CN104502378A - X射线ct装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线CT装置，包括：射线源，向受检物体发射射线；载物台，托载着受检物体转动；机械系统，控制载物台转动；主控制器，对射线源和机械系统进行控制；探测器，接收透射过受检物体的射线并将其转换为数字信号；图像重建单元，根据投影数据重建出受检物体的CT图像；所述CT装置还包括：标志架，固定于载物台上并随之转动；标志点，位于标志架上；摄像机，拍摄载物台转动前后标志点的像片；标定处理单元，处理摄像机标定产生的数据；标志点影像处理单元，处理像片，得到标志点在运动前后的位置。该X射线CT装置的优点：该装置不仅可以快速对大量物体进行检测，而且能精确地确定CT检测受检物体过程中载物台的位置，同时制造成本较低。

Description

X射线CT装置

技术领域

本发明属于射线无损检测技术领域，尤其是计算机层析成像技术领域,且特别涉及一种X射线CT装置。

背景技术

CT，中文全称叫计算机层析成像技术，诞生于20世纪70年代，开始应用于医学领域，用来对人体进行断层扫描得出人体的CT图像，进而诊断疾病。由于CT在医学领域取得的巨大成功，20世纪80年代，CT从医学领域延伸到了工业上的无损检测领域，检测的对象包括航空发动机，精密零部件，导弹等，用CT来检测工件具有分辨率高、直观清晰等优点。

在无损检测领域，CT发射X射线对受检物体进行扫描过程中，载物台托载着受检物体同步运动，而射线源和探测器则固定不动。而为了可以重建出受检物体的CT图像，必须要获取两方面的数据：每张照片上射线因受到受检物体阻碍而衰减后得到的射线强度，以及对应每张照片载物台的位置，这两方面的数据时平分秋色的，任一方面的不足都会导致无法重建出高质量的CT图像。

而为了确定对应每张照片的载物台位置，传统的CT主要采用在机械系统上安装旋转编码器等方式，将载物台的机械旋转方式转化为电信号再进行测量，从而知道对应每张照片的载物台位置。当外界存在的激烈振动、电磁干扰、温度升高等状况时，转化成电信号来测量位置，所测得的精度都会受到很大影响。而在无损检测领域中用CT检测物体，尤其是大型物体（如发动机）时，往往会存在振动激烈、转动速度慢以及温度升高等情况，这严重影响了机械控制系统对载物台定位的测量数据精度，进而给重建受检物体CT图像带来很不利的影响。同时，为了提高测量精度，安装一套CT时，一般需要对机械控制系统进行复杂的调试，这样不利于在工业上快速部署和使用。此外，由于旋转编码器本身只能测量旋转运动的数据，而CT在检测物体（尤其是发动机等大型物体）时，不可避免地存在振动，使得CT系统不仅存在旋转运动，还存在平移运动，如此一来，采用旋转编码器对载物台进行定位必然会降低定位的精度。

中国专利申请号为201120368673.4的专利公开了一种对机械控制精度要求不高的CT系统，与以往使用编码器等原件确定载物台位置的方式不同，在该系统中，至少3个标志点被固定在受检物体表面，根据三个平面确定一个点的原理，用至少3个相机来获取每个标志点的投影，进而得到每个标志点的空间位置，根据标志点在旋转前后的位置信息，得到受检物体的旋转矩阵和位移量。

但是，在上述专利中存在以下缺陷：（1）将标志点设置在受检物体表面，会造成不少问题：有些物体（如球体）的表面难以固定标志点；检测每个收件物体前，都必须先将标志点固定在其表面，难以对大量受检物体进行快速检测；为了提高拍摄精度，相机应该在视野范围可以覆盖标志组的前提下，尽量靠近标志组，当前后受检物体大小不一样时，根据该专利，就不得不调节相机组，使之尽量靠近标志组，这会使得检测工序繁琐，影响效率（2）该专利中，是根据三个平面确定一个点的原理得出标志点的位置的，所以，使用的相机数量至少为3个，会造成CT装置的成本相对较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种X射线CT装置，该装置不仅可以快速对大量物体进行检测，而且能精确地确定CT检测受检物体过程中载物台的位置，同时制造成本较低。

