基于最小区域的锥束ART算法快速图像重建

针对锥束ART算法重建速度慢的问题,考虑到工业CT重建目标尺寸差异较大的特点,提出了一种基于最小重建区域的快速三维图像重建方法。由不同视角下的锥束投影构建最小区域包络,对最小区域包络进行膨胀处理,以消除重建目标边界附近所出现的伪影,在此基础上,给出了射线穿过最小重建区域的体素索引及权因子的计算。该方法能够根据重建目标的尺寸自适应地确定最小重建区域,从而最大限度地减少了计算量。实验结果表明,该方法不仅大幅度提高了锥束ART算法的重建速度,而且有效地提高了重建质量。     

含中心遮拦剪切干涉图的波前重建新方法

在利用剪切干涉测量共轴折返式光学系统波像差时,会得到含中心遮拦的环形剪切干涉图。但是,目前的剪切干涉波前重建方法大多适用于圆形或矩形区域。提出了一种适用于含中心遮拦环形剪切干涉图的波前重建方法。该方法是一种基于Zernike环多项式的模式法。仿真和分析了不同剪切比、单项像差、噪声对重建精度的影响,结果表明:该算法具有较高的重建精度,剪切比小于6%时,相对重建误差小于10%;对像散的重建精度较高,对球差和慧差的重建精度相对较低;具有较好的抗噪性。该方法已应用于实验室开发的交叉光栅横向剪切干涉仪的干涉图像波前重建中。     

代数重建技术中投影序列选择次序的研究

在代数重建技术中投影序列的选择次序对重建收敛速度及精度均具有重要影响。针对在360°方向上均匀获取投影数据的场合,提出加权距离正交投影排序方法。该方法将投影序列分成若干组,在每一组内前后选择的投影序列彼此正交,同时相邻组之间投影序列尽可能均匀分布。该方法能提高重建精度及收敛速度,同时利用前后正交投影角度下射线经过像素信息关系,可将重建速度提高1倍。     

光偏折层析的Tikhonov正则化重建技术

从不适定问题的求解思想出发,建立了使用Tikhonov正则化方法计算流场参量分布的光偏折层析重建技术。理论上详细讨论了偏折信息的转化、投影方程组的正则化、以及由共轭梯度法实现求解等三个主要步骤。用数值模拟考察该方法对非对称温度分布的重建效果,分别计算了对应不同采样数的欠定与超定投影方程组。结果表明,10次迭代后重建分布的平均误差和峰值误差分别为2.1%和5.2%。使用正则化方法对采集的多方向叠栅偏折投影进行计算,重建出双峰温度场。结果表明,使用正则化方法的双峰值相对误差略高,迭代次数减少,可提高重建效率。     

基于Hilbert变换实现数字全息高精度相位重建

为了提高数字全息相位重建精度,研究了基于Hilbert变换重建相位的理论和方法,并通过像面数字全息实验对该方法的有效性进行了验证,同时与数字全息常规重建方法得到的结果进行了比较.结果表明:Hilbert变换本身具有消除直流项的作用,对利用频域滤波滤除零级谱后的全息图进行Hilbert变换,能够彻底消除零级衍射项的干扰,从而提高相位重建精度.与常规重建结果相比,基于Hilbert变换的相位重建结果的标准偏差降低了14.0%.本文结果对提高数字全息相位重建精度具有重要的指导意义.     

基于阻尼LSQR-LMBC的火焰三维温度场重建

光场相机可以解决辐射测温多相机系统光路复杂、同步触发难等问题,在辐射成像三维温度重建时有其独特优势. LSQR是求解基于大型稀疏矩阵最小二乘问题的经典算法,该算法用于重建三维温度场时对温度初值依赖较大,在信噪比较低的情况下重建精度不理想.本文提出阻尼LSQR-LMBC重建算法,通过在LSQR方法中添加阻尼正则化项,提高火焰三维温度场重建的抗噪性能,并结合LMBC算法,实现吸收系数和三维温度场同时求解.在数值模拟部分,随着信噪比逐渐降低,阻尼LSQR的重建效果比LSQR更加稳定,在信噪比达到13.86 d B时,重建精度大约提高30%.阻尼LSQR-LMBC的平均重建误差为6.63%.用丁烷火焰进行了实验,重建的丁烷火焰三维温度场分布符合辐射火焰燃烧的特征,和热电偶的测温数据结果进行对比,相对误差在6.8%左右.     

