数字化X光机实时图像处理器的研制

1、南京理工大学硕士学位论文数字化X光机实时图像处理器的研制姓名：姚晓申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：常本康20060601硕士论文数字化光机实时图像处理墨的研制摘要随着科学技术的高速发展。光图像在医疗、安检、无损检测、工业探伤等领域的应用越来越广泛。然而，由于光图像的自身的缺陷，输出的图像往往达不到实用的要求。因此必须经过图像处理。本文结合江苏省科技厅立项项目可移动数字化光射线成像机，进行数字化光机的实时图像处理技术的研究。本论文第一章介绍了光成像技术的历史、发展、现状和论文的研究背景及所做的工作。第二章主要研究了数字化光成像系统的理论基础，并根据理论分析和光图像的特点，深入研究各种

2、相关的图像去噪和增强算法。第三章根据第二章提出的光图像去噪和增强算法，设计了以和为核心的高分辨率实时图像处理系统。第四章在已构建的、协同工作的图像处理器上，通过语言和原理图手段设计了多帧平均滤波、灰度线性变换、卷积处理和固定背景的阈值减影等算法，实现光图像的实时处理。第五章给出了系统调试和实验结果。目前，该图像处理系统已经正常工作，光图像经过该图像处理器后图像质量得到明显的改善，获得了层次清晰、轮廓分明、分辨率高和亮度好的光图像，满足了实用需要。关键词：光图像，图像去噪，图像增强，实时图像处理器，灰度线性变换，卷积处理，固定背景的阂值减影算法硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制，：，声明本学

3、位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，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研究成果。也不包含我为获得任何教育机构的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作了明确的说明。研究生签名：挚匕照枷年月习日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：挫堕丕神侔月矽日硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制绪论本章简述

4、了光影像成像技术的发展概况和国内外的发展趋势，阐述了光图像处理技术的重要意义以及本论文所做的工作。光影像成像技术的历史与发展现状光影像成像技术的历史年德国物理学家伦琴发现射线后，首先被用到医学诊断上，第二年就提出了用于治疗的设想。开创了光影像成像技术研究的历史。射线又称伦琴射线，它是肉眼看不见的一种射线，但可使某些化合物产生荧光或使照相底片感光；它在电场或磁场中不发生偏转，能发生反射、折射、干涉、衍射等；它具有穿透物质的本领，但对不同物质它的穿透本领不同；能使分子或原子电离；有破坏细胞作用，人体不同组织对于射线的敏感度不同，受损害程度也不同。因此，射线能使人体在荧屏上或胶片上形成影像，是基于人

5、体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以到达荧屏或胶片上的线的量有差异。在荧屏或射线片上形成黑白对比不同的影像。因此，射线一发现就在医疗上显示了巨大的应用价值，几个星期后，医学家就应用射线准确地显示了人体断骨的位置。随着时间的推移，射线已经成为现代医疗中不可缺少的设备。光影像成像技术的发展随着科技的进步，线摄影经历了从最早的摄影干扳到胶片增感屏组合，到目前数字化射线图像的各阶段的进步。二十世纪年代末至年代初以来，随着计算机与微电子技术的飞速发展，席卷全球的数字化技术和计算机网络与通信技术已经对光影像设备产生广泛而深远的影响。影像设备的

6、数字化和网络化以及占医学信息比例最重的医学影像信息的资源共享是大势所趋。年日本富公司推出数字化射线成像技术（，即）。技术采用影像板代替传统的胶片增感屏来记录射线，再用激光激励影像板，通过专用的读出设备读出影像板存储的数字信号，之后再用计算机进行处理和成像。到年，又出现了直接数字化射线成像技术（，即），技术的探测器可以迅速将探测到的射线信号直接转化为数字信号输出，而不需要中的激光扫描和专用的读出设备。硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制光影像成像技术的现状目前，光成像技术在医疗、安检、工业探伤、无损检测等领域中具有举足轻重的地位。传统的光成像技术采用的是模拟技术，光影像一旦产生，其图像质量就不

7、能再进一步改善，且其信息为模拟量，不便于图像的储存、管理和传输，限制了它的发展。光图像的数字化不仅可利用各种图像处理技术对图像进行处理，改善图像质量，并能将各种诊断技术所获得的图像同时显示，进行互参互补，增加诊断信息。同时数字化光图像可利用大容量的磁、光盘存贮技术，使临床医学可以更为高效、低耗及省时省地、省力地观察、存贮和回溯，甚至可通过电话网络或把光图像远距离传送，进行遥诊或会诊。随着计算机与微电子技术的飞速发展，席卷全球的数字化技术，计算机网络和通信技术已经对影像领域产生广泛而深远的影响。一大批全新的成像技术进入医学领域，如超声、和等等。这些技术不仅改变了光屏幕胶片成像的传统面貌，极大地丰

