CN105445291B - 文物病害检测方法以及图像重建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种文物病害检测方法以及图像重建方法。该方法包括：获取所有可能病害的成分数据库，数据库包括病害的有效原子序数和电子密度值；获取所有可能病害的几何结构模型，并将有效原子序数填充至几何结构模型中形成分析模型；对待测文物进行双能CT扫描，并基于分析模型，获得双能CT多色投影数据；根据双能CT多色投影数据进行图像重建，对文物病害的结构和成分进行识别。本发明的技术方案能够同时、快速的对整件文物病害结构和成分进行诊断，提供无结构重叠的结构信息，去除硬化伪影的影响，对密封文物内部成分进行无损诊断，病害图像重建能够为病害诊断的准确评估提供技术手段，为制定准确的文物保护修复方案提供有效可行的指导。

Description

文物病害检测方法以及图像重建方法

技术领域

本发明涉及文物保护领域，尤其涉及一种通过辐射成像对文物病害进行检测的方法。

背景技术

青铜器是人类历史上的一项伟大发明，是世界冶金铸造史上最早的合金，它的变迁体现了世界文明在社会、经济以及文化内涵方面的发展和进步。中国古代青铜器是中国的国粹，无论是从青铜器的使用规模、铸造工艺，还是造型艺术及品种而言，都在世界艺术史上占有重要地位。但是，由于长期埋藏于地下以及出土后存贮条件的限制等原因，使得青铜器面临着严峻的病害腐蚀问题。其中，危害极大的有害锈与空气和水分等相互作用后，会使青铜器文物酥粉、毁溃、寿命缩短，严重时会使整件器物粉化甚至完全毁坏，文物考古界形象地称之为青铜器的“癌症”。2013年8月，湖南黄土坡M47号战国墓出土的青铜剑，即是“癌症”病变后严重腐蚀至断成几截，令人惋惜；此外，云南李家山古墓群约40％出土的青铜器文物均濒危或重度腐蚀等。因此，为使这类受腐蚀的青铜器文物能够长期的保存下去，首先必须准确的“诊断”青铜器文物病害的“结构”和“成分”信息，再制定对症“治疗”的文物保护修复方案进行保护。

然而，在实际文物病害诊断工作中，由于检测技术的限制，目前对于文物病害的物理结构和化学成分信息需要分别独立的进行检测。因此，引入了数据不匹配的错误信息，特别对于材料变化处和细节处理时，容易导致文物保护人员进行错误判断，同时，增加了时间成本。此外，结构和成分分别进行检测时，由于传统技术自身的局限性，又引入了大量其他错误诊断信息。

一方面，对于青铜器文物“结构”信息的检测，X射线成像检测技术作为最传统的诊断手段已得到国内外的广泛认可。随着科学技术的发展，利用胶片成像的X射线检测技术正逐渐的向利用IP板成像的计算机X射线成像技术CR(Computed Radiography)过渡，并最终会被可以直接将X射线信号转化成数字信号的X射线数字成像技术DR(DigitalRadiography)所取代。但是，DR成像技术对于青铜器病害结构信息的准确检测仍存在两方面局限性，一个视角下重建致使重建结果存在结构重叠现象，同时，X射线多色能谱硬化效应导致重建图像具有硬化伪影问题。此外，即使采用目前最先进的计算机断层成像技术CT(Computed Tomography)去解决结构重叠问题，重建结构也仍然存在多色能谱引起的硬化伪影干扰。综上，传统结构检测技术，存在结构重叠和硬化伪影的问题，引入大量的失真信息，干扰文物保护人员对病害的判断。

另一方面，对于青铜器文物病害“成分”信息的识别，目前被广泛采用的方法主要有激光拉曼光谱分析技术LRS(Laser Raman spectroscopy)和X射线衍射分析技术XRD(X-Ray Diffraction)。但是，这两种技术一次照射仅能获取待测器物的局部病害成分信息，如想获得器物整体病害信息，需要反复的进行操作再将结果进行整合，费时且引入整合误差。此外，对于无法打开的密封器物，其内表面的病害成分是无法进行检测的，产生盲区。综上，传统成分检测技术，存在多次照射结果进行整合引入的误差以及密闭器物内层病害无法检测等问题，带来了大量的不确定信息，同样影响文物保护人员对病害的判断，并且时间成本再次提高。

