超聲成像檢測中圖像分辨率問題研究

摘要:針對檢測系統中提高超聲成像的分辨率問題展開研究，提出了將超分辨率圖像重建技術應用于超聲成像的方法，并給出了詳細實施方案和可行性論證，進行了序列低分辨率圖像獲取和高分辨率圖像重建的仿真實驗，結果表明:提出的方法切實可行，對提高超聲成像設備的分辨率具有參考價值。

關鍵詞:超聲成像;超分辨率;小波變換

中圖分類號:TH878 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)21-5937-03

Research on Image Resolution in Ultrasonic Imaging Inspection

DAI Guang-zhi， SUN Hong-wei， YANG Ou

(Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518055， China)

Abstract: In this paper， the issue of how to improve the resolution of ultrasonic imaging is studied， the method of super-resolution techniques with applications to ultrasonic imaging is proposed， the detailed implementation plan and feasibility study is provided， the simulation of the lower resolution image sequence acquisition and high resolution image reconstruction are made， results showed: This paper presents a practical approach to improve ultrasound imaging equipment with a resolution of reference value. The simulation results showed: the method proposed is feasible， and it is excellent reference material to improve the resolution of Ultrasonic imaging equipment.

Key words: ultrasonic imaging; super-resolution; wavelet transformation

1 概述

超聲成像技術在現代無損檢測技術中是一種令人矚目的新技術，在缺陷檢測中具有獨特的優勢[1-2]。目前，超聲成像存在的主要問題是分辨率較低，而空間分辨率(包括橫向和縱向分辨率)是超聲圖像質量評價的一項關鍵性指標[3]，直接決定著超聲圖像的應用價值。超聲圖象的空間分辨率如圖1所示，對超聲圖像的質量起著至關重要的作用，表現為圖像細膩，微小結構顯示清楚。

超聲成像不清晰，主要是由于橫向分辨率不高，為了提高橫向分辨率，人們常采用兩種途徑:一是改進和更新硬件(如采用超聲聚焦、電子聚焦、變孔徑技術、連續焦點圖像技術等方法來提高換能器的指向性)，提高系統理論分辨率;二是利用數據軟處理方法，提高算法精度。由于改進和更新硬件所需周期長，成本高，且受限于技術發展，因此，利用數據軟處理技術提高分辨率顯得尤為重要。一個有前景的解決方法是使用信號處理技術從多幅低分辨率觀察圖像來獲得高分辨率圖像，即低分辨率圖像序列的超分辨率重建技術。超分辨率技術常常應用于對現有成像系統不能提供滿意圖像分辨率的情況，如提高遙感圖像、CT、核磁共振、超聲波圖像和各種監控圖像等的分辨率[4-5]。其主要優點是成本較低，并且能利用現有的低分辨率成像系統就可以使輸出圖像的質量得到很大程度的提高。

從提高橫向分辨率問題出發，提出了將超分辨率圖像重建技術應用于超聲成像的方法，并給出了詳細實施方案和可行性論證，進行了低分辨率序列圖像獲取和高分辨率圖像重建的仿真實驗，結果表明:提出的方法新穎可行，對提高超聲成像設備的分辨率具有參考價值。

2 系統方案和可行性分析

2.1 微掃描成像

通過微掃描技術[6-8]來成像可以看作是一個過采樣過程，它是對同一場景進行多次采樣成像的。具體地說，微掃描成像就是把焦平面器件對場景每次采樣得到的圖像存儲下來，然后將得到的一系列圖像像素按照圖像獲取的方式和順序進行交叉，通過進一步處理得到最終的圖像。

在實際應用中，由于探測器每個像元本身的尺寸非常小，如CCD的像元為幾個微米，要實現亞像元的微位移，而且位移誤差至少要比微位移量低一個數量級以上，因此有效的微位移成像非常困難。然而，對于超聲成像則有所不同，其波長較長，約為0.5mm數量級，在通常成像情況下，像元大小約為數百到數十個微米之間[9]。由于各種成像條件的限制，假設像元大小為0.5mm，此即低分辨率圖像的像素大小。

采用如圖2所示實驗平臺實現微掃描成像，圖中掃描裝置的重復定位精度小于3μm，所以對于超聲圖像而言，完全可以實現亞像元的微位移。

2.2 多幀超分辨率重建技術

用超分辨率技術增加空間分辨率的基本前提是從相同場景捕獲的多幅低分辨率圖像是否可用[3，7，10]。通常在超分辨率問題中，低分辨率圖像描述的是在相同的場景中不同的觀察，即低分辨率圖像被二次采樣(混疊)，并發生子像素級精度的位移。如果低分辨率圖像以整數單位發生位移，則每幅圖像只會包含相同的信息，而沒有新的信息能用來重建一幅高分辨率圖像。但是，如果低分辨率圖像有彼此不同的子像素位移，且有混疊存在，則每幅圖像都不能從其它圖像中獲得。這樣，包含在每幅低分辨率圖像里的新信息可以用于獲得一幅高分辨率圖像。為了在相同的場景中獲得不同的觀察，多個場景或視頻序列的各幀之間必須存在一些場景的相對運動。

