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        基于改進(jìn)Richardson-Lucy算法的中子照相圖像幾何不銳度修正方法研究

        2023-12-27 06:55:24伍華杰甘佺呂永強(qiáng)汪啟宏伍一凡宋婧鳳麟核團(tuán)隊(duì)
        核技術(shù) 2023年12期
        關(guān)鍵詞:中子源圖像復(fù)原中子

        伍華杰 甘佺 呂永強(qiáng) 汪啟宏 伍一凡 宋婧 鳳麟核團(tuán)隊(duì)

        1(中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 合肥 230031)

        2(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026)

        3(中科超睿技術(shù)有限公司 青島 266041)

        4(中子科學(xué)國(guó)際研究院 青島 266199)

        5(山東省中子科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266199)

        中子照相技術(shù)作為一種對(duì)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的手段,因其具有穿透能力強(qiáng)[1]、輕元素靈敏、成分識(shí)別精準(zhǔn)[2]及抗干擾強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),在航天航空[3-4]、鋰電池[5-6]、混凝土建筑和非開(kāi)箱安檢[7]等方面檢測(cè)中都具有不可替代的重要價(jià)值。隨著中子照相技術(shù)的發(fā)展,包括基于反應(yīng)堆、大型加速器、小型加速器和微型中子源等的中子照相系統(tǒng)陸續(xù)投入研發(fā)和市場(chǎng),因此中子照相無(wú)損檢測(cè)具有良好的發(fā)展前景。雖然中子照相系統(tǒng)逐漸向微小型化發(fā)展,但由于基本的成像結(jié)構(gòu)未變,中子照相圖像依然存在幾何不銳度,亟須開(kāi)展關(guān)于幾何不銳度修正的方法研究。

        中子照相圖像幾何不銳度的修正,屬于中子照相圖像的復(fù)原問(wèn)題,且一直是一個(gè)難點(diǎn)。金煒等[8]提出一種基于小波降噪的Richardson-Lucy(wavelet-RL)算法,假設(shè)中子照相圖像中的少量噪聲為高斯白噪聲,采用BivaShrink雙變量去噪模型,刻畫(huà)小波變換后圖像相同位置處不同尺度子帶系數(shù)間的相關(guān)性,顯著提升圖像的去噪性能,從而提高圖像幾何不銳度的修正效果。Souza 等[9-10]提出搖擺曲線(Rocking Curve,RC)的概念,RC 半峰全寬(Full Width at Half Maximum,F(xiàn)WHM)表示幾何不銳度,并采用Richardson-Lucy(RL)算法進(jìn)行復(fù)原,圖像的前景邊緣部分變得更加銳利,但是未考慮γ白斑噪聲(Gamma Spots Noise,GSN)的去除。喬雙等[11]將調(diào)制核引入到正則化RL方法中,提出一種用于中子照相圖像去模糊的方法SK-TV-RL,能夠抑制中子照相圖像弱噪聲的放大,并能復(fù)原圖像中的細(xì)節(jié)信息。Yazid 等[12]對(duì)RTP(PUSPATI TRIGA Mark II)反應(yīng)堆得到的中子照相圖像,采用中值濾波與RL結(jié)合的方法進(jìn)行復(fù)原,然而直接采用中值濾波去除GSN會(huì)損壞圖像前景的全局細(xì)節(jié)與邊緣信息,降低圖像的整體復(fù)原效果。

        目前,有關(guān)幾何不銳度修正的研究大多集中于含有弱噪聲的中子照相圖像,對(duì)于含有強(qiáng)噪聲的中子照相圖像的研究較少,而在采用RL方法修正幾何不銳度的過(guò)程中,中子照相圖像中的GSN難以去除并會(huì)不斷放大,嚴(yán)重影響圖像的質(zhì)量。因此,本文提出一種基于改進(jìn)RL 的中子照相圖像幾何不銳度修正算法,并與以往有關(guān)中子照相圖像的幾何不銳度修正算法作對(duì)比,驗(yàn)證采用改進(jìn)的RL算法進(jìn)行幾何不銳度修正的效果。