从以上分析可知，现有的文物病害诊断方法存在诸多技术局限性，导致在诊断结果中引入了大量的错误信息，即目前没有任何一种传统技术能够同时快速的对某件器物所有病害结构及其成分进行准确检测，致使大量的珍稀文物延误修复甚至加速腐蚀。为解决这一难题，寻找行之有效的方法拯救濒危文物已成为青铜器文物保护实际应用中非常严峻的关键问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种利用辐射成像对文物病害进行检测的方法，以解决现有技术存在的不能同时诊断文物病害形状和成分的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种文物病害检测方法，其特征在于，包括步骤：获取所有可能病害的成分数据库，数据库包括病害的有效原子序数和电子密度值；获取所有可能病害的几何结构模型，并将有效原子序数填充至几何结构模型中形成分析模型；对待测文物进行双能CT扫描，并基于分析模型，获得双能CT多色投影数据；根据双能CT多色投影数据进行图像重建，对文物病害的结构和成分进行识别。

优选地，结合Shepp-Logan模型和文物病害初步结构信息来构建几何结构模型。

优选地，由病害成分信息转换成有效原子序数和电子密度值。

优选地，获得双能CT多色投影数据的步骤包括将双能CT投影区域划分成多个栅格，运用扫描的方式，利用射线与栅格的交点逐一计算每条射线穿过每个栅格的长度，将不同能量下的衰减系数值与路径长度值对应积分求和，得到多色能谱投影数据。可以在得到的多色能谱投影数据上加入模拟噪声。

根据本发明的第二方面，提供了一种基于双能CT多色投影数据的图像重建方法，用于在第一方面的文物病害检测方法中对文物病害的结构和成分进行识别，其特征在于，包括步骤：基于双能多色能谱投影数据，获得双效应系数积分值；利用单能投影数据重建文物病害初步结构信息，并利用阈值法进行初步成分信息填充后作为初始值；基于初步结构信息初始值，利用代数迭代算法进行重建，获得重建图像。

优选地，将双效应系数积分值中不均匀数据和均匀数据进行分割，并对不均匀数据进行修补。修补可以使用全变分去噪修补。

优选地，重建文物病害初步结构信息的步骤使用滤波反投影算法。

优选地，获得重建图像的步骤包括使用全变分去噪处理。

优选地，根据文物病害成分对重建图像进行着色。

与现有技术相比，根据本发明的技术方案，能够同时、快速的对整件文物病害结构和成分进行诊断，提供无结构重叠的结构信息，去除硬化伪影的影响，对密封文物内部成分进行无损诊断，根据本发明的病害图像重建算法能够为病害诊断的准确评估提供技术手段，为制定准确的文物保护修复方案提供有效可行的指导。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明实施例的文物病害检测方法的流程图；

图2示出了根据本发明的文物病害检测方法的具体实施例的示意图；

图3示出了根据本发明实施例的Shepp-Logan模型示意图；

图4示出了根据本发明实施例的多色能谱投影数据生成示意图；以及

图5示意性地示出了根据本发明实施例的文物双能CT病害诊断重建算法的流程图。

在这些附图中，使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性质、元素或限度。另外，重复使用短语“在一个实施例中”虽然有可能是指代相同实施例，但并非必然指代相同实施例。

为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

双能计算机断层成像技术DECT(Dual Energy Computed Tomography)，使用了两种能谱分布的X射线源进行扫描，能够重建物体有效原子序数和电子密度信息，不仅可以对待测物体结构进行准确三维重建，还具有强大的物质成分识别能力，并且有效地去除了硬化伪影的影响。

然而，由于青铜器金属伪影导致重建算法复杂的限制，目前国内外还没有任何一个机构将双能CT技术应用至青铜器文物病害的诊断。本发明针对文物保护应用中青铜器文物病害快速、准确诊断的需求，首次将双能CT技术引入至文物保护中，提出一种基于双能CT技术的青铜器文物病害诊断方法，该方法对准确、对症的制定文物保护方案，从而治愈或延期珍稀文物寿命具有重要意义。

