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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Bildrekonstruktion
und insbesondere ein Bildrekonstruktionsverfahren der inneren Beschaffenheit
eines Objekts.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Heutzutage
wird bezüglich der Bildrekonstruktion der inneren Beschaffenheit
eines Objekts hauptsächlich das von Hounsfield für
CT(Computertomographie)-Scanning erfundene Verfahren verwendet,
d. h. das Anordnen einer Röntgenquelle 1 und eines
Detektors 3 (wie in 1 gezeigt)
auf einem Präzisionsvorrichtungsscangerüst, um
es der Röntgenquelle 1 und dem Detektor 3 zu
ermöglichen, ein Objekt (ein Objekt von Interesse) 4 für
ein Rotationsscannen zu umgeben, wobei präzise die Sendeposition
und die Empfangsposition von jedem Röntgenstrahl während
der Drehung bestimmt wird, und die Bildrekonstruktion mittels eines
Radon-Berechnungsverfahrens realisiert wird, das die innere Dichteverteilung
eines Objekts auflöst (Referenzbücher: Computed
Tomography, von U. S. Willi A. Kalender, veröffentlicht
von People's Medical Publishing House, ISBN7-117-05284-8/R.5285; Practical
CT Examination Technology, von Mingpeng Wang, veröffentlicht
von Science and Technology Document Publishing House, ISBN7-5023-3262-6/R.656).
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Seit
die erste CT-Maschine im Jahr 1972 herauskam, durchlief die CT-Maschine
eine Entwicklung von acht Generationen (”Generation” ist
die Marke bezüglich ihres Entwicklungsprozesses, im Wesentlichen
wie die Scangeschwindigkeit verbessert wird), jedoch hat sich das
Lokalisations- bzw. Ortungsprinzip des Scannens nicht verändert,
das ständig den Modus des Scannens von Faultage-Daten mit
einem Präzisionsvorrichtungsrahmengleitring oder einer
glockenförmigen Strahlvorrichtung verwendet. Eine solche
Art der Lokalisierung, des Scannens, die die Radon-Berechnungsbedingung
simuliert, beschränkt die Zusammenstellung der CT-Ausrüstung
und die ausreichende Verwendung der Teile der Ausrüstung,
was zum Ergebnis hat: eine Komplexität bei der Herstellung
der Scanvorrichtung und der elektronischen Vorrichtungen, ein großer
Betrag an Röntgenstrahlenbelastung, eine niedrige Ausnutzungsrate,
eine niedrige Geschwindigkeit bei der Datensammlung, eine niedrige
Präzision beim Datenscanning, eine niedrige Auflösung
bei der Bildrekonstruktion, und dass kein echtes 3D-Bild erzeugt
wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der
gegenwärtigen Scantechnologie zu überwinden, ein
Bildrekonstruktionsverfahren mittels Röntgenvolumenphotographie
bereitzustellen. Dieses Verfahren rekonstruiert ein 3D-Bild des
Objekts von Interesse, indem ein planarförmiges Röntgenphotographiebild
erhalten wird, teilt das 3D-Bild in Faultage-Bilder in jeder Richtung,
was nicht nur eine hohe Bildauflösung und eine niedrige
Röntgenstrahlenbelastung liefert, sondern auch eine Ausrüstung
mit einer einfachen Struktur und geringer Schwierigkeit und Investition
bei der Herstellung.
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Die
technische Lösung der vorliegenden Erfindung ist: Erfassen
von Daten von einer Mehrzahl von Röntgenbereichsarray-Bildern
durch Aufnehmen von Fotos eines Objekts von Interesse gemäß dem
Lokalisationsprinzip einer Digitalphotographiemessung, wenn ein
Röntgenphoto aufgenommen wird, gleichzeitig Aufnehmen einer
Mehrzahl von Markierungspunkten, von denen die 3D-Positionen bekannt
sind, in einem Röntgenphoto, Verwenden der Koordinaten
der Markierungspunkte im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für
eine Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion, und Koordinaten
von Markierungspunkten in einem Röntgenphotokoordinatensystem
o-xy, um eine Transformationsbeziehung dieser zwei Koordinatensysteme zu
konstruieren, Bestimmen des Weges und der Position von jedem Röntgenphotostrahl
mittels dieser Transformationsbeziehung, Erhalten aller Voxel von
jedem Röntgenstrahl, der das Objekt von Interesse passiert,
Bestimmen des Grauwerts des Voxels g durch Lösen des Radon-Gleichungssatzes
basierend auf einem Voxel g und einem Pixel G auf demselben Röntgenstrahlenweg,
Berechnen der Grauwerte aller Voxel g mittels eines Computers, Rekonstruieren
eines 3D-Volumenbilds des Objekts von Interesse basierend auf den
Grauwerten der Voxel g.
