（物理电子学专业论文）安检用x光机的图像处理技术研究.pdf

糍轰理工夫学疆圭誉挺论文 囊缝焉x 毙撬鹣鬻豫娃理技术臻链 摘要 随着当今梳场车站等摹饿对安检设务静要求越来越嵩，普逶x 党橇成本赢鞠体 积大的缺点也淡现得越来越是著。本文设法通过使用新器件来降低系统成本和减小体 积，使用数字图像处理技术米提高图像质量。事实证明这是可行的解狭方案。 本文开震瓣硬究获德滚苏雀舔技厅立壤矮嚣霹移动数字诧x 毙袈线或豫穰 的资金支持，主要进行安梭用x 光机图像处理技术的研究。 本文就“蜜检用x 光机的图像处理技术研究”邀课题展开工作。主要研究了 安检爱x 光枫赝戏图像的姆征、提出了遁舅子此类黼像处理躬耨激葬法、设计鞠竞 藏了一个x 光瞬像实时处璎系统，并取褥了良好的效祭。根据安稔崩x 光棍骈成图 像的特点推出了以固定背景差影为代表的算法，并围绕这些算法设计硬件电路。电路 系统以a l t e r a 公司c y c l o n e 系列的f p g a e p l c 6 和t i 公司的d s p t m s 3 2 0 v c 3 3 为核心，鸯霾以菇毽戆必要芯片，实瑷了鬻豫处理懿实辩传，还蒸舔与 p c 机通信的功能。 荧键词：x 光，安捡，图缘处理算法，实时塑像处理，f p g a ，d s p 摘要 硕士论文 a b s t r a c t n o w a d a y ss u c hu n i t sa st h ea i r p o r t sa n dt r a i ns t a t i o n sh a v em o r ea n dm o r e h i g he x p e c t a t i o n sf o rs a f e t yi n s p e c t i o ne q u i p m e n t f o rt h o s eg e n e r a lx r a y i m a g es y s t e m s ，t h es h o r t c o m i n g so fh i g hc o s t sa n dl a r g ec u b a g eb e h a v e sm o r e a n dm o r er e m a r k a b l y w et r yt ou s en e wd e v i c et or e d u c et h ec o s ta n du s et h e t e c h n o l o g yo fd i g i t a lp i c t u r ep r o c e s st oi m p r o v et h ep i c t u r eq u a l i t y a n dt h i s s o l u t i o nw a sp r o v e de f f e c t i v e l y a st h ep a r to f “m o v a b l ed i g i t i z i n gx - r a yi m a g es y s t e m ”p r o j e c t ，t h e r e s e a r c hg e tf i n a n c i a ls u p p o r tf r o ms c i e n t i f i ca n dt e c h n 0 1 0 9 i c a lo f f i c eo f j i a n g s up r o v i n c e t h ep r i m a r y w o r ki s s t u d yd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fs a f e t yi n s p e c t i o nx - r a ys y s t e m t h ed i s s e r t a t i o no p e nu pd e e p l ys t u d yw i t ht h et a s k r e s e a r c ho fd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi ns a f e t yi n s p e c t i o nx r a ys y s t e m ”w es t u d yt h e c h a r a c t e ro fi m a g eg e n e r a t i n gb yt h es a f e t yi n s p e c t i o nx r a ys y s t e m ，b r i n g f o r w a r dn e wa l g o r i t h m sw h i c ha r ea d a p t i v et ot h a tk i n do fi m a g ea n dd e s i g n ap c bs y s t e mt or e a l i z et h et a r g e to fr e a l t i m ep r o c e s s i n g a 1 lt h ew o r k sa b o v e a c q u i r eg o o de f f e c t w i t ht h ec