安 康，吴石琳，杜 宇，段晓礁，李汶芳，周日峰，王 珏,*

(1.重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室 ICT研究中心，重庆 400044；2.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400044；3.中国工程物理研究院 化工材料研究所，四川 绵阳 621000)

电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)通常具有微米级像元尺寸，以CCD作为探测器图像传感器制作的光纤耦合X射线探测器可实现微米级的空间分辨力，在高精度计算机层析成像(computed tomography, CT)扫描中得到广泛应用。科学级全帧CCD动态范围高、综合性能优异，是光纤耦合X射线探测器图像传感器的首选器件。由于X射线的强穿透能力，传统的相机快门无法屏蔽X射线，也无法应用于光纤耦合结构探测器的荧光屏蔽，在X射线辐射成像应用中，光纤耦合全帧CCD探测器通常工作在无快门模式。

全帧CCD具有标准读出和电荷擦除读出两种常规数据读出模式[1-2]，在无快门模式下进行图像读出时会形成不同的图像拖影。拖影是科学级全帧CCD的特性噪声[3]，是降低图像质量、增加图像处理难度的不良因素[4-6]，拖影的存在严重降低了CCD探测器有效数据动态范围，是X射线辐射成像必须解决的问题。目前，全帧CCD图像拖影的抑制与校正主要有以下几种方法。1) 在CCD芯片的成像区添加机械快门抑制拖影[7-9]。在曝光结束后关闭快门，屏蔽电荷转移时的新电荷注入，实现无拖影图像读出。然而，要实现X射线屏蔽，需使用一定厚度的高原子序数材料制作特殊的屏蔽快门。Sarkar等在基于几何放大结构的微焦CT射线源端增加机械快门有效抑制了图像拖影[10]，但该方法会间接造成微焦CT设备体积的成倍增大。2) 通过提高CCD电荷转移速率抑制拖影[11]。提高电荷转移速率可减小数据读出时间与曝光时间之比，从而达到抑制拖影的目的。此类方法无法完全消除拖影，且须从源头入手改进CCD读出结构，重新制作CCD芯片，成本高昂。3) 结合电荷转移原理利用图像暗像元区域(optical black region, OBR)校正拖影[12-13]。在不同读出模式下，暗像元行数据包含了与曝光图像对应的拖影信息，利用暗像元行数据可实现拖影校正。但CCD暗像元区域通常较小，自身数据的稳定性存在波动，特别是辐射成像应用中，X射线的辐射干扰会为暗像元区域的数据带来额外的曝光辐射噪声从而加剧数据波动。

本文研究全帧CCD在常规读出模式下读出图像中拖影的特点及广泛应用的暗像元校正法校正图像拖影的原理。针对暗像元校正法应用于辐射投影图像拖影校正时可能带来条形校正伪影问题，提出一种改进的非曝光行校正法以避免条形校正伪影的产生；针对动态曝光CT扫描应用时常规读出模式下的图像拖影校正难题，提出基于辐射屏蔽的被测样品感兴趣区域(region of interest, ROI)快速读出模式，通过减少冗余数据读出，降低数据读出时间以抑制拖影的产生。

1 科学级全帧CCD数据读出

1.1 电荷转移与拖影产生原理

科学级全帧CCD的数据读出原理是在曝光结束后将积分电荷从CCD感光区域逐行移入水平移位寄存器，然后按像元依次读出，图1为数据读出原理示意图[14-15]。

图1 科学级全帧CCD数据读出原理Fig.1 Data readout principle of scientific full-frame CCD

曝光期间，CCD感光区所有像元进行光电转换产生积分电荷。曝光结束后，若CCD共有M行像元，则在有效积分时间t0内，其第j行像元的积分电荷为：

D(j)=t0Sj

(1)

其中，Sj为第j行像元的信号积分速率，j=1,2,3,…,M。

由于曝光结束后荧光的持续输入，感光区所有像元仍处于感光状态，各行积分电荷转移通过其他行时会有该行产生的新电荷注入，新注入的电荷称为拖影电荷。当第j行像元的积分电荷转移经过第i行像元位置，停留时间为t′，则拖影电荷为：

(2)

其中，Si为第i行像元的信号积分速率，i=1,2,3,…,j-1。

当光输入量稳定不变时，第j行像元的积分电荷转移经第i行像元位置，停留时间t′为电荷行转移时间t1和等待行读出时间t2之和，拖影电荷与第i行像元积分电荷的关系为：

D(j)i=(δ1+δ2)D(i)

(3)

