基于信息熵的遞變能量X射線圖像序列融合

王少杰

(中北大學　理學院，山西 太原 030051)

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基于信息熵的遞變能量X射線圖像序列融合

王少杰

(中北大學理學院，山西 太原 030051)

摘要：常規固定能量的X射線無法對結構不規則、厚度不均勻的工件正常成像，易造成過曝光和欠曝光現象，失去圖像信息，因此提出了變電壓X射線掃描成像技術.但要得到完整的工件圖像，需要對不同電壓下得到的圖像進行融合.本文首先在灰度直方圖的基礎上提取發動機缸蓋的有效信息區域；然后基于信息熵來研究圖像的融合方法.實驗結果表明，此方法可以將各個原圖像的有效信息結合起來，完整地再現復雜工件的結構信息.

關鍵詞：灰度直方圖；信息熵；圖像融合

X射線無損檢測技術越來越廣泛的應用到了國防、軍事、航天航空等領域.在這些領域中，存在一些結構復雜、薄厚不均勻的組件，對它們的質量檢測直接影響著航天航空、武器等技術裝備的使用性能、裝配性能及綜合性能等.然而常規固定X射線能量的成像模式無法同時對整個工件曝光成像，易造成過曝光和欠曝光共存現象,導致復雜工件的X射線圖像質量差、空間分辨率低、信息不完整等[1].

針對上述現象，我們提出了一種新的X射線DR成像技術，通過調節射線源的管電壓，從而獲取遞變X射線能量下的射線圖像序列，而DR圖像序列中的有效信息較少，我們需要一定的方法提取其中的有效區域，然后將每幅圖像序列進行融合，目前DR圖像的融合研究很多.2008 年，西安交通大學楊瑩、牟軒沁等對雙能 X 射線圖像進行尺度空間分解，采用平均法重構低頻分量，高頻分量則采用區域相關性原則重構，利用重構分量重建得寬動態范圍的 X 射線圖像.2010 年，李漢志等采用小波變換方法對高低能圖像融合，并對融合圖像增強，擴展了圖像動態范圍.2010年，段彥杰、楊明等提出了一種基于變能量掃描的 X 射線圖像增強技術[2，3]，借助于在單能 X 射線基礎上建立的系統成像的灰度—電壓—厚度關系模型對圖像序列融合.

DR平板探測器成像動態范圍有限，因此，當射線強度較大時，穿過工件較薄區域的射線衰減較小，易出現過曝光的現象，而射線強度較小時，穿過工件較厚區域的射線衰減較大，易出現欠曝光的現象.欠曝光和過曝光現象都會造成工件結構信息的確實.不同電壓下X射線檢測成像示意圖如下.

1圖像采集

研究中以發動機缸蓋為實驗對象，其結構不規則，薄厚不均勻.實驗設備為中北大學電子探測技術國家重點實驗室的X射線CT/DR系統，450 kV的CE射線機，12位A/D的PaxScan2520探測器，采集電壓為65～185 kV，每隔5 kV透照一次，電流為1.5 mA.采集到的部分圖像如圖2所示.

圖1　變電壓下X射線成像示意圖

圖2　變電壓下缸蓋的采集圖像

2有效區域提取

由于X射線成像系統動態范圍有限，任一電壓下只能匹配一定的有效厚度信息，也就是成像系統動態范圍內的某一灰度值范圍.有效區域即為去除欠曝光和過曝光區域的范圍.圖3為部分電壓下圖像的灰度直方圖，依據每個電壓下圖像的灰度直方圖提取相應電壓下的有效灰度區間.如65 kV電壓下灰度范圍集中在(0-1000)，85 kV的集中在(100-3000),125 kV(1000-3000)，因此，我們統一將有效灰度區間取為(1000-3000)，根據有效區間提取缸蓋的有效區域圖像.如圖4.

圖3　不同電壓下對應的灰度直方圖

圖4　不同電壓下提取的有效區域圖像

3有效區域的融合

3.1信息熵

1948年，Shannon提出了熵的概念，并以此作為信息的度量.一般情況下，我們用概率的倒數的對數函數來表示某一事件(某一符號)出現所帶來的信息量.設離散型隨機變量X的概率分布為:

(1)

(2)

X的信息熵定義為“加權平均信息量”:

Ii=-lnpi

(3)

(4)

熵值的定義如下：

(5)

3.2融合算法

表1　部分電壓下的熵值及權重

4實驗結果及分析

實驗對象為發動機缸蓋，結構復雜,厚度不均勻.低電壓下，圖像的灰度值集中在

灰度動態范圍下限附近，且灰度值的分布較為分散，即圖像中缸蓋較厚區域的結構信息內容不完整；高電壓下，圖像的灰度值整體升高，且分布較為集中，集中在高灰度區域，即丟失了缸蓋較薄區域的結構信息.本文算法下的圖像融合結果如圖5.實驗結果表明，此方法可以將各個原圖像的有效信息結合起來，完整地再現復雜工件的結構信息.

圖5　融合后的圖像

參考文獻：

[1] 陳平,韓焱,潘晉孝.變電壓X射線多譜CT成像虛擬設計[J].光譜學與光譜分析,2012,32(10):2863-2869.

[2] 陳平,韓焱,潘晉孝.變能量X射線多譜成像方法研究[J].光譜學與光譜分析,2013(5): 1383-1387.

[3] 段彥杰,楊明,劉賓,等.基于變劑量掃描的X射線圖像增強技術[J].無損檢測,2011,33(2):13-15,23.

[4] 段彥杰.變能量X射線掃描成像技術研究[D].山西：中北大學，2010.

[責任編輯：王軍]

The research of multi-energy X-ray image stack fusion based on the information entropy

WANG Shaojie

(College of Science,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:Conventional fixed energy X-ray cannot normally imaging for component of irregular structure, uneven thickness, easy lead overexposed and underexposed, loss of image information, thus variable voltage X-ray scanning imaging is proposed.But to get a complete image artifacts, we need to fuse the image under different voltage.In this paper, first of all, on the basis of gray histogram to extract the effective information area of the engine cylinder head, then to study the image fusion method based on the information entropy.The experimental results show that this method can combine the effective information of original image, fully reproduce the structure information of complex component.

Key words:gray histogram; information entropy; image fusion

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3600(2016)06-0018-03

作者簡介:王少杰(1990-)，女，山西朔州人，中北大學碩士研究生，主要從事圖像融合研究.

基金項目：國家自然科學基金(61171179，61227003，61301259)資助項目

收稿日期：2016-01-20