本发明的技术方案：1.一种X射线CT装置，包括：射线源，向受检物体发射射线；载物台，托载着受检物体转动；机械系统,控制载物台转动；主控制器， 对射线源和机械系统进行控制；探测器，接收透射过受检物体的射线并将其转换为数字信号；图像重建单元, 根据投影数据重建出受检物体的CT图像；所述CT装置还包括:标志架，固定于载物台上并随之转动；标志点，位于标志架上；摄像机，拍摄载物台转动前后标志点的像片；标定处理单元，处理摄像机标定产生的数据；标志点影像处理单元，处理像片，得到标志点在运动前后的位置，从而可以求标志点的旋转量和平移量，也等于受检物体的旋转量和平移量。

本发明所述的X射线CT装置，其摄像机至少为两个且这些摄像机分布在标志点的上方。

本发明所述的X射线CT装置，其摄像机为CCD摄像机或者CMOS摄像机或者数码相机。

本发明所述的X射线CT装置，其摄像机分布在标志点的上方，且每个摄像机视野范围均覆盖了所有标志点在旋转过程中可能出现的区域。

本发明所述的X射线CT装置，在摄像机拍摄标志点像片前，必须对摄像机进行标定。

本发明所述的X射线CT装置，其摄像机交叉摆放或者平行摆放，使得可以从不同的角度观测标志点。

本发明所述的X射线CT装置，其标志点至少有三个，而且尺寸大小互不相同或者是形状各不相同。

本发明所述的X射线CT装置，其标志点位于标志架上。

本发明所述的X射线CT装置，其标志架覆盖了所有摄像机可能拍摄的区域。

本发明所述的X射线CT装置，其工作原理为：在所述X射线CT装置扫描受检物体前，先对所述摄像机进行标定，以确定所述的至少两个摄像机的内参数和外参数。接着，对位于标志架上的至少三个标志点进行拍摄，得到一张像片，用来确定标志点开始的位置。然后，载物台托着受检物体转动，用X射线CT装置扫描受检物体（也就是指在装置旋转过程中，多次发射X射线照射受检物体）。在X射线源每次发射X射线照射受检物体的同时，所述的摄像机同时对标志点进行拍摄像片。扫描结束后，X射线源发射X射线对受检物体拍摄多张照片，所述的摄像机也同时拍摄了标志点的相同数量的像片，这样就得到了重建CT图像必须的两方面数据，即X射线投影后的强度和对应的检测位置。最后，计算机利用得到的数据，运用相应的总所周知的算法，如迭代法、直接反投影法、卷积反投影法等，重建出受检物体的三维图像。

本发明的有益效果在于：(1)机械控制系统无须安装旋转编码器等器件，降低了机械控制系统的复杂程度，同时也省去了扫描物体前对CT系统进行繁琐调试的环节（2）本发明中,标志架设置在载物台上，可以随着载物台的转动而转动，标志点被设置在标志架上,从而将载物台的大范围运动转化为标志点的小范围运动（这里的运动，实质上包括了转动和移动），具有设计巧妙，测量简单的优点（3）本发明利用机器视觉上的定位原理，不仅可得出载物台的旋转量，还可以得出载物台的平移量，使得测量数据更精确，重建图像更清晰(4)与上述专利相比，在对大量受检物体检测时，不需在每次检测前都固定标志点于受检物体上，只需要在检测前的一次标定就可以对大量受检物体快速检测，检测效率大大提高。此外，由于应用机器视觉的定位原理，故可将摄像机数目减为2个，降低了X射线CT装置的成本。

附图说明

图1是依据本发明所述的X射线CT装置的一个实施例的结构示意图。

图2是依据本发明所述的X射线CT装置的一个实施例的工作流程图。

图3是摄像机针孔成像几何关系图。

图4是双目立体机器视觉的原理图。

图5是依据本发明所述的X射线CT装置的一个实施例的标定板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，也不能理解为比其他例子更优越。

