喬運(yùn)偉，劉英杰，李子文

(河北省激光研究所，河北 石家莊 050081)

0 引 言

X射線自1899年被發(fā)現(xiàn)以來得到了廣泛的應(yīng)用，如醫(yī)療、安檢、工業(yè)探傷等領(lǐng)域。目前用于X射線透照數(shù)字成像的器件主要有平板探測(cè)器(FPD)、線陣探測(cè)器(LDA)、X射線CCD(Charge Coupled Device，即電荷耦合器件)相機(jī)等。影響X射線成像質(zhì)量的因素有多種，本文主要分析組成系統(tǒng)的X射線向增強(qiáng)器、CCD相機(jī)和鏡頭對(duì)成像質(zhì)量的影響，根據(jù)噪聲的特點(diǎn)，得出校正方法。

1 像增強(qiáng)器對(duì)成像質(zhì)量的影響分析

本研究的X射線成像系統(tǒng)由X射線像增強(qiáng)器、CCD相機(jī)和光學(xué)鏡頭組成，如圖1所示。X射線透過被測(cè)物照射到像增強(qiáng)器上，像增強(qiáng)器將透過被測(cè)物的不可見X射線轉(zhuǎn)換成可見光，再經(jīng)CCD相機(jī)采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，得到X射線數(shù)字圖像?；谖⑼ǖ腊宓南裨鰪?qiáng)器由光電陰極輸入端、微通道板、熒光屏輸出端三部分組成。X射線入射到像增強(qiáng)器輸入端后激發(fā)光電陰極產(chǎn)生光電子，光電子進(jìn)入微通道板并在微通道內(nèi)進(jìn)行倍增，在加速電場(chǎng)的作用下，倍增的電子轟擊輸出端的熒光屏，使熒光屏發(fā)出可見光[1]。

圖1 X射線數(shù)字成像系統(tǒng)工作原理

像增強(qiáng)器對(duì)成像質(zhì)量的影響可以概括為微通道板內(nèi)的電子倍增隨機(jī)噪聲影響和光電陰極、微通道板、熒光屏的固定不均勻性影響[2]。

光電陰極一般是用具有高X射線接受率和高可見光子產(chǎn)量的碘化銫[3]做成的。本研究的X射線像增強(qiáng)器是直接將碘化銫鍍到微通道板的輸入端面，受鍍膜工藝的限制，很難保證鍍膜厚度的均勻性。碘化銫光電陰極的薄厚差異導(dǎo)致在相同的X射線強(qiáng)度的照射下光電子分布的不均勻。

微通道板是一種由成千上萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的電子倍增通道構(gòu)成的面陣。對(duì)單獨(dú)的微通道來講，由于電子數(shù)目、能量、速度等不確定性因素的存在，電子倍增是一個(gè)隨機(jī)的過程，而每次倍增又會(huì)影響二次電子的發(fā)射[4]。對(duì)于整個(gè)面陣微通道板來講，存在微通道管壁厚度和開口方向的差異性，這種差異性是固定不變的。

受制作工藝的影響，熒光屏上熒光粉厚度和密度空間位置上分布不一致，當(dāng)電子轟擊熒光粉發(fā)光時(shí)，熒光屏就表現(xiàn)出亮度不均勻的現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)缺陷。熒光屏的這種不均勻性也是有規(guī)律的。

2 CCD對(duì)成像質(zhì)量的影響分析

CCD對(duì)成像質(zhì)量的影響可從有光照的像元響應(yīng)不一致性和無光照的暗電流兩方面分析[5]。光照下的像元響應(yīng)不一致性是指在均勻光照射下，各個(gè)像元響應(yīng)靈敏度和有效感光面積的不一致性，主要是與制作CCD芯片時(shí)所用材料的均勻性和工藝過程有關(guān)。這種不一致性是固有存在的。但在光信號(hào)照射下，每個(gè)像元產(chǎn)生的電荷數(shù)目不是一成不變的，而是在一個(gè)平均值的小范圍內(nèi)波動(dòng)，這種微小的波動(dòng)是隨機(jī)的。

