基于图形处理器的锥束CT快速迭代重建算法

提出了一种基于图形处理器实现的锥束CT图像迭代重建算法.该算法将三维纹理作为被重建物体的离散模型,基于射线投射方法实现了锥束CT的正投影计算;通过反向逐层映射到三维纹理实现了反投影计算;采用多纹理融合等技术完成了图像校正和投影校正.与经典的TMA-SART算法比较,作者算法运算速度快,占用显存少,支持全浮点精度运算,且易于在算法中添加先验知识和约束条件.通过对Shepp-Logan模型的图像迭代重建实验,验证了该算法的优势.     

时间相位解包裹方法在三维形貌测量系统中的应用

将广义时间相位解包裹方法和影栅方法相结合,设计实现了一种基于时间相位解包裹方法的三维形貌测量系统。首先采集投影物体表面上的调制影栅图案,然后使用时间相位解包裹方法获取影栅图被调制前后的解包裹相位差图,据此重建物体三维形貌。给出了相位求解的原理及实现流程,进行了实验测试。实测结果表明,系统能够高效率、高精度地重建物体表面形貌。     

多角度倾斜光调制下的相位恢复技术

基于强度传输方程的非干涉相位恢复技术可以通过求解方程从强度测量中计算出丢失的相位信息.但在实际成像中,成像系统中透镜孔径的限制会对恢复相位的分辨率产生一定的影响.为此,文中将倾斜光照的思想引入到基于强度传输方程的相位恢复中,在空间光调制器上加载调制函数,将平面波以不同的波矢倾斜入射到物体上,使透镜孔径的通带覆盖不同的频率空间.对这些通带所覆盖的场进行求和,从而获得具有更大通带的合成场,以提高系统在高频领域的成像能力.分别构建了基于4f和单透镜的多角度倾斜光调制系统,并由系统采集的强度图像结合强度传输方程求解出相位结果.实验结果表明,文中提出的方法在有效提高恢复相位分辨率的同时保证了恢复相位的精度.     

一种从明暗恢复形状的快速黏性解算法

针对传统的从明暗恢复形状(SFS)算法存在误差大、耗时长的问题,提出了一种SFS的快速黏性解算法(PSFS-FVS).首先假定物体表面反射模型为朗伯模型,建立透视投影下的图像辐照度方程,然后将该方程转化为包含物体表面深度信息的静态Hamilton-Jacobi偏微分方程,使用非线性规划原理逼近该微分方程的黏性解,进而得到物体表面的三维形状.合成花瓶图像的实验结果表明:与Prados-Faugeras算法相比,PSFS-FVS算法在相同迭代次数时,恢复三维形状高度的平均相对误差降低了8.7%;在相同的误差条件下,所需的CPU运行时间减少了23.5%.实际人脸图像的三维形状恢复结果表明,PSFS-FVS算法在恢复局部细节信息时更加准确有效.     

基于RGB三通道相位调制彩色编码

本文提出一种具有初始相位信息的RGB彩色编码方法。此法充分利用了彩色图像R、G、B三个分量携带的信息,即对三个分量分别进行相移为-120°、0°、120°的正弦调制,从而代替传统三幅相移法中的三幅相移图。首先投射一幅彩色RGB正弦条纹来调制被测物体的三维信息,摄像机拍得物体表面的变形条纹图,用数字方法把彩色变形条纹分为三幅灰度图像,然后应用三步相移方法获取截断相位,根据编码特征进行解码来指导截断相位的展开,获得展开相位,进而恢复出物体的三维面形。该方法编码稳定,解码方法可靠,只需要拍摄一幅图,就可以较好地重建空间分离物体的三维面形。通过实验证明了该方法的正确性。     

物体三维断层点云重建的光幕测量方法

针对嵌入式点云显示的复杂性、运算效率低、算法理论少、应用少等问题,提出了一种物体三维断层点云重建方法。该方法通过断层信息和长度信息重建物体的三维点云,通过收集光幕传感器的测量信息得到物体的断层信息,若物体倾斜,则采用几何方法对断层信息进行校正,采用坐标相移将二维断层信息重建为三维点云。开发了基于FPGA的双光幕测量系统,实验结果表明,三维断层点云重建方法可以准确地显示物体的点云轮廓。该算法简单有效,执行效率高,为嵌入式点云应用提供了理论基础。     

利用投影数据重排进行锥形束体积重建的改进算法

针对锥顶轨迹为单圆的锥形束体积重建问题,提出了一种基于平板检测器的T-FDK算法．不同于传统的FDK算法,该算法首先将锥形束投影数据重排为倾斜平行投影数据,然后再经过加权滤波和反投影重建,最后重建出待测物体的三维结构．数据仿真实验结果表明,该算法在保持与传统FDK算法有相同的计算复杂度的同时,重建图像的质量有了明显的提高,可以确保在较大的锥角范围内获得满意的重建图像．因而该算法在医学成像和无损探伤等领域具有重要的实用价值．     