图1 是依据本发明所述的X射线CT装置的一个实施例的结构示意图。如图1所示，本实施例的X射线CT装置，包括:射线源1,向受检物体发射射线；载物台2,托载着受检物体12转动；机械系统3,控制载物台2转动；主控制器4,对射线源1和机械系统2进行控制；探测器5，接收透射过受检物体12的射线并将其转换为数字信号；图像重建单元6, 根据投影数据重建出受检物体12的CT图像；所述CT装置还包括:标志架7，固定于载物台2上并随之转动；标志点8（这里包括三个标志点，分别为标志点8a、标志点8b和标志点8c），位于标志架上；摄像机9（这里包括2台摄像机，分别为9a和9b），拍摄载物台2转动前后标志点的像片；标定处理单元10,处理摄像机标定产生的数据；标志点影像处理单元11，处理像片，得到标志点8在运动前后的位置，从而可以求标志点8的旋转量和平移量，也等于受检物体12的旋转量和平移量。

这里补充说明一下，为了将X射线源1发射X射线照射受检物体12得到的影片与摄像机9拍摄标志点8得到的影片区别开来，在本发明中，将前者称为照片，而将后者称为像片。

对于2台摄像机,这里选为CCD摄像机。

2台摄像机分布在3个标志点的上方，且每个摄像机视野范围均覆盖了3个标志点在旋转过程中可能出现的区域；3个标志点之间的距离不宜太大，以保证被2台摄像机的视野覆盖。

2台摄像机交叉摆放或者平行摆放，使得可以从不同的角度观测3个标志点。

3个标志点均为球体，将其直径分别设置为15mm,10mm,5mm,这样子使得标定处理单元10可以根据3个标志点图像的尺寸不同迅速地进行特征提取与匹配，进而计算出摄像机内外参数。

3个标志点均位于标志架7上，这样子可以使得载物台2、标志架7和3个标志点的运动同步。

标志架7覆盖了2台摄像机可能拍摄的区域，也就是说，2台摄像机拍摄的像片只有标志架7和3个标志点的图像，这样子可以避免受检物体12等因素的干扰。

图2是依据本发明所述的X射线CT装置的一个实施例的工作流程图。在本实施例中，X射线CT装置的工作流程为：在X射线CT装置检测受检物体前，先对2台摄像机进行标定，所用的标定元件选择棋盘方格阵列标定板，以确定摄像机9a和摄像机9b各自的内参数和外参数。接着，对位于标志架7上的3个标志点进行拍摄，得到一张像片，用来确定标志点开始的位置。然后，载物台2托着受检物体12转动，用X射线CT装置扫描受检物体（也就是指在装置旋转过程中，多次发射X射线照射受检物体）。在X射线源1每次发射X射线照射受检物体12的同时，2台摄像机同时对3个标志点进行拍摄像片。扫描结束后，X射线源1发射X射线对受检物体12拍摄得到了多张照片，2台摄像机也同时拍摄得到了3个标志点的相同数量的像片。对每次得到的像片进行处理，得到载物台位于各个位置时3个标志点的三维坐标，进而求解3个坐标点相对于初始位置时的旋转量与平移量，也就是载物台2相对于初始位置的平移量与旋转量。这样就得到了重建CT图像必须的两方面数据，即X射线投影后的强度和对应的检测位置。最后，计算机利用得到的数据，运用相应的总所周知的算法，如迭代法、直接反投影法、卷积反投影法等，重建出受检物体12的CT图像。

由于双目机器视觉是本发明的关键，双目机器视觉包括：摄像机标定、图像对应点匹配、三维重建等几个部分。下面就结合本实施例解释一下双目机器视觉。

图3是摄像机针孔成像几何关系图。如图3所示，空间点P在像片上的投影点p为空间点P与摄像机光心                                                连线与像片的交点。从三维空间到二位平面图像的投影涉及到4个坐标系的转换。4个坐标系为：像片坐标系:每张数字像片在计算机中表示为一个矩阵，坐标原点为位于矩阵左上角的，u与v分别表示为像素在矩阵中的行数与列数成像平面坐标系：以摄像机光轴与像片的交点为原点，x、y轴分别与u、v轴平行摄像机坐标系：坐标原点位于光心，和分别与x轴、y轴平行世界坐标系:即描述客观世界的现实坐标系，可以固定在场景中某物体上，可用于描述摄像机以及其他任何物体的位置。