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Das
Bildrekonstruktionsverfahren mittels Röntgenvolumenphotographie
der vorliegenden Erfindung umfasst der Reihe nach die folgenden
Schritte:
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(1) Überprüfen der Röntgenkamera
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Justieren
der Röntgenkamera, um den vertikalen Strahl eines Röntgenröhrenzentrums
S rechtwinklig bezüglich der Abbildungsfläche
des Röntgendigitalphotos zu machen, und dann Messen der
Distanz H vom Röntgenröhrenzentrum S zur Abbildungsfläche
des Röntgendigitalphotos.
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(2) Konstruieren eines Photokoordinatensystems
o-xy
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Konstruieren
eines Photokoordinatensystems o-xy auf dem Röntgendigitalphoto,
wobei der Ursprung o des Photokoordinatensystems das Pixel des vertikalen
Strahls des Röntgenröhrenzentrums S auf dem Röntgendigitalphoto
ist, die x-Achse des Photokoordinatensystems die laterale Anordnungsrichtung
der Pixel ist, die durch den Ursprung o des Photokoordinatensystems
passieren, die y-Achse des Photokoordinatensystems die vertikale
Anordnungsrichtung der Pixel ist, die durch den Ursprung o des Photokoordinatensystems passieren.
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(3) Konstruieren des rechtwinkligen Koordinatensystems
O-XYZ für eine Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
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Anordnen
von zumindest drei Markierungspunkten für das Objekt von
Interesse und Messen im Voraus der 3D-Distanzen zwischen allen zwei
Markierungspunkten, Nehmen eines beliebigen Markierungspunkt als
den Ursprung O des Koordinatensystems, um das rechtwinklige Koordinatensystem
O-XYZ für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
zu konstruieren, Speichern der Koordinaten von jedem Markierungspunkt
im Koordinatensystem O-XYZ in den Computer;
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Die
Markierungspunkte sind auf dem Objekt von Interesse oder dem Markierungsrahmen,
der das Objekt von Interesse umgebend angeordnet ist, angeordnet.
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(4) Röntgenphotographie
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Betreiben
der Röntgenkamera, um die Röntgenröhre
und die Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos
sich entlang eines bogenlinienförmigen oder eines geradlinigen
Wegs bewegen zu lassen, Aufnehmen von Röntgendigitalphotos
des Objekts von Interesse an Stellen mit einer festen Distanz, um
eine Mehrzahl von Röntgendigitalphotos des Objekts von
Interesse bei verschiedenen Positionen zu erhalten.
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(5) Erkennen des Musters der Markierungspunkte
und Lokalisieren des Bildes der Markierungspunkte.
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Eingeben
aller von in Schritt (4) aufgenommenen Röntgendigitalphotos
in den Computer, Durchführen einer Mustererkennung und
Bildlokalisierung bezüglich der Markierungspunkte für
jedes Röntgendigitalphoto mittels des Computers, um Koordinaten
x, y für jeden Markierungspunkt in dem o-xy Koordinatensystem
von jedem Photo zu erhalten (siehe
Kapitel 4 bis Kapitel
6 in "Digital Photogrammetry" von Zuxun Zhang
und Jianqing Zhang für "Mark Point Pattern Recognition
and Mark Point Image Locating", veröffentlicht
von Wuhan University Publishing House, im Mai 2001, ISBN7-307003233-3/P.7);
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Die
Markierungspunktmustererkennung ist vollständig, indem
ein vorbereitetes Markierungspunktformvorlagenbild mit einem Merkmalsextraktionsbild übereinstimmt.
Die Merkmalsextraktion wird vervollständigt durch verschiedene
Arten von Operatoren; da die geometrischen Formen der Markierungspunkte
unterschiedlich sind, haben die Markierungspunkte mit verschiedenen
Formen verschiedene Bildmerkmale auf dem Röntgenphoto,
deshalb können die Merkmalsextraktionsoperatoren klassifiziert
werden in einen Operator für eine Punktmerkmalsextraktion,
einen Operator für eine Linienmerkmalsextraktion und einen
Operator für eine Ebenenmerkmalsextraktion; der Operator
für die Punktmerkmalsextraktion umfasst hauptsächlich
einen Moravec-Operator, einen Hannah-Operator und einen Forstner-Operator,
der Operator für die Linienmerkmalsextraktion umfasst hauptsächlich
einen Gradientoperator, einen Differentialoperator zweiter Ordnung,
einen Gauß-Laplace-Operator (LOG-Operator), die Merkmalssegmentation
und Hough-Transformation; die Ebenenmerkmalsextraktion wird hauptsächlich
vervollständigt durch Bildregionssegmentierung, und das
Verfahren der Bildsegmentierung umfasst hauptsächlich ein
Schwellwertverfahren, ein Bereichswachstumsverfahren und ein Cluster-Klassifikationsverfahren.
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Das
Lokalisieren des Bildes der Markierungspunkte betrifft präzise
das Bestimmen des Markierungspunkts, der die objektive Position
im Koordinatensystem o-xy des Röntgendigitalphotos lokalisiert,
wobei der Markierungspunkt, der die objektive Position lokalisiert,
im extrahierten Markierungspunktformbereich zu finden ist. Das Berechnungsverfahren
der Mustererkennung beim Lokalisieren der objektiven Position ist
dasselbe wie der vorherige Merkmalsextraktionsoperator.