基于相位恢复的二维图像彩色再现

携带物体信息的衍射光波中包含了振幅和相位信息,现有相机只能记录光强信息,振幅信息在光束传播过程中抗噪能力差,易丢失,因而相位信息的恢复有着重要的意义。利用光强传输方程和基于Gerchberg-Saxton(GS)的角谱迭代算法,研究了二维图像的相位信息恢复问题。首先利用两幅二维图像,分别模拟像面位置光波复振幅的振幅信息和相位信息。然后利用角谱传递函数计算了光路中两个离焦面位置的复振幅分布。将三面光强分布直接代入光强传输方程,因多次近似只能得到粗略的相位分布,将其作为基于GS角谱迭代算法中的初始相位可加快收敛速度,得到更精确的相位分布,相位误差均方根值低至10-8。最后,结合图像的RGB通道,通过角谱传递函数和计算所得相位,利用三面光强分布,实现了像面附近的彩色图像再现。     

基于平行PI线段的平行束CT重建

为了研究基于PI线段的反投影滤波重建方法在CT(computed tomography)系统中的应用,提出了一种基于平行PI线段的简化的平行射束重建算法。该算法首先对平行X射线束产生的投影数据进行微分,然后把这些微分后的数据反投影到一系列的平行PI线段上,最后沿着PI线段的方向对反投影数据进行Hilbert滤波,即得到重建图像。利用Shepp-Logan模型进行计算机数值模拟实验,得到了该算法和传统的滤波反投影算法的对比结果。利用微焦点X射线CT的投影数据进行重建,得到了实际数据下的重建图像。实验结果表明,该简化算法能够进行精确重建,可以应用于实际的CT系统。     

基于Hilbert变换的CT圆轨道超短扫描重建算法

为了加快工业CT系统的扫描速度,减小数据量,针对扇形束超短扫描问题,提出了一种带参数的基于Hilbert变换的感兴趣区域重建算法,并且在分析扇形束扫描的数据冗余基础上设计了一种适用于超短扫描的窗函数。利用Shepp-Logan头模型通过计算机模拟实验,给出了该算法和标准卷积反投影算法、F.Noo和H.Kudo算法的对比结果。实验结果表明,该方法能够准确地实现物体感兴趣区重建,并在噪声抑制能力上优于其他3种算法,因此在工业CT中具有重要的工程意义。     

基于视觉定位的非确定轨迹CT系统

计算机断层成像(CT)系统需要精确和确定的扫描轨迹来获得高质量的图像。如果机械系统无法实现高精度的扫描轨迹,CT图像的质量将受到影响。该文提出了一种CT系统,通过视觉定位来实现非确定扫描轨迹下的CT成像。其中视觉定位系统通过对待测物体位移和转角的测量来获得实际扫描过程中射线与物体的精确几何关系。针对这种数据条件,提出了一种改进的滤波反投影(FBP)算法,实现非确定轨迹的CT图像重建。该方法将滤波反投影算法的适用范围从标准轨迹扩展到了通用轨迹。模拟数据计算和实验结果验证了该系统的可行性。此方法很大程度上为CT系统的设计提供了便利。     

基于PI线段的扇束CT重建

为了研究反投影滤波重建方法在CT(computedtomography)系统中的应用,提出了一种基于PI线段的简化扇束射束重建算法.该算法首先对X射线束产生的投影数据进行微分,然后把这些微分后的数据反投影到一系列的PI线段上,最后沿着PI线段的方向对反投影数据进行Hilbert滤波,即得到重建图像.利用Shepp-Logan模型进行计算机数值模拟实验,得到了该算法和传统的滤波反投影算法的对比结果.利用微焦点X射线CT的投影数据进行重建,得到了实际数据下的重建图像.实验结果表明,该简化算法能够对感兴趣区域进行精确重建,可以应用于实际的CT系统.而且这种方法有很多优势,比如能够减少需要的数据 ,快速完成扫描.减少辐射药剂的服用量,减少X-ray的辐射,加快计算机的运算.     

基于高倍物镜的相位显微成像方法

当前基于干涉技术的相位显微成像方法已经被广泛研究,但基于非干涉方法(相位恢复)的相位显微成像研究还很少.本文将相位恢复与显微成像技术相结合,提出并论证了一种基于高倍物镜的相位显微成像方法,适用于微米级相位型物体的显微成像.该方法简单有效,针对高倍物镜显微系统的特性,采用同时移动CCD及显微物镜的拍摄方法,解决了传统拍摄模式下,高倍物镜的采样距离无法满足成像关系的问题.通过CCD采集物面在不同传播的距离衍射放大像,利用测得的强度信息重建物体相位信息.采用直径5μm的聚苯乙烯微球作为待重建样品,使用100×物镜进行显微成像实验.相位分布重建结果反映了样品真实高度的分布变化,证明了该方法的有效性.与基于干涉技术的相位显微方法相比,该方法所使用的实验装置更加简单,易于操作且成本更低.对于生物细胞或组织等相位型样品的厚度或折射率分布测量具有实际应用意义.     