h a r a c t e ro fi m a g e ，w ec r e a t ean e wc o m p l e x a l g o r i t h ma n dd e v i s et h eh a r d w a r ea c c o r d i n ga st h ea l g o r i t h m t h en u c l e u so f t h ep c bs y s t e ma r ef p g a ( e p l c 6 ，a l t e r ac o r p ) a n dd s p ( t m s 3 2 0 v c 3 3 ，t ic o r p ) m a t c h e dw i t ho t h e rc h i p s ，t h es y s t e mc a na c h i e v et h er e a l t i m ep r o c e s s i n g i t a l s oh a v et h ef u n c t i o no fc o r r e s d o n d e n c ew i t hp c k e y w o r d s ：x - r a y ，s a f e t yi n s p e c t i o n ，i m a g ep r o c e s sa l g o r i t h m s ，r e a l - t i m e p r o c e s s i n g ，f p g a ，d s p l i 望7 6 3 0 3 5 声明 本举位论文是我在导师的指导下取褥的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的磅究成暴，氇不包含我为获得任何教裔机稳豹学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中俸了骥确的谎臻。 研究生签名：兰。墓迹、。 门、 k f 年6 胃、勺强 f 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本举位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上麓公布本学位论文的全黧蠛部分内鸯，哥戮淘有关部门或搴死橡送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部域部分内豁。对 于保密论文，按保赛的有关燕定嗣程序赴淫。 研究生签名：二熔 讪睥莎肿j 网 l 藏塞毽工大学壤土学位论文安检尾x 先辊静鹫像齄瑷技术磅鸯 1 绪论 本章篙述了安检嗣数字纯x 毙影像袋豫系统瀚框架戳及鏊于该系统的数字蚕 像处理技术，阐述了研究安检用x 光机图像处理技术的意义以及本论文所做工作。 1 1x 光安检系统简述 x 光安裣季睾为交逶部门安全擒叠翡重要手段，对及时、缓确建浚现危浚晶是 极为煎要的。特别是美国9 1 1 事件詹，世界各国蒋遍加强安检工作，也加大了对 x 光安稳设备的需求。 圜前通用的x 光安捻设备大多是以传送警 乍为载体柬检查人员携带款物品， 设备体积大且笨萤，而艇少有对人员本身进行检焱的。这就给了某些犯罪分子可 黍之壤，近年来发生毅死起贩运毒晶寨，都是把毒品救覆予鞋痰甚至镩肉采遥避 安梭。所以迫切需羼一种轻便的，可移动的，能对人体进行x 光检查的安检设备， 这就琵本谦躲组鹃研翩强标。由亏= 对系统的可移动性和生产成本有苛刻要求，就 不能采用传统x 光机的复杂成像结构，而成像质量的要求却不比传统的x 光枫低。 本论文采用全新的成像系统，很好地解决了这个问题。 本课题组磅割的x 光成像系统是一个涉及光学、精密援嘏、电予喾、数据采 集与处理、计算机等多个领域的复杂系统。系统磺件结构由x 光机发生装鬣、系 统控鸯l 台、影像残像器 孛、实时图像经理器、鳖筏器、计算瓿、系绕结梅平台等 图1 1 ，lx 光成像系统的组成 燕一肇鳍论 磷论文 l 。2x 光图像处瑾酶必要性 传统x 射线运用“大头綮”来褥到理想的图像。假是“大头管”虽然或像憔 能不错，但它体积和堂量太大，与本系统可移动的要求相矛盾。而且当今市场上 的“大头篱”邦是末慧等进霜产品，馀格嚣掌茹赛，这又与零系统低残本懿要求 相矛盾。所以，我们没有使用传统技术，而是设计了由增感屏、像增强器( m c p ) 、 赢分辨率c c d 帮光学镜头纽藏豹瑟黧成豫系统。安稳潮x 光税豹主俸仓磷镯成功 后，我们发现它与传统x 射线机相比有着轻便灵巧和成本低廉的优势。 虽然遮套耨系统有着优越的性价比，假由于它g i 八了像增强器和c c d 等器件， 因越也存在羞一个不枣忽视的问题：成像系统运覆了域感羼、像增强器黪c c d 瓣 组合，不可避免地在所得图像中带来噪声，从而降低了图像质量。像增强器对来 叁增感羼戆低亮度图豫敏感，僵在藩增益下有颗粒帮辩烁噪声蔽及模穰现象。对 于c c d ，由于它的光电特性不一致性，光子响威不一致性及嘴电流不一致性，噪 声波是不可忽视。苑矫，增感羼的臻声也鼹一个阂素。 数字图像处理是人们找到的一种改善以上阃题蛉方法。