        本文采取的方法主要分為兩個(gè)過(guò)程:第一步是根據(jù)中子照相圖像的幾何不銳度,對(duì)用于表示幾何不銳度的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(Point Spread Function,PSF)建立數(shù)學(xué)模型;第二步是結(jié)合第一步得出的PSF,采用改進(jìn)的RL 方法對(duì)圖像中的前景邊緣細(xì)節(jié)進(jìn)行復(fù)原,以達(dá)到更好的幾何不銳度修正效果,提升圖像的分辨率。

        1 中子照相圖像復(fù)原方法

        實(shí)際上,中子照相系統(tǒng)只能獲取到降質(zhì)后的中子照相圖像,可以大致將中子照相圖像的降質(zhì)過(guò)程描述為一個(gè)離散線性系統(tǒng)[13]:

        式中:Idegraded表示降質(zhì)中子照相圖像;I表示原始清晰中子照相圖像;k表示PSF;n表示加性噪聲;*為卷積。中子照相圖像的復(fù)原需要同時(shí)考慮PSF和加性噪聲,既要準(zhǔn)確估計(jì)PSF,也應(yīng)盡可能地去除加性噪聲的干擾。

        本文提出的方法中,首先根據(jù)中子源出口到像探測(cè)器的距離、中子源出口直徑和被檢品中心到像探測(cè)器的距離,精準(zhǔn)地估計(jì)出中子照相圖像的PSF,然后根據(jù)中子照相圖像中GSN的特點(diǎn),提出一種改進(jìn)的RL(improved-RL)算法。算法總體流程如圖1所示。

        圖1 算法總體流程圖Fig.1 Block diagram of the improved-RL algorithm

        1.1 中子照相圖像的PSF估計(jì)

        一般地,中子照相圖像的PSF 估計(jì)分為三個(gè)過(guò)程:第一步是計(jì)算中子照相圖像的幾何不銳度;第二步是為PSF 選擇合適的分布模型;第三步是根據(jù)幾何不銳度和分布模型估計(jì)出PSF。

        通常情況下,在中子照相系統(tǒng)中,通過(guò)中子源出口的中子束穿過(guò)被檢品某點(diǎn)后,在像探測(cè)器處會(huì)產(chǎn)生一圓形光斑,如圖2 所示。其中,E表示被檢品邊緣上的點(diǎn),C表示被檢品的中心點(diǎn)。該圓形光斑被稱為幾何不銳度,其直徑大小一般為[14]:

        圖2 中子照相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of the neutron imaging system

        式中:L表示中子源出口到像探測(cè)器距離;D表示中子源出口直徑;d為被檢品中心到像探測(cè)器的距離。

        與X 射線衍射場(chǎng)相似,中子源各點(diǎn)處發(fā)射的中子束強(qiáng)度分布形狀為RC[15]。同理,所有穿過(guò)被檢品邊緣某一點(diǎn)后的中子束強(qiáng)度分布形狀也為RC。將RC 的FWHM 表示為中子照相圖像的幾何不銳度G[8]。如圖3所示,其中,W表示RC的FWHM。用于表示PSF 的函數(shù)模型包括高斯分布[16]、柯西分布[12,17]等。本文采用二維柯西分布模型來(lái)表示PSF,表達(dá)式為:

        圖3 搖擺曲線示意圖Fig.3 Sketch of the rocking curve

        式中:Cauchy(x,y)表示二維柯西分布函數(shù);ξ表示為分散度參數(shù)。幾何不銳度G與參數(shù)ξ的關(guān)系為:

        G確定后,根據(jù)式(4)可得參數(shù)ξ的值,代入式(3)中可得表示中子照相圖像的PSF。

        1.2 改進(jìn)的RL算法

        RL 算法是Richardson 和Lucy 提出的一種非盲反卷積圖像復(fù)原方法,算法表達(dá)式如式(5)所示:

        式中:It表示第t次迭代的結(jié)果;k表示PSF;kT表示k在水平方向的翻轉(zhuǎn)。

        由于照相得到的中子照相圖像中存在灰度值較高的GSN,若直接采用RL算法進(jìn)行復(fù)原,得到的復(fù)原圖像會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振鈴效應(yīng)。因此,建立如下數(shù)學(xué)模型:

        式中:γ(·)為被GSN 污染的區(qū)域,γ?(·)為未被GSN 污染的區(qū)域,在該數(shù)學(xué)模型下需要檢測(cè)出所有的γ(·)。由于GSN具有孤立性,可采用拉普拉斯算子檢測(cè)出γ(·),并配合中值濾波去除γ(·)內(nèi)的GSN,具體方法如式(7)所示:

        式中:M(·)表示中值濾波;U(x,y)表示點(diǎn)(x,y)的鄰域;?2Idegraded(x,y)表示Idegraded二階梯度之和;T為指定閾值。

        上述過(guò)程只會(huì)對(duì)含有GSN 的區(qū)域進(jìn)行去噪處理,即使在多次使用的情況下,仍然不會(huì)損壞圖像中的高頻信息。因此,將以上步驟引入到RL 算法中,以對(duì)圖像復(fù)原過(guò)程中的振鈴效應(yīng)進(jìn)行抑制。改進(jìn)的RL算法的表達(dá)式為:

        改進(jìn)的RL 算法在中子照相圖像反卷積前對(duì)GSN進(jìn)行去除,抑制因GSN產(chǎn)生的振鈴效應(yīng)。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

        本文中子照相系統(tǒng)的中子源類型為熱中子(能量區(qū)間為0.005~0.5 eV),成像端采用LiF 轉(zhuǎn)換屏和電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)結(jié)合的數(shù)字成像方式。其中,該CCD 相機(jī)為Atik Infinity Camera,分辨率為1 392×1 040。為降低CCD相機(jī)的暗電流,將CCD相機(jī)放置于密封的真空箱內(nèi),溫度降至-10 ℃。另外,在真空箱外包裹一層鉛屏蔽層以防止中子束或次級(jí)粒子的輻射。本文選取線對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[18-19],線對(duì)樣品實(shí)物如圖4 所示。線對(duì)樣品擁有多組粗細(xì)不同的線狀區(qū)域,有利于檢測(cè)中子照相系統(tǒng)的分辨率。

        圖4 線對(duì)樣品實(shí)物圖Fig.4 Photograph of the line-pair sample

        首先,測(cè)量中子照相系統(tǒng)的參數(shù)值,得到中子源出口到像探測(cè)器距離L與中子源出口直徑D的比值,即L/D=80,被檢品中心到像探測(cè)器的距離d=2 cm,轉(zhuǎn)換屏大小為20 cm×20 cm。拍照方式設(shè)置為單次曝光,曝光300 s后記錄并保存圖像。由于保存后的圖像尺寸較大,且線對(duì)樣品的特征信息主要集中在圖像的中心區(qū)域,需要進(jìn)行裁剪,裁剪后的圖像尺寸為512 pixel×512 pixel;然后根據(jù)式(2)計(jì)算出中子照相圖像的幾何不銳度,再根據(jù)式(3)、(4)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的PSF;最后對(duì)線對(duì)中子照相圖像分別采用RL 算法、小波降噪RL算法、調(diào)制核正則化RL算法、文獻(xiàn)[12]方法和本文改進(jìn)的RL算法進(jìn)行圖像復(fù)原,并繪制復(fù)原后圖像的行灰度曲線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出,相對(duì)于RL 算法、小波降噪RL 算法和調(diào)制核正則化RL 算法,經(jīng)本文改進(jìn)的RL算法處理后,復(fù)原后圖像噪聲的波動(dòng)幅度明顯減?。幌鄬?duì)于文獻(xiàn)[12]方法,復(fù)原后圖像行灰度曲線的峰谷值更大、波峰更窄,幾何不銳度修正程度有較大的提升。

