CN102891952A - 对多传感器检测器的增益特性进行拼接的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对多传感器检测器的增益特性进行拼接的方法，涉及X射线技术领域，即X射线图像的数字检测器，用于对多传感器检测器中各传感器的增益特性进行拼接和线性化。该方法基于对用于转换检测器传感器的输出信号强度的LUT函数的计算。作为应用上述转换LUT函数的结果，获得在测量精度范围内相同且线性的传感器增益特性。计算拼接用LUT函数的主要思想是，当X射线场沿检测器区域缓慢变化时，具有相同增益特性的任意两个相邻传感器的响应在这些传感器的连接处附近应该具有相似的值。本发明实现了在不均匀光照的条件下，即，在无需使用具有平面X射线场的辐射源的条件下，对多传感器检测器的增益特性进行拼接和线性化的方法。

Description

对多传感器检测器的增益特性进行拼接的方法

技术领域

本发明涉及X射线技术领域，即X射线图像的数字检测器，用于X射线图像的增强。更具体地，本发明用于多传感器检测器(multisensor detector)中各传感器的增益特性的拼接(stitch)和线性化。

背景技术

目前，数字多传感器检测器在医学、天文以及其它领域的应用不断扩大(引证文件1、5、6和7)。

多传感器检测器中的图像可由多个CCD或CMOS传感器形成。多传感器检测器中的每个传感器可进一步由具有自身信号转换路径的更小的传感器构成。对于这种检测器中的每个传感器，由于技术原因和其它原因，决定所形成的图像的信号强度的输出值的增益特性是不相同的。增益特性的这种差异导致常见的检测器响应不均匀(输出图像不均匀)，从而导致在所得到的数字图像中，在传感器连接处发生不连续变化(所谓的缝线(stitch))。因此，在实际中，当使用多传感器检测器时，需要拼接构成同一检测器的各传感器的增益特性。为了获得响应均匀、在传感器连接处没有缝线的图像，应当进行能将全部特性拼接成一组的校准步骤。为了进行平面场(flat field)的校准，除了进行组合以外，还应解决增益特性线性化的问题。

有多种解决特性拼接问题的方法。对于线性响应的传感器，标准方法是所谓的两点校准(two-point calibration)。对CMOS传感器高非线性特性的拼接和线性化的方法是已知的。例如，在引证文件3中说明了对CMOS传感器的特性逐像素进行拼接和线性化的方法，其中：

·通过使用沿检测器视野(field-of-view，FOV)强度均匀分布的光源场(source of light field)，在输入信号的两个水平获得两个校准图像，输入信号的第一水平被选择为另一水平的两倍；

·确定模拟传感器响应的二次相关参数(parameter ofquadratic dependence)，通过使用所获得的校准图像，建立对CMO S传感器的像素特性进行线性化和拼接的校正函数。

引证文件4说明了对CMOS传感器的像素进行拼接和线性化的其它方法，其中：

·通过使用沿检测器视野强度均匀分布的光源场，在输出信号的三个不同水平获得三个校准图像；

·通过三个区段的分段二次平滑相关(piecewise quadraticplain dependence)来模拟传感器像素的响应；

·确定模型相关参数，通过使用所获得的校准图像，建立对CMOS传感器的像素特性进行线性化和拼接的校正函数。

引证文件2说明了最接近本发明的方法，在该方法中，对检测器的特性逐传感器进行线性化和拼接。在该方法中：

·通过使用沿检测器视野强度均匀分布的光源场，以渐增的辐射强度值获得N个校准图像；

·通过描述输出信号与输入信号值的相关关系的LUT函数，测量传感器响应；

·对测得的各传感器响应进行线性化，并且拼接到从这些线性化后的响应中任意选择的一个响应。

在以上列举的包括引证文件2所述方法的对增益特性进行线性化和拼接的全部方法中，使用沿检测器视野强度均匀分布的光源场。然而，在有些情况下，使用这样的源是不方便的或实质上不可能的。这种不方便与其难以产生有关。沿检测器视野强度均匀分布的光源场的不可用性可能由例如以下原因造成：设计者能否得到已集成了将X射线辐射转换为光的闪烁屏(scintillation screen)的检测器。在后面这种情况中，仅非平面X射线场可用于对引起强度沿检测器视野不均匀分布(不均匀辐照(光照))的多传感器检测器的传感器增益特性进行拼接和线性化。

引证文件：

1、Howell S.B.Handbook of CCD Astronomy.CambridgeUniversity Press，2000.