其中，δ1=t1/t0，δ2=t2/t0，D(i)为第i行像元的积分电荷。

1.2 标准读出模式

当科学级全帧CCD工作在标准读出模式下时，在等待积分及电荷转移过程中，CCD在驱动控制下持续交替进行电荷行转移与水平读出。在每次曝光前，CCD行像元累积的电荷为：

(4)

曝光完成后，各行像元累积的电荷为：

(5)

读出电荷后，各行像元累积的电荷为：

(6)

也可表示为：

(7)

为简化拖影校正，实验中将曝光时间设置为t0+t1+t2，则式(7)变为：

(8)

其中，D(j)为积分电荷；余项为拖影电荷。

1.3 电荷擦除读出模式

当科学级全帧CCD工作在电荷擦除读出模式下时，在等待积分之前可完全取消对CCD的驱动控制，在曝光开始时，快速行转移以清除残留电荷。清除残留电荷后，CCD行像元累积的电荷为：

(9)

曝光完成后，各行像元累积的电荷为：

(10)

读出电荷后，各行像元累积的电荷为：

(11)

也可表示为：

(12)

为简化拖影校正，实验中将曝光时间设置为t0+t1+t2，则式(12)变为：

(13)

2 辐射投影图像的拖影校正

锥束CT扫描时，射线源和探测器与被测样品需通过相对旋转运动完成覆盖被测样品180°或360°辐射成像，CT扫描控制与图像采集方案有两种：一是静态曝光成像，当被测样品到达既定位置后，相对静止在当前位置触发曝光成像，完成图像采集后再运动到下一位置；二是动态曝光成像，当被测样品到达既定位置后触发曝光成像，继续相对匀速旋转，在运动过程中完成图像曝光与采集。

2.1 静态曝光成像的图像拖影校正

1) 暗像元校正法及其问题

暗像元法是全帧CCD图像拖影校正方法中最简单、有效且广泛应用的方法之一，其原理是利用CCD暗像元区域不感光，曝光时积分电荷为0，所包含信息均为图像转移拖影的特点进行校正。

图2为应用暗像元校正法对小海螺的辐射投影图像的拖影校正实验，图2a为原始读出图像，图2b为图2a中的红色方框区域放大图，可明显观察到图像拖影；图2c为利用暗像元校正法校正拖影后的图像，图2d为图2c中红色方框区域放大图。图2b、d对比可见：应用暗像元校正法可很好校正图像拖影，但校正后图像中出现了新的细条形校正伪影。分析校正伪影产生的原因为：暗像元区域数据行数较少，列像元求均值后数据波动仍旧较大，列像元均值间的数据波动会带来校正伪影；曝光时间内X射线的强辐射干扰，会加剧暗像元区域的数据波动。

2) 非曝光行校正法

为解决暗像元图像拖影校正存在的问题，需从两点入手：避免曝光时间内的辐射干扰；增加校正用的读出数据行数、提高数据稳定性。应用非曝光行替代暗像元校正图像拖影可很好解决以上两个问题，非曝光行是在CCD曝光时并不存在的虚拟行，与暗像元一样具有无曝光积分电荷的特性，可在CCD有效曝光时的一帧数据完整读出前后额外读出获得。由于非曝光行在曝光积分时并不存在，很好地解决了辐射干扰问题；同时，非曝光行可按需求自定义读出行数，读出行数越多，列像元求均值后的数据波动越小、数据稳定性越好。

a——拖影校正前；b——图a的局部放大图；c——拖影校正后；d——图c的局部放大图图2 基于暗像元行数据的图像拖影校正Fig.2 Smear correction based on line pixels data of optical black region

对标准读出模式而言，非曝光行数据包含行转移拖影和等待读出拖影，可直接在曝光积分帧数据读出前后按行读出获得；对电荷擦除读出模式而言，校正用非曝光行数据仅包含行转移拖影，应在快速行转移清空电荷后按行读出获得，在读出数据的过程中，若部分非曝光行仍处于曝光区内，则读出过程中会叠加等待读出拖影而无法用于校正。

为解决电荷擦除读出模式下非曝光行叠加等待读出拖影的问题，本文将辐射屏蔽块放置于CCD电荷读出端，如图3所示，辐射屏蔽块放置在CCD读出端，形成1个辐射屏蔽区，覆盖了CCD曝光区的部分行像元，辐射屏蔽的曝光区数据行数应大于准备应用于图像拖影校正的非曝光行数，以保证数据读出时，校正用非曝光行全部处于辐射屏蔽区内不会叠加等待读出电荷。

图3 基于辐射屏蔽的非曝光行获取 Fig.3 Non-exposed line pixels data acquisition based on radiation shield

