基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统及其控制方法

摘要

一种结构简单、能够实现对角锥型三维断层图像重建质量提升的基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统。技术方案是：其特征在于由具有WIFI无线和以太网连接功能的嵌入式成像和光源控制系统（1）、p型激光器成像光源（2）、二维CCD或CMOS光子检测器以及电脑服务器（5）组成，其中，所述的嵌入式成像和光源控制系统（1）分别与p型激光器成像光源（2）和二维CCD或CMOS光子检测器连接；电脑服务器（5）具有WIFI无线通讯和以太网功能，与光源控制系统（1）通过网络连接。

说明书

技术领域

本发明属于显微CT系统领域，尤其是一种结构简单、能够实现对角锥型三维断层图像重建质量提升的基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统及其控制方法。 

背景技术

目前，普通的CT成像系统不具有用于显微CT的在可视（VIS）波段采用p型激光器增加均匀激光聚集点的几何尺寸的技术。不具有双步重叠式二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波，而只是在背投影（back projection）算出三维断层断面图像f_i(x,y)后，进行一次二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波。存在的问题是：不利于捕捉微小图像信息，影响显微CT图像质量。 

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、能够实现对角锥型三维断层图像重建质量提升的基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统。 

本发明的技术方案是：基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统，其特征在于由具有WIFI无线和以太网连接功能的嵌入式成像和光源控制系统（1）、p型激光器成像光源（2）、二维CCD或CMOS光子检测器以及电脑服务器（5）组成，其中，所述的嵌入式成像和光源控制系统（1）分别与p型激光器成像光源（2）和二维CCD或CMOS光子检测器连接；电脑服务器（5）具有WIFI无线通讯和以太网功能，与光源控制系统（1）通过网络连接，电脑服务器（5）支持GPGPU并行高速处理阵列，含有GPU_1到GPU_N个并行处理器，设计形成个人云计算平台，实现基于p型激光器双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的海量运算和数据处理调用功能。 

所述p型激光器成像光源（2），其光源安装在XYZ-theta四维精密机动平台，具有快进和微调慢进功能。 

基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统的控 制方法，其特征是包括下列步骤： 

步骤（1）：启动X射线源（或其他光源，如VIS激光源)，穿透被测物体，形成角锥型投射(Cone Beam Projection)，然后穿透被测物体，其衰竭后的光线在二维CCD或CMOS光子（photon）检测器上形成图像I2D1(x,y)。 

步骤（2）判断第一2D变换矩阵是否存在，如果存在执行步骤（4），如果不存在执行步骤（3）； 

步骤（3）：采用HARR小波函数，设计用于二维卷积的KxK大小的2D函数矩阵DWT2D1（x,y），用于第一步二维离散HARR函数的小波变换图像增强滤波。然后设计用于第二步二维离散HARR函数的小波变换图像增强滤波的2D函数矩阵DWT2D2（x,y），该DWT2D2（x,y）是通过对DWT2D1（x,y）旋转90度获得的； 

步骤（4）:在二维CCD或CMOS光子检测器上获取的图像I2D1(x,y)上进行DWT2D1（x,y）小波变换处理，获得第一步二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波处理结果I2D2(x,y)，然后执行步骤（5）; 

步骤(5):从图像I2D2(x,y)开始读取位置为第一行的数据，即，读取经过第一步二维离散小波变换处理后的X射线穿透被测物体形成的投影衰竭函数（Xray source projection attenuation function）p_r(a),此函数即I2D2(x_i;y)=p_r(a)，这里i=1，然后执行步骤（6）; 

步骤（6）：判断ID变换是否存在，如果存在执行步骤（8）；如果不存在，则执行步骤（7）； 

步骤(7):设计一维离散HARR函数小波变换图像增强滤波器的Kx1大小的1D离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT1D1（y），然后执行步骤（8）; 

步骤（8）：使用设计的1D离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT1D1（y）对投影衰竭函数p_r(a)小波变换处理，结果存储回到此图像I2D2_DWT(x_i;y)的相应位置x_i,在此x_i=1，然后执行步骤（9）; 

步骤(9):结束对这个第一行位置的投影衰竭函数p_r(a)处理后，使用背投影（back projection）算法，算出在该位置的三维断层图像;即这个断层图像f_1(x,y)构成了第一个三维断层断面，然后执行步骤（10）; 