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(6) Berechnen der Orientierungselemente
XS, YS, ZS, α, ω, κ für
jedes Röntgendigitalphoto.
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Erhalten
von kollinearen Gleichungen für die Röntgenstrahlen
von allen Markierungspunkten auf jedem Röntgendigitalphoto
durch den Computer; für jeden beliebigen Markierungspunkt
(beispielsweise Markierungspunkt A), ist seine kollineare Gleichung
des Röntgenstrahls wie folgt:
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In
den obigen Gleichungen sind x, y Koordinaten des Markierungspunkts
A im Photokoordinatensystem o-xy, H ist die Distanz des Röntgenröhrenzentrums
S zu einer Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos, X
A, Y
A, Z
A sind
Koordinaten des Markierungspunkts A im rechtwinkligen Koordinatensystem
O-XYZ für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion,
X
S, Y
S, Z
S sind Koordinaten des Röntgenröhrenzentrums
S im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion.
Der Twiddle-Faktor ist:
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Auswählen
der kollinearen Gleichungen für die Röntgenstrahlen
von zumindest drei Markierungspunkten auf jedem Röntgendigitalphoto
für die gleichzeitige Lösung, um die sechs Orientierungselemente
X
S, Y
S, Z
S, α, ω, κ von
jedem Röntgendigitalphoto zu erhalten. Die Orientierungselemente
X
S, Y
S, Z
S sind Koordinaten des Röntgenröhrenzentrums
S im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion, α, ω, κ sind
Winkel in Drehrichtungen des Röntgendigitalphotos im rechtwinkligen Koordinatensystem
für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion O-XYZ
(siehe
Kapitel 1 von "Analytical Photogrammetry" von
Zengbo Qian für das Prinzip und die Arithmetik von "rotation
factor" und "collinear equation", veröffentlicht
von Surveying and Mapping Publishing House, 15039, neu 143).
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(7) Berechnen der Koordinaten des Pixels
G im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion.
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Gemäß den
Orientierungselementen X
S, Y
S,
Z
S, α, ω, κ von
jedem in Schritt (6) erhaltenen Röntgendigitalphoto, und
einer korrigierte Distanz H
korrigiert (die
korrigierte Distanz H
korrigiert wird berechnet
durch die kollineare Gleichung 1-1 des Röntgenstrahls des
Markierungspunkts auf dem Röntgendigitalphoto) vom Röntgenröhrenzentrum
S zur Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos,
eine Distanz l zwischen Pixeln, Berechnen der Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktionskoordinaten
X
ij, Y
ij, Z
ij von jedem Pixel G
ij auf
jedem Röntgendigitalphoto durch den Computer mittels des
Berechnungsprinzips und Verfahrens wie folgt:
Die Pixel auf
dem Röntgendigitalphoto werden äquidistant in
Reihe angeordnet, wobei die Distanz l zwischen den Pixeln G feststehend
ist. Die i, j werden als Pixelsequenznummern gesetzt, Koordinatenachsen
x, y des Photokoordinatensystems o-xy werden gesetzt, um jeweils
parallel zur lateralen Richtung und zur vertikalen Richtung zu sein,
entlang der die Pixel angeordnet sind, die Photokoordinaten x, y
von jedem Pixel G
ij werden gesetzt, um vom
Schnittpunkt o der vertikalen Distanz vom Projektionszentrum S des
Photos P gemessen zu werden, die vertikale Distanz von S zu o ist
H. Die Röntgenphotokoordinaten des Pixels G
0 bei
der Position des Schnittpunkts o sind x = 0, y = 0. Es kann von
Schritt (6) gesehen werden, dass die Koordinaten des Röntgenröhrenzentrums
S im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
wie folgt sind: S (X
S, Y
S,
Z
S), und wenn die berechneten Winkelfaktoren α, ω, κ in
Rotationsrichtungen eingeführt werden, werden die folgenden
Gleichungen erhalten: Koordinaten
des Pixels G
0 im rechtwinkligen Koordinatensystem
O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
Koordinaten
des Pixels G
ij im rechtwinkligen Koordinatensystem
O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
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In
der obigen Gleichung sind i, j Pixelsequenznummern, l ist die Distanz
zwischen den Pixeln, i×l = x
i, i×l
= y
i. Gleichung (1-4) wird dargestellt durch:
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Die
Koordinaten des Pixels Gij im rechtwinkligen
Koordinatensystem O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion,
berechnet durch Gleichung (1-5), sind: Gij(Xij, Yij, Zij)
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Es
ist zu sehen, dass, was durch Gleichung (1-3) und Gleichung (1-4)
gemeinsam mit Gleichung (1-5) dargestellt wird, ein Verfahren zum
Neuanordnen der Koordinaten (x, y) des Pixels G in einem Röntgendigitalphoto
im rechtwinkligen Koordinatensystem für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
ist.