2.Kodak.Multiple Output Sensors Seams Correction.Application Note，2009.

(www.kodak.com/global/plugins/acrobat/en/business/ISS/supportdocs/MultipleOutputSensorsSeamsCorrection.pdf)

3.Rad-icon Imaging Corp.AN08：Polynomial GainCorrection for RadEye Sensors

(www.rad-icon.com/pdf/Radicon_AN08.pdf)

4.Liji C.，Jorq P.A Practical Non-linear GainCorrection Method for Highresolution CMOS ImagingDetectors.

(https://www.hoertech.hausdeshoerensoldenburg.de/dgmp2008/abstract/Cao.pdf&rct＝j&q＝Liji PracticalNon-linear Gain Correction Method for High-resolutionpdf)

5.Gino M.Noise，Noise，Noise.

(http://www.astrophysassist.com/educate/noise/noise.htm)

6.S.I.Miroshnichenko，A.A.Nevgasimyj Theoryand technique of multisensory digital X-ray receivers.Biotechnosphera，No.4/10/2010.

7.B.Yane Digital processing of images.M.，Technosphera，2007，p 583.

发明内容

本发明的目的是提供一种在不均匀辐照的条件下对检测器的增益特性进行拼接和线性化的方法。

本发明的技术效果是提供一种在不均匀辐照的条件下(无需使用沿检测器视野强度均匀分布的辐射源)对多传感器检测器的增益特性进行拼接和线性化的方法。

一种对多传感器检测器的增益特性进行拼接的方法，该方法包括：以渐增的辐射强度值获得沿检测器视野辐射强度均匀分布的N个校准图像；通过描述输出信号对输入信号值的相关关系的LUT来测量传感器响应；以及将测得的传感器响应线性化且拼接到从线性化后的响应中任意选择的一个响应。其中，通过移动平均值计算，在所获得的检测器校准图像中沿相邻传感器的连接处累积传感器响应的M个值，为每对相邻传感器获得M×N个转换用LUT函数的集合，用于直接转换相邻传感器信号在边界处的值；对于检测器输出信号强度的整个动态范围，内插所获得的LUT转换函数，得到对相邻传感器进行拼接的M个LUT函数的集合；对于针对每个传感器获得的用于将其响应拼接到相邻传感器响应的LUT函数，进一步平均化；选择任意传感器的响应作为参照传感器响应，连续修正将传感器响应拼接到参照传感器响应的LUT函数，获得将传感器响应拼接到参照传感器响应的LUT函数，考虑前一传感器的拼接LUT函数地建立当前传感器的每一拼接LUT函数；算出对参照传感器响应进行线性化的线性化用LUT函数，通过使用所算出的线性化用LUT函数，连续修正拼接LUT函数，获得将检测器的传感器响应拼接到所选择的参照传感器线性化后的响应的最终LUT函数。

本发明还可以这样进行，代替使用沿传感器连接处计算移动平均值的方法来累积传感器响应的M个值，利用将信号的M个值外插到传感器外的平面来对信号的局部线性近似进行移动，从而降低输入X射线(光)场在传感器连接处的梯度的影响。还可以通过利用强度不均匀的输入光场进行曝光，来对检测器的传感器的振幅特性进行拼接和线性化。