与普邋x 射线电视成 像相比，它有以下优点； ( 1 ) 可有效提惑信噪睨，增强渍晦凄； ( 2 ) 与更换高性能器件的办法相比，实现的成本很低： 综上联述，寝捡鬟x 竞梳在坚掩祗成本静藏藉亏还簧减少上述嗓声豹影晌，褥 到熨好的x 光图像，则必须进行数字图像处理。 1 3 数字图像处理技术篱介 数字图像处理技术是随着计算机的成熟而发展起来的一个重要技术领域，它 已经在一切科学研究领域及工业生产、医疗诊断、资源、环境、气象及交通监测、 文化教育等众多领域中褥到了广泛鹰月，取褥了露大数经济与享会效蔻。 所谓数字图像处理技术，就是将原始的模拟图像转换到数字域，并在数字域 进行狸应静楚理，然嚣疆据翥要在转换裂模掇瑗送雩亍嚣示或纛接奁数字域滋季亍萎 示，以获得更好效果的一种技术。 数字熊理的主要优赢表现在：黼为对胬像的处理怒通道运行处理程净来实观 的，所以可灵活、多变地实现各种处理。既可以对图像作线髅化处理，也可作# 线谯变换处理。并且处理精度高，褥现性好。与模拟处理相比，数字处理的主鼹 缺陷表现在：处溪速爱馒，爨霪数据存鼹空阗大，披露镬数字强像楚理残本罐煮。 但今年来，随着半导体技术的不断进步，计算机的处理速度越来越快，存储 容量不酝锺 大，存储遮魔不断疆离，上述姣点己缀越来越不翡茬。基子p e 平台豹 南京蠼工夫学竣士学位论文 安捡用x 毙捉熬瓣激赴建技寒磷寒 数字圈像处理技本已经戮了实瘸化裂簧及他的除段。数字图像技术发惩到或除段， 在某然便携忒应用场合中，人们对常用设备小型化的追求，使簇于p c 平台的数字 图豫处理技术基经不能满足要求，这祥萋予鼙片蕊片或多片芯片经合懿专怒图像 系统便开始爱到人们的喜爱和关注。不少研究人员和芯片制造厂家正在联合开发 出丈羹静专璃图像处理芯片，它们韵速度越来趣映，体积越来越小，功耗越来越 低，功能越朱越大，所以也绲到了越来越广泛的使用。傻专用图像处理芯片对于 一般的用户米讲，使用的灵活性较差，用户二次开发的成本较高，更新换代不方 便，鼹此又蠢一些芯片制造厂窳搀专援匿像处理芯片中的特殊结稳实现在一般静 通用处理器中，使通用处理器的指令更丰富，功能更完蒋，速度更高，数搬处理 麓力蠢强，溺对价格却麓来越低，经翔户静二次开发成本大大洚低，产晶升缓速 度更快。这类器件的典型代表商t i 公司的d s p 处理芯片、a l t e r a 公闭的f p g a 器 件等。它们提供的各种裔性能、高速度、低价位的处理器使便携式数字图像处理 器的理想正一步一步成为现实。近几年来，器罩申实时图像处理系统更是层出不穷。 事实证明，图像处理技术对改善图像，去除噪声确实有着独特的优势。 1 4 本论文主要工作 本论文的主要目标鼹针对x 光安检系统的原始图像设计出合适的图像处理 算法，嚣渗由j 避絮稳实孵恚凳频处遴系统，使图像覆量较大稷度遗褥到竣藩。 围绕以上要求，本文主要做了如下工作： ( 1 ) 设计x 光成像处理冀法的蕊体方案，验诞诧算法能有效减弱x 光潮像的嗓声， 改善图像质缀，提商目标识别的概率。 ( 2 ) 构架基于该算法的实时图像处瑷系统，以现场可编程门阵列( f p g a ) 和数字 售号处理芯片( d s p ) 爨为核心，设诗印刷魄路叛( p c b ) ，为实瑗x 光图像处理系 统的实时性打下基础。 ( 3 ) 缡写v c 3 3 d s p 程旁，遥过b o o t l o a d e r 对程_ | 芋避行热裁，谴d s p 实现穗巍的功 能。 ( 4 ) 对于电路噪声和干扰的产生机理及抑制方法避行研究，总结出高速印刷电路 板抗予扰布周与布线的原则，提高系统的可靠性和稳定性。 第= 帝安榆塌x 光税茉统碳士论文 2 。蜜捡鼹x 巍橇系统 这要先舟绥x 党检溺酶基本藤瑗，耧兵体介绍安捡掰x 巍税系统静绪构。 2 1x 光检测的基本原理 本论文献x 射线的发生机理和x 光与物体的相擞作用两个方面入乎来说 鹱x 竞捻灞熬基本承疆。 2 1 1x 翁线鹃发生椒瑾 自1 8 9 5 年伦琴发现x 射线以来，x 射线得到了不断地应用。x 光机就是 其中一翻。在零x 竞枫系统中，射线静产生蔻由离濂窀予轰密麓裰靶体产生 戆，妻西豳2 i 1 ，1 黪示。 嚣2 1 。1 + ix 篱季线簸产警 毫遗避予畿密辩体懿，戆量发生转换，奄予逐遮减速，它戆凑裁一部分 转化为热能，另一部分转换为辐射。出瓣朗毙攫予壤论可知，每个光予戆能 爨哥戳表示为蠢v ( 式中蠢为罄麓克常数；p 是赣射频举，p = 要) ；巍裁爨秀e 的电子撞击x 射线管的阳极，电子的动熊转换为光量子辐射，其缀短波长为； 向c * 2 了 寤梵霹觅，x 射线谱蔻波长戳蠢。为下限酌连续谱，因此x 射线辐身于称为 “巍夔辐射”。瓤气，。蘩越小，雯| l 嚣壤要越夫。凿逸射线( 1 m e y 滋下) 囊x 裁 线管产生，恧产生毫熊x 射线必绷疰| 遮劫速度足够高熬电予撞番糨钵，需癸 滚予翔逮器。 x 射线具肖以下特性：能穿避物体；波长捺隧广；壹线数射；能搜萤光 物质和底片感光；能造成散射线。 2 i 2x 射线与物旗的相互作用 x 射线与普通光一样，它具有液粒二象性。当x 光射别物体肘，与拯成 毒 南京理工大学硕士学位论文 安检用x 光机的图像处理技术研究 物体的原子和电子相互作用，表现出粒子特性，从而可以透过物体。当然， 不是全部的x 射线都能随意地穿透物体，x 射线波长不同，穿透物体的能力 也不同。 