基于成像比例一致的通道式安檢設備形變圖像校正方法

孔維武 董明文

摘要：針對通道式X射線安檢設備采集圖像存在的形變問題，設計了一種基于成像比例一致原則的形變圖像自動校正方法，包括以下步驟：首先，根據設備探測器數量與通道尺寸，計算設備標準像素投影距離;然后，計算每個探測器對應通道實際投影距離;接著，根據探測器實際投影距離與標準像素投影距離間的比例關系，計算校正圖像中每個像素與實際圖像映射像素組;最后，利用此映射像素組對應像素灰度值，插值計算出校正圖像對應位置灰度值，完成形變圖像校正過程。試驗結果表明，方法有效地改善了圖像形變現象，且對不同通道尺寸、不同源探關系設備形變圖像校正具有通用性。

關鍵詞：圖像校正;圖像形變;X射線圖像;安全檢查

中圖分類號：TL816.1;TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0091-03

0 引言

通道式X射線安全檢查設備中，由于射線源源心到探測器位置、源心到設備通道位置、設備通道到探測器位置三者間的距離變化較大，使采集到的圖像在通道不同位置縮放程度不一致，導致物體輪廓發生形變，與實際物體形狀存在一定視覺差異[1]。

具體表現為：同樣大小的物體，放置在通道距離射線源近的位置，其在圖像中呈現的尺寸比放置在距離射線源遠的位置要大，從而使物體圖像產生扭曲形變。這種情況容易對安檢人員產生誤導，影響判讀結果。

一直以來，解決此類問題的方法，大多依靠人工交互方式生成CAD（Central Address Distribution）表，通過查詢此表對原始采集圖像進行變換，改善圖像形變程度。人工方法費時費力，且圖像校正效果與設計人員經驗以及設備型號有關。

為此，本文設計了一種基于通道成像比例一致原則的通道式安檢設備形變圖像自動校正方法[2]，即一種安檢形變矯正CAD表自動生成方法。

1 方法實現方案

一種基于通道成像比例一致原則的通道式安檢設備形變圖像自動校正方法的主要思想是：首先根據設備探測器數量與通道尺寸，計算出設備標準像素投影距離;然后根據探測板、通道與射線源源心位置，計算每個探測器對應通道實際投影距離;接著，根據探測器實際投影距離與標準像素投影距離的比例關系，計算出校正圖像中每個像素與實際圖像的映射像素（組），進而利用此映射像素（組）對應像素灰度值，插值或映射計算出校正圖像對應位置灰度值。

方法主要步驟包括：

（1）源探通道坐標系建立與源探位置計算;

（2）標準像素投影距離與每個探測器對應通道實際投影距離計算;

（3）探測器投影比累計和計算;

（4）校正圖像與原始圖像映射像素（組）計算;

（5）插值計算或直接映射對圖像進行校正。

下面以圖1所示虛擬設備為例，詳細說明算法各步驟的設計流程。

為便于方法描述，設圖1所示設備通道尺寸為12個長度單位，設備探測器個數為12個。

方法具體流程如下：

第一步，源探通道坐標系以通道底部中間位置為原點，通道水平方向設為x軸，豎直方向設為y軸，通過設備結構尺寸與源探布局位置可以計算出射線源及探測器在虛擬坐標系中的位置[1]。

第二步，計算標準像素投影距離L，L定義為：

圖1所示虛擬設備中L=1;每個探測器在通道中的實際投影距離可以通過簡單的數學方法計算出，如表1所示。為方便起見，探測器序號與圖1中所示探測器位置相似，均為由右向左遞增。

第三步，首先計算設備中每個探測器的投影比，探測器投影比定義為：

探測器投影比 = 探測器通道投影距離/標準像素投影距離L

由于圖1所示虛擬設備中L=1，探測器投影比與投影距離值相同;接著，計算投影比累計和，如表1中，按照由右自左的順序計算出各個探測器的投影比累積和，如表2所示。

以探測器位置4、10、12為例，說明投影比累計和的物理意義：探測器位置4處的投影比累計和為2.81，其物理意義是，理想矯正圖像中，在第2.81個像素位置，其灰度值與原始圖像中第4個像素灰度值相同;探測器位置10處的投影比累計和為7.97，其物理意義是，理想矯正圖像中，在第7.97個像素位置，其灰度值與原始圖像中的第10個像素灰度值相同;同理，探測器位置12處的投影比累計和為12.0，其物理意義是，理想的矯正圖像中，在第12.0個像素位置，其灰度值與原始圖像中的第12個像素相同。