根据机器视觉中的有关知识，假设一个图像点在像片坐标系中的坐标记为（u,v）,在世界坐标系中坐标记为，两者的转换关系为

                      

式中，S为比例因子,已知；F为摄像机的内参数矩阵；为摄像机的外参数矩阵，M为投影矩阵。R和T分别表示为摄像机坐标系相对于世界坐标系的旋转分量和位移分量。F、R、T和M分别定义为

       

式中，分别表示为在x，y方向上的焦距分别表示为主光轴与像片平面交点的像片坐标

    图4是双目立体机器视觉的原理图。如图4所示，根据摄像机针孔成像原理，空间一点P在图像中的像点p是P点与摄像机光心O的连线与摄像机图像的交点，则空间点P位于直线上。若已知空间一点P在左、右摄像机中的像点分别为，则原空间点P既位于空间直线上，又位于直线上，即原空间点位于两条直线的交点上。所以，对两条直线求交点就可以得出原空间点的三维坐标，这就是双目机器视觉的基本原理。为了实现求取原空间点P三维坐标的过程，要解决两个问题：（1）为了获取两条直线的方程，必须先求得两个摄像机各自的成像变换矩阵，这就是摄像机的标定问题（2）两张图像上的任一对图像点必须对应同一个空间点，这样才可以保证两直线相交，这就是图像点匹配问题。

下面结合本实施例说明一下本发明的X射线CT装置的工作过程。

摄像机标定：标定采用传统的摄像机标定法，步骤如下：将一个的黑白相间的棋盘网格打印在一张A4纸上，接着平整地贴在平板上制成标定板，标定板如图5所示。将标定板放在标志架上，然后使用2个摄像机拍摄标定板的像片，再旋转标定板角度，拍摄15张左右的像片，然后利用标定处理单元，提取特征点并匹配，计算出摄像机的内参数与外参数（这里的世界坐标系选择与左摄像机坐标系重合），从而知道了2台摄像机的投影矩阵 （参考书：机器视觉.张广军编著.科学出版社.ISBN 7-03-014717-0）。

获取图像：开启X射线CT装置，使得载物台2托着受检物体12转动，用X射线CT装置扫描受检物体12（也就是指在装置旋转过程中，多次发射X射线照射受检物体12）。在X射线源1每次发射X射线照射受检物体12的同时，2台摄像机同时对3个标志点进行拍摄像片。扫描结束后，X射线源1发射X射线对受检物体拍摄得到了多张照片，2台摄像机也同时拍摄得到了标志点的相同数量的像片。

图像对应点匹配：图像对应点匹配指的是在两幅图像中找到对应于同一个空间点的图像点。图像对应点匹配中根据极线约束、唯一性约束、视差连续性约束、顺序连续性约束等约束，应用一定的方法，如基于区域的匹配、基于图像特征的匹配和基于相位的匹配等方法，对左右两个摄像机的图像中的对应点进行匹配。由于标志点是规则的球体，使用基于区域的匹配方法，可以迅速在每次拍摄的两张像片中迅速匹配出3个标志点的图像(参考书：机器视觉.张广军编著.科学出版社.ISBN 7-03-014717-0）。

三维重建：这里的三维重建指的是，求解出每次拍摄标志点像片时标志点位置的三维坐标，知道了标志点的位置也就相当于知道了载物台的位置。通过图像特征点匹配，对于任一次拍摄的两张像片，3个标志点在两张像片中的图像经过匹配已经一一对应，而两个摄像机的投影矩阵经过标定也已经求出，下面来求解3个标志点的三维坐标。这里的世界坐标系与左摄像机坐标系重合，对于某一个标志点，假设为标志8a，假设在两个摄像机9a和摄像机9b的图像点分别为，则有

其中，分别为图像在各自图像坐标系中的齐次坐标，均已知。将矩阵（1-2）和（1-3）展开，分别消去，得到关于的4个线性方程

 由解析几何相关知识可知，三维空间的平面方程为线性方程，两个平面方程的联立为空间直线的方程，式(1.4)的几何意义是过，式(1.5)的几何意义是过 。由于空间点P同时在直线上，所以联立式(1.4)与式(1.5)便可以解得标志点7a的坐标。实际上，式(1.4)和式(1.5)的4个方程中只有3个是独立的，选择任意3个方程便可以求解出3个未知数。而在实际中，由于总有噪声的干扰，所以可以利用最小二乘法求出3个未知数，以减小误差。

