基于成像比例一致的通道式安检设备形变图像校正方法

孔维武 董明文

摘要：针对通道式X射线安检设备采集图像存在的形变问题，设计了一种基于成像比例一致原则的形变图像自动校正方法，包括以下步骤：首先，根据设备探测器数量与通道尺寸，计算设备标准像素投影距离;然后，计算每个探测器对应通道实际投影距离;接着，根据探测器实际投影距离与标准像素投影距离间的比例关系，计算校正图像中每个像素与实际图像映射像素组;最后，利用此映射像素组对应像素灰度值，插值计算出校正图像对应位置灰度值，完成形变图像校正过程。试验结果表明，方法有效地改善了图像形变现象，且对不同通道尺寸、不同源探关系设备形变图像校正具有通用性。

关键词：图像校正;图像形变;X射线图像;安全检查

中图分类号：TL816.1;TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）09-0091-03

0 引言

通道式X射线安全检查设备中，由于射线源源心到探测器位置、源心到设备通道位置、设备通道到探测器位置三者间的距离变化较大，使采集到的图像在通道不同位置缩放程度不一致，导致物体轮廓发生形变，与实际物体形状存在一定视觉差异[1]。

具体表现为：同样大小的物体，放置在通道距离射线源近的位置，其在图像中呈现的尺寸比放置在距离射线源远的位置要大，从而使物体图像产生扭曲形变。这种情况容易对安检人员产生误导，影响判读结果。

一直以来，解决此类问题的方法，大多依靠人工交互方式生成CAD（Central Address Distribution）表，通过查询此表对原始采集图像进行变换，改善图像形变程度。人工方法费时费力，且图像校正效果与设计人员经验以及設备型号有关。

为此，本文设计了一种基于通道成像比例一致原则的通道式安检设备形变图像自动校正方法[2]，即一种安检形变矫正CAD表自动生成方法。

1 方法实现方案

一种基于通道成像比例一致原则的通道式安检设备形变图像自动校正方法的主要思想是：首先根据设备探测器数量与通道尺寸，计算出设备标准像素投影距离;然后根据探测板、通道与射线源源心位置，计算每个探测器对应通道实际投影距离;接着，根据探测器实际投影距离与标准像素投影距离的比例关系，计算出校正图像中每个像素与实际图像的映射像素（组），进而利用此映射像素（组）对应像素灰度值，插值或映射计算出校正图像对应位置灰度值。

方法主要步骤包括：

（1）源探通道坐标系建立与源探位置计算;

（2）标准像素投影距离与每个探测器对应通道实际投影距离计算;

（3）探测器投影比累计和计算;

（4）校正图像与原始图像映射像素（组）计算;

（5）插值计算或直接映射对图像进行校正。

下面以图1所示虚拟设备为例，详细说明算法各步骤的设计流程。

为便于方法描述，设图1所示设备通道尺寸为12个长度单位，设备探测器个数为12个。

方法具体流程如下：

第一步，源探通道坐标系以通道底部中间位置为原点，通道水平方向设为x轴，竖直方向设为y轴，通过设备结构尺寸与源探布局位置可以计算出射线源及探测器在虚拟坐标系中的位置[1]。

第二步，计算标准像素投影距离L，L定义为：

图1所示虚拟设备中L=1;每个探测器在通道中的实际投影距离可以通过简单的数学方法计算出，如表1所示。为方便起见，探测器序号与图1中所示探测器位置相似，均为由右向左递增。

第三步，首先计算设备中每个探测器的投影比，探测器投影比定义为：

探测器投影比 = 探测器通道投影距离/标准像素投影距离L

由于图1所示虚拟设备中L=1，探测器投影比与投影距离值相同;接着，计算投影比累计和，如表1中，按照由右自左的顺序计算出各个探测器的投影比累积和，如表2所示。

以探测器位置4、10、12为例，说明投影比累计和的物理意义：探测器位置4处的投影比累计和为2.81，其物理意义是，理想矫正图像中，在第2.81个像素位置，其灰度值与原始图像中第4个像素灰度值相同;探测器位置10处的投影比累计和为7.97，其物理意义是，理想矫正图像中，在第7.97个像素位置，其灰度值与原始图像中的第10个像素灰度值相同;同理，探测器位置12处的投影比累计和为12.0，其物理意义是，理想的矫正图像中，在第12.0个像素位置，其灰度值与原始图像中的第12个像素相同。