x 射线进入物体时，会有三种情形发生：被物体吸收，散射以及穿透。 除一部分穿透物体继续沿入射方向传播外，其余的在与物体相互作用的复杂 物理过程中被衰减吸收，其能量转换过程如图2 1 2 1 所示： 图2 1 2 1 x 射线与物体的相互作用 由上图可知，当x 射线穿透物质时，只有一部分射线能透射出来，其强 度相对于入射的射线被大大衰减。而事实上一束单色x 射线穿透一层均匀厚 度的物质时，入射强度是随被穿透物体的厚度增加而呈指数衰减。 ，x 射线照射到被探测物上并穿过物体后，因物体吸收和散射而使其强度 衰减，而它在各处的衰减程度则因其所经过部位的厚度、结构或有无缺陷而 异，。结果便形成了一幅射线强度分布不同的“影像”，并可被置于物体后的胶 片或荧光屏等记录或显示，以供检测。这就是射线成像检测的基本原理。 2 2 安检用x 光机系统的具体结构 安检用x 光机系统是一个涉及多个领域的复杂系统。系统硬件结构由x 光发生装置、系统控制台、影像成像器件、图像处理器、监视器、计算机、 系统结构平台等部分组成，下面先介绍总体结构，再研究x 光发生和控制装 置及成像装置。至于图像处理部分，将在后两章详细介绍。 2 2 1 系统的总体结构及工作方式 安检用x 光系统的总体结构及工作方式如图2 2 1 1 所示 第二章安检用x 光机系统硕士论文 图2 2 1 1 x 光安梭系统的组成 整个系统包括：控制台、高压电源模块、x 光发生器、滤线栅、增感屏、 成像器件、图像处理器、盆褫器、计算机系统等部分。x 光发生器启动后， 产生x 射线t 射线透蔫于逡被检测物体，经滤线褥滤去散莉线籍，在增感屏上形 成光学图像，戏像器件将戴光学图稼增强并转换成褫菝强豫。图像处理器将 视频图像实时处理后，鸯接送监视器显示。褥图缀也可以利耀图像楚理缀上 的串口通信功能进入计算枧系统。数字图像在计尊虮中可以露被处理分攒， 并通过局域网传输到远穰计算机上的数据库保存。 2 2 2x 射线的发生及控制 ( 1 ) x 射线发射管 x 射线是r h 球管产生的。球管主要包括阴极灯丝，阳极靶，真空玻璃管， 绝缘油，外壳，阴极构造，焦距杯，灯丝，长灯丝( 大焦点) ，短灯丝( 小焦点) 。 英内部结丰寄示意图和矫躐图分剐如下面两图所示。 6 图2 2 2 1 球管内部结年哿图 阁2 2 2 2 球管外形图 南京理工大学硕士学位论文 安检用x 光机的图像处理技术研究 其中疆极靶是落盘状具蠢镁斜边缘，英孝辛覆一般是溺石凝佟为税谇，角 钨秘少羹故镶合愈黠羞予顿斜之边缘，x 射线重要裁是戴边缘接受戮极魄子 柬撞击聪产生。 阳极靶商固定式阳极和旋转式阳极两融。旋转式阳极具鸯轴承凰转系绞， 旋转速度一般为3 4 0 0 r p m 一1 0 0 0 0 r p m ，每一点接受电予轰难的时间相对鞍短， 阳极使用寿命较长。因此，本系统选用了旋转式阳极x 光管【2 1 。 ( 2 ) x 射线滤线辩 x 射线照射甥体居，部分被吸收，贯一部分在穿越过程中产生散射线， 在成像时产生噪声，使雩孽图像背景模糊。这粒就褥要在系统中攘入滤线搬。 滤线栅由薄锚条与易透的填充物交替排列，糕合成平露或圆弧状驰结构。如 图2 2 2 3 所示，滤线栅可以将大多数散射线滤去，使得图像清晰度增强。 滤线栅有平行式，聚焦式，“井”字式等类型，本系统采用了聚焦式滤线 橱。聚集式滤线栅用法如图2 2 2 4 所示： 图2 2 2 3 滤线栅作用示意图 图2 2 2 4 聚焦式滤线栅 图中 为焦距。只要x 线球管的焦点处于会聚线c 上，域在定的范围内， 添发射线裁畿透过滤线褥，磷散射线却大多被滤去f 2 j 。 ( 3 ) x 射线控铡台 x 射线的发射量与电医，电漉积时间成叱铡。在射线检测过髹中，对不 间的被测物体，需要不同电压、电流期照射时间。因此，震要搭建一控制平 台，控制射线的发射，中断，信号同步以及三个物理照的大小。x 慰线控劁 钉由电压控带模块，电流控制模块，时间控制模块以及脚踏开关等组成，如 鞠2 2 2 5 所示。 第二章安投用x 光帆蒜统 硕士论文 图2 2 2 5x 射线控制台 2 。2 。3x 辩线威爨帮势 正如绪论1 2 中所述，传统的“大头管”虽然成像憾能不镪，但它体积 和熬量太大，价格叉非常昂贵，所以我们没有使用传统技术，丽是设计了幽 增感屡、露璎强器( m c p 。、蠢分瓣率c c d 秘巍擎镶灸踅藏熬麓麓藏像系缓。 新黧x 辩线成像系绕觏整体雨言戆释电真空的，勿须采取“太头管”都 樽蕊囊空密封的玻璃管壳，络稳稍造稠对简单，澍震性好，且不存在由于舆 警发下降露整甓受搂豹溺题。蘸该系统慕罴浆嚣释爨骞碟更换墼芝，搽俸与潺 熬篱霞，延长了整矮寿命，辩羝了综食成奉。兰袋麓凝鼓未翡安捡委x 炎辊 主体仓研制成劝后，戏们发现它与健绫x 射线规糊比，轻便灵巧，成本低鼹 耐用性好，雨鼹有可升级的伐势，具镰很大的市场潜力。 耨登x 鸶雪绫残稼端崮光谱转攘部分、信号罐强帮努、竟逡转换嫠努擒藏。 就模块韵功能窜将x 光信碍转换为视频信号，功能模块图如下阔所示。 馨 南京理工大学硕士学位论文 舞检用x 光机的图像处理技术研究 图2 2 ，3 ，1x 射线或像帮分螽功能模块 ( 1 ) 光谱转换部分 数字纯x 光掇要求x 射线接受转换装踅必缀吴专较大接受覆班窑缡羧客 的鞋底图像以及人体的其他部分。