻度降低了約82%，圖像的非均勻度得到了顯著改善。

4 結束語

采集的原始X 射線圖像質量普遍較低，需要進一步進行圖像處理才能獲得分辨率、對比度較高的圖像。本文主要針對線陣探測器對X 射線圖像造成的非均勻性進行探究，首先分析了產生圖像非均勻原因，然后利用一點校正法、兩點校正法和非線性校正法進行非均勻校正，驗證發現在線陣探測器線性響應范圍內兩點校正法有較理想的校正效果，但由于線陣探測器的非線性響應，使得兩點校正存在較大的局限性；一點校正法由于線陣探測器的各個成像單元響應不一致，會產生較大校正誤差；不能確定線陣探測器的響應模型，很難進行擬合[12]。最后本文將兩點校正拓展成多點定標分段校正，經實驗驗證，該算法對X 射線圖像的不均勻性有較理想的校正效果。