步骤（10）判断第二次2D变换矩阵是否存在，如果存在执行步骤（12），如果不存在执行步骤（11）； 

步骤(11):设计与第一个KxK正交的KxK的采用二维离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT2D2（x,y），该DWT2D2（x,y）是通过对DWT2D1（x,y）旋转90度获得的； 

步骤（12）：使用步骤（11）设计的二维离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT2D2（x,y）与图像f_1(x,y)进行小波变换处理，获得第二步二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波处理结果，从而完成在此x_i=1位，然后执行步骤（13）； 

步骤(13):判断是否完成了所有行第二次2D变换，如果没有则执行步骤（5），继续从CCD或CMOS光子检测器形成的图像I2D2(x,y)一行一行读取数据，并进行步骤(5)中这样的变换，如果完成所有行的第二次2D变换,至此基于p型激光器的双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT成像完毕。 

本发明的效果是：本发明为基于p型激光器的双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统，采用p型激光器成像系统获得原始角锥投影数据后，使用双步重叠正交二维离散小波HARR函数图像增强滤波，辅之以一维离散HARR函数小波变换滤波再处理，从而实现对角锥型三维断层图像重建质量的提升。本系统的技术创新点在于：一、在可视（VIS）波段采用了p型激光器增加均匀激光聚集点的几何尺寸，解决了激光成像器聚集点过小造成的视点过小的局限性；二、设计了双步重叠式二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波，辅之以一维离散HARR函数小波变换滤波再处理技术，捕捉了微小图像信息，形成了质量改善的显微CT图像。同时本系统采用了GPGPU并行处理技术，大幅缩短了双步重叠式二维离散小波处理和一维离散小波辅助再处理的运算时间，提高了图像特征信息各个不同尺度的捕捉，优化了成像，改进了现有显微CT系统，使其可以对一类被测微观物体更为有效地进行三维断层扫描成像。 

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图； 

图2是图1中成像和光源控制系统的电路原理图； 

图3是本发明工作原理框图。 

具体实施方式

图1中，基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统，由具有WIFI无线和以太网连接功能的嵌入式成像和光源控制系统1、p型激光器成像光源2、二维CCD或CMOS光子检测器以及电脑服务器5组成，其中，所述的嵌入式成像和光源控制系统1分别与p型激光器成像光源2和二维CCD或CMOS光子检测器连接；电脑服务器5具有WIFI无线通讯和以太网功能，与光源控制系统1通过网络连接，电脑服务器（5）支持GPGPU并行高速处理阵列，含有GPU_1到GPU_N个并行处理器，设计形成个人云计算平台，实现基于p型激光器双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的海量运算和数据处理调用功能。p型激光器成像光源（2），其光源安装在XYZ-theta四维精密机动平台，具有快进和微调慢进功能，在嵌入式成像和光源控制系统1的控制下工作，从而达到其四维坐标可自动控制调整，本光源投送方式形成了角锥状投影(CONE Projection)。 

图中3为被测三维物体，该三维被测物体被安装在第二个XYZ-theta四维精密机动平台，从而达到其四维坐标可自动控制调整。 

图2为系统成像原理示意。图中21为型激光器组成的成像光源S，本光源投送方式形成了角锥状投影(CONE Projection)，如22所示投影边界；23是二维CCD或CMOS光子（photon）检测器的俯视图，该平面在此视角下成为直线，该检测器输出形成数字图像I2D1(x,y)；24为在二维CCD或CMOS光子检测器上获取的图像I2D1(x,y)，在该图像上使用设计的KxK的二维离散HARR函数DWT2D1（x,y）的小波变换图像，获得增强滤波处理结果，即，I2D2(x,y)=DWT2D1（x,y）*I2D1(x,y)*[DWT2D1（x,y）]^t，(注：[.]^t为矩阵旋转90度操作），然后在此图像上逐行读取数据，即，读取经过第一步小波变换处理后的被穿透成像物体形成的投影衰竭函数（X ray source projectionattenuation function）p_r(a),此函数即I2D2(x_i;y)=p_r(a)；25为经过第一步小波变换处理后的被穿透成像物体形成的投影衰竭函数p_r(a),即I2D2(x_i;y)=p_r(a)示意。然后使用设计的一维离散HARR函数小波变换图像增强滤波器DWT1D1（y）对投影衰竭函数进行处理，即，I2D2_DWT(x_i;y)=DWT1D1（y）*I2D2(x_i;y),其结果存储回到此图像I2D2_DWT(x_i;y)的相应位置x_i。26是完成投影衰竭函数处理后，使用背投影（back projection）算法，算出在该位置的三维断层图像的处理运算系统，该处理的结果是f_i(x,y)，构成了在第i个位置的三维断层断面图像。27为使用与第一个KxK正交的第二个KxK小波变换矩阵DWT2D2（x,y）与图像f_i(x,y)进行小波变换处理，获得第二步二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波处理结果 f_1DWT(x,y)=DWT2D2（x,y）*f_1(x,y)*[DWT2D2（x,y）]^t，从而完成了双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT成像。 