将至少一个传感器分割为多个部分，进行传感器内的特性拼接，然后进行传感器间的特性拼接。

本发明的主要特点在于，无需使用沿检测器视野强度均匀分布的辐射源(radiation source)就能对多传感器检测器的特性进行拼接和线性化。

附图说明

附图示出了本发明的技术方案、实施方式和技术效果，其中：

图1示出X射线成像装置。

图2示出本发明所使用的对传感器响应进行估计以对它们进行拼接的一般性示意图。

图3示出对仅由两个相邻传感器构成的检测器的传感器特性进行拼接和线性化的示意图。

图4示出对增益特性进行拼接和线性化的转换用LUT函数曲线。

图5示出用由24个传感器构成的检测器获得的尺寸为5000×4000像素的初始X射线图像。

图6示出本发明所提出的对由24个传感器构成的检测器的增益特性进行拼接和线性化的技术的效果。

具体实施方式

通过例如使用图1中所示的装置获得X射线图像。该装置包括X射线管1，其发出X射线束2。X射线束2由检测器3接收。检测器3包括闪烁屏(未示出)和照相机阵列(matrixarray camera)(未示出)。闪烁屏与有效(active)照相机阵列的表面光学连接。照相机阵列(未示出)由至少一个传感器构成。照相机阵列可由任意数量的传感器构成，例如两个传感器。

X射线束2落在检测器3上，闪烁屏将X射线束2转换为可见光，该可见光然后被检测器的传感器转换为数字形式。该数字形式代表由多个部分构成的数字图像，该多个部分的数量与检测器中传感器的数量相对应。图2示意性地示出了由检测器3形成的数字图像4，检测器3由两个相邻的传感器5和6构成。

根据本发明的方法，首先形成N个校准图像。通过沿检测器视野均匀分布的强度且无吸收物体的方式形成校准图像。在从零曝光(读取图像(read-out image))到检测器传感器发生饱和信号的范围内，以强度以随机步长渐增的多个辐射强度值产生图像。由于辐射场通常为非平面的，检测器3的传感器不均匀地达到饱和。为了降低噪声在下一阶段即传感器响应估计阶段的影响，针对每一强度值获得多个图像，以便在后面进行平均。与获得图像同时，用放置在检测器3的任选位置例如检测器3的上方或检测器3的旁边的剂量测量装置(dosimeter)(未示出)测量辐射强度的值。

通过如下方法沿相邻传感器的连接处累积(accumulation)传感器响应的M个值，该方法是：以小尺寸信号估计单元7，例如30×30像素，来计算移动平均值(moving average)。位置8处的信号估计单元7与传感器5的编号为1的响应相对应，位置9(图2)的信号估计单元7与传感器5的编号为M的响应相对应。同样地，对于传感器6，位置10的信号估计单元7与传感器6的第一个响应相对应，位置11的信号估计单元7与传感器6的编号为M的响应相对应。为了信号估计，使用样本平均值，或者，为了增加噪声耐量(noisetolerance)，使用中间值(median)。图3示出了函数曲线，其中，附图标记12是传感器5在相邻传感器5和6的连接处的信号估计单元7的M个位置中的一个位置的响应，附图标记13是传感器6在信号估计单元7的M个位置中的一个位置的响应，附图标记14是相邻传感器5和6的理想的共同线性响应。图中(图3)的横轴示出了强度的测量值(单位：相对于最大强度值标准化后的相对单位，例如剂量(D))，纵轴示出了在所选择的信号估计区域算出的信号强度值(I)。

沿传感器的边界累积传感器响应的主要思想在于利用了以下事实：在传感器连接处附近，随着输入的X射线(光)场沿检测器3的区域平稳地变化，辐射强度应该相同，这就是校正后的传感器5和6的响应值在连接处具有相似值的原因。为了基于所得到的N个校准图像M个传感器信号响应值来实现上述思想，获得M×N个LUT转换函数的集合，这些函数将相邻传感器中的一个在边界处的信号值直接转换为另一个传感器在边界处的信号值。例如，传感器6在校准图像中的边界处算出的每一输出信号强度与传感器5边界处的强度值有关。

对于检测器输出信号强度的整个动态范围，内插这些LUT转换函数，从而获得M个LUT拼接函数的集合。

为了减小接下来在信号估计中由校准图像中的噪声引起的误差，对M个LUT拼接函数的集合进行平均化。

为此，对于每一传感器，获得将其响应拼接到相邻传感器的响应的LUT。为此，选择检测器传感器中任意一个的响应(例如，图2中的传感器5的响应)(所选择的传感器在下文称为参照传感器)，连续修正从参照传感器到其它传感器的拼接LUT，以将传感器的增益特性拼接到参照传感器5的增益特性。