8、富了形态学诊断信息的领域和层次，提高了形态学的诊断水平，同时实现了诊断信息的数字化”。目前我国的影像设备中，没有实现数字化的常规光机，仍占有相当比例。考虑到我国的国情，预计在今后一段时间内，、等昂贵的数字光摄像系统不可能普及全国所有的医院”】。因此本课题组研制了一种简单、容易普及的具有可移动的数字化射线成像仪，是对传统模拟光机的数字化改造；同时该仪器又采用了新型的光影像增强器，专用的高分辨率实时图像处理器，实现了方便简单的数字化。整套仪器成本低和效果好，具有巨大的市场潜力和一定的价格优势。数字化光图像处理的必要性及其优点数字化光图像处理的必要性由于引入微光像增强器作为光影像增强器后，图像质量得

9、到了改善，也降低了光的受照剂量。但是它仍是把辐射直接换为一个可见的射线图像，必须要进行数字光图像处理。原因有以下几点：（）检出的人体组织图像互相迭加不易区分，图像显示不可改变。例如，在进行脑血管造影时，人们感兴趣的主要是血管系统，而脑骨骼成像不仅模糊，还会干扰血管像；（）数字化的射线图像的空间分辨率不及普通射线胶片；（）像增强器系统产生的噪声降低了图像信噪比；（）考虑到射线对人体的累积效应，近代对射线量和质的控制日趋严格，硕士论文数孕！化光机实时图像处理器的研制需进一步降低剂量：（）现行二维灰度图像不仅受到黑白或单色阴极射线管显示动态范围的限制，而且受到人眼在同一时自内处理能力限制：对某一特定

10、的像素的灰阶（在感光底片上称作密度）定量和记忆困难。以上因素使图像中邻近等级灰度值不易区分；距离较远的两个像素的灰度变化梯度不易被全部观察到，因而对灰度级差较小的病灶仍难以分辨。可是分辨这样的图像恰恰是临床上的迫切需要旧。因此，数字化的光图像必须经过图像处理。数字化光图像处理的优点数字图像处理技术是随着计算机的发展而发展起来的一个重要技术领域，它已经在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得到了广泛应用，取得了巨大的经济与社会效益。数字化光图像的处理也属于数字图像处理领域，数字化光图像与普通射线电视成像相比，有以下优点：（）可检测出低对比度组织，提高

11、信嗓比；（）可作定量分析，迅速给出距离、面积和体积，并能解释图像特征；（）采用计算机程序作图像变换与增强，能够适时准确地处理从病人体内收集到的信息；（）可用磁带或磁盘将数字信息存储起来供图像分析。能无损失地用电话线或微波传送数字图像旧。对光图像做后处理，首要的任务是对获取的光图像进行增强信噪比的工作。即滤除图像的噪声和干扰，突出感兴趣对象区域或边缘从而为进一步分析和计算奠定了坚实的基础，从图像得到定量和更深刻的信息，图像处理技术中的图像增强技术已经成为光图像实际应用中不可或缺的一项工作。一些基本的图像增强技术有：（）仅涉及单个像素处理的像素运算，而不考虑其邻域或图像的全局特性。（）直接对像素及

12、其邻域操作的各种卷积算子，使图像的某些属性得到增强，使不需要的属性得到抑制。（）同时考虑像素灰度及其邻域特性的局部算子，如均值滤波，中值滤波，边缘增强，局部区域直方图均衡化。（）对多幅图像进行帧间处理，前提是这些图像要配准，并且每幅图像的动态范围可以比较，如图像平均法，图像减影法。还有频域增强技术，可以在频域通过调整变换系数后再进行反变换，从而得到增强的图像”。硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制本论文的主要工作本论文题目为数字化光机实时图像处理器的研制，是属于数字图像处理研究领域。本论文的工作是设计基于和为核心的高分辨率的实时图像处理系统，实现光图像的实时处理，如采用荻度线性变换、卷积处理

