基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法及系统

摘要

本发明属于CT校正技术领域，特别涉及一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法及系统，获取纳米CT扫描的正常投影数据，并基于纳米CT扫描的参数通过局部角度旋转获取参考投影数据；将局部旋转角度作为参考角度，获取正常投影数据与参考投影数据的Surf描述子，利用Surf描述子提取正常投影数据和参考投影数据的特征点对；通过正常投影数据和参考投影数据两者之间的结构相似性筛选特征点对，依据筛选出的特征点对来计算参考角度投影漂移量；依据投影漂移量对正常投影数据进行亚像素级平移，以实现漂移伪影校正。本发明能够利用Surf描述子和投影的结构相似性(SSIM)准确完成漂移伪影校正，改善图像重建质量，具有较好市场应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于CT校正技术领域，特别涉及一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法及系统。

背景技术

计算机断层扫描(CT)是目前无损构建物体三维结构最有效的手段之一。纳米CT凭借其纳米级分辨率，在地质勘探、文物考古、工业检测等领域得到广泛应用。由于纳米CT的超高分辨率，其对机械结构和外部环境的要求更高。在纳米CT的扫描过程中，外部环境的微小变化(如振动、温度等)会影响物体支架和纳米CT机械结构的相对位置，造成投影之间的失准，最终重建结果包含严重的漂移伪影。漂移伪影严重降低图像质量，损失纳米CT的实际空间分辨率。因此纳米CT的漂移伪影是亟需解决的问题。漂移伪影的校正方法主要分为参考扫描法、自校正法两类。参考扫描法通过额外的扫描信息(如参考标记、辅助体模等)加入额外的投影信息校正失准投影。自校正法利用被扫描物体的投影构建目标函数对齐投影。由于纳米CT需要高放大比，目前基于辅助体模的参考扫描法在纳米CT中很难实现，而自校正法在漂移过大时精度不足。

发明内容

为此，本发明提供一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法及系统，能够利用Surf描述子和投影的结构相似性(SSIM)准确完成漂移伪影校正，改善图像重建效果。

按照本发明所提供的设计方案，提供一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，包含如下内容：

获取纳米CT扫描的正常投影数据，并基于纳米CT扫描的参数通过局部角度旋转获取参考投影数据；

将局部旋转角度作为参考角度，获取正常投影数据与参考投影数据的Surf描述子，利用Surf描述子提取正常投影数据和参考投影数据的特征点对；

通过正常投影数据和参考投影数据两者之间的结构相似性筛选特征点对，依据筛选出的特征点对来计算参考角度投影漂移量；

依据投影漂移量对正常投影数据进行亚像素级平移，以实现漂移伪影校正。

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，基于纳米CT扫描的参数获取正常投影数据后，保持机械参数和曝光时间不变，设置局部旋转角度，对物体进行二次扫描来获取参考投影数据。

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，局部旋转角度在正常投影数据采集旋转步长的基础上进行设置。

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，假设I

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，依据参考投影数据旋转角度，逐对计算各特征点指导漂移量，该指导漂移量包含指导水平漂移量和指导垂直漂移量；根据各特征点对的指导漂移量移动正常投影数据，计算移动后的正常投影数据和参考投影数据之间用于利用图像灰度值衡量图像相似程度的结构相似性；依据结构相似性大小排序，选取满足条件的特征点对作为筛选结果。

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，特征点指导漂移量计算公式表示为：

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，针对筛选得到的投影漂移量，利用其均值作为投影伪影校正的漂移量来进行亚像素级平移。

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，计算参考角度投影漂移量中，还包含：针对无参考投影数据的投影漂移量，利用三次样条差值来进行估算。

作为本发明基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，校正投影数据的亚像素级平移过程表示为：

进一步地，本发明还提供一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正系统，包含：数据收集模块、特征提取模块、特征筛选模块和伪影校正模块，其中，

数据收集模块，用于获取纳米CT扫描的正常投影数据，并基于纳米CT扫描的参数通过局部角度旋转获取参考投影数据；

特征提取模块，用于将局部旋转角度作为参考角度，获取正常投影数据与参考投影数据的Surf描述子，利用Surf描述子提取正常投影数据和参考投影数据的特征点对；

特征筛选模块，用于通过正常投影数据和参考投影数据两者之间的结构相似性筛选特征点对，依据筛选出的特征点对来计算参考角度投影漂移量；

伪影校正模块，用于依据投影漂移量对正常投影数据进行亚像素级平移，以实现漂移伪影校正。

本发明的有益效果：

本发明利用Surf描述子提取正常采集投影和参考投影的特征点对，根据各对特征点的指导漂移移动正常采集投影，利用移动后的投影和参考投影的SSIM筛选特征点，提取SSIM较大的最优特征点对参与漂移的计算，针对无参考投影的角度利用三次样条插值计算漂移，最后利用图像域和DFT变换域的平移关系准确高效地实现图像的亚像素平移。并进一步通过Shepp-Logan头模和实际竹签扫描数据对本案方案进行测试，和未校正数据进行对比，证实本案方案的有效性和抗噪性能，在视觉效果和定量指标均得到了满意的效果，能够实现纳米CT漂移的高精度校正，具有较好的应用前景。

附图说明：

图1为本案纳米CT漂移伪影校正方法流程示意；

图2为实施例中漂移伪影校正流程示意；

图3为实施例中Shepp-Logan头模仿真实验结果示意；

图4为实施例中竹签实际扫描数据校正结果示意。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例，参见图1所示，提供一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，包含如下内容：