彩色编码结构光测量水中物体的三维面形

提出一种利用彩色编码结构光和光线追迹算法测量水中物体三维面形的方法.该方法利用投影仪投出经过彩色编码的颜色条纹来调制物体的三维信息,摄像机拍摄回物体表面的变形条纹图,然后根据光线追迹算法分别追踪摄像机和投影仪的光线来计算物体的三维面形信息,即可恢复出物体的三维面形.用这种方法计算物体的三维面形只需要拍摄一幅图像,因此该方法大大提高了测量速度并降低了系统成本.利用文中方法在3DS MAX软件中进行了模拟实验,并进行了实际测量,实验结果证明了所述方法的正确性和可行性.     

基于未校准PMS和参照物的三维表面重建

未校准的PMS在重建物体三维形状时比经典的PMS的光照约束条件低,增加了在实际应用时的灵活性。但未校准PMS算法需要同时估算输入图像的光参数以及物体的三维形状,算法的求解难度也随之提高。本文提出一种基于未校准PMS和参照物的算法来估算目标物体的三维形状和反照率,并通过实验对合成物体以及自然光环境下的真实物体进行了三维重建,实验结果验证了本文算法的准确性和有效性。     

投影栅三维形面测量中亚像素匹配算法

根据相位值寻找匹配点是投影栅三维形面测量系统的关键技术之一,匹配精度在一定程度上决定了系统最终的三维重建精度,而整像素匹配无法满足高精度三维形面测量的需要.根据相邻像素相位近似线性分布的特点,提出了一种基于相位线性插值的亚像素匹配算法.模拟实验表明: 应用该匹配算法后,三维重建测量精度有很大提高,匹配速度很快.验证实验显示: 应用该匹配算法后投影栅三维形面系统的测量精度可达0.03 mm, 能够满足一些高精度测量需求.     

基于未校准光度立体技术和参照物的三维表面重建

未校准的光度立体技术(PMS)在重建物体三维形状时比经典的PMS的光照约束条件低,增加了在实际应用时的灵活性;但未校准PMS算法需要同时估算输入图像的光参数以及物体的三维形状,算法的求解难度也随之提高。提出一种基于未校准PMS和参照物的算法来估算目标物体的三维形状和反照率;并通过实验对合成物体以及自然光环境下的真实物体进行了三维重建。实验结果验证了算法的准确性和有效性。     

一种适合漫反射表面从明暗恢复形状的快速算法

针对使用朗伯反射模型描述漫反射表面的形状恢复算法存在较大误差的问题,提出了一种基于Oren-Nayar反射模型的从明暗恢复形状的快速算法(FSFS-ON).首先假定摄像机采用正交投影,其方向与光源方向一致,建立适合漫反射表面的图像辐照度方程,然后将该方程转化为包含物体深度信息的Eikonal偏微分方程,使用单调迎风Godunov Hamiltonian函数和fast marching方法逼近该微分方程的黏性解,进而得到物体表面的三维形状.合成花瓶图像的实验结果表明:与同类算法相比,FSFS-ON算法所需的CPU运行时间有较大幅度的减少;与基于朗伯反射模型的算法相比,FSFS-ON算法恢复三维形状高度的均方根误差降低了35.04%.     

工业产品表面高精度三维测量方法的研究

针对基于条纹投影轮廓术的三维测量系统的非线性效应降低测量精度的问题,提出了一种双四步相移结合相位编码的三维测量方法。该方法可以削减数字光栅测量系统中非线性效应的影响,提高系统的测量精度。通过2次四步相移算法计算得到2幅包裹相位图,经过相位融合得到连续相位。由于使用相位确定码字,相位编码方法对环境光、相机噪声等因素具有较强的鲁棒性,在物体的三维形貌测量中被广泛应用。实验结果表明,该方法能够有效测量复杂物体的三维形貌,具有较好的测量精度。     

扁平构件的CT重建方法研究

提出了一种主射线与旋转轴成45°入射角、面阵探测器与旋转轴垂直的三维CT投影方法.在X射线源能量较低的情况下,该方法能够对大而扁的工业构件实施三维CT重建.文中推导了这种投影方式下三维CT反投影重建算法,并用计算机进行了仿真.最后使用270kV射线机对直径100mm、厚度13mm的钢件进行了CT重建.