在關于分辨率的研究中，基于多幀低分辨率圖像的超分辨率重建算法的實現是以微掃描技術為基礎的，首先需要通過微掃描系統來獲取多幅相互之間有亞像素位移的低分辨率圖像序列，然后通過算法重建出一幅高分辨率圖像。

2.3 具體實施方案

序列圖像獲取依據微掃描模式決定，微掃描模式決定了探測器平面上的圖像位移周期和微掃描路線。現有的微掃描技術主要包括1×1，2×2，3×3，4×4等四種工作模式，各種工作模式又有不同的掃描順序，在各種工作模式中，每一次的位移必須是相同的步長。

實現方法如下:實驗中，假設掃查范圍為100mm×50mm，超聲圖像的像元大小取0.5mm×0.5mm，量化電平取8位，則掃查一幅低分辨率圖像的大小為200×100比特。以1×1和2×2兩種微掃描工作模式為例說明。

采用1×1微掃描工作模式時，獲取方式如圖3所示，圖中超聲成像設備的分辨率即低分辨率圖像的像素大小為0.5mm，原圖像即高分辨率圖像的像素大小0.25mm。

當采用2×2微掃描工作模式時，獲取方式如圖4所示。對于3×3和4×4模式，方法類似。

3 仿真實驗

通過matlab對序列圖像的獲取以及超分辨率重建進行仿真。微位移算法通過分析低分辨率圖像序列與源圖像之間像素點的灰度關系，得出重建圖像中的各點灰度迭代表達式，重建圖像的邊界灰度值通過低分辨率圖像序列的邊界值進行估計，從而實現重建后的超分辨率圖像。算法仿真以TIG焊熔池圖像為實例加以說明。

采用1×1微掃描模式的仿真結果如圖5所示。圖中低分辨率圖像序列的獲取按照圖3中所示，它是在原圖像的列向量經過半像素位移后再等間隔采樣的方式獲得，其大小為80×50;重建圖像是依據微位移算法對低分辨率圖像序列進行像素重排后得到，其大小為80×100。由于其橫向采樣點數量為低分辨率圖像的兩倍，所以在理論上橫向分辨率提高了一倍。

采用2×2微掃描模式的仿真結果如圖6所示。圖中低分辨率圖像序列的獲取按照圖4中所示，它是在原圖像的列向量經過半像素位移后再等間隔采樣的方式獲得，其大小為40×50;重建圖像的大小為80×100，由于其橫向和縱向采樣點數量分別為低分辨率圖像的兩倍，所以在理論上橫向和縱向分辨率都提高了一倍。

下面對圖6中獲得的低分辨率圖像序列應用二代小波變換[12]與插值結合的超分辨率算法重建高分辨率圖像。算法框圖如圖7所示。將采集的降采樣圖像X分別通過雙線性插值、雙三次樣條插值和局部適應插值等插值(仿真實驗中雙線性插值)和鄰域插值得到Yl和Y2，對于Y2進行小波變換獲取低頻系數Xa2(此時，可以看到Xh2， Xv2， Xd2均為零矩陣，該過程為灰度修正過程);再將Y1進行小波變換得到三個方向上的高頻部分Xhl，Xvl，Xd1(該過程為獲取高頻細節過程);最后結合Xa2與Xh1，Xvl，Xdl通過小波逆變換得到分辨率較高的圖像Y。如果要進行進一步放大時，可以將獲得的高分辨率圖像作為原始圖像再運用相同的算法。仿真效果如圖8所示。圖8中的b)，c)，d)，e)圖分別是圖6中b)，c)，d)，e)圖采用算法重建的結果，其效果比圖6中f)圖要好的多。

4 結論

提出了一種提高超聲成像分辨率的新方法，該方法利用微掃描成像技術獲取具有亞像素移動的超聲序列低分辨率圖像，并通過超分辨率圖像重建的方法獲得高分辨率超聲圖像。文中在給出詳細實施方案和可行性論證的基礎上，進行了序列低分辨率圖像獲取和高分辨率圖像重建的仿真實驗，結果表明:本文提出的方法新穎可行，對提高超聲成像設備的分辨率具有參考價值。

參考文獻:

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