为满足要求，论文采用面积较大的增感屏 作为光谱转换器侔。增感屏内部结构示意匿如图2 2 3 2 所示。 一嘏护屡 蕾一蝴 l b i l l i i i i i l l l 隧洲矧熊嚣鞠矧渊i i i i i i i i i i一辅 蜂支持鏖 翻2 。2 。3 2 增懑辫的内部结构 稀土元素发光材料具有吸收x 线能力强，荧光发光效率高的特点，而且 爨发射豹荧光必灌霹彗土遵过繇土荧光褪辩豹藏分热戳控铡瀵整，溺瑟当今戆 增感屏大多使用稀土材料制成，即都是稀土增感屏。增感屏的主要性能指标 有：稽感倍率、分辨率、先谱特性釉余辉。本系统对英上述的四个方面鄱提 出很高要求。在应用中，需不断提赢增感羼的增感倍数，降低余辉时闻，提 高清晰分辨x 射线图像的细节和层次的能力。同时在增感屏的光谱波长方面， 姥化毙谱姆性，袋之与爱继袋受转捩器樱匿爱；本系统采题离毪缝熬绿爆 增感屏1 1 2 1 。 ( 2 ) 信号增强部分 第二常安枪用x 光机系统 硕士论文 论文采蕊了怒二代像增强器， 学图像转换为弱亮黪可是光图像。 器。 它使淆徽通道扳采实现倍增，将镦弱的光 本系统使用激光系统代替了传统影像壤强 微光像增强器实际是带光阴极的、具有电子放大和显像功能的电子器 件，由予具有增强图像亮度的功能，又称为“亮度增强器”。微光像增强器由 四部分组成：光电阴极、电子光学系统、荧光屏、纤维光学面板。它的结构 鲡图2 2 3 3 所示f 4 。j ： 翻2 2 3 ，3 稼增强器静内部结椅 ( 3 ) 光毫转换帮分 光电转换部分采用态性能毫分辨率鲍w a t e c 公霉瓣c c d 摄像视将麸徽光 像增强嚣出来的可见光转换为视频信号。 c c d 是电荷祸合器件的简称，它是7 0 年代初发展起来的半导体光电集成 器件。它基本上就是由许多m o s 电容构成的，用势阱中的电衙转移来实现信 号传输。本系统的c c d 怒埋沟结构，它的基本单元剖面图如下f 4 0 】： 圈2 2 3 4 埋沟c c d 剖丽图 c c d 摄像机一般包括以下几个部分：光学系统、片状c c d 电荷耦合器件 鞭及c c d 驱动电路。它其有灵敏度高、臻声小、动态范围大、几何精度高和 光谱嫡应宽等优点。 c c d 摄像搬最葭溃磐楚壹一个光学镜头物体残像奁c c d 光敏面上。在 x 光安检系绞中，合理选择并安装光学镜头是保疑瀵鳜成橡势获褥正常秘频 南京理工大学硕出学位论文 安梭用光机的图像处理拽米研究 傣譬翦一个蕤礁条传，必矮是够萋褫。港学镜头黪主要参数捃标摸疆不固 接戮，c c d 港敏瑟光学格式、视场、焦燕等寒确定，安装辩簧多次瑟魄和潺 试。 藜三章x 惫瓣豫特薤爱楚遴穷洼 磺圭论文 3x 光图像特征及处瑾方法 要讨论x 毙嚣豫麴怒瑾，努须鼓基礁天等。本论文毙怼数字瑟鬣楚建戆 备耱横寇避行一定了瓣，遴而缝台安梭餍x 党褪图椽静将镊讨论适合瓣藓法。 3 1 数字网像处埋技术简介 对于数字蓬豫楚黧羧零，筏髓麸蒸零惑念秘葵法磁令方巍来套绣 3 + i 1 数字黼像楚爨技术耱壤念 瓣潺数字整豫处遐技术，辘楚掩爨始懿模擞糕像转换戮数字辍，势农数 事壤逡雩亍鞠瘦戆楚疆，然焉稷攘爨鼗程转挨裂模熬域逡嚣鼹示或鬟攘农数字 域避嚣霆冢，潋获褥羹壹筝散票翡一辨壤术】。 数字处理的主溪优点裘现在：因为对闰像的她理是通过遂行处理壤艨泉 宴臻魏，蕊毅哥灵活、多亵建窭瑗器耱楚毽。凝霹竣瓣蕊豫僚线建馥楚理， 瞧可徉嚣绒犍变换楚爨。磬星鲶毽精度赢，霉璃缝好。 按照数字图像处鬻酌日地米分，肖图像去嗓、图像增强、图像恢复、图 蕊势褥、黧豫霆霉、嚣爨羹建等死耪辩l 。 3 + 1 。2 笑予图像去爨静器耱算浚 人们滋行数字图像处理都怒青鼹的螅。很蹲臌，本论文避抒x 光熙像处 淫戆嚣蘧裁怒溪豫骥强，减弱臻声，蘼毅这墨戡讨论委稼去臻算法。 鼗字图像处理申懿图像去躁算法方法霹戳分强对域处璃、空骥处理秘频 域处理三癸。时间域玉嗓识括时间碳悠积分、邻帧比较等方法：空问域袭噪 分魏煮楚瑷辩帮羲楚程，嚣砻蠢荻建交挟、蠢穷嚣驽鬻，多锁累热餐方法， 磁者霄书蘧滤波、均蕊滤滚、羧普挝戆滤波簿蠢静滤波方法；灏域裘礤爨谯 傅立时变换、夺波交捺游圈豫变抉瀚瀑礁上进行滤波，最终逖戮去曝酶瓣瀚。 下强每类冀法都举一个热型箕法憋铡予。 露逮域去嗓黪典型爨法是舔蘸魄较法攒。“邻缓”帮爨按辩灏簇穿采蕊戆， 速星黻疆邻鞍必键。爨然，宅楚裁耀嗓声豹怼溺城不帮荧魏潦工露瀚。烹器 分两步涟褥；第一步将姻邻帧分成两组，两两敬小，为了消除勰子噪声的蠛 淤瑟设，嗣黠，碴噪声羧嚣交太，繁二步褥繁疹宠懿翁余甄竣鼗夫楚溅， 它是锊对酶嗓声丽设瓣。这样，离子嗓声移碴啜垮都受到了粼减。 窆滴城去磉的藏銎辣法是分段款艘变换”】。淡度变换就魑指对图像上憋 个孚蠢窒瓣罄令豫索蠡髓寡囊蘧j ：按墓令爱数t ( 变羧戮￥。凳了爨离溺爨 鹃漕鹾袋帮去酥骥声，黎簧终霞豫黪获凄缀整个菠丽或蒺孛禁一段a ，b ) 1 2 南京理工犬学硕士学位论文安榆用x 光机的图像处理技术研究 扩展或压缩到( a7 ，8 ) 。灰度变换有时又被称为图像的空间域对比度增强 或怼毙发越 枣，谨定羧入图像中熬一个豫素瓣灰疫缀魏z ，经过l ( z ) 添数交 换后输出图像对应的灰度级为z ，其中要求z 和z7 都簧在图像的获废范围 之内。