其结果是，借助校准图像获得如下拼接LUT，该拼接LUT提供对多传感器检测器的增益特性进行拼接。

除了对传感器5和6的增益特性进行拼接，还进行平面场校准，将参照传感器5的增益特性线性化为参照传感器5的线性化后的增益特性，并将其转换为传感器6的增益特性。也就是说，算出线性化函数，该线性化函数用于对参照传感器的响应进行线性化。然后，通过所算出的线性化函数对拼接LUT进行修正，从而获得将检测器的传感器6的响应拼接到所选择的参照传感器5的线性化后的响应的最终LUT。

图4示出了拼接LUT的图，其中，附图标记15是将传感器5的响应拼接到图3中的线性响应14的拼接LUT的图，附图标记16是将传感器6的响应拼接到图3中的线性响应14的拼接LUT的图，横轴(图4)示出了输入信号强度(I)，纵轴示出了输出强度T(I)。

上述对增益特性进行拼接和线性化的方案是，首先通过一个特性来确定每个单个传感器的响应。对多传感器检测器的增益特性进行拼接和线性化的各种组合也是可能的。如果在单个传感器内传感器特性具有各种非线性，这里说明的拼接和线性化方案允许将传感器分割为多个部分，再进行传感器内的拼接，接着进行传感器间的特性拼接。为了降低传感器连接处的梯度影响，尤其是当使用具有大梯度的输入场时，代替通过在所获得的校准图像中沿传感器连接处计算移动平均值来累积传感器响应的M个值，使用如下方法，该方法利用将信号的M个值外插到传感器外的平面，对信号的局部线性近似(localizedlinear approximation)进行移动。

应用本发明的方法的结果示于图5和图6。图5示出了尺寸为5000×4000像素的照片，是由24个传感器构成的，其中，附图标记17是剂量测量装置的图像，附图标记18和19是从检测器3的两个相邻传感器接收的图像。图5示出了传感器响应的区别，尤其是从相邻传感器获得的图像18和19之间的连接处。图6示出了应用本发明所述的对传感器增益特性进行拼接和线性化的方法的例子，传感器的响应变得相同且线性，传感器之间的边界变得觉察不到。

实施方式

本发明的方法的以下实施方式是可能的。首先，获得沿检测器视野强度均匀分布的N个校准图像(图2)。在从零曝光(读取图像)到检测器传感器的信号饱和的范围内，以强度以随机步长渐增的辐射强度值D_j(j＝1，N)产生图像。用剂量测量装置测量辐射强度，该剂量测量装置位于检测器表面的任意位置。为了降低噪声的影响，对于每一强度值获得多个图像并平均化。

然后，使用信号估计单元7，通过计算移动平均值的方法，在所获得的检测器校准图像中沿相邻传感器的连接处累积相邻传感器响应的M个值。为了简单起见，考虑检测器仅由两个传感器构成的情况(图2)。在这种情况下的信号评价通过以下公式进行：

$R_{i,j}^1=\mathrm{median}\left(S_1(x\±\mathrm{\Δ},y\±\mathrm{\Δ})\right),$ $R_{i,j}^2=\mathrm{median}\left(S_2(x\±\mathrm{\Δ},y\±\mathrm{\Δ})\right)$

其中，

是第一传感器的信号S₁的估计阵列，

是第二传感器的信号S₂的估计阵列，Δ是信号估计单元的半径，

是传感器连接处的信号估计的数量，

是校准图像的总数量，(x，y)是信号估计单元的中心坐标。当使用平滑X射线场时，连接处附近的辐射强度应该相同，因此，使用具有相同增益特性的传感器，应具有以下近似方程式：