S101、获取纳米CT扫描的正常投影数据，并基于纳米CT扫描的参数通过局部角度旋转获取参考投影数据；

S102、将局部旋转角度作为参考角度，获取正常投影数据与参考投影数据的Surf描述子，利用Surf描述子提取正常投影数据和参考投影数据的特征点对；

S103、通过正常投影数据和参考投影数据两者之间的结构相似性筛选特征点对，依据筛选出的特征点对来计算参考角度投影漂移量；

S104、依据投影漂移量对正常投影数据进行亚像素级平移，以实现漂移伪影校正。

首先获取正常采集投影的参考投影，然后提取正常采集投影和参考投影的特征点对，根据各对特征点的指导漂移移动正常采集投影，利用移动后的投影和参考投影的SSIM筛选特征点，提取SSIM较大的4个最优特征点对参与漂移的计算，针对无参考投影的角度利用三次样条插值计算漂移，最后利用图像域和DFT变换域的平移关系实现图像的亚像素平移，实现纳米CT漂移的校正，能够高精度地校正漂移，有效去除重建切片的伪影，实现较好的效果。

作为本发明实施例中基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，基于纳米CT扫描的参数获取正常投影数据后，保持机械参数和曝光时间不变，设置局部旋转角度，对物体进行二次扫描来获取参考投影数据。进一步地，局部旋转角度在正常投影数据采集旋转步长的基础上进行设置。

基于正常采集的纳米CT扫描参数，获取正常采集的投影后，保持纳米CT的扫描参数(包括机械参数、曝光时间)不变，立即对物体进行二次扫描以获取参考投影。参考投影的局部旋转角度决定漂移伪影的校正精度，一般可选择正常采集旋转步长的10倍。

CT的重建是对投影图像反投影计算被扫描物体的衰减系数，当物体和CT结构之间的相对位置关系不稳定时，投影图像在探测器上的位置发生偏离。因此导致纳米CT出现漂移伪影的直接原因是投影间位置关系的失配。本案实施例中，利用获取的参考投影和对应角度的正常投影校正漂移。SURF(Speeded Up Robust Features)是一种稳健的局部特征点检测和描述算法。用I

作为本发明实施例中基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正方法，进一步地，依据参考投影数据旋转角度，逐对计算各特征点指导漂移量，该指导漂移量包含指导水平漂移量和指导垂直漂移量；根据各特征点对的指导漂移量移动正常投影数据，计算移动后的正常投影数据和参考投影数据之间用于利用图像灰度值衡量图像相似程度的结构相似性；依据结构相似性大小排序，选取满足条件的特征点对作为筛选结果。进一步地，针对筛选得到的投影漂移量，利用其均值作为投影伪影校正的漂移量来进行亚像素级平移。进一步地，计算参考角度投影漂移量中，还包含：针对无参考投影数据的投影漂移量，利用三次样条差值来进行估算。

为了剔除原始特征点中的干扰点，使用正常采集投影和参考投影的结构相似性(structural similarity index，SSIM)进一步约束特征点。针对存在参考投影的旋转角度θ，逐对计算各个特征点的指导漂移量，纳米CT扫描过程中的漂移是刚性漂移，指导漂移量可表示为：

shift

shift

，其中shift

筛选后的特征点参与投影漂移量的计算，利用4对筛选特征点的指导漂移量均值作为该旋转角度投影漂移量的估计值。旋转角度为θ的漂移量估计值可表示为：

，其中(x

进一步地，本案实施例中，使用图像域和DFT变换域的平移关系实现投影图像的亚像素级平移。正常采集的投影图像I

其中，(M,N)为正常采集投影的尺寸。

进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种基于Surf特征点匹配的纳米CT漂移伪影校正系统，包含：数据收集模块、特征提取模块、特征筛选模块和伪影校正模块，其中，

数据收集模块，用于获取纳米CT扫描的正常投影数据，并基于纳米CT扫描的参数通过局部角度旋转获取参考投影数据；

特征提取模块，用于将局部旋转角度作为参考角度，获取正常投影数据与参考投影数据的Surf描述子，利用Surf描述子提取正常投影数据和参考投影数据的特征点对；

特征筛选模块，用于通过正常投影数据和参考投影数据两者之间的结构相似性筛选特征点对，依据筛选出的特征点对来计算参考角度投影漂移量；

伪影校正模块，用于依据投影漂移量对正常投影数据进行亚像素级平移，以实现漂移伪影校正。

为验证本案方案有效性，下面结合仿真实验数据做进一步解释说明：

参见图2所示，利用Surf描述子提取正常采集投影和参考投影的特征点对，根据各对特征点的指导漂移移动正常采集投影，利用移动后的投影和参考投影的SSIM筛选特征点，提取SSIM较大的4个最优特征点对参与漂移的计算，针对无参考投影的角度利用三次样条插值计算漂移，最后利用图像域和DFT变换域的平移关系实现图像的亚像素平移。参见图3和4所示的仿真实验和实际扫描数据实验，进一步验证本案方案在保持重建切片细节的基础上，能够有效去除切片边缘的漂移伪影，可较好地实现CT图像重建，保障图像重建质量。

基于上述的系统，本发明实施例还提供一种服务器，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

基于上述的系统，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述的方法。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、系统和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和系统，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述系统的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。