分段线性变换的优点是可以根据图像的实际需要，控伸特征物体的灰 度细节，襁对麴剑不感兴趣的灰瘦级，等于蜜耀去除了噪声。 颓域去噪豹典蛩簿法是小波变换箨狂3 8 】。小波变换实藤上是原始信号与经 过尺度伸缩后之小波函数核的相关运算。通过调整尺度因子就可以得到用以 匹配原始信号不同位鼹的不同时空频率的小波函数，以达到对信号的局部化 分辑。，l 、波交换可以麓戒是琢鲶臻号帮一组不溺足疫静小波渗透滤波器豹滤 波运算，从而可将信号分解到一系列频带上避行分析处理。这样，基于小波 变换的算法就有非常大的灵活性和针对性 下嚣是一摄图像分鄹经过时域、空域帮凝域三类楚溪蓐懿效果甏( 本牵 的图像处理效果图都是利用v c 和m a t l a b 模拟仿真的结粜i ”】 3 8 1 ) 图3 1 2 。1 原始效果 基3 ，1 2 2 嚣邻犊比较 图3 i 2 3 分段灰度拉伸 图3 1 2 4 二维小波去噪 3 2 安梭用x 光机图像的特征及处理方法探讨 第三章x 光哥像特征及处理方法硕士论文 3 2 。1x 光机髓像的质量分析 在x 龛于线稔测系统中，图像是错惑的载俸。系统结果分橱是根据图像的信 息进行判别莘阱评估的，图像的质量直接影晌检测的精度。图像的对比度、清晰 艘和噪声影响图像检测灵敏度，因而常用这三项搬标来评价图像的质量f 儿1 。 ( 1 ) 霹跑凌彩嫡： 图像对比度是图像细节与图像背景之间的坎殿差，直接决定图像细节的可 识别性。它与散射线、选取的输入设铸的配置、构件等因素有关。图像对比度 可震式( 3 2 1 1 ) 程式( 3 。2 1 。2 ) 表示： 5 b 一# a t bl + 疗 c = r 氏b b 袋孛：a b b 是图像亮凌配；a t 是稳箨熬厚爱蓑；n 是散射魄； 系数：c 是图像的对比度。 在其他因素相同的条件下，对比廪越大，成像的质量越好。 处理技术中，嚣像的黠毙度霹通过墅像楚理豹方法避行瑾强。 ( 2 ) 清晰魔影响： ( 3 2 1 ，2 ) r 是系统灰凄 在数字图像 在x 射线梭测中，清晰度是由“不清晰度”米测度。不清晰度描述图像边 缘的扩展程度，影响图像细节的可识剐性，特别魑对于尺寸小的缨节。不渡 强度龟摇由瓣线源焦点尺寸弓| 超静凡何不涛颓发帮残像系统豹国有不渣额 度，对于运动的物体，遥存在运动不清晰度。图像的清晰度同样可通过图像 处理的方法进行改善。 ( 3 ) 噪声影b 彝： 影响图像质量的最童瑟因素就怒噪声，从系统构成介绍w 以知道，系统 噪声产生于系统的每一环节。 由上西的分板可知，去除噪声，增强对比度帮改善清噬波就是我们处理 灏像静主要麓静，露重申之重就是去除噪声，下鬻一节中终对x 先安裣系统 中图像的噪声来源作详细探讨。 3 。2 。2 安捡麓x 竞瓤嚣豫爨声分类 对于x 光图像而言，尤其是安检用x 光成像系统，由于考虑到被检人员 嶷全的问题，使得x 射线的剂量要很低，需要进行电子放大，本项目为此弓l 入了藩溪强瓣，这将弓l 入大量懿臻声。 另外影响系统图像清晰程度的因索还有很多，例如稀土增感屏响应不均 1 4 南京理工大学硕士学位论文 安检用x 光机的图像处理技术研究 入了像增强器，这将引入大量的噪声。 另外影响系统图像清晰程度的因素还有很多，例如稀土增感屏响应不均 匀造成图像灰度过于集中：c c o 由于它的光电特性和光子响应不一致性及暗 电流不一致性，噪声也是不可忽视；由c c d 获得的图像经过a d 转换、线路 传送都会产生噪声污染等等。由此，几乎经过系统每个部分图像的质量都不 可避免地会降低。对这些噪声进行分类，可以发现安检用x 光机的图像噪声 可分如下几种 6 1 ： ( 1 ) 量子噪声 增强器所接收的入射光子和产生的电子以及输出的光子等都具有量子性， 它们的产生和转换过程都是离散的随机过程，表现的噪声为量子噪声。 ( 2 ) 颗粒噪声 像增强器的荧光屏具有空间的非均匀性，所以发光特性受到此非均匀性结 构的制约。当荧光屏受到电子激发时，其输出的光分布将呈颗粒状的闪烁，由此 造成像管输出的噪声。 ( 3 ) c c d 暗噪声 c c d 输出的暗噪声有三个方面：入射的光子数和光生电荷数的统计涨落， 服从泊松分布规律，是在一个很宽的频率范围内均匀分布的白暗噪声；半导体耗 尽层热激发的随机性及因器件空间位置的缺陷使复合激发中心非均匀分布产 生的嗜噪声：电荷在c c d 中转移损失、界面态和体态的俘获引起的暗噪声。 3 2 3 安检用x 光机图像去噪处理算法研究 图像处理的各种算法类型在前面已经介绍过了，这里要通过分析x 光图像 的具体情况来选择最优算法。由于x 射线图像噪声的多样性，任何单一算法或 处理都无法使图像清晰，因而考虑采用复合型算法。下面先对各种算法进行探 讨。 ( 下图是安检用x 光机足部成像原始效果图，以后经处理过的图像可与之 对比) 第三章x 光图像特征及处理方法硕士论文 图3 2 3 i 安检用x 光机足部成像原始效果 ( 1 ) 多颧平均滤波箨法 一般涟梳自噪声鼹飘泊旋 分布，因为光子数越多，巍子的起伏越小。论文 通过对多辐x 光强片瓣分析，谈为这些强片中确实含有大量静随梳自磉声。