图3中，基于p型激光器正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT系统的控制方法，其特征是包括下列步骤： 

步骤（1）：启动X射线源（或其他光源，如VIS激光源)，穿透被测物体，形成角锥型投射(Cone Beam Projection)，然后穿透被测物体，其衰竭后的光线在二维CCD或CMOS光子（photon）检测器上形成图像I2D1(x,y)。 

步骤（2）判断第一2D变换矩阵是否存在，如果存在执行步骤（4），如果不存在执行步骤（3）； 

步骤（3）：采用HARR小波函数，设计用于二维卷积的KxK大小的2D函数矩阵DWT2D1（x,y），用于第一步二维离散HARR函数的小波变换图像增强滤波。然后设计用于第二步二维离散HARR函数的小波变换图像增强滤波的2D函数矩阵DWT2D2（x,y），该DWT2D2（x,y）是通过对DWT2D1（x,y）旋转90度获得的； 

步骤（4）:在二维CCD或CMOS光子检测器上获取的图像I2D1(x,y)上进行DWT2D1（x,y）小波变换处理，获得第一步二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波处理结果I2D2(x,y)，然后执行步骤（5）; 

步骤(5):从图像I2D2(x,y)开始读取位置为第一行的数据，即，读取经过第一步二维离散小波变换处理后的X射线穿透被测物体形成的投影衰竭函数（Xray source projection attenuation function）p_r(a),此函数即I2D2(x_i;y)=p_r(a)，这里i=1，然后执行步骤（6）; 

步骤（6）：判断ID变换是否存在，如果存在执行步骤（8）；如果不存在，则执行步骤（7）； 

步骤(7):设计一维离散HARR函数小波变换图像增强滤波器的Kx1大小的1D离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT1D1（y），然后执行步骤（8）; 

步骤（8）：使用设计的1D离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT1D1（y）对投影衰竭函数p_r(a)小波变换处理，结果存储回到此图像I2D2_DWT(x_i;y)的相应位置x_i,在此x_i=1，然后执行步骤（9）; 

步骤(9):结束对这个第一行位置的投影衰竭函数p_r(a)处理后，使用背投影（back projection）算法，算出在该位置的三维断层图像;即这个断层图像f_1(x,y)构成了第一个三维断层断面，然后执行步骤（10）; 

步骤（10）判断第二次2D变换矩阵是否存在，如果存在执行步骤（12），如果不存在执行步骤（11）； 

步骤(11):设计与第一个KxK正交的KxK的采用二维离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT2D2（x,y），该DWT2D2（x,y）是通过对DWT2D1（x,y）旋转90度获得的； 

步骤（12）：使用步骤（11）设计的二维离散HARR函数的小波变换函数矩阵DWT2D2（x,y）与图像f_1(x,y)进行小波变换处理，获得第二步二维离散HARR函数小波变换图像增强滤波处理结果，从而完成在此x_i=1位，然后执行步骤（13）； 

步骤(13):判断是否完成了所有行第二次2D变换，如果没有则执行步骤（5），继续从CCD或CMOS光子检测器形成的图像I2D2(x,y)一行一行读取数据，并进行步骤(5)中这样的变换，如果完成所有行的第二次2D变换,至此基于p型激光器的双步重叠式正交二维离散小波HARR函数图像分析的显微CT成像完毕。