第四步，矯正圖像與原始圖像映射計算，這是方法的核心步驟。

觀察表2，投影比累積和的物理意義就反映了矯正圖像中的各個像素位置與原始圖像中各個像素（組）之間的映射關系。仍然以探測器位置4、5為例，說明投影比累計和的物理意義：探測器位置4處值為2.81，其物理意義是，理想矯正圖像中的第2.81個像素，其與原始圖像中第4個像素存在完全的映射關系;探測器位置5處值為3.48，其物理意義是，理想矯正圖像中的第3.48個像素，其與原始圖像中第5個像素存在完全的映射關系;反過來說，理想矯正圖像中的第3個像素，位于理想矯正圖像中第2.81至3.84個像素之間，也就是位于原始圖像的第4、5個像素之間，那么，以下兩組數據就存在了線性映射關系：

2.81—3.0—3.84與4—J（3）—5

其中，J（3）表示理想矯正圖像中第3個像素對應的原始圖像中的位置，

J（3）=（3-2.81）/（3.84-2.81）×（5-4）+4=4.18

也就是說，理想矯正圖像中第3個像素對應的原始圖像中的第4.18個像素，不難理解，此時，矯正圖像中第3個像素可以通過原始圖像中的第4、5個像素插值得出，如下式所示：

Ajs（4）=0.18×Ori（4）+（1-0.18）×Ori（5）

按照上述思路，能夠獲得完整的理想矯正圖像與原始圖像之間的相關像素之間的插值關系。

第五步，對原始圖像進行矯正計算，矯正圖像通過插值的方式計算出對應像素灰度。

2 試驗驗證

以FISCAN某款設備采集圖像為例，給出本文方法的校正結果。

圖2給出了一塊厚鋼板傾斜放置于傳送帶采集圖像校正前后的結果。其中，圖2（a）為未校正圖像，可以看出，原本呈規則矩形的鋼板在圖2（a）中彎曲形變嚴重，安檢人員很難通過圖像判斷出被檢物體的原始形狀;圖2（b）為利用本文方法獲得的校正圖像，容易看出，圖像中鋼板彎曲現象得到了有效校正，圖像觀察效果與鋼板實際視覺效果吻合良好，由于采用了數據插值計算，在鋼板邊界附近灰度過渡柔和，沒有明顯的鋸齒痕跡。

圖3所示圖像，通過采集表面放置若干相同規格金屬墊片的矩形有機玻璃板獲得。圖3（a）為原始圖像，由于圖像存在形變，圖像左側金屬墊片呈現扁長橢圓形，右側金屬墊片呈現瘦長橢圓形，均與實際墊片圓形形狀差異較大;圖3（b）為利用本文方法獲得的校正圖像，觀察可見，圖像中的金屬墊片形變現象都得到了有效校正，這是由于，本文方法通過通道成像比例一致原則進行設計，因而在通道底面附近任意位置都能保證比較理想的校正效果。

3 結論

為改善通道式X射線安檢設備的圖像形變現象，提高安檢人員判讀圖像的準確性，本文在形變圖像校正方法方面展開研究，設計了一種基于通道成像比例一致原則的通道式安檢設備形變圖像校正方法，將校正過程分為源探通道坐標系建立與源探位置計算、標準像素投影距離與探測器對應通道實際投影距離計算、探測器投影比累計和計算、校正圖像與原始圖像映射像素（組）計算、插值計算或直接映射圖像校正五部分進行。

試驗結果表明，經過本文方法處理后，通道式安檢設備圖像形變現象得到有效改善，經過校正后的圖像與實際視覺觀察效果吻合良好，為安檢人員判讀圖像及進一步圖像分析提供了良好基礎。

參考文獻

[1] 成經國，楊立瑞，陳學亮.多視角X射線安檢模擬系統[J].警察技術，2007（5）：48-50.

[2] 陳俊，楊立瑞，孔維武，等.多視角X射線內部結構不均勻物品密度探測新方法[J].科學技術與工程，2016（4）：231-236.