        圖5 線對(duì)樣品的中子照相圖像、復(fù)原結(jié)果與對(duì)應(yīng)的行灰度曲線圖(a) 原始中子照相圖像,(b) RL算法,(c) 小波降噪RL,(d) 調(diào)制核正則化RL,(e) 文獻(xiàn)[12]方法,(f) 本文方法,(g) 原始中子照相圖像對(duì)應(yīng)行灰度曲線圖,(h) RL算法對(duì)應(yīng)行灰度曲線圖,(i) 小波降噪RL對(duì)應(yīng)行灰度曲線圖,(j) 調(diào)制核正則化RL對(duì)應(yīng)行灰度曲線圖,(k) 文獻(xiàn)[12]方法對(duì)應(yīng)行灰度曲線圖,(l) 本文方法對(duì)應(yīng)行灰度曲線圖Fig.5 Neutron photographic image of line-pair sample, restored results and corresponding line grey profile(a) Original neutron photographic image, (b) RL algorithm, (c) Wavelet-RL, (d) SK-TV-RL, (e) Method in Ref.[12], (f) Our method,(g) Corresponding line grey profile of original neutron photographic image, (h) Corresponding line grey profile of RL algorithm, (i)Corresponding line grey profile of wavelet-RL, (j) Corresponding line grey profile of SK-TV-RL, (k) Corresponding line grey profile of method in Ref.[12], (l) Corresponding line grey profile of our method

        為客觀衡量幾何不銳度修正效果,通過(guò)無(wú)參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)平均梯度(Average Gradient,AG)和空間頻率(Spatial Frequency,SF)對(duì)中子照相圖像復(fù)原質(zhì)量進(jìn)行分析,如表1 所示。其中,AG 可以反映圖像中前景信息的紋理變化特征,SF能夠反映圖像的整體活躍程度,均可衡量圖像的清晰程度。

        表1 文獻(xiàn)[12]方法和改進(jìn)的RL算法復(fù)原圖像后的平均梯度和空間頻率Table 1 AGs and SFs of restored images based on the algorithm presented in Ref.[12] and improved-RL algorithm

        AG的定義如下:

        式中:M和N分別表示圖像的寬度和高度;D為梯度算子。

        SF的表達(dá)式如下:

        一般來(lái)說(shuō),AG和SF值越大,表明圖像的前景紋理層次越多、信息結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。圖5中可看出,原始中子照相圖像、經(jīng)RL算法、小波降噪RL算法和調(diào)制核正則化RL 算法復(fù)原后的中子照相圖像仍然存在大量的GSN,而當(dāng)圖像中存在較多的GSN 時(shí),指標(biāo)會(huì)異常增大,影響AG 和SF 對(duì)圖像前景信息復(fù)原效果的判定,因此,只計(jì)算文獻(xiàn)[12]方法和本文方法復(fù)原后圖像的AG和SF指標(biāo),如表1所示。

        從表1可以看出,與文獻(xiàn)[12]方法相比,經(jīng)過(guò)本文提出的算法復(fù)原后,線對(duì)中子照相圖像AG 和SF值分別提高了60.23%和29.90%,圖像銳度有明顯的提升。

        因此,通過(guò)結(jié)合圖5 和表1 的結(jié)果可看出,本文中改進(jìn)的RL 算法相比于RL 算法、小波降噪RL 算法和調(diào)制核正則化RL 算法,能抑制GSN 在中子照相圖像復(fù)原過(guò)程中產(chǎn)生的振鈴效應(yīng),更有利于圖像前景細(xì)節(jié)信息的復(fù)原;相比于文獻(xiàn)[12]方法,有更好的幾何不銳度修正效果。

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文提出了一種基于改進(jìn)RL 的中子照相圖像幾何不銳度修正算法對(duì)幾何不銳度進(jìn)行修正。通過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算表示幾何不銳度的PSF,結(jié)合改進(jìn)的RL算法,修正了因幾何不銳度引起的圖像降質(zhì),同時(shí)避免了GSN對(duì)圖像復(fù)原過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文提出的方法可以獲得高質(zhì)量的復(fù)原圖像,能夠進(jìn)行高質(zhì)量的中子照相無(wú)損檢測(cè),對(duì)提升中子照相系統(tǒng)的檢測(cè)效率與精度意義重大。

        作者貢獻(xiàn)聲明伍華杰負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的獲取、算法的設(shè)計(jì)、程序的編寫、文章的編寫與修訂;甘佺負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建、文章的編寫與修訂;呂永強(qiáng)提供部分算法思路、文章的修訂;汪啟宏負(fù)責(zé)提供部分算法思路;伍一凡負(fù)責(zé)驗(yàn)證算法的正確性;宋婧負(fù)責(zé)提供實(shí)驗(yàn)裝置的指導(dǎo)。

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