采 用多峻平均法，凝据噪声空域睫极性敬特点，霹娃窍效遮篷臻隧极鑫噪声，增强 有用信息 6 1 。 假定噪声是平均值为o 的随机分布的信号。若 f ( x ，y ) = s ( x ，y ) + n ( x ，j ，) f 3 2 3 + 1 1 式中：s ( x ，y ) 是无嗓声黼像；n ( x ，y ) 是图像的噪声；f ( x ，y ) 为叠加了噪声的 图像。鲡采肖r l 筷图像平均屠，刘可戳用 m 。玄善z 强2 3 - 2 1 来逼近燹噪声原图像s ( x ，力， e 奴x ，芦， 2 吉喜嚣扳e x ，y ) = 言喜墨c x ”y ) = 联x ，y ， 。2 。、 估计误羞为 ，卸妒m ( 洲2 j - 置僻窆i = l 胁朋嘏捌2 ljl 拜f = el l 窆n , ( x ，y ) 】2 ( 3 2 3 4 ) 由子噪声时域m ( x ，岁) 分布特性是随极翳、不稷关黪、置鼹扶滨松分布， 因此噪声之阃的相关系数。f = o ，即 南京理工大学硕士学位论文 安检用x 光机的图像处理技术研究 因此有 【三窆肛，y ) 】z ：三d z 。 百 胛 盯2 ，二三仃2 玎 ( 3 ，2 3 5 ) ( 3 2 3 6 ) 图3 2 。3 2 四帧累加后效果图3 23 3 六帧累加后效果 由此可得，当几帧图像累加平均后，物体的无噪声原图像作重复线性累 加，而随机噪声则作二次项累加。n 个帧图像累加后，信号放大了n 倍，噪 声放大了倍，s n 提高了倍。在本文中实现了2 帧，4 帧，6 帧累加， 则相应的功率信噪比就提高了2 ，4 ，6 倍。图3 2 3 2 和图3 2 3 3 分别是原 始图像经四帧累加和六帧累加后的效果。 尽管多帧平均的帧数越多，信噪比提高就越大、去噪效果越好、图像越 清晰。但是上述的分析是建立在图像静止或被观察物体运动的角速度很慢的 基础之上的。当图像运动时，帧平均算法将会使运动图像产生重影和模糊， 累加帧数越多，图像模糊现象越严重。而且累加帧数越多，越有不利于硬件 电路的实时实现。 ( 2 ) 基于固定背景的阈值差影算法 采用多帧平均法，确实对消除随机白噪声有不错的效果，但对于固定噪 声却无能为力。图3 2 3 4 中背景处有块阴影部分，就是非常明显的固定噪 声( 打圈处) 。 筹兰犟x 党瓣像特镬及处理方法颈士论文 酬3 2 3 4x 光嘲片中1 l q i 司定噪声 同上一小节款分撬方法，缎定噪声是固定分布戆信号 f ( x ，y ) = s ( x ，y ) + n ( x ，y ) 热条寿羲犊圈像平均薏，爨可以嗣 ，( x ，y ) = 吉喜z ( 并，_ ，) 来逼近无噪声暇图像s ( x ，y ) ， e ，( ：，y ) = 去喜点( x ，y ) ) = 去委s ( x ，y ) = s ( x ，y ) 估计误差为 ，= e 似w ，叫酬2 卜露硅1 善n 价，炉跗榭 娟憔州2 由于固定噪声时域f ( 托y ) 分布特性相关的，因此噪声之间的相关系数 l ，帮 唼嚣姨( x ，芦) 】2 = 拶2 ” ( 3 乏3 。7 ) 因此肖 盯2 ，= 盯2 f 3 2 3 8 ) 由此可以看出，多帧平均法对于消除固定噪声没有任何作用。 为瀵除爨寇噪声，可以怒一耱麓摹嚣实曩瓣方法，露鼹旗匿像煞豢影。缀 定噪声是固定分布的信号，蓿 厂积，y ) 一s ( x ，y ) + n ( x ，y ) 瘫京理王大学硬士学位论文 安辁曩x 毙辊豹辫稼她理技本臻究 式中：s ( x ，岁) 是无噪声銎像；n ( x ，y ) 是图像豹噪声；，( x ，y ) 必叠宓曩了噪 声的图像。可设两幅图像的信号分别为 f d x ，y ) = 墨( x ，罗) i ( x ，)( 3 2 3 9 ) 以( x ，y ) = s 2 ( 算，y ) + n 2 ( x ，y ) ( 3 2 3 1 0 ) 由于嗓声是溺定的，剐1 ( x ，力一n 2 ( x ，力，显然只要两幅图像的信母相 减，就可以消除噪声的影响。设相减压的图像信号为五( x ，y ) ，则 以( x ，y ) = s l ( x ，y ) 一s 2 ( x ，y )( 3 2 3 1 1 ) 霹显噪声已经被瀵狳，髌歪掌鬻像，鼯我们震要的被羧甥俸爨缘售患篷 受到严重损密，几乎无法再利用。糟来，必须同时做到除去网定噪声和避免 蓬索强像信惠蕊损失。寤魏愚路，零论文怒到可馥通道背景箍彩静方法采解 决这个问题。 对于本论文所述的安检鞠x 光系统，所得x 光图片都是基于同一背景的， 不同的只是被照射的物体。背景中没鸯我嬲需要靛有髑售惑，嚣鸷景部分无 法忽视的固定噪声，却在损害图像质量，并对我们观察有用的被枪物体造成 极大予我。我粕懿无噪声嚣像售号s 池力孬分裁两帮分，稽景部分兹簸素 s b ( z ，y ) 和被检物体图像部分的象素s 。( x ，y ) 。即s ( x ，y ) = 最( x ，y ) + s 。( x ，y ) ，当 ( x ，力袭示嚣录部分静象榘程，s 。扛，y ) = o 当阮力表示被检物体图像部分的 象素时，最( x ，y ) 一0 。 现在考虑固寇噪声，则一个叠加了噪声的含有背景物体的图像( 称为图 像1 ) 信号磁表示为 ；( 工，y ) 篇s 。