13、、多帧平均滤波、固定背景的阈值减影等技术实现图像去噪和增强。光图像信号通过图像处理器，进行一系列变换处理，以实现层次清晰，轮廓分明，分辨率高和亮度好的光图像。课题来源于江苏省科技攻关项目“具有可移动数字化射线成像机”。本论文的主要目标是设计高分辨率的数字化光机实时处理系统，围绕图像处理器的研制，本文主要做了如下工作：（）针对本系统光图像噪声特点，寻找合适的图像处理算法。有效减弱了光噪声，扩展了图像灰度范围，增加了图像质量，提高了目标识别的概率。（）根据算法，设计光图像处理系统的总体方案，构架基于现场可编程门阵列（）和数字图像处理芯片（）的高精度高分辨率的实时图像处理器，数据采集模块采用双（位的

14、和位的）并行结构，最高采样率可达，为提高精度采用位的转换器。设计印刷电路板（），并完成电路的调试，为实现光图像处理系统的实时性打下基础。（）经过大量查阅资料，调研，反复论证，在计算机软件模拟的基础上，结合现有的高速处理器件和的性能，将图像处理算法用硬件编程语言实现。（）为节约成本，减小电路板面积，精简系统结构。去掉了用于配置从的单片机，设计了用配置从的硬件电路，编写了软件程序并通过了调试，效果良好。（）完成系统的各软件模块的编写和调试，通过语占和原理图手段，在中完成全分辨率的多帧平均滤波、改进的多帧平均滤波、灰度级线性变换、卷积处理和固定背景的阈值减影算法，使整个系统的正常运行，获得理想的数字

15、化光图像，满足实际需要。硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制数字化光机成像系统的理论基础光成像的基本原理年德国物理学家伦琴发现射线后，首先被用到医学诊断上，第二年就提出了用于治疗的设想。在这一百多年当中，射线在医学、安检、无损检测、工业探伤等领域中发挥了巨大作用。射线是一种电磁波，具有波粒两重性，其光子能量（）和波长（）的关系式为：胁，旯（）式中：是普朗克常数；是光速。射线是肉眼看不见的一种射线，但可使某些化合物产生荧光或使照相底片感光；在电场或磁场中不发生偏转，能发生反射、折射、干涉、衍射等：它具有穿透物质的本领，但对不同物质它的穿透本领不同，即射线穿透物质时满足一定的衰减定律。平行单能的

16、射线束通过物质时符合指数衰减规律：，（）（）【一（）】（）式中：（）为入射射线束（光子能量为）强度；（）为透射射线束（光子能量为）强度；（）为物质的质量衰减系数；和分别为物质的密度和厚度。其中（）不仅是光子能量的函数，而且还是元素原子序数的函数，因而又可用（，）表示，其值由射线与物质相互作用的光电效应、康普顿效应和产生电子对效应引起的衰减决定。当光射到物体时，与构成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，不是全部的射线都能随意地穿透物体，射线波长不同，穿透物体的能力也不同。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

17、，其余的在与物体相互作用的复杂物理过程中被衰减吸收，当射线穿透物质时，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。而事实上一束单色射线穿透一层均匀厚度的物质时，射线将按指数衰减，入射强度随被穿透物体的厚度增加而衰减。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。在应用射线时，要注意它能使分子或原子电离，有破坏细胞作用，人体不同硕士论文教化光机实时图像处理器的研制组织对

18、于射线的敏感度不同，受损害程度也不同”。射线的特殊性能使人体在荧屏上或胶片上形成影像，是基于人体组织有密度和厚度的差别。各种组织对射线的衰减不同，穿透人体的射线，能使荧光屏或射线胶片上显示出明暗不同或黑白不同的影像。射线影像检查就是利用射线的这一特性来检查人体内各部分的结构是否正常的一种有效方法医用射线与人体组织相互作用时，除一部分为直接透射外，其主要作用形式为光电效应和康普顿散射。光子与物质的相互作用除与光子本身的能量有关外，还与物质的原子序数有关。经研究发现，随着射线能量的增加，光电效应的概率下降；同时，原子序数增加时，光电效应概率增加。应指出随射线能量的提高，射线透射的比率也增高。射线通

19、过人体时，除一部分透射外，其余的将被吸收或散射，因而强度变弱。通过人体的减弱，不能简单的用单能窄束射线的衰减公式来描述，而应在其基础上将其修为：一“（）此式又称为单能宽束射线衰减公式，式中：为积累因子；为被检物质的有效线性衰减系数；为被检物质的厚度”。光图像的质量评价光图像的标准光成像的目的是要让医生能够观察到被检者体内的某个病变组织及其状况，因而医学影像质量的好坏将直接影响医生的诊断。光影像的质量决定于成像方法、设备的特点、操作者选用的客观与主观成像参数以及被检者的配合等等。影像质量是由对比度、模糊度、噪声、伪影及畸变等多种因素综合体现出来的。人体所包含的许多结构和器官，在多数成像方法中它们