基于贝叶斯准则的闪光照相图像重建

 针对闪光照相图像低信噪比的特点,研究了一种带约束的贝叶斯图像重建算法,较好地抑制了噪声对重建结果的影响,同时对细节信号具有较高的保持能力。该算法以贝叶斯重建为基础,在重建过程中考虑了闪光照相图像的受模糊影响比较严重的特点,引入了重建结果具有平滑性的先验信息进行约束,以提高重建结果的信噪比。通过在迭代过程中对重建结果进行平滑性约束以提高重建质量。数值模拟结果表明,该方法在闪光照相图像重建中具有较好的抗噪能力和边界保持能力。     

一种用于中子散射成像的快速反投影重建方法

针对中子散射成像建立了一种快速反投影重建方法,这种方法首先根据每一个散射事件确定粒子可能所在的空间范围,然后该空间范围中进行重建,大大减少了重建的运行时间。应用所建立的方法对模拟的成像数据进行处理,结果表明:重建源与实际源的位向一致,对1000个散射数据进行处理,用时约3 s;对5探测单元成像得到的模拟数据处理,得到重建后点源的位向分辨为8.0°;重建源的位向分辨不随设定重建平面的位置而改变,但重建平面距探测平面越近,重建速度越快;当重建平面达到一定尺寸时,继续增加大重建平面尺寸,重建的运行时间增加不明显,该方法在大视场空间探测成像应用中,具有较高的重建效率。     

迭代重加权时域平面波叠加法的非稳态声场重建

提出了迭代重加权时域平面波叠加法,并应用于非稳态声场重建。该方法首先通过时域离散卷积得到全息面时域声压与虚源面时域波数谱离散状态公式;然后根据稀疏表示和迭代重加权,得到残差范数与加权解范数最小化问题表达式;最后将每一对波数下虚源面时域波数谱与时域传播核卷积叠加得到重建面上的时域声压。为了验证该方法的有效性,给出了激励板声源的仿真验证,并在半消声室内进行了实验验证。讨论了一些参数对该方法的影响,并通过与基于Tikhonov正则化的时域平面波叠加法比较,突出该方法的重建优势。仿真和实验结果表明,该方法对非稳态声场重建具有很好的效果,并且重建精度高。     

基于压缩传感和代数重建法的CT图像重建

代数重建法(ART)是一种重要的CT图像重建方法,适合于不完全投影数据的图像重建,其缺点是重建速度慢。为提高图像重建的质量和速度,利用压缩传感理论提出了一种基于ART的高质量图像重建算法。该算法将CT图像的梯度稀疏性结合到ART图像重建中,在每次迭代中的投影操作结束后用梯度下降法调整全变差,减小图像梯度的l1范数。实验结果验证了该算法的有效性。     

Channel-combination method for phase-based |B1+| mapping techniques

PurposeThe aim of this study was to propose a channel combination method for |B₁⁺| mapping methods using phase difference to reconstruct |B₁⁺| map.Theory and methodsPhase-based |B₁⁺| mapping methods commonly consider the phase difference of two scans to measure |B₁⁺|. Multiple receiver coils acquire a number of images and the phase difference at each channel is theoretically the same in the absence of noise. Affected by noise, phase difference is approximately governed by Gaussian distribution. Considering data from all channels as samples, estimation can be achieved by maximum likelihood method. With this method, all phase differences at each channel are combined into one. In this study, the proposed method is applied with Bloch-Siegert shift |B₁⁺| mapping method. Simulations are performed to illustrate the phase difference distribution and demonstrate the feasibility and facility of the proposed method. Phantom and vivo experiments are carried out at 1.5 T scanner equipped with 8-channel receiver coil. In all experiments, the proposed method is compared with weighted averaging (WA) method.ResultsSimulations revealed appropriateness of approximating the distribution of phase difference to Gaussian distribution. Compared with WA method, the proposed method reduces errors of |B₁⁺| calculation. Phantom and vivo experiments provide further validation.ConclusionConsidering phase noise distribution, the proposed method achieves channel combination by finding the estimation from data acquired by multiple receivers coil. The proposed method reduces |B₁⁺| reconstruction errors caused by noise.     