利用同样的方法，可以求解出这次像片上对应的其它两个标志点8b和8c 的三维坐标。同理，可以求解出对应任一次两个摄像机拍摄的像片中的3个标志点的三维坐标。

求解载物台的旋转量和平移量：为了便于阅读，这里将3个标志点记为A、B、C，在初始位置时，通过2台摄像机同时各拍一张像片，根据上述过程即可求得3个标志点在世界坐标系中的位置，记为,根据这三个点可以唯一确定一点，使得3个向量 互相垂直。然后，以点为原点，向量的单位向量 为坐标轴建立载物台坐标系，载物台坐标系与世界坐标系之间对应的旋转矩阵记为，则矩阵的满足的条件为：

                        

因此，

    在载物台转动至某一个位置，类似上述过程，将此时标志点记为，以确定的点 为原点，以3个向量的单位向量为坐标轴,建立此时的载物台坐标系，此时的载物台坐标系与世界坐标系之间对应的旋转矩阵为满足的条件为：

                        

因此，

    对于载物台上的受检物体内的任一点，设其位于初始位置时，在世界坐标系中的位置表示为，在坐标系中的位置表示为；而旋转后其在坐标系中的位置表示为，在世界坐标系中位置表示为，则有以下等式成立：

                  

               

由(1-6)和（1-7）两条式子，解得

因此，可以得到受检物体的旋转矩阵为，平移矩阵为，也就是受检物体位置变动之后相对于变动之前的旋转量为，平移量为，而变动之前的位置已知（初始位置），所以得到了受检物体运动之后的位置。

      根据上述步骤，便可以确定对应每一张X射线照片的载物台的位置，也正是受检物体的位置（因为两者运动同步），最后，计算机利用得到的数据（也就是X射线强度和对应的受检物体运动位置两方面数据），运用相应的总所周知的算法，如迭代法、直接反投影法、卷积反投影法等，重建出受检物体的三维图像。

尽管已经结合附图描述出了本发明的一个优选实施例，但是本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的X射线CT装置，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种X射线CT装置，包括：

X射线源，向受检物体发射射线对其进行检测；

载物台，托载着受检物体转动；

机械系统，控制载物台转动；

主控制器，对射线源和机械系统进行控制；

探测器，接收透射过受检物体的射线并将其转换为数字信号；

图像重建单元，根据投影数据重建出受检物体的CT图像；

其特征在于，所述CT装置还包括：

标志架，固定于载物台上并随之转动；

标志点，位于标志架上；

摄像机，拍摄载物台转动过程中标志点的像片；

标定处理单元，处理摄像机标定产生的数据，得到摄像机的内外参数；

标志点影像处理单元，处理像片，得到标志点在运动前后的位置，从而可以求标志点的旋转量和平移量，也等于受检物体的旋转量和平移量。

2.根据权利要求1所述的X射线CT装置，其特征在于，所述摄像机至少为两个且这些摄像机分布在标志点的上方。

3.根据权利要求1所述的X射线CT装置，其特征在于，所述摄像机为CCD摄像机或者CMOS摄像机或者数码相机。

4.根据权利要求3所述的X射线CT装置，其特征在于，所述的摄像机分布在标志点的上方，且每个摄像机视野范围均覆盖了所有标志点在旋转过程中可能出现的区域。

5.根据权利要求4所述的X射线CT装置，其特征在于，在摄像机拍摄标志点像片前，必须对摄像机进行标定。

6.根据权利要求5所述的X射线CT装置，其特征在于，所述的摄像机交叉摆放或者平行摆放，使得可以从不同的角度观测标志点。

7.根据权利要求6所述的X射线CT装置，其特征在于，所述的标志点至少有三个，而且尺寸大小互不相同或者是形状各不相同。

8.根据权利要求7所述的X射线CT装置，其特征在于，所述的标志点位于标志架上。

9.根据权利要求8所述的X射线CT装置，其特征在于，所述的标志架覆盖了所有摄像机可能拍摄的区域。