20、都同时成像。而临床上经常考虑的是某一组织器官及其周围的组织的关系。事实上，多数成像方法对某一组织器官的可见度取决于这个关系而不是整个影像的总体特征。每一种成像系统的任务是将具体的组织特征转换为影像的灰度梯度和颜色如果有足够的对比度，这些组织器官将成为可见。影像中的对比度的高低取决于组织器官本身及成像系统两方面的特性。对比度与对比度分辨力对比度的就是有差异的程度，客观对比度即物体本身的物理对比度，由构成被检者组织器官的密度、原予序数和厚度的差异形成。图像对比度是在可见图像中出现的对比度。对比度是图像的最基本特征。射线影像的对比度是以图像内各不同点的光密度差异表示的。其图像对比度与客观对比度及射线

21、影像设备的特性有硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制关。人体的某一组织器官要在图像上看出来，至少它与周围的组织相比要有足够的客观对比度。但是当图像对比度大大超过组织器官的客观对比度是意义不大。某一组织器官的客观对比度应在一个或更多的组织特性方面体现差异，人们感兴趣的是图像中某一具体结构和器官与围绕它的区域背景之间的对比度。对比度分辨力是当图像中观察细节与背景部分之间对比度较低时，将一定大小的细节部分从背景中鉴别出来的能力。通常用能分辨的最小对比度的数值表示，是衡量影像质量的主要参数之一。模糊与细节的可见度理想情况下，物体内每一个小物点的像应为一个边缘清晰的小点。然而在实际的图像中，每个小物点

22、的像均有不同程度的扩展，或者说变模糊（失锐）了。通常用小物点的模糊图像的线度表示物点图像的模糊程度，也称模糊度。小物点图像的模糊形状取决于模糊源。图像模糊主要影响是降低了小物体和细节的对比度，从而影响了细节的可见度（空间分辨力）。空间分辨力（）为图像中可辨认得微小细节的最小极限，即对影像中细微结构的分辨能力，是衡量影像质量的重要参数之一。噪声图像噪声（）是图像中可观察到的光密度的随机出现的变化，也是各种医学图像的一个特征，在图像中的存在可表现为斑点、细粒、网纹或雪花等。图像噪声的主要来源是放射性粒子在空间或时间上的随机分布和存在于视频系统中的电子噪声，其大小则取决于成像方法的不同。噪声对可见与

23、不可见结构间的边界有影响。图像噪声增大，会减小结构的可见度。在大多数光成像系统中，噪声对低对比度结构的影响最明显。伪影伪影也称伪像，它是在图像中出现的并不表示真实解剖形态的图像。伪影并不一定影响结构可见度，但会使一幅图像部分模糊或者被误认为有用的信息，造成误诊。畸变一幅图像中有用信息的结构、大小、形状和相对位黄有不同程度的失真，这就是畸变（）”。此外还有图像的均匀度等衡量图像质量的参数。因此，在很多情况下，被检者所接受的辐射剂量包括检查时间的多少会直接影响图像质量的各参数。某一个参数的改变可以改善图像质量的一个特征，但又常常相反地影响另一个特征。要获取高质量的光图像，需要很好的消除噪声，同时又

24、硕士论文数字化光机实时图像处理嚣的研制要保持良好的图像细节。影响光图像质量的因素影响光图像对比度的因素对光图像对比度影响的因素很多，主要有被检者的影响，光子能量的影响和散射线的影响。被检者对对比度的影响：临床诊断用的光在人体中主要通过光电效应被吸收，不同物质的线衰减系数与物质密度成正比，与原子序数的次方成正比。因此，被检者受检部位组织器官的原子序数，密度和厚度对影像对比度影响很大。厚度相同的条件下，原子序数大、密度大的组织吸收的射线更多。两部分组织的密度和原子序数差别越大，影像对比度也越大。光子能量的影响：穿透被检体的射线所产生的影像对比度与射线光子的能量有关。在诊断用射线的能量范围内，射线与