CCD暗電流是指在無光照條件下輸出的電流，主要由兩個(gè)部分構(gòu)成[6-8]：(1)熱激發(fā)產(chǎn)生的暗電流噪聲，屬于隨機(jī)噪聲；(2)少子復(fù)合產(chǎn)生的暗電流噪聲，與像元位置有關(guān)，集中在像元缺陷處，當(dāng)像元上的缺陷分布集中時(shí)就會(huì)形成尖峰脈沖且幅值遠(yuǎn)大于熱激發(fā)噪聲。

3 鏡頭對(duì)成像質(zhì)量的影響分析

鏡頭對(duì)成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為漸暈現(xiàn)象。表面亮度均勻的物體，位于光軸上的點(diǎn)進(jìn)入光闌成像的光束比遠(yuǎn)離光軸的點(diǎn)進(jìn)入光闌成像的光束大，這就造成了成像面的光照度從中心向邊緣逐漸減低，圖像中出現(xiàn)從中心到邊緣亮度逐漸變暗的現(xiàn)象[9]。這種由于光學(xué)系統(tǒng)通光量不同造成的光學(xué)現(xiàn)象稱為漸暈。鏡頭漸暈與鏡頭本身的參數(shù)有關(guān)[10]，與光照強(qiáng)度和光照時(shí)間無關(guān)。

4 系統(tǒng)校正

X射線像增強(qiáng)器、CCD相機(jī)以及光學(xué)鏡頭對(duì)成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)為圖像亮度均勻性差且噪聲大，對(duì)比度低。通過以上分析，系統(tǒng)噪聲可以分成隨機(jī)噪聲和固有不均勻噪聲，因此本研究從這兩方面進(jìn)行系統(tǒng)的非均勻校正。

4.1 隨機(jī)噪聲校正

X射線圖像中的噪聲很大一部分是隨機(jī)噪聲，在實(shí)際應(yīng)用中，這種噪聲疊加到信號(hào)上，屬于加性噪聲，可通過幀平均的方法來減小影響[11]。假設(shè)各圖像中的隨機(jī)噪聲是相互獨(dú)立的，則圖像可看做是理想的有用信號(hào)和噪聲信號(hào)的疊加。

g(x,y)=f(x,y)+n(x,y)

(1)

其中，f(x,y)表示圖像中的有用信號(hào)，n(x,y)表示圖像中的隨機(jī)噪聲信號(hào)。K幀圖像疊加平均后的結(jié)果如式(2)。

(2)

用圖像的信噪比來衡量圖像幀平均前后的質(zhì)量變化，信噪比定義如下：

(3)

(4)

(5)

μ表示圖像的各像素平均值，σ表示圖像的標(biāo)準(zhǔn)差，g(x,y)表示圖像g中坐標(biāo)為(x,y)的像素點(diǎn)，M和N代表圖像行數(shù)和列數(shù)。

在X射線管電壓70kV，管電流80μA，焦屏距離330mm的透照條件下，對(duì)鋁鑄件采集透照?qǐng)D像，進(jìn)行幀平均校正。

圖2 幀平均效果對(duì)比

幀平均后的圖像變得光滑，噪聲顆粒度明顯減小，且隨著平均幀數(shù)的增加，圖像的噪聲越小，如圖2所示。在圖像中選取指定位置、指定面積的區(qū)域(100×100像素)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)比平均前后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證明圖像噪聲得到了有效抑制。對(duì)比分析如表1所示。

表1 幀平均對(duì)比分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)幀數(shù)超過一定值時(shí)，幀平均圖像質(zhì)量改善程度下降。以圖像的信噪比變化為依據(jù)，當(dāng)相鄰兩次幀平均圖像的信噪比差別不大時(shí)，就停止圖像幀平均操作，不再進(jìn)行幀累加。