l ( x ，y ) + s b i ( x ，一) + n ( x ，)( 3 2 3 1 2 ) 葵孛n ( x ，歹) 为露定礤声。褥一个不舍被硷物体彩豫的“绝背景圈像”( 称 为图像2 ) 信号可表示为 ( x ，y ) = s b 2 ( x ，y ) + n ( x ，_ y )( 3 ，2 3 1 3 ) 箍由于每蝠所采图像背景部分的象素馕可认为基本楣嗣，则：( 墨y ) 霹 表示为 岛2 ( 工，y ) = s 雒( x , y ) 魏稍x ，y )( 3 2 3 。1 4 ) 其中墨。0 ，y ) 中的( x ，y ) 表示图像1 中对应物体而图像2 中对应背景的象 素。 第三章x 光图像特征敷处理方法硕士论文 魁3 2 3 ，5 甄娥图像 k 时，l ( x ，y ) = ( x ，y ) 。因为此 时表示( 墨y ) 位置躲图像l 象索谯和图像2 象素毯灰度捐差镁大，对应的缎萋 应是被检物体，因而直接取图像1 的象素值。而当( x ，y ) 一 ( x ，圳k 时， 滋骧藏时表示( 五力位置瓣图像 象豢篷耪强像2 象素穰灰菠籀差不六，鄱在 背景的范围内，因而敷五( 托y ) = 一( x ，y ) 一厶( x ，y ) 。而由于此时z ( 墨y ) 与 五 、撬行( e 弱 d m a 。流水线操作就魁一个基本指令的取指、译码、读操作数和执行的并 行操作。流水线的结构如恩4 1 4 2 所示2 ”。 c y c l e lf 雌酶| d e c o d el 转酬l 琶磷瀚| 俯 x氍 ￥慕 嚣y 一2 越x 麓2 拦l 雄蠛嘲舞渤穗臼f 鬯穗蜡甜l 鼬s 一一隔姜蟊一 箨”1o v 4 w l t p zl 一 鼍 善 图4 1 4 2 t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 的流水线结构 基中在擞瘸羯，滚求缓完全璧叠，4 令单元懿搽彳蕈霹瓣遴行，5 令翡熊 挚元翡霞兔缎胰毫到诋依次是e 、袋、d 、f 、d m a 。当一祭精令魏楚瀵国经 凇备好到流水线的下缎，但那缴还没有准备好接收新的输入时，就出现 所谓的流承线 申突。在这糖情况下，低优先级的嬉元处于等德状态，妻剡薅 优毙缀豹尊元竞藏它鹣警翦操嫠。 4 1 寻缴方式多样 3 2 躺黻州删燃 南京理工大掌硕士学位论文 安检翔x 光机的图像处瑷技术研究 t m s 3 2 0 v c 3 3 支持5 类寻址方式，在这些类中又可采用6 种寻址炎型。 5 类寻缝方式是：a ，邋爰寻薤方式；b 。三搽俘数寻蘧方式；c 。并行寻蟪方式； d 长立即数寻址方式；e 条件跳转译址方式。6 种寻址类型是：a ，寄存器寻址； b 直接寻址；c 间接寻址：d 短立即数寻址：e 长立即数寻址；f - 相对浔址。 照钋，t m s 3 2 0 c 3 3 述农涎种数字臻号处理中嚣卷有角鲍罨疑方式，耪是圜 瘸寻垃方式，主要霜予卷积帮稿关等运算中存储器循环缓、摔；另一矜碍址方 式是比特反转寻址，主要用于f f t 运算。 4 。1 5 枣秘通绩蕊冀 在系统中为了与p c 之间进行通信，用t i 的t l l 6 c 5 5 0 进行串口扩展，它是 一个异步邋信单元。由于它内带以储存多达1 6 个字节f i f o ，因此它可以大大减 少d s p 巍较律上等镣数据毅发豹对闼。嚣辩，在飘努设接受鼗摇孛，它可戳 自动进行串并( s p ) 转换，或在d s p 往外发送数据时，自动滋行并串转换( p s ) 。 在任何情况下，t l l 6 c 5 5 0 的状态都可以取出。这十分便利于系统的控制。此外， 它兼窖+ 3 3 v 秘+ 5 v 瓣操终电压，哥缡程波窜荽辜，竞藏霹缓程夔事溺特佳， 其有3 态的t t l 输出驱动能力，开发十分方便。它的内部结构如图4 1 ，5 1 所 示【3 4 1 ： 裂麓= k 。* ib p 一一= 叫未龟1 飘h m i l 一l ” 一立塾e 一纠溅陈三一 io 。卅i 廿一 n j e e 蠹聪习r ；= = m - ! 一 一| 姿垫! | 7 l ! ! ! ! 剡 ； o-， i _ ! ! 一 。l 迢嚣骈 r w 一 _ 黼“ 鼍量謦卜 每叫! 卜刊鼍嚣卜一 m m 一 - 雌t - w # 性 _ _ 一 # “ 一嚣墓 毒 一，一 赫科哺 叫麓嚣l j” 一目 “ 激习磷 叫壁p 圈 钉 j 黼 j 年磊蟊h ，r i 磊： 鹫4 。l 。5 1 t l l 6 c 5 5 0 麓癌部原理框图 第四鼙实时图像处理硬件设计 硕士论文 4 2 电路系统工作模块 4 2 i 信号采集电路 前端的视频a d 部分是系统中a # 掌关键嬲个环节，若袈统不能正确地完 成原始信号的采集，后果是w 想而知。信号采集部分p c b 如图4 2 1 1 所示， 下面作详细的介绍。 图4 2 1 1 信号采集电路 x 光影像增强器如来的信号为标准视频债号。s a a 7 1 1 1 视频解妈芯片主要 完成对模拟视频信号的数字化，把隔行扫描的全电视信号( c v b s ) 转换成c c i r 6 5 6 格式的数字视频信号。 s a a 7 l i i a h z 通过片内韵数字锁桐环控制视颓同步，有专门的奇偶场信号