$R_{i,j}^1\≈R_{i,j}^2---\left(1\right)$

基于近似方程式(1)的使用，进行本发明的方法中的LUT转换。为此：

1、对于相邻的一对传感器，获得以下M×N个LUT转换函数的集合：

$T_i=(R_{i,j}^2,R_{i,j}^1),$ $i=\stackrel{\‾}{1,M}$

2、在检测器的整个动态范围I(例如，I＝[0，2¹⁶-1])，内插LUT转换T_i，得到传感器的拼接LUT函数

k∈I。

3、对拼接LUT平均化，即获得一个将传感器6的响应拼接到传感器5的响应的LUT拼接函数：

$T\left(k\right)=\underset{i=\stackrel{\‾}{1,M}}{\arg \mathrm{rage}}\left({\tilde{T}}_i\right),k\∈I---\left(2\right)$

当通过式(2)平均化时，在因变量(输入亮度k∈I)相同值的栅格对函数的集合进行平均化。该拼接LUT函数T代表将传感器5和6的不同增益特性拼接到同一增益特性(参照传感器5的特性)的理想的LUT(图2)。

接下来进行对传感器增益特性进行线性化的步骤，选择任意传感器的响应，例如假设选择传感器6的响应

对其应用所算出的LUT转换函数：

${\tilde{R}}_{M,j}^2=T\left(R_{M,j}^2\right)$

1、将响应

当作所测得的辐射强度D_j(j＝1，N)(剂量)的函数，通过以下公式(引证文件2)得到检测器传感器的期望线性特性的递减参数α：

$\underset{j=1}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}(1-\frac{a{D}_j}{{\tilde{R}}_{M,j}^2})\→\underset{a}{\min }$

2、建立线性化用的LUT函数，用针对检测器的整个动态范围的内插来对传感器6线性化

$T_{\mathrm{lin}}=({\tilde{R}}_{M,j}^2,a{D}_j)$

${\tilde{T}}_{\mathrm{lin}}=\mathrm{interpolate}\left(T_{\mathrm{lin}}\right)={\tilde{T}}_{\mathrm{lin}}\left(k\right),$ k∈I

3、因此，通过以下公式得到传感器5和6的最终拼接LUT：

$T{\left(k\right)}_1={\tilde{T}}_{\lim }\left(k\right),$ $T_2\left(k\right)={\tilde{T}}_{\mathrm{lin}}\left(T\left(k\right)\right)$ (传感器5不变)。

此处给出的对传感器增益特性进行连续拼接和线性化的方案可容易地扩展到检测器具有超过两个传感器的情况。

Claims (4)

1.一种对多传感器检测器的增益特性进行拼接的方法，该方法包括：

以渐增的辐射强度值获得沿检测器视野辐射强度均匀分布的N个校准图像；

通过描述输出信号对输入信号值的相关关系的LUT来测量传感器响应；以及

将测得的传感器响应线性化且拼接到从线性化后的响应中任意选择的一个响应，

其特征在于，

通过移动平均值计算，在所获得的检测器校准图像中沿相邻传感器的连接处累积传感器响应的M个值，为每对相邻传感器获得M×N个转换用LUT函数的集合，用于直接转换相邻传感器信号在边界处的值；

对于检测器输出信号强度的整个动态范围，内插所获得的LUT转换函数，得到对相邻传感器进行拼接的M个LUT函数的集合；

对于针对每个传感器获得的用于将其响应拼接到相邻传感器响应的LUT函数，进一步平均化；

选择任意传感器的响应作为参照传感器响应，连续修正将传感器响应拼接到参照传感器响应的LUT函数，获得将传感器响应拼接到参照传感器响应的LUT函数，考虑前一传感器的拼接LUT函数地建立当前传感器的每一拼接LUT函数；

算出对参照传感器响应进行线性化的线性化用LUT函数，通过使用所算出的线性化用LUT函数，连续修正拼接LUT函数，获得将检测器的传感器响应拼接到所选择的参照传感器线性化后的响应的最终LUT函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得校准图像后，利用将信号的M个值外插到传感器外的平面，通过对信号的局部线性近似进行移动，来对信号的M个值进行估计。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过利用强度不均匀的输入光场进行曝光，来对检测器的传感器的振幅特性进行拼接和线性化。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的方法，其特征在于，将至少一个传感器分割为多个部分，进行传感器内的特性拼接，然后进行传感器间的特性拼接。

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