4.2 固有不均勻噪聲的校正

X射線成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一經(jīng)確定，CCD與像增強(qiáng)器的位置關(guān)系及光路系統(tǒng)也就確定了，系統(tǒng)的固有不均勻性隨即確定，為了簡(jiǎn)單和具有通用性，將三者引入的不均勻因素作為整體考慮。

首先，對(duì)多張X射線曝光圖像進(jìn)行幀平均處理，減小系統(tǒng)隨機(jī)噪聲的影響；然后，計(jì)算平均后圖像的空間像素均值(參見式(4))，將此值作為校正標(biāo)準(zhǔn)值，用平均后圖像中的各坐標(biāo)點(diǎn)的像素值除以校正標(biāo)準(zhǔn)值，得到系統(tǒng)固有噪聲校正矩陣。

在得到校正矩陣時(shí)，成像系統(tǒng)前不能放置任何被測(cè)物，調(diào)節(jié)X射線機(jī)的管電壓、管電流、CCD積分時(shí)間、焦屏距離等參數(shù)，確保輸出圖像的均值在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，不能過曝或欠曝。校正矩陣可以用式(6)表示：

(6)

透照?qǐng)D像與校正矩陣相乘即得到校正圖像：

g′(x,y)=g(x,y)×H(x,y)

(7)

4.3 系統(tǒng)校正過程

在對(duì)透照系統(tǒng)進(jìn)行校正時(shí)，先連續(xù)采集K幀圖像，進(jìn)行圖像的幀平均操作，濾除系統(tǒng)隨機(jī)噪聲的影響，然后再對(duì)平均后圖像進(jìn)行非均勻校正。X射線成像系統(tǒng)校正過程見下式：

(8)

其中，g′(x,y)表示校正后圖像，H(x,y)表示校正矩陣。

本研究設(shè)定管電壓60kV，管電流80μA，積分時(shí)間500ms，焦屏距離330mm，設(shè)定均值范圍7500～8500(16bit灰度圖像)，連續(xù)采集曝光圖像32張，得到不均勻校正矩陣H。然后在成像系統(tǒng)前放置被測(cè)物，采集透照?qǐng)D像。邊采集邊進(jìn)行幀平均，計(jì)算平均后圖像的信噪比，當(dāng)相鄰兩次幀平均圖像信噪比的差值在5%以內(nèi)時(shí)，停止圖像采集和幀疊加操作。分別采集鋁鑄件透照?qǐng)D像16幅，像質(zhì)計(jì)透照?qǐng)D像10幅，進(jìn)行校正前后的對(duì)比分析。

圖3 系統(tǒng)校正前后圖像

從圖3可以看出，系統(tǒng)校正前圖像左側(cè)上下角較亮，其他區(qū)域較暗；校正后，圖像亮度不均勻性得以修正，系統(tǒng)固有的斑點(diǎn)也被消除，達(dá)到了一個(gè)較好的視覺效果。

計(jì)算校正前后圖像的對(duì)比度，如表2所示，相對(duì)于校正前，校正后的圖像對(duì)比度有了顯著的提高。圖像對(duì)比度定義如下：

(9)

其中，Gmax表示圖像的最大值，Gmin表示圖像的最小值。

表2 校正前后的圖像對(duì)比度

5 結(jié)束語(yǔ)

X射線成像系統(tǒng)的各組件中存在隨機(jī)噪聲和固有噪聲，影響了系統(tǒng)的成像質(zhì)量，而這些噪聲可通過軟件校正。分析了各組件對(duì)成像質(zhì)量的影響，并針對(duì)這兩類噪聲，采用了隨機(jī)噪聲平均校正，固有不均勻噪聲合并校正的方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)經(jīng)校正后均勻性有較大改善，成像質(zhì)量得到顯著提高。