Numerical simulations to improve the performance of tunable diode laser absorption tomography in a harsh combustion environment

The impact of measurement noise and tomographic methods on reconstruction quality are investigated via simulation studies under a hypothesis harsh flow field environment. Computer tomographic methods based on direct absorption spectroscopy and wavelength modulation spectroscopy are conducted under different measurement noise levels to assess the noise effect quantitatively. It turns out that the wavelength modulation spectroscopy-based tomographic method shows efficient immunity to measurement noise. However, the direct absorption spectroscopy-based tomographic method is found to be susceptible to the measurement noise, which makes the reconstruction quality decline with the increasing noise level. In addition, two kinds of tomographic methods including linear and nonlinear method are investigated under a complex multimodal temperature distribution environment with limited projection data. The reconstructed distribution for the nonlinear tomographic method reveals great fidelity to the original value with a maximum deviation of 51.9?K, while the reconstructed distribution for the linear tomographic method under parallel beam arrangement shows an obvious distortion.     

菲涅耳波带板扫描全息术透过高散射介质成像

将菲涅耳波带板扫描全息术用于高散射介质成像技术中。对于编码函数非负给物体的再现像带来的背景噪音．提出采用构造复合全息图的方法来消除。在实验中运用该方法得到了信噪比和衬比度较好的物体的再现像。计算并测试了系统的点扩展函数,实验结果与理论计算结果相吻合．其结果都接近于二维的δ函数。用菲涅耳波带板扫描全息成像系统进行了成像实验．得到了嵌埋在浓度为1％、深度为1．7cm的脂肪乳剂中的吸收体清晰的再现像,吸收体为直径0．4mm的金属丝和内径为6．0mm的金属环,另外．也得到了直径为2．5mm的黑塑料球的再现像。     

A statistical method for characterizing the noise in nonlinearly reconstructed images from undersampled MR data: The POCS example

The projection-onto-convex-sets (POCS) algorithm is a powerful tool for reconstructing high-resolution images from undersampled k-space data. It is a nonlinear iterative method that attempts to estimate values for missing data. The convergence of the algorithm and its other deterministic properties are well established, but relatively little is known about how noise in the source data influences noise in the final reconstructed image. In this paper, we present an experimental treatment of the statistical properties in POCS and investigate 12 stochastic models for its noise distribution beside its nonlinear point spread functions. Statistical results show that as the ratio of the missing k-space data increases, the noise distribution in POCS images is no longer Rayleigh as with conventional linear Fourier reconstruction. Instead, the probability density function for the noise is well approximated by a lognormal distribution. For small missing data ratios, however, the noise remains Rayleigh distributed. Preliminary results show that in the presence of noise, POCS images are often dominated by POCS-enhanced noise rather than POCS-induced artifacts. Implicit in this work is the presentation of a general statistical method that can be used to assess the noise properties in other nonlinear reconstruction algorithms.     

Reconstruction in image space using basis functions for partially parallel imaging

General theory of a new reconstruction technique for partially parallel imaging (PPI) is presented in this study. Reconstruction in Image space using Basis functions (RIB) is based on the general principle that the PPI reconstruction in image space can be represented by a pixel-wise weighted summation of the aliased images directly from undersampled data. By assuming that these weighting coefficients for unaliasing can be approximated from the linear combination of a few predefined basis functions, RIB is capable of reconstructing the image within an arbitrary region. This paper discusses the general theory of RIB and its relationship to the classical reconstruction method, GRAPPA. The presented experiments demonstrate RIB with several MRI applications. It is shown that the performance of RIB is comparable to that of GRAPPA. In some cases, RIB shows advantages of increasing reconstruction efficiency, suppressing artifacts and alleviating the nonuniformity of noise distribution. It is anticipated that RIB would be especially useful for cardiac and prostate imaging, where the field of view during data acquisition is required to be much larger than the region of interest.     