参照图1，示出根据本发明实施例的文物病害检测方法100的流程图。

方法100可以开始于步骤S102，获取所有可能病害的成分数据库，数据库包括病害的有效原子序数和电子密度值。在步骤S104中，获取所有可能病害的几何结构模型，并将步骤S102中获取的数据库中的有效原子序数填充至几何结构模型中形成分析模型。

然后，在步骤S106中，对待测文物进行双能CT扫描，并基于在步骤S104中形成的分析模型，获得双能CT多色投影数据。

最后，在步骤S108中，根据在步骤S106中获得的双能CT多色投影数据进行图像重建，对文物病害的结构和成分进行识别。

下面以青铜器文物为例，详细描述本发明基于双能CT成像识别技术开展青铜器文物病害的诊断。青铜器文物双能CT病害诊断方法思路是：首先，通过调查分析和确认实验相结合的方式获得青铜器文物病害的关键参数，即病害结构形态和腐蚀成分；其次，构建青铜器文物病害分析模型，并建立双能CT最终识别比对所需的青铜器病害成分识别检索数据库；然后，利用蒙特卡罗方法和多色能谱投影公式计算得到双能多色能谱投影数据，同时在投影数据中添加噪声；最后，提出一种新型快速、准确的文物病害图像重建算法，最终得到的青铜器文物病害诊断图像，可用于指导文物保护修复方案的准确制定，进而有效的对青铜器文物进行保护。如图2所示，具体地，主要包括以下4部分内容：

(1)青铜器文物病害关键参数获取与确认

获取青铜器文物病害的关键参数，主要包括结构和成分信息，即(几乎)所有可能存在的病害腐蚀物的结构形态特征和化学分子式，最常见的包括碱式碳酸铜、碱式氯化铜等，总共多达几十种之多。

青铜器文物典型可疑的病害的确认包括结构确认与成分确认。结构确认的实施例如下：利用传统的X射线探伤机对可疑病害文物进行照射，得到X射线照片；在得到的X射线照片中对病害可疑部位进行标记；归纳可疑病害的结构形态特征，如亮区、暗区、明显的明暗分界等。成分确认的实施例如下：使用激光拉曼光谱分析仪、X射线衍射分析仪等设备对可疑特征部位的腐蚀成分进行识别。值得注意的是，利用传统化学分析方法，只能得到文物表面的成分信息。

通过病害关键参数的获取与确认，可以更准确的实现对关键病害结构形态和腐蚀成分的确定。

(2)青铜器文物病害分析模型及识别检索库的构建

主要包括三个方面内容：

a)模型几何结构。参考针对复杂物体建模的Shepp-Logan模型(如图3所示)的形状特征，并结合(1)中关键病害结构形态，构建青铜器病害的模型几何结构。除了选用Shepp-Logan模型，也可以选用其他现有模型，或自己根据需要验证算法的具体性能建立模型。

b)模型填充成分。基于(1)中文物病害关键成分，将病害的化学分子式转化成可以填充至模型几何结构中的有效原子序数值。具体方案是：对于由K种元素组成的化合物，假设其组成元素的原子序数和原子量分别为{Z_i,i＝1,2,…K}和{A_i,i＝1,2,…K}，每个化合物分子中各种原子的个数为{c_i,i＝1,2,…K}，每个化合物分子的电子个数为Z_com，那么，每个化合物分子的有效原子序数Z_eff均可由公式(1)计算获得。最后，将计算得到病害的有效原子序数信息填充到a)的几何模型中便可建立青铜器文物病害分析模型。

c)在缺乏现有病害成分数据库的情况下，建立青铜器病害成分识别检索数据库。根据b)的结果，同理通过转换公式(2)(其中ρ为密度，A_com为每个化合物分子的分子量)将化学分子式转化成病害物质对应的电子密度值ρ_e，以供双能CT的最终物质识别进行比对检索。

按照上述b)和c)的方案，依次对每个可能的病害化合物分子式进行转化即可实现青铜器文物病害成分与双能CT识别的映射关系，建立青铜器病害成分识别检索数据库，其基本框架如表1所示。