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Durch
die Schritte (1) bis (7) werden Koordinaten des Röntgenprojektionszentrums
S und des Röntgenphotopixels G im rechtwinkligen Koordinatensystem
für eine Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion erhalten,
offensichtlich werden die Positionen des Röntgenprojektionszentrums
S und alle Pixel auf dem Röntgendigitalphoto bestimmt,
wobei das Verfahren desselben funktional identisch mit dem herkömmlichen CT-Präzisionsvorrichtungsrahmenscannen
ist, während eine mechanische Art und Weise im herkömmlichen CT-Scanning
verwendet wird, um die Positionen des Röntgenprojektionszentrums
S und des Röntgenempfängers zu erhalten, während
ein Berechnungsverfahren im vorliegenden Verfahren verwendet wird,
um die Positionen des Röntgenprojektionszentrums S und
aller Pixel des Röntgendigitalphotos zu erhalten.
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(8) Bestimmen aller Voxel von jedem Strahl,
der das Objekt von Interesse passiert
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Gemäß den
Orientierungselementen X
S, Y
S,
Z
S von jedem in Schritt (6) erhaltenen Röntgendigitalphoto,
und den Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktionskoordinaten X
ij, Y
ij, Z
ij, von jedem Pixel G auf jedem in Schritt
(7) erhaltenen Röntgendigitalphoto, Berechnen durch den
Computer, um alle Voxel g von jedem Röntgenstrahl zu erhalten,
der das Objekt von Interesse passiert, mittels des Berechnungsprinzips
und Verfahrens wie folgt:
Die lineare Gleichung, konstruiert
durch einen Strahl, gebildet durch die zwei Punkte, nämlich
Röntgenröhrenzentrum S und Pixel G, passierend
die Rekonstruktionsvoxel g
ijk-Fläche,
ist:
-
Deshalb
erfüllt die Bedingung der Bestimmung des Röntgenstrahls,
der das Voxel gijk passiert, die lineare
Gleichung (1-6). Die Positionskoordinaten herauszufinden, die das
Voxel gijk in der linearen Gleichung (1-6)
erfüllen, bedeutet, den Weg zu erhalten, den der Strahl
passiert.
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Die
bestimmte Dimension der Voxel g
ijk-Fläche
ist: g
ijk = |t×t×t|, die
bekannten Koordinaten von acht Gipfeln der Voxel g
ijk-Fläche
im rechtwinkligen Koordinatensystem für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
(siehe
7) sind:
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Wenn
die Koordinatenwerte für gijk-Voxel,
berechnet von Gleichung (1-6), innerhalb des Bereichs (gijk1, ..., gijk8)
begrenzt sind, wird angenommen, dass der Röntgenstrahl
das Voxel passiert. Alle Voxel gijk herauszufinden,
die von jedem Röntgenstrahl SGij passiert
werden, bedeutet, den Weg von jedem Strahl zu bestimmen.
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Da
die Koordinaten der acht Gipfel der Voxel gijk-Fläche
im rechtwinkligen Koordinatensystem für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
bekannt sind, beispielsweise die Koordinaten von gijk1 sind
(xi, yj, zk), sind die Schritte zum Berechnen des Weges
des Strahls wie folgt:
- 1. Die Gleichung von
X, Y, die durch Einsetzen von Z = Zk in
die Gleichung (1-6) erhalten wird, ist die Projektionsgleichung
des Röntgenstrahls innerhalb der Erhöhung Z =
Zk-Oberfläche.
- 2. Schätzen, ob die Projektionsgleichung und die vier
Seiten bei der unteren Oberfläche der Voxelfläche einander
schneiden. Wenn sie sich nicht schneiden, passiert der Röntgenstrahl
das Voxel nicht. Wenn sie sich schneiden, sollen die Koordinaten
der Schnittpunkte aufgelöst werden, die gesetzt sind als
(a1, b1) und (a2, b2), und eine
weitere Bestimmung ist erforderlich.
- 3. Einsetzen der Koordinaten der Schnittpunkte im zweiten Schritt
jeweils in die Gleichung (1-6), um den Wert Z aufzulösen,
wobei bestimmt wird, ob der Wert Z zwischen ZK und
ZK + t ist (1 ist die Seitenlänge
der Kubusvoxelfläche). Wenn dem so ist, bedeutet das, dass
der Strahl die Voxelfläche passiert.
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(9) Rekonstruieren eines 3D-Volumenbildes
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Erhalten
eines Radon-Gleichungssatzes, basierend auf dem Voxel g und dem
Grauwert des Pixels G auf jedem Röntgenstrahlweg, Berechnen
des Grauwerts von allen Voxeln g durch den Computer (Radonverfahren
wird zum Berechnen des Grauwerts von Pixeln verwendet), Rekonstruieren
des 3D-Volumenbildes des Objekts von Interesse basierend auf den
Grauwerten der Voxel (Referenzbuch: siehe Kapitel 7 in Introduction to
Digital Image Processing von Rongchun Zhao, veröffentlicht
von Northwestern Polytechnical University Publishing House, ISBN7-5612-0737-9/TB.82).