2.2 动态曝光成像的图像拖影校正

1) 动态曝光成像CT扫描的拖影校正

在静态曝光成像的图像拖影校正中采用上述校正方法能取得较好的拖影校正效果。然而，由于动态曝光成像CT扫描读出图像时的被测样品位置变动，读出图像的拖影电荷与曝光电荷的关联性发生变化，采用前述图像拖影校正方法难以实现图像拖影校正。图4为采用非曝光行校正法对静态曝光投影图像与动态曝光投影图像进行拖影校正的效果对比。

图4a为静态曝光成像原图，图4e为采用非曝光行校正法校正图4a后的图像，图4c、g分别为图4a、e中对应于R1区域的放大图像；图4b为动态曝光成像原图，图4f为采用非曝光行校正法校正图4b后的图像，图4d、h分别为图4b、f中对应于R1区域的放大图像。图4c、g对比可见：在静态曝光成像时采用非曝光行校正法能很好实现去除投影图像拖影；图4d、h对比可见：在动态曝光成像时采用非曝光行校正法校正后的投影图像拖影变得更复杂。

2) 基于辐射屏蔽的ROI快速读出模式

CT扫描时，被检测样品通常仅有小部分关键区域有检测需求[16-19]，可仅读出投影图像中该关键区域对应的投影数据用于重建。基于此，本文提出基于辐射屏蔽的CCD电荷ROI快速读出模式，缩短了ROI积分电荷的转移时间、抑制图像拖影以适用于动态曝光CT扫描成像。如图5所示，通过屏蔽块遮挡一半的CCD感光区域形成X射线屏蔽区，利用剩余区域采集曝光，曝光结束后，感光区域电荷快速行转移到X射线屏蔽区域后读出。数据读出过程在辐射屏蔽区内进行，无新电荷注入，则ROI区域内第j行读出电荷为：

a——静态曝光成像原图；b——动态曝光成像原图；c——图a中R1区域放大图；d——图b中R1区域放大图；e——拖影校正后的静态曝光图像；f——拖影校正后的动态曝光图像；g——图e中R1区域放大图；h——图f中R1区域放大图图4 基于非曝光行数据的图像拖影校正Fig.4 Smear correction based on non-exposed line pixels data

(14)

其中：j=m+1,m+2,…,m+n；m+1为ROI的读出起始行；n为ROI行数。基于辐射屏蔽的ROI快速读出模式下得到的ROI数据仅包含行转移拖影，采用读出各行数据直接减去非曝光行数据实现拖影校正。

图5 ROI快速读出模式原理Fig.5 Principle of ROI fast readout mode

3 实验测试与结果分析

为验证本文提出的图像拖影校正方法的效果，应用自制CCD探测器与滨松闭管微焦点射线源L10321搭建测试平台进行成像实验。探测器以安森美公司科学级全帧CCD KAF-16803作为图像传感器，采用光纤面板耦合方式制作，探测器像元尺寸为9 μm，有效成像区域36 mm×36 mm，电荷转移速率10 MHz，通过5 mm厚钢板形成屏蔽区域。

3.1 DR成像实验

1) 静态曝光DR成像实验

为验证非曝光校正法应用于静态曝光成像的图像拖影校正的效果，在X射线测试成像系统上进行了静态曝光DR成像实验。射线源管电压为100 kV，探测器积分时间为2 s时，采用标准读出模式获得的螺栓DR图像如图6a所示；射线源管电压为80 kV，探测器积分时间为2 s时，采用电荷擦除读出模式获得双丝像质计的DR图像如图6b所示；图6c、d为应用暗像元校正拖影后的图像；图6e、f为应用非曝光行(读取100行)校正拖影后的图像。从图6c～f可看出：两种校正方法均能有效去除图像拖影。图6g、h分别为图6c、e中对应于R1区域的放大后灰度拉伸图像，图6i、j分别为图6d、f中对应于R2区域的放大后灰度拉伸图。图6g、h对比可见：利用暗像元校正后的图像出现了细条形伪影；图6i、j对比可见：利用非曝光行校正后的图像避免了细条形伪影的产生，很好解决了校正伪影问题。

图6 暗像元校正与非曝光行校正对比Fig.6 Comparison of smear correction by line pixels data of optical black region and non-exposure line pixels data

图7a为对图6a、c、e中红色标线1的对应位置绘制的灰度曲线, 图7b为对图6a、c、e中红色标线2的对应位置绘制的灰度曲线，图7c为对图6b、d、f中红色标线3的对应位置绘制的灰度曲线，图7d为对图6b、d、f中红色标线4的对应位置绘制的灰度曲线。从图7可看出，去除图像拖影后，图像的灰度值大幅下降，图像拖影占用了探测器的较大动态范围。

