王少杰

(中北大学　理学院，山西 太原 030051)



基于信息熵的递变能量X射线图像序列融合

王少杰

(中北大学理学院，山西 太原 030051)

摘要：常规固定能量的X射线无法对结构不规则、厚度不均匀的工件正常成像，易造成过曝光和欠曝光现象，失去图像信息，因此提出了变电压X射线扫描成像技术.但要得到完整的工件图像，需要对不同电压下得到的图像进行融合.本文首先在灰度直方图的基础上提取发动机缸盖的有效信息区域；然后基于信息熵来研究图像的融合方法.实验结果表明，此方法可以将各个原图像的有效信息结合起来，完整地再现复杂工件的结构信息.

关键词：灰度直方图；信息熵；图像融合

X射线无损检测技术越来越广泛的应用到了国防、军事、航天航空等领域.在这些领域中，存在一些结构复杂、薄厚不均匀的组件，对它们的质量检测直接影响着航天航空、武器等技术装备的使用性能、装配性能及综合性能等.然而常规固定X射线能量的成像模式无法同时对整个工件曝光成像，易造成过曝光和欠曝光共存现象,导致复杂工件的X射线图像质量差、空间分辨率低、信息不完整等[1].

针对上述现象，我们提出了一种新的X射线DR成像技术，通过调节射线源的管电压，从而获取递变X射线能量下的射线图像序列，而DR图像序列中的有效信息较少，我们需要一定的方法提取其中的有效区域，然后将每幅图像序列进行融合，目前DR图像的融合研究很多.2008 年，西安交通大学杨莹、牟轩沁等对双能 X 射线图像进行尺度空间分解，采用平均法重构低频分量，高频分量则采用区域相关性原则重构，利用重构分量重建得宽动态范围的 X 射线图像.2010 年，李汉志等采用小波变换方法对高低能图像融合，并对融合图像增强，扩展了图像动态范围.2010年，段彦杰、杨明等提出了一种基于变能量扫描的 X 射线图像增强技术[2，3]，借助于在单能 X 射线基础上建立的系统成像的灰度—电压—厚度关系模型对图像序列融合.

DR平板探测器成像动态范围有限，因此，当射线强度较大时，穿过工件较薄区域的射线衰减较小，易出现过曝光的现象，而射线强度较小时，穿过工件较厚区域的射线衰减较大，易出现欠曝光的现象.欠曝光和过曝光现象都会造成工件结构信息的确实.不同电压下X射线检测成像示意图如下.

1图像采集

研究中以发动机缸盖为实验对象，其结构不规则，薄厚不均匀.实验设备为中北大学电子探测技术国家重点实验室的X射线CT/DR系统，450 kV的CE射线机，12位A/D的PaxScan2520探测器，采集电压为65～185 kV，每隔5 kV透照一次，电流为1.5 mA.采集到的部分图像如图2所示.

图1　变电压下X射线成像示意图

图2　变电压下缸盖的采集图像

2有效区域提取

由于X射线成像系统动态范围有限，任一电压下只能匹配一定的有效厚度信息，也就是成像系统动态范围内的某一灰度值范围.有效区域即为去除欠曝光和过曝光区域的范围.图3为部分电压下图像的灰度直方图，依据每个电压下图像的灰度直方图提取相应电压下的有效灰度区间.如65 kV电压下灰度范围集中在(0-1000)，85 kV的集中在(100-3000),125 kV(1000-3000)，因此，我们统一将有效灰度区间取为(1000-3000)，根据有效区间提取缸盖的有效区域图像.如图4.

图3　不同电压下对应的灰度直方图

图4　不同电压下提取的有效区域图像

3有效区域的融合

3.1信息熵

1948年，Shannon提出了熵的概念，并以此作为信息的度量.一般情况下，我们用概率的倒数的对数函数来表示某一事件(某一符号)出现所带来的信息量.设离散型随机变量X的概率分布为:

(1)

(2)

X的信息熵定义为“加权平均信息量”:

Ii=-lnpi

(3)

(4)

熵值的定义如下：

(5)

3.2融合算法

表1　部分电压下的熵值及权重

4实验结果及分析

实验对象为发动机缸盖，结构复杂,厚度不均匀.低电压下，图像的灰度值集中在

灰度动态范围下限附近，且灰度值的分布较为分散，即图像中缸盖较厚区域的结构信息内容不完整；高电压下，图像的灰度值整体升高，且分布较为集中，集中在高灰度区域，即丢失了缸盖较薄区域的结构信息.本文算法下的图像融合结果如图5.实验结果表明，此方法可以将各个原图像的有效信息结合起来，完整地再现复杂工件的结构信息.

图5　融合后的图像

参考文献：

[1] 陈平,韩焱,潘晋孝.变电压X射线多谱CT成像虚拟设计[J].光谱学与光谱分析,2012,32(10):2863-2869.

[2] 陈平,韩焱,潘晋孝.变能量X射线多谱成像方法研究[J].光谱学与光谱分析,2013(5): 1383-1387.

[3] 段彦杰,杨明,刘宾,等.基于变剂量扫描的X射线图像增强技术[J].无损检测,2011,33(2):13-15,23.

[4] 段彦杰.变能量X射线扫描成像技术研究[D].山西：中北大学，2010.

[责任编辑：王军]

The research of multi-energy X-ray image stack fusion based on the information entropy

WANG Shaojie

(College of Science,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:Conventional fixed energy X-ray cannot normally imaging for component of irregular structure, uneven thickness, easy lead overexposed and underexposed, loss of image information, thus variable voltage X-ray scanning imaging is proposed.But to get a complete image artifacts, we need to fuse the image under different voltage.In this paper, first of all, on the basis of gray histogram to extract the effective information area of the engine cylinder head, then to study the image fusion method based on the information entropy.The experimental results show that this method can combine the effective information of original image, fully reproduce the structure information of complex component.

Key words:gray histogram; information entropy; image fusion

中图分类号：TP391

文献标志码：A

文章编号：1672-3600(2016)06-0018-03

作者简介:王少杰(1990-)，女，山西朔州人，中北大学硕士研究生，主要从事图像融合研究.

基金项目：国家自然科学基金(61171179，61227003，61301259)资助项目

收稿日期：2016-01-20