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Das
Verfahren in der vorliegenden Erfindung hat eine Mehrzahl von Verwendungen:
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1. 2D Übersichtsaufnahmenbeobachtung
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Was
vom Verfahrensschritt (4) der Röntgenphotographie in der
vorliegenden Erfindung erhalten wird, ist eine Mehrzahl von Röntgendigitalphotos
des Objekts von Interesse bei verschiedenen Positionen. Durch die
Röntgendigitalphotos kann eine 2D Übersichtsaufnahmenbeobachtung
bezüglich des Objekts von Interesse durchgeführt
werden.
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2. 2D Digitalsubtraktion
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Nach
der Röntgenverstärkungsphotographie kann die Photographiegraustufe
der Röntgendigitalphotos, die vom Verfahrensschritt (4)
der vorliegenden Erfindung erhalten wurden, direkt umgekehrt werden
und die Röntgendigitalphotos werden mit einem Röntgenphoto überlagert,
um ein 2D Digitalsubtraktionsbild zu bilden.
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3. Echtzeit 3D Bildbeobachtung
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Gemäß dem
3D Beobachtungsprinzip, unter Verwendung von zwei überlagerten
Röntgendigitalphotos, die bei zwei verschiedenen Positionen
aufgenommen wurden, um die Konstruktion von Körperbildpaaren zu
ermöglichen und die Echtzeit 3D Beobachtung des Objekts
von Interesse durchzuführen.
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4. 3D Merkmalsbildextraktion
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Im
3D Bild, das durch den Grauwert des Voxels gijk rekonstruiert
wird, können die Graustufenbildkoordinaten der Teile mit
demselben Merkmal extrahiert werden, um eine Merkmalsbildbeobachtung
zu bilden.
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5. Echtzeit 3D Lokalisation und Navigation
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Unter
Verwendung der extrahierten Graustufenbildkoordinaten der Teile
mit demselben Merkmal zum Bestimmen der räumlichen Position
des Objekts von Interesse, und Führen der Ausrüstung,
um zu der bestimmten räumlichen Position entlang den bestimmten
Wegkoordinaten zu gelangen.
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6. Extrahieren eines Bildes
einer beliebigen Faultage
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Im
3D Bild, das durch den Grauwert des Voxels gijk rekonstruiert
ist, kann das Bild einer beliebigen Faultage des Objekts von Interesse
extrahiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat die folgenden vorteilhaften Wirkungen:
- 1. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung
verwendet eine gewöhnliche digitale Röntgenmaschine
für die Photographie, um die Daten eines 2D-planarförmigen
Bildes des aufzunehmenden Objekts zu erhalten, rekonstruiert ein
3D Bild mittels des planarförmigen photographischen Bildes,
um die Bilddaten des gesamten Objekts zu erhalten, was eine technische
Lösung einer anderen Konzeption für die Bildrekonstruktion
der inneren Beschaffenheit eines Objekts bereitstellt.
- 2. Verglichen mit der Bestimmung des Wegs und der Position des
Röntgenstrahls durch einen Präzisionsvorrichtungsgleitring
für CT-Scanning, bestimmt das Verfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung den Weg und die Position des Röntgenstrahls
durch Computerberechnung, was nicht nur in einer hohen Auflösung, geringen
Röntgenstrahlenbelastung resultiert, sondern auch in einer
Vorrichtung mit einer einfachen Struktur, geringer Investition und
Stromverbrauch, und geringen Anforderungen an die Arbeitsumgebung.
- 3. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann nicht nur ein
3D Bild des Objekts von Interesse rekonstruieren, sondern es kann
auch für eine 2D Übersichtsaufnahmenbeobachtung,
2D Digitalsubtraktion, Echtzeit 3D Bildbeobachtung, Echtzeit 3D
Lokalisierung und Navigation, 3D Merkmalsbildextraktion, Bildextraktion
einer beliebigen Faultage, etc. verwendet werden.
- 4. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
kann weithin im Gebiet der Innenbetrachtung, Sicherheitsinspektion,
maßgeschneiderten Inspektion des Objekts von Interesse,
der inneren räumlichen Lokalisierung und Navigation, der
medizinischen Detektion des Objekts von Interesse etc. verwendet
werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung der Computertomographie (CT).
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2 ist
ein Flussdiagramm eines Bildrekonstruktionsverfahrens mittels Röntgenvolumenphotographie
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine schematische Zeichnung der Verwendung des Bildrekonstruktionsverfahrens
mittels Röntgenvolumenphotographie gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine schematische Zeichnung des Photokoordinatensystems o-xy.