编号

俗名

学名

化学分子式

颜色

有效原子序数

电子密度

1

孔雀石

碱式碳酸铜

Cu2(OH)2CO3

绿色

Zeff

ρe

表1 青铜器病害成分识别检索数据库基本框架

一旦按照以上方案建立了青铜器病害成分识别检索数据库，在根据本发明的技术方案进行青铜器文物病害检测时，就可以直接获取已经建立的数据库进行检测。当然数据库也可能按照其他方式建立和公开，只要能够准确提供青铜器文物病害的成分信息，均可以由本发明的技术方案所用。

同理，文物病害分析模型除了通过上述方案进行构建之外，也可以采用其他方式构建和公开，只要能够准确提供文物病害的共性结构信息，均可以由根据本发明的青铜器文物病害检测技术方案所用。

(3)文物病害双能CT多色能谱投影数据

主要包括三个步骤：

第一步，在获得投影数据之前，需要利用蒙特卡罗程序生成多色能谱。一方面，确定扫描青铜器文物所需X射线机管电压的取值范围；另一方面，根据管电压范围，采用蒙特卡罗方法获得多色能谱，一般分为源抽样、粒子输运与碰撞、过程记录和结果统计输出等四部分。

第二步，基于第一步已获得的多色能谱和(2)中构建的分析模型，生成无噪声理想情况下的多色能谱投影数据。实施的具体方案是，利用多色能谱投影公式(3)计算高低能多色能谱数据。

其中S(E)表示X射线源的能谱，η(E)表示探测器的能量响应函数，为扫描对象的线衰减系数随射线能量和空间坐标变化的函数，表示空间坐标。

深入分析公式(3)可知，S(E)已由第一步获得，η(E)当探测器选定时是固定值，那么求解难点即转化为如何获得不同能量下不同物质的衰减系数以及路径的长度信息。首先，针对衰减系数，本发明查找国际认可的美国国家标准与技术研究院(NationalInstitute of Standards and Technology，NIST)发布的权威信息进行确定，具体查找(2)中模型填充成分在不同能量下的衰减系数。其次，针对路径长度的求解，使用的方案是，如图4所示，先将投影区域划分成N×N个栅格，选择扇束扫描的方式，利用射线与栅格的交点逐一的计算每条扇束射线穿过每个栅格的长度。也可以使用平行束扫描、锥束扫描等其他扫描方式。最后，将获得的不同能量下的衰减系数值与路径长度值对应积分求和，便可得到无噪声情况下的多色能谱投影数据。

第三步，为了更真实的模投影环境，在第二步生成的多色能谱投影数据上增加模噪声。实现的具体方案如下，首先定义N_in为输入光子数，N_out为输出电子数，N_out的标准偏差为η(E)取值为1。为了简化计算，定义大量服从泊松分布的CT投影数据N_out服从高斯分布进行计算，即：

为了控制噪声水平，可以通过调整N_in加以实现。例如，如需要加0.1％(30dB)的噪声到投影数据上，可以按照如下公式(5)进行实现：

根据公式(4)，最终可以获得加入噪声的多色模投影数据p为：

(4)新型快速、准确的青铜器文物双能CT病害图像重建算法

双能CT图像重建算法是实现青铜器文物病害诊断方法的关键难点，成像算法的好坏将直接影响对文物病害的诊断效果。青铜器文物双能CT重建最突出的重建难点是“噪声”问题，主要有两方面来源：一方面主要是因为青铜器材质引起金属伪影的现象；另一方面是由于青铜器文物材质变化不均匀导致重建出现的干扰。因此，一种优秀的青铜器文物重建算法，一定是能够较好的解决这两方面问题的算法。本发明为针对性的解决这一问题，提出了一种新型快速、准确的青铜器文物双能CT病害诊断重建算法。