25、物质的作用主要是光电效应和康普顿散射，光电效应发生的概率与射线光子的能量关系很大，因此在射线诊断中，可以通过改变光子的能量来有效地改变影像的对比度，增加或减少光子能量，总衰减中光电吸收所占比例迅速减少或增加，使得影像不同区域之间的对比度随之减小或增加。散射线的影响：一束射线进入被检者体内，一部分被组织吸收和散射，另一部分则穿过被检体参与成像。但事实上，由于散射线穿过身体后方向发生改变，这些来自组织本身的散射线及任意相邻组织的散射线也能参与成像，造成影像对比度降低。在对较厚的肢体摄影时，这种影响尤为严重，可通过使用准直器、增大空气隙、控制照射野和使用滤线器的办法，减少散射线，增加影像对比度。模糊

26、对光图像质量的影响模糊源与图像总模糊度：在射线摄影过程中，主要有三个方面的因素造成影像的模糊。运动模糊：射线摄影曝光期日，被检者的自主或不自主运动，会产生图像模糊。由于几何投影关系，图像的运动模糊度（。）大于在曝光期间放检者移动的距离如果被检者肢体的某个部分移动暂时不可避免，可通过缩短曝光时间，把运动模糊减至最小焦点模糊：射线管焦点的尺寸对图像的总模糊度影响很大，从焦点发出的射线光子通过被检部位的每一点，发散并形成物点的模糊图像。焦点模糊度（，）又称为几何模糊度，其大小等于焦点的线度和被检部位至检测器距离与焦点至被检部位的比值的乘积。检测器模糊：如果射线束的检测器输入屏比较厚，那么也会使影像产

27、生模糊。硕士论文数字化光机实时图像处理嚣的研制这种类型的模糊一般发生在增感屏和影像增强器输入屏的磷光涂层。通过被检者体内某点的射线光子被磷光涂层吸收后转变为可见光，沿射线方向产生的可见光会发散到磷光涂层周围部分，因此当可见光再从胶片或荧光屏上出现时，它将覆盖大于原物点的面积，即通过被检者体内每一个物点的射线形成了比原物点大的模糊图像。检测器模糊度（日，）习惯称为屏模糊度，其大小与检测器屏的厚度有关。由于上述三种模糊度均可使图像变模糊，因此一幅图像的总模糊度（啊）就是这三种模糊度的复合。肛了丽（）模糊度对影像质量的影响：模糊对影像质量最直接的影响是降低了影像的对比度，进而降低细节的可见度。这是由

28、于模糊使小物体（细节）的图像向周围背景区扩散，致使细节的对比度与可见度减小。可见度减小的程度取决于细节大小与模糊度之间的关系。当模糊度较低时，比较大的物体，其对比度的减小，不会影响可见度。如果物体较小，但其线度比模糊度大，则对比度的减小一般不会影响可见度：当细节的线度接近或小于模糊度时，对比度的降低，会对可见度产生明显的影响。因此模糊度可以被当作是一个小物体（细节）可见度的阈值，当细节的线度比模糊度小很多时，细节就看不清了。噪声对光图像质量的影响在射线影像中，噪声的主要来源有射线的量子噪声，即射线光子在图像内空间或时间上随机分布。射线量子噪声与检测器检测到射线量成反比，因此也与入射的光射线量成

29、反比，即入射的射线量越大，射线的量子噪声越小。此外还有来自视频系统的光、电子噪声以及增感屏、像增强器的颗粒噪声等等。噪声对可见度和对比度均有影响。光图像中的伪影与畸变伪影：在常规射线摄影工作中，常使用滤线栅吸收散射线。由于滤线栅经常是被放在被检者和检测器之间，因此有可能对图像的形成造成干扰。这种干扰可能在视野某特定部位出现辐射的异常衰减，形成伪影。另外增感屏表面的刻痕、染色以及外来的物体，如毛发、尘埃和纸烟灰等也是伪影产生的重要原因。畸变：射线影像中，导致影像畸变的因素有被检者部位组织器官的大小、形状和位置。由于厚的组织器官的不同部分距检测器的距离不同，会造成各部分组织影像的不等量放大，所以厚

30、的组织器官容易产生畸变而薄的组织器官不容易产生畸变。硕士论文数字化光机实时图像处理器的酽制新型的数字化光机简介由于传统射线成像方式采用的是模拟技术，射线影像一旦产生，其图像质量就不能再进一步改善，且因其信息为模拟量，无法直接送入计算机采集和处理，不适应现在数字化时代的发展。因此，课题组采用微光像增强器代替了传统的影像增强器，研制成功了新型的数字化光机。该系统成本低，且受检剂量小，前景十分可观。新型数字化光机原理当有射线穿过被测物体并输入滤线栅时，由于它能滤除射线的散射部分，致使近于准直的射线进入增感屏，增感屏具有增加光的感光，提高影像的对比度等作用，并且选用合适的感光波长使其尽量与图像增强器的