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5 ist
eine Positionsbeziehungsdarstellung der Röntgenquelle,
des Objekts von Interesse, des Markierungsrahmens, des Röntgendigitalphotos
in der Röntgenvolumenphotographie, was auch den Markierungspunkt
und das rechtwinklige Koordinatensystem O-XYZ für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
beschreibt.
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6 ist
eine Beziehungsdarstellung zwischen dem Photokoordinatensystem o-xy
und dem rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für die
Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion.
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7 ist
eine Beziehungsdarstellung zwischen der Voxel gijk-Fläche
und dem rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für die
Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion.
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8, 9, 10 und 11 sind
Röntgendigitalphotos bei vier verschiedenen Positionen
des Mehrschichtdrahtrahmens, wobei 8 das erste
Röntgendigitalphoto ist, 9 das zweite
Röntgendigitalphoto ist, 10 das
dritte Röntgendigitalphoto ist und 11 das
vierte Röntgendigitalphoto ist.
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In
den Figuren gilt: 1 – Röntgenröhrenzentrum
(Röntgenquelle), 2 – Scangerüst, 3 – Detektor, 4 – das Objekt
von Interesse, 5 – Bildrekonstruktionsfläche, 6 – Röntgendigitalphoto, 7 – Markierungsrahmen, 8 – Markierungspunkt, 9 – Lagerbett, 10 – Markierungspunktpixel, 11 – Voxelfläche.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
VON EXEMPLARISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung näher
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In den folgenden exemplarischen Ausführungsformen sind
Schritte der Bildrekonstruktion des Numerschichtdrahtrahmens mittels
der Röntgenvolumenphotographie wie folgt:
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(1) Überprüfen einer
Röntgenkamera
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Eine
Röntgenkamera wird justiert, um einen vertikalen Strahl
des Röntgenröhrenzentrums 1(S) rechtwinklig
zur Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos
zu machen, und dann wird die Distanz H vom Röntgenröhrenzentrum 1(S) zur
Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos bestimmt,
dass sie 1000 mm ist (siehe 4).
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(2) Konstruieren eines Photokoordinatensystems
o-xy
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Ein
Photokoordinatensystem o-xy wird auf dem Röntgendigitalphoto 6 konstruiert,
wobei der Ursprung o des Photokoordinatensystems ein Pixel des vertikalen
Strahls des Röntgenröhrenzentrums 1(S) auf
dem Röntgendigitalphoto ist, die x-Achse des Photokoordinatensystems
eine laterale Anordnungsrichtung der Pixel ist, die durch den Ursprung
o des Photokoordinatensystems passieren, die y-Achse des Photokoordinatensystems
die vertikale Anordnungsrichtung der Pixel ist, die durch den Ursprung
o des Photokoordinatensystems passieren, wie in 4 gezeigt.
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(3) Konstruktion des rechtwinkligen Koordinatensystems
O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
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Ein
Ebenenmarkierungsrahmen wird angeordnet mittels eines Mehrschichtdrahtrahmens
von 50 × 50 × 50 mm, gerollt aus Eisendraht mit
einem Durchmesser von 0,5 mm. Acht Markierungspunkte A, B, C, D,
E, F, G und H werden auf dem Markierungsrahmen angeordnet und die
3D Distanz zwischen jeden zwei Markierungspunkten wird gemessen.
Der Markierungspunkt A wird als der Ursprung des Koordinatensystems
genommen, um das rechtwinklige Koordinatensystem O-XYZ für
die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion zu konstruieren. Siehe
Tabelle 1 für die Koordinaten von jedem Markierungspunkt
im Koordinatensystem O-XYZ. Tabelle 1: Die Koordinaten von jedem Markierungspunkt
im Koordinatensystem O-XYZ
| Markierungspunkt | Koordinaten
der Markierungspunkte |
| | X | Y | Z |
| A | 101,00 | 100,00 | 0 |
| B | 150,00 | 102,00 | 0 |
| C | 202,00 | 101,50 | 0 |
| D | 249,00 | 100,00 | 0 |
| E | 100,00 | 300,50 | 0 |
| F | 153,50 | 303,50 | 0 |
| G | 200,00 | 302,50 | 0 |
| H | 251,50 | 301,50 | 0 |
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Die
Koordinaten von jedem Markierungspunkt im Koordinatensystem O-XYZ
werden in den Computer gespeichert, der ein normaler PC-Computer
ist.
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(4) Röntgenphotographie
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Die
Röntgenkamera wird bedient, um die Röntgenröhre
und die Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos
sich entlang eines geradlinigen Weges bewegen zu lassen, wobei ein
Röntgendigitalphoto für jede der vier Stellen
mit einem Abstand von 50 mm aufgenommen wird, um vier Röntgendigitalphotos
des Mehrschichtdrahtrahmens bei verschiedenen Positionen zu erhalten
(siehe 8, 9, 10 und 11).
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(5) Erkennen des Musters der Markierungspunkte
und Lokalisieren des Bildes der Markierungspunkte
-
Alle
vier in Schritt (4) aufgenommenen Röntgendigitalphotos
werden in den in Schritt (3) beschriebenen Computer eingegeben.