该算法为解决“噪声”问题，使用两种手段。其一，对于如(1)中出现的亮区、暗区等不均匀的可疑数据，将其在投影空间内与均匀投影数据进行分离，再分别进行重建，消除彼此重建的干扰；其二，采用全变分技术对均匀数据进行去噪平滑处理，降低由于青铜器文物数据不均匀性和金属伪影带来的噪声干扰，有效的提高重建质量，同时应用这一技术对不均匀数据进行修补。此外，为了提高重建速度，本发明采用重建用时很短但重建质量一般的单能CT滤波反投影算法重建图像作为本算法的初始值，同时使用被广泛认可的有序子集的技术加速重建过程。除了滤波反投影算法，还可以采用代数迭代算法、期望最大化算法等任何适用于初始图像重建的算法。病害诊断重建算法流程如图5所示。

实施具体方案如下，主要包括五个步骤：

第一步：基于双能多色能谱投影数据，查找《双能投影与双效应系数积分值映射查找表》，获得双效应系数积分值。

第二步：首先，利用单能投影数据，使用单能CT滤波反投影算法重建青铜器文物病害初步结构信息；其次，设定阈值，灰度值大于阈值时进行初步成分信息填充，将有结构的信息(高频信息)均提取出来，并考虑到重建结果铜的成分占绝大部分，赋值为29(铜的原子序数)，得到迭代重建的初始值。

第三步：针对第一步的双效应系数积分投影值，将不均匀和均匀的数据进行分割，并采用全变分技术对不均匀数据进行修补。具体而言，先判断是否存在明显的数据不均匀现象，如果存在，则将不均匀投影数据进行分割，对分割出来的不均匀数据进行全变分去噪修补。

第四步：利用第二步得到的迭代初值，使用均匀数据和被修补后的不均匀数据，利用代数迭代算法进行重建，并再次使用全变分技术进行去噪处理，获得重建图像。

第五步：将第四步的重建结果与(2)中建立的《青铜器病害成分识别检索数据库》进行映射比对识别，并将病害进行着色，从而获得最终的青铜器病害诊断图像，用于文物保护人员观察病害在整体青铜器位置。

还应该指出，本发明建立的病害识别方案应用范围很广。该方案不仅可用于青铜器病害的诊断，还可适用于中等X射线硬度扫描的其他文物的病害诊断中，如木漆器、陶瓷器、铁器、金银器等。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种文物病害检测方法，其特征在于，包括步骤：

获取所有可能病害的成分数据库，所述数据库包括病害的有效原子序数和电子密度值；

获取所有可能病害的几何结构模型，并将所述有效原子序数填充至所述几何结构模型中形成分析模型；

对待测文物进行双能CT扫描，并基于所述分析模型，获得双能CT多色投影数据；

根据所述双能CT多色投影数据进行图像重建，对文物病害的结构和成分进行识别，所述图像重建步骤包括：基于双能多色能谱投影数据，获得双效应系数积分值；利用单能投影数据重建文物病害初步结构信息，并利用阈值法进行初步成分信息填充后作为初始值；基于所述初步结构信息初始值，利用代数迭代算法进行重建，获得重建图像。

2.根据权利要求1所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述几何结构模型是结合Shepp-Logan模型和文物病害初步结构信息而构建。

3.根据权利要求1所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述有效原子序数和电子密度值是由病害成分信息转换而成。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述获得双能CT多色投影数据的步骤包括将双能CT投影区域划分成多个栅格，运用扫描的方式，利用射线与栅格的交点逐一计算每条射线穿过每个栅格的长度，将不同能量下的衰减系数值与路径长度值对应积分求和，得到多色能谱投影数据。

5.根据权利要求4所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述获得双能CT多色投影数据的步骤包括在得到的多色能谱投影数据上加入模拟噪声。

6.根据权利要求1所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述图像重建步骤还包括将所述双效应系数积分值中不均匀数据和均匀数据进行分割，并对所述不均匀数据进行修补。

7.根据权利要求6所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述对所述不均匀数据进行修补的步骤使用全变分去噪修补。

8.根据权利要求1所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述重建文物病害初步结构信息的步骤使用滤波反投影算法。

9.根据权利要求1所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述获得重建图像的步骤包括使用全变分去噪处理。

10.根据权利要求1所述的文物病害检测方法，其特征在于，所述图像重建步骤还包括根据文物病害成分对所述重建图像进行着色。