31、响应波段相匹配，提高卷积响应灵敏度。设计大视场、短焦距的内嵌投影镜头，将大幅面增感屏的低亮度图像，在保持仪器紧凑的距离内投影并充满增强器的阴极面上，经过光电阴极产生光电子；光电子在微通道板的二次电子倍增的作用下，使微弱辐射增加并高速轰击荧光屏，形成足够亮度的图像；再经图像采集，经过实时图像处理器进行图像处理后，在终端显示或送入计算机。系统原理结构如图所示。图新型数字化光机系统原理结构图射线源滤线栅及增感屏币继透镜新型数字化光机系统组成投影物镜图像处理器图像亮度增强器显示终端新型数字化光系统由控制台、高压电源模块、光发生器、滤线栅、增感屏、成像器件、图像处理器、监视器、计算机系统等部分组成。硕士

32、论文数字化光机实时图像处理器的研制射线控制台射线的发射量与电压，电流和时间成比例。在射线检测过程中，对不同的被测物体，需要不同电压，电流和照射时间。因此，需要搭建一控制平台，控制射线的发射，中断，信号同步以及三个物理量的大小。射线控制台由电压控制模块，电流控制模块，时间控制模块以及脚踏开关等组成。射线发生器射线是由球管产生的。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）叫。球管内部结构如图，球管外形如图。图球管内部结构不意图图球管外形图阴极是在射线管中是发射电子的电子源，且能使电子聚焦后去撞击阳极。射

33、线管的阴极一般由发射电子的灯丝和聚焦电子的凹面阴极体组成。从灯丝发射的电子，由于库仑力作用而相互排斥，使电子流在向阳极时发散。实际上采用了钼制成的凹面阴极体置于灯丝后，使电子初聚焦，同时还可防止二次电子造成的危害。阳极又称阳靶，它的功能是产生射线，按阳极的结构分为固定式和旋转式两种。由于电子撞击处产生大量的热，用电机带动旋转的阳极，比固定阳极的射线管功率大的多】。由于旋转阳极的热量分布面积比固定阳极线管大得多，因此，旋转阳极线管可制成小焦点，且能加大瞬时负载功率，阴极面每一点接受电子轰击的时间相对较短，阳极使用寿命较长。球管中有两种方法表示焦点，分别是实际焦点和有效焦点。由图可知，实际焦点是电

34、子柬打在阳极靶上的实际面积，而有效焦点是实际焦点在中心线方向上的投影面积。实际焦点面积大对阳极靶的散热有利，有效焦点面积小对透射灵敏度有利。一般指的焦点为有效焦点。由图可以看出有效焦点跟阳极靶的倾斜角有关。考虑以上因素，本系统选用了旋转阳极光球管，阳极靶的倾斜角为，焦点为的球管，便于提高图像的清晰度。硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制图实际焦点和有效焦点射线滤线栅由于射线照射物体后，一部分被吸收，另一部分在穿越过程中产生散射线，在成像时产生噪声，使得图像背景模糊。滤线栅由薄铅条与易透的填充物（木片，塑料，纸片等）交替排列，粘合成平面或圆弧状的结构。如图所示，滤线栅可以将大多数散射线滤去，使

35、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栅。聚集式滤线栅用法示意图如图所示。图滤线栅作用示意图图，聚焦式滤线栅图中磊为焦距。只要线球管的焦点处于会聚线上，或在一定的调范围内，原发射线就能通过滤线栅，而散射线却大多被滤去嘲。本系统采用的滤线栅尺寸为删，（有效长宽为眦），焦距为。增感屏增感影屏是线摄影不可缺少的辅助设备，具有以下作用：增加线对胶片的感光作用。一张使用增感影屏投照的线照片，其感光作用以上是由增感屏增益，而线直接感光作用不足。可显著地提高影像的对比度，减少了线管的负荷，并相应地扩大了线机的应用范围。曝光时间缩短，有利于肢体固定，减少活动器官对影

36、像清晰度的影响，同时也被检者所受线辐射量。数字化光机要求射线接受转换装置必须具有较大接受面以容纳旅客的鞋底图像以及人体的整个胸部。为满足要求，系统采用面积较大的增感屏作为光转换器件。增感屏内部结构示意图如图所示。近年来增感屏无论在性能、品种乃至应用技术方面均有相应的改进与提高。其主要性能如下：（）增感倍率：即增感屏的发光效率，射线增感屏的发光总效率为“”：硕士论文数字化光机实时图像处理嚣的研制，玑仉仉（）式中：巩为吸收效率，表示荧光体吸收入射线光子的量；仉为转换效率，表示荧光体吸收的入射线光子转变为可见光光子的量；仉为传输效率，表示可见光光子在屏中经过荧光体颗粒和胶粘剂等的散射和吸收后传输出来