结合透射CT的康普顿背散射图像重建

在康普顿散射成像(CST)技术中可以结合透射成像重建出衰减系数来消除散射重建的非线性,但这样得到的投影矩阵带有误差。而CST重建问题的不适定性对噪声和投影矩阵的误差非常敏感,重建结果会有较大误差。针对此问题,基于压缩感知理论提出了一种新的CST重建算法。新方法将图像重建问题归结为一个图像的全变分(TV)最小化问题,并使用收敛速度较快的基于交替方向法的Split-Bregman方法进行求解。在仿真实验中,通过与代数重建技术(ART)进行比较,在测量数据充足和测量数据不足两种情况下,本文算法都具有更好的重建质量,证明了所提算法在重建精度和抗噪性能方面的优势。     

基于菲涅耳波带板扫描全息术的光学层析成像

基于光学扫描全息术原理和编码孔径层析成像技术,提出了一种三维物体层析成像技术——菲涅耳波带板扫描全息术。该技术通过将物体的光强分布函数与菲涅耳波带板的光强分布函数进行卷积运算来得到物体的扫描全息图,通过相关解卷积的方法来进行扫描全息图的数字重建。依据该技术原理设计了实验系统,系统结构简单紧凑,具有三维物体层析成像功能。提出用数字高通滤波器来减少重建图像的背景噪声。计算机仿真及对实物的扫描记录和重建实验结果表明,该技术原理正确,用于三维物体层析成像是可行的,用数字高通滤波的方法提高重建图像的对比度是有效的。     

基于贝叶斯分层模型的MCMC方法在闪光图像重建中的应用

针对闪光图像得到的光程数据,采用贝叶斯分层模型建立了后验概率模型,运用Gibbs抽样动态构造马尔可夫链;进而获得了关于线吸收系数的统计结果及其不确定度,并与约束共轭梯度(CCG)方法进行对比分析。数值实验结果表明,马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)方法对理想光程图像的重建结果与真值近似完全一致;在含模糊和噪声时,重建结果与CCG方法相当;当含模糊且噪声干扰较大时,MCMC方法的重建结果要略优于CCG;更重要的是MCMC方法能够给出重建结果的不确定度。     

数字全息周期像的产生机理及在抑制零级衍射上的应用

在数字全息成像中, 利用CCD的RGB模式采样全息图时, 全息重构像会出现特定的周期性分布. 本文从理论和实验上详细研究了这种周期像产生的机理、分布特性和应用. 研究结果显示, 由于CCD的光谱滤镜会使全息图的RGB三个单色采样阵列出现部分像素信号的缺失, 因此, 需要通过特定的demosaicing数学算法对缺失的像素信号进行重建以形成完整的单色采样阵列, 这是数字全息再现像周期分布产生的根源. 而基于demosaicing算法的采样阵列重建会在全息图频谱中引入调制函数, 导致物体再现像和零级衍射斑的周期分布差异. 本文揭示了全息图的RGB采样、demosaicing算法与全息重构像周期性之间的内在关联. 最后, 讨论了结合空间移位和图像形态学技术, 利用重构像的周期性抑制零级衍射斑的应用. 所有理论与实验研究结果完全一致. 关键词： 数字全息 图像周期性 零级斑抑制     

一种少投影光学层析新算法及其应用

研究少投影数情况下等离子体温度场重建问题。结合光学层析重建算法及等离子体光谱诊断中的谱线绝对强度法进行自由电弧等离子体温度场重建实验。理论上，详细讨论了一种基于最大熵准则及最优化原理的光学层析图像重建新算法。通过计算机数值模拟，考察了该算法对非对称温度场分布的重建效果。详细分析了投影噪声、投影方向数、场分布性质对重建精度的影响，并与代数迭代重建算法结果进行对比．结果表明，该算法以两个正交方向投影数据重建单峰余弦模拟场平均误差仅为0.3％，而代数迭代重建算法为3．81％；该算法以四个均匀角度间隔投影数据重建三峰随机高斯模拟场平均误差为1．77％，而代数迭代重建算法为2．02％。实验中，运用该算法结合谱线绝对强度法重建了自由电弧等离子体的温度分布。