Das Merkmalsbild von jedem Markierungspunkt wird mittels einer übereinstimmenden
Berechnung des Operators Moravec für Punktmerkmalsextraktion
durch den Computer extrahiert, um die Pixelposition von jedem Markierungspunkt
in jedem Röntgendigitalphoto zu bestimmen, um die Koordinaten von
jedem Markierungspunkt im o-xy Koordinatensystem von jedem Photo
zu erhalten.
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(6) Berechnen der Orientierungselemente
XS, YS, ZS, α, ω, κ von
jedem Röntgendigitalphoto
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Die
Koordinaten des Markierungspunkts von jedem Röntgendigitalphoto
im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
und die Koordinaten des Markierungspunkts im o-xy Koordinatensystem,
erhalten im Schritt (5), werden jeweils in die kollinearen Gleichungen
für die Röntgenstrahlen eingesetzt. Die kollinearen
Gleichungen für die Röntgenstrahlen von drei Markierungspunkten
in jedem Röntgendigitalphoto werden für die gleichzeitige
Lösung durch den Computer ausgewählt, um die sechs
Orientierungselemente von jedem Röntgendigitalphoto zu
berechnen (siehe
Kapitel 1 von "Analytical Photogrammetry" von
Zengbo Qian für das Berechnungsverfahren, veröffentlicht
von Surveying and Mapping Publishing House, 15039. neu, 143).
Siehe Tabelle 2 für die Orientierungselemente von jedem
Digitalphoto. Tabelle 2: Die Ergebnistabelle der Orientierungselementberechnung
| Seriennummer
des Röntgendigitalphotos | XS(mm) | YS(mm) | ZS(mm) | α | ω | κ |
| 1 | 101,10 | 201,45 | 1000,43 | 0°31'
21.32'' | 0°23'
57.63'' | 2°07'
32.72'' |
| 2 | 151,02 | 201,35 | 1000,47 | 0°31'
20.62'' | 0°23'
58.45'' | 2°07'
24.16'' |
| 3 | 201,89 | 201,65 | 1000,65 | 0°31'
19.14'' | 0°23'
56.34'' | 2°07'
21.42'' |
| 4 | 251,74 | 201,63 | 1000,71 | 0°31'
18.61'' | 0°23'
55.67'' | 2°07'
20.32'' |
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(7) Berechnen der Koordinaten des Pixels
G im rechtwinkligen Koordinatensystem O-XYZ für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
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Gemäß den
Orientierungselementen X
S, Y
S,
Z
S, α, ω, κ für
die vier in Schritt (6) erhaltenen Digitalphotos, und die korrigierte
Distanz H
korrigiert (H
korrigiert =
1000 mm) vom Röntgenröhrenzentrum
1(S) zur
Abbildungsfläche des Röntgendigitalphotos, wird
die Distanz l (l = 100 μm) zwischen den Pixeln, die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktionskoordinaten
X
ij, Y
ij. Z
ij von jedem Pixel G
ij auf
jedem Röntgendigitalphoto durch den Computer berechnet.
Siehe Tabelle 3 für die Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktionskoordinaten
X
ij, Y
ij, Z
ij des Markierungspunktpixels G
ij auf
jedem Röntgendigitalphoto. Tabelle 3: Die Koordinaten von jedem Markierungspunktpixel
G
ij im Koordinatensystem O-XYZ
| Seriennummer der Photos | Markierungs-Punkt | Koordinaten
des Markierungspunktpixels |
| Xij | Yij | Zij |
| 1 | A | 101,23 | 100,44 | 0 |
| B | 149,96 | 102,08 | 0 |
| C | 201,97 | 101,55 | 0 |
| E | 99,67 | 300,50 | 0 |
| F | 153,65 | 303,11 | 0 |
| G | 199,98 | 302,25 | 0 |
| 2 | A | 101,05 | 100,29 | 0 |
| B | 150,12 | 101,98 | 0 |
| C | 202,07 | 101,65 | 0 |
| D | 249,20 | 99,80 | 0 |
| E | 99,74 | 300,60 | 0 |
| F | 153,75 | 303,23 | 0 |
| G | 199,86 | 302,21 | 0 |
| H | 251,51 | 301,87 | 0 |
| 3 | A | 101,00 | 100,11 | 0 |
| B | 150,12 | 101,98 | 0 |
| C | 202,00 | 101,45 | 0 |
| D | 249,10 | 99,60 | 0 |
| E | 99,52 | 300,47 | 0 |
| F | 153,85 | 303,43 | 0 |
| G | 199,86 | 302,21 | 0 |
| H | 251,32 | 301,61 | 0 |
| 4 | B | 150,12 | 101,98 | 0 |
| C | 201,95 | 101,98 | 0 |
| D | 249,310 | 99,75 | 0 |
| F | 251,51 | 301,87 | 0 |
| G | 199,92 | 302,21 | 0 |
| H | 251,58 | 301,77 | 0 |
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(8) Bestimmen aller Voxel von jedem durch
den Mehrschichtdrahtrahmen passierenden Strahl
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Gemäß den
Orientierungselementen XS, YS,
ZS von jedem in Schritt (6) erhaltenen Röntgendigitalphoto
und den Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktionskoordinaten Xij. Yij, Zij von jedem Pixel G auf jedem in Schritt
(7) erhaltenen Röntgendigitalphoto, wird durch den Computer
eine Berechnung durchgeführt, um alle Voxel g von jedem
durch den Mehrschichtdrahtrahmen passierenden Röntgenstrahl
zu erhalten.