37、的光子量。保护层感光层底层支持层图增感屏内部结构示意图（）分辨率：表示增感屏能清晰反映影像的最大能力，即能把被摄体细微部位重现出来的能力。一般用每毫米显示的平行线对数表示。影响因素主要有荧光物质种类，荧光层的厚度，荧光质晶体颗粒大小及防反射层的有无。（）光谱特性：不同的种类的增感屏将入射的光转换成可见光的光谱特性不同。（）余辉：增感屏受到射线照射后反射荧光，当射线停止照射后，荧光物质仍有荧光发射。这种现象将干扰射线图像的清晰度。稀土元素发光材料具有吸收线能力强，荧光发光效率高的特点，而且所发射的荧光光谱可以通过稀土荧光材料的成分加以控制调整，因而当今的增感屏大多使用稀土材料制成，即都是稀土增感

38、屏。增感屏的主要性能指标有：增感倍率、分辨率、光谱特性和余辉。本系统对其上述的四个方面都提出很高要求。在应用中，需不断提高增感屏的增感倍数，降低余辉时间，提高清晰分辨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，优化光谱特性，使之与后继接受转换器相匹配。本系统采用铝质基板的感绿稀土屏，可以在保持高分辨率前提下，有效地提高亮度，增加信号强度，提高信噪比。，并有合适的感光波长使其尽量与图像增强器的响应波段相匹配，提高卷积响应灵敏度。投影物镜投影物镜为一个连续变焦镜头。设计的影像增强器的结构外形尺寸刚好与东芝时管相符。通过电动变焦镜头的视野，可以改变图像的光学线倍率，因而可在某局部区域收到

39、提高图像细节分辨率的效果，视野可达英寸。实际上如要进一步缩短焦距，增大视场角，可使管型更加紧凑，为此需要设计专用的内嵌投影镜头，以适应时、时甚至更大尺寸规格的需要。在光机的设计中加入变焦物镜是本系统的一个特点，这样既能保证观察的视硕士论文数字化光机实时图像处理器的铲制野大，又能进行局部细节的捕捉，为医生的诊断提供方便“。微光像增强器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，由于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：把入射的光学图像转变为强度相当的光电子图像。当微弱的光学图像投射到光阴极时，阴极面内侧的光电发射材料由于光电

40、效应发出电子，电子的密度与图像的亮度成正比。这样来自增感屏的微光图像被转换成电子图像，形成“电子潜像”。电子潜像相对于目标是倒立的。：它是由百万个紧密排列，且内壁具有高二次发射特性的空心通道组成的二维电子倍增元件。一般通道芯径间距约为一，长径比为朋，电子倍增率在以上。是影响像增强器分辨力和信噪比的主要因素。近年来，通过工艺改进，出现了高性能的，芯径间距从减小到了，肼或，肼，对应的像增强器分辨力从砌提高到了衄或姗。同时，通过材料改进和加大的开口面积等工艺，使的噪声特性得到了较大的改善。（）电子光学系统：把已增强的光电子图像聚焦到荧光屏上。像增强器电子光学系统有倒像式聚焦和近贴投射式聚焦模式两种。

41、通常倒像式聚焦系统相对近贴聚焦系统具有更高的分辨力，但体积较大。倒像式聚焦系统的像管中部是聚焦电极，电极上加静电场，对电子具有“聚焦成像”功能，从而使阴极面上的电子潜像（倒立）变成荧光屏上的电子潜像（正立）。“电子透镜”实现电子加速是亮度增强的关键。阴极发出的光电子受到阳极电压的吸引，向荧光屏加速飞去，高速撞击荧光屏，激发大量光子。（）荧光屏：把已聚焦的光电子图像转换为比输入明亮的光学图像。荧光屏把一个电予转换为一群光子，从而完成了亮度增强过程。荧光屏发射可见光光子，电子潜像被转化为可见光图像。材料及工艺过程决定了荧光屏发光的波长范围和效率，同时也对荧光屏的分辨力有着重要影响。目前，用较成熟的