第四步，矫正图像与原始图像映射计算，这是方法的核心步骤。

观察表2，投影比累积和的物理意义就反映了矫正图像中的各个像素位置与原始图像中各个像素（组）之间的映射关系。仍然以探测器位置4、5为例，说明投影比累计和的物理意义：探测器位置4处值为2.81，其物理意义是，理想矫正图像中的第2.81个像素，其与原始图像中第4个像素存在完全的映射关系;探测器位置5处值为3.48，其物理意义是，理想矫正图像中的第3.48个像素，其与原始图像中第5个像素存在完全的映射关系;反过来说，理想矫正图像中的第3个像素，位于理想矫正图像中第2.81至3.84个像素之间，也就是位于原始图像的第4、5个像素之间，那么，以下两组数据就存在了线性映射关系：

2.81—3.0—3.84与4—J（3）—5

其中，J（3）表示理想矫正图像中第3个像素对应的原始图像中的位置，

J（3）=（3-2.81）/（3.84-2.81）×（5-4）+4=4.18

也就是说，理想矫正图像中第3个像素对应的原始图像中的第4.18个像素，不难理解，此时，矫正图像中第3个像素可以通过原始图像中的第4、5个像素插值得出，如下式所示：

Ajs（4）=0.18×Ori（4）+（1-0.18）×Ori（5）

按照上述思路，能够获得完整的理想矫正图像与原始图像之间的相关像素之间的插值关系。

第五步，对原始图像进行矫正计算，矫正图像通过插值的方式计算出对应像素灰度。

2 试验验证

以FISCAN某款设备采集图像为例，给出本文方法的校正结果。

图2给出了一块厚钢板倾斜放置于传送带采集图像校正前后的结果。其中，图2（a）为未校正图像，可以看出，原本呈规则矩形的钢板在图2（a）中弯曲形变严重，安检人员很难通过图像判断出被检物体的原始形状;图2（b）为利用本文方法获得的校正图像，容易看出，图像中钢板弯曲现象得到了有效校正，圖像观察效果与钢板实际视觉效果吻合良好，由于采用了数据插值计算，在钢板边界附近灰度过渡柔和，没有明显的锯齿痕迹。

图3所示图像，通过采集表面放置若干相同规格金属垫片的矩形有机玻璃板获得。图3（a）为原始图像，由于图像存在形变，图像左侧金属垫片呈现扁长椭圆形，右侧金属垫片呈现瘦长椭圆形，均与实际垫片圆形形状差异较大;图3（b）为利用本文方法获得的校正图像，观察可见，图像中的金属垫片形变现象都得到了有效校正，这是由于，本文方法通过通道成像比例一致原则进行设计，因而在通道底面附近任意位置都能保证比较理想的校正效果。

3 结论

为改善通道式X射线安检设备的图像形变现象，提高安检人员判读图像的准确性，本文在形变图像校正方法方面展开研究，设计了一种基于通道成像比例一致原则的通道式安检设备形变图像校正方法，将校正过程分为源探通道坐标系建立与源探位置计算、标准像素投影距离与探测器对应通道实际投影距离计算、探测器投影比累计和计算、校正图像与原始图像映射像素（组）计算、插值计算或直接映射图像校正五部分进行。

试验结果表明，经过本文方法处理后，通道式安检设备图像形变现象得到有效改善，经过校正后的图像与实际视觉观察效果吻合良好，为安检人员判读图像及进一步图像分析提供了良好基础。

参考文献

[1] 成经国，杨立瑞，陈学亮.多视角X射线安检模拟系统[J].警察技术，2007（5）：48-50.

[2] 陈俊，杨立瑞，孔维武，等.多视角X射线内部结构不均匀物品密度探测新方法[J].科学技术与工程，2016（4）：231-236.