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(9) Rekonstruieren eines 3D Volumenbildes
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Ein
Radon-Gleichungssatz wird basierend auf dem Pixel G und dem Voxel
g auf jedem Röntgenstrahlweg erhalten. Die Grauwerte von
allen Voxeln werden durch den Computer berechnet, und das 3D-Volumenbild
des Mehrschichtdrahtrahmens wird basierend auf den Grauwerten der
Voxel rekonstruiert.
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In
der obigen 3D-Bildbeobachtung werden die Koordinaten der Merkmalsteile
der Mehrschichtdrahtschicht und der Markierungspunkte gemessen,
die Bildkoordinaten der Graustufe des Voxels g wird extrahiert, um
mit den Koordinaten der Merkmalsteile der Mehrschichtdrahtschicht
und den auf dem Punkt gemessenen Markierungspunkten verglichen zu
werden, und sie stimmen vollständig überein. Es
beweist, dass die Bildübereinstimmung der Markierungspunktmustererkennung
und der Markierungspunktbildlokation korrekt ist. Die korrespondierenden
Punkte der Vorwärtsschnittberechnung, gebildet durch sich
schneidende Strahlen, schneiden in Paaren. Die Berechnung der kollinearen
Bedingung ist korrekt. Der Strahlweg, der vom Röntgenprojektionszentrum
S und den Photokoordinaten des Pixels G gebildet wird, erfüllt
die Berechnungsbedingung von Radon.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
3D-Bildrekonstruktionsverfahren mittels Röntgenvolumenphotographie
erlangt eine Mehrzahl von Röntgenbereichsarraybildern des
Objekts von Interesse gemäß einem Lokalisierungsprinzip
der Digitalphotographiemessung. Eine Mehrzahl von Markierungspunkten
der bekannten 3D Positionen wird gleichzeitig in dem Röntgenphoto
aufgenommen, und das Verfahren verwendet die Koordinaten der Markierungspunkte
in dem rechtwinkligen Koordinatensystem für eine Volumenphotographie-3D-Bildrekonstruktion
und die Koordinaten der Markierungspunkte in dem Röntgenphotokoordinatensystem,
um eine Transformationsbeziehung der zwei Koordinatensysteme zu
konstruieren. Das Verfahren bestimmt den Weg und die Position von
jedem Röntgenstrahl mittels der Transformationsbeziehung
und erhält alle Voxel von jedem durch das Objekt von Interesse
passierenden Röntgenstrahl. Das Verfahren verwendet das
Voxel g und das Pixel G desselben Röntgenstrahlwegs, um
einen Radon-Gleichungssatz zu erhalten, um den Grauwert des Voxels
g zu bestimmen, bestimmt dann den Grauwert aller Voxel g durch einen
Computer und rekonstruiert ein 3D Volumenbild des Objekts von Interesse
basierend auf dem Grauwert des Voxels g.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Computed Tomography,
von U. S. Willi A. Kalender, veröffentlicht von People's
Medical Publishing House, ISBN7-117-05284-8/R.5285 [0002]
- - Practical CT Examination Technology, von Mingpeng Wang, veröffentlicht
von Science and Technology Document Publishing House, ISBN7-5023-3262-6/R.656 [0002]
- - Kapitel 4 bis Kapitel 6 in ”Digital Photogrammetry” von
Zuxun Zhang und Jianqing Zhang für ”Mark Point Pattern
Recognition and Mark Point Image Locating”, veröffentlicht
von Wuhan University Publishing House, im Mai 2001, ISBN7-307003233-3/P.7 [0012]
- - Kapitel 1 von ”Analytical Photogrammetry” von
Zengbo Qian für das Prinzip und die Arithmetik von ”rotation
factor” und ”collinear equation”, veröffentlicht
von Surveying and Mapping Publishing House, 15039, neu 143 [0017]
- - Kapitel 7 in Introduction to Digital Image Processing von
Rongchun Zhao, veröffentlicht von Northwestern Polytechnical
University Publishing House, ISBN7-5612-0737-9/TB.82 [0028]
- - Kapitel 1 von ”Analytical Photogrammetry” von
Zengbo Qian für das Berechnungsverfahren, veröffentlicht von
Surveying and Mapping Publishing House, 15039. neu, 143 [0053]