42、工艺过程可使荧光屏的分辨力达到啪。（）纤维光学面板：在输入端把平面的输入光图像变成曲面，在输出端把曲面的输出光图像变成平面。光电转换部分采用高性能高分辨率的将从微光像增强器出来的可见光转换为视频信号。是电荷耦合器件的简称，它是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电容构成的，用势阱中的电荷转移来实现信号传输。摄像机一般包括以下几个部分：光学系统、片状电荷耦合器件以及驱动电硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制路。器件以其自扫描、高分辨率、易与计算机连接等特点，以及输出噪声低、动态范围大、量子效率高、电荷转移效率高、光谱响应范围宽、几何稳定性好等突出优点，被认为是可见光成像、空间

43、光学、微光夜视等领域最有前途的探测器件“”。图像处理器由于采集的光图像噪声大，为了获得高对比度、高亮度、高清晰度、分辨率高的实时图像，必须对光图像进行实时图像处理。本图像处理器的设计是以实现光图像的实时处理为基本出发点，利用高速处理器件和，通过硬件去除光图像中的散粒噪声、背景噪声和提高图像的对比度。该图像处理器可分为数据采集模块，图像处理模块，视频合成模块三大部分。数据采集模块有两个并行的转换器（位从和位），最高采样率可达；图像处理模块采用高速处理器件和进行实时图像处理；为提高图像的精度，视频合成模块采用位的芯片。该图像处理器的空间分辨率可达，能实现灰阶处理、开窗处理、数字减影、平滑滤波、图像

44、增强、局部增强、边缘提取、中值滤波、卷积处理、多帧叠加，领帧比较、动态目标识别等图像处理算法。与国内外同行业图像处理器相比，具有分辨率高、实时性好等优点。图像处理器如图。图实时图像处理器的实物图本图像处理器通过芯片将采集的视频信号转换为数字信号，利用和强大的数学和逻辑功能，实现灰度的变换，平滑滤波和图像增强等一系列图像处理方法。系统采用的和的速度都是数量级。完全满足图像实时处理的需要。硬件正常运行后，在显示终端上呈现高分辨率的光图像，满足了实际需要。硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制新型数字化光机系统的噪声分析射线图像噪声可分为高频噪声和低频噪声，一般高频噪声为宏观均匀噪声，低频噪声为不均

45、匀噪声。根据噪声出现的概率，又可分为随机噪声和固有噪声。本节根据新型数字化光机系统结构，全面地进行了系统的噪声分析。射线源噪声球管产生射线时引起的量子起伏噪声。射线源产生的量子起伏噪声来源于灯丝电流和控制电压的起伏，引起电子束运动速度的起伏以及轰击靶的位雹及能量的散布。被检物噪声被检测对象吸收射线和射线散射引起的噪声。被检测对象是通过对射线的吸收而成像，在吸收过程中，射线引发出多种粒子，形成强散射，并参与物体成像，形成吸收散射噪声。增感屏噪声一增感屏的随机闪烁噪声。增感屏是利用稀土物质将射线转换为弱可见光的，射线光子激励稀土物质后可产生短时间的可见光持续，射线光子在增感屏上激发的可见光子呈现出

46、较强的随机性。增感屏的噪声来源有：（）增感材料不均匀，使增感屏增感不均匀；（）增感屏的增感材料多为微晶颗粒态物质也显示颗粒噪声，都会产生不均匀低频噪声。同时，物体照射场不是一个均匀场，增感屏增感不均匀和感光乳剂不均匀等因素，都会产生不均匀低频噪声】微光像增强器噪声影像增强器件的电子噪声。系统在进行图像信息的转换和增强时，都伴有附加噪声，包括：光阴极的光子噪声、噪声、荧光屏噪声。微光像增强器和一般的光电探测器一样，有其本身的缺陷。在完成光电转换过程中，不仅给出表征被测对象的有用信号，同时伴随着无用的噪声信号，如热噪声、散粒噪声等，这些噪声信号大大的降低了探测器的探测性能和系统的信噪比。这些噪声使输出图像的对比度不够，边缘变得模糊，不利于实用时对图像细节的观察。主要噪声来源是热噪声和散粒噪声“。（）热噪声对探测能力影响最大。热噪声存在于在任何导体和半导体中，它来源电阻的内部自由电子或电荷载流子的不规则热运动。当没有外电场时，导体中的电子做无规则的热运动，无定向的迁移，因而没有电流。但由于涨落，向两个相反的方向运动的电子数并不完全相等，导致在导体和半导体中产生涨落电势（噪声电压），并引起涨落电流。硕士论文数字化光机实时图像处理器的研制（）散粒噪声主要是光电阴极发射电子的涨落性引起的，因