图7 校正前后灰度曲线对比Fig.7 Comparison of gray curve before and after correction

表1进一步量化对比了图像拖影校正前后R1、R2的灰度、有效探测信号占比及信噪比SNR。由表1可见：采用常规的读出模式获得的图像数据中，有效信号占比不足60%，拖影的存在使读出数据损失了较大的动态范围[20]；采用暗像元校正法校正图像前后，R1、R2区域的信噪比分别提升7.5 dB和10.4 dB，采用非曝光行校正法校正图像前后的R1、R2区域的信噪比分别提升7.8 dB和10.9 dB，进一步证明非曝光行校正法的校正效果优于暗像元校正法。实验结果表明，采用非曝光行校正法可有效校正静态曝光投影图像拖影，提高投影图像质量。

表1 校正前后R1/R2区域灰度值与信噪比Table 1 Gray value and SNR of R1/R2 region before and after correction

2) 动态曝光DR成像实验

为验证ROI快速读出模式对动态曝光成像的适用性，在X射线测试成像系统上进行了动态曝光DR成像实验。

图8为射线源管电压为70 kV，探测器积分时间为2 s，转台以每圈180 s的较高速度旋转时，对BGA芯片焊接电路的DR测试图像。采用标准读出模式读出的图像中选择1 000行感兴趣区域图像，与采用ROI快速读出模式读出该区域获得的图像进行对比。图8a为采用标准读出模式获得的图像，图8b为图8a校正拖影后的图像，图8c为采用ROI快速读出模式获得的图像，图8d为图8c校正拖影后的图像，图8e～h为对图8a～d中R1区域的放大图像。从图8e～f可见：采用标准读出模式获得的DR图像校正前后BGA焊盘与PCB过孔难于分辨。从图8g～h可见：采用ROI快速读出模式获得的DR图像校正前后BGA焊盘与PCB过孔均清晰可见。

由表2进一步量化对比两种读出模式的差异。由表2可见：标准读出模式的曝光数据中拖影占用了近50%的动态范围；而ROI快速读出模式中，通过积分电荷的快速转移直接有效抑制了拖影的产生，有效数据占比达读出数据的98.3%，校正前后拖影对图像的显示影响均较小。

实验结果证明：ROI快速读出模式应用于动态曝光成像，可有效抑制投影图像拖影，提高投影图像有效信号动态范围。

3.2 动态曝光CT扫描实验

a——牙签；b——扫描位置ROI1；c——ROI1重建三维图像图9 牙签的动态曝光CT扫描实验Fig.9 Dynamic exposure CT scanning experiment of toothpicks

为验证ROI快速读出模式应用于CT扫描的效果，在X射线成像系统上进行了动态曝光CT扫描实验，采用标准读出模式与ROI快速读出模式进行对比。如图9a所示，将4根牙签用透明胶绑在一起，对图9b中红色方框区域(1 000行)进行CT扫描，重建三维图像如图9c所示。射线源管电压为100 kV，探测器积分时间为2 s，放大倍数设置为7倍(SDD=210 mm，SOD=30 mm)。

CT扫描断层图像如图10所示，图10a、b为采用标准读出模式采集图像，经图像拖影校正前后的重建CT图像，图10e、f为图10a、b中对应于R1区域的放大图；图10c、d为采用ROI快速读出模式采集图像，经图像拖影校正前后的重建CT图像，图10g、h为图10c、d中对应于R1区域的放大图。从图10e、f可见：标准读出模式获取的投影图像拖影校正前后的重建CT图像R1区域均比较模糊。从图10g、h可见：采用ROI快速读出模式获取的投影图像拖影校正前后的重建CT图像R1区域均更加清晰，红色箭头所指示微米级小孔清晰可见。

实验证明，ROI快速读出模式应用于动态曝光CT扫描可有效提升CT图像质量，解决了CCD探测器应用于动态曝光CT扫描的拖影校正难题。

4 结论

本文对光纤耦合全帧CCD探测器应用于CT扫描的投影图像拖影校正进行了研究，分析了全帧CCD的数据读出原理及常规读出模式的图像拖影组成。针对暗像元校正法应用于辐射投影图像拖影校正时可能带来条形伪影的问题，提出了改进的非曝光行校正法，实验结果证明该方法应用于静态曝光X射线成像，有效避免了校正伪影的产生，提高了校正后图像信噪比。针对动态曝光CT扫描应用时的图像拖影校正难题，提出了基于辐射屏蔽的ROI快速读出模式，实验结果证明应用该模式读取投影图像可有效抑制拖影的产生，提升探测器像元有效数据动态范围，提高重建CT图像质量。

图10 牙签断层CT图像Fig.10 CT image of toothpicks