【正文】 相對于射線強度信息處于微不足道的地位。下面從射線從發(fā)出到被探測的過程出發(fā)，著重講下如何減少噪聲，提高工業(yè)CT系統(tǒng)的密度分辨率。X射線從工件穿過時，由于前述的三種作用，將會衰減。而X射線在穿透密度較大或者是體積較大的工件時，會衰減得更為厲害，當(dāng)衰減達到一定程度時將會較大降低密度分辨率，進而給重建圖像質(zhì)量造成不良影響。而對于同一工件，射線的能量越高，衰減得越少，所以在檢測大型工件時，高能CT系統(tǒng)更能顯示出其優(yōu)勢。X射線進入探測器，在射線初始強度一定的情況下，探測器檢測到的射線強度與探測器的孔徑成正比。由上節(jié)可知，為了提高空間分辨率可以減小探測器孔徑，但必定會使得進入探測器的光子數(shù)減少，進而密度分辨率下降，為了彌補這缺陷就要使得掃描時間延長?，F(xiàn)在工業(yè)CT的掃描時間較長，正是這個原因造成的。此外，探測器接收到的射線強度與探測器到射線源之間距離的平方成反比，基于這條理由，把工業(yè)CT系統(tǒng)做得越緊湊越好。此外，對于原子序數(shù)較大的材料，如前所述，康普頓散射將是對X射線衰減起主要作用。被散射的X射線光子越多，會使得被探測到的“有用光子”相對減少，進而造成系統(tǒng)的信噪比下降，也會造成密度分辨率降低。綜上所述,要使得整個工業(yè)CT系統(tǒng)處于最佳性能狀態(tài),要考慮各方面的因素,而這些因素之間往往是相互牽制的。最后，值得一提的是，影響工業(yè)CT圖像質(zhì)量的兩個指標(biāo)（空間分辨率和密度分辨率）的各種技術(shù)方法中，可以分為兩類：一類是提高圖像質(zhì)量的一方面指標(biāo)，便會導(dǎo)致另一個指標(biāo)的下降；第二類是可以同時導(dǎo)致兩方面指標(biāo)的提高或者降低。而又以第一類技術(shù)方法居多。對于第一類，比如在檢測各部分密度相近的工件時，為了提高密度分辨率，可以增大探測器孔徑，但孔徑的增大會使得進入探測器的“無用光子”增多，從而導(dǎo)致空間分辨率降低，這就是以降低空間分辨率為代價來提高密度分辨率，這種方法對技術(shù)水平要求不高。而對于第二類，比如在交點尺寸不變時，增大射線源的功率，便可以使得射線強度增大，進而使得散射和衰減都減小，圖像更清晰，也就是同時改善了空間分辨率和時間分辨率；又比如機械掃描定位的精度提高，會使得投影數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，再利用這些數(shù)據(jù)無疑會得到圖像質(zhì)量更高的圖像，也就是同時提高了兩個分辨率。而世界上工業(yè)CT的主要研發(fā)國家為了提高CT精度，改善圖像質(zhì)量，使用著不同的方法，現(xiàn)歸納起來如下：（1） 提高機械掃描定位系統(tǒng)的精度（2） 增大X射線的劑量與能量（3） 使用微焦點X射線球管（4） 降低掃描斷層的厚度（5） 增大探測器矩陣（6） 改進圖像重建算法 本章小結(jié)在本章，著重講了工業(yè)CT系統(tǒng)的兩個核心指標(biāo)：空間分辨率和密度分辨率。這兩方面指標(biāo)都是在最終重建得到的圖像體現(xiàn)出來。文中不但給出了兩者的概念，還指出了如何影響兩者的技術(shù)方法及兩者是如何相互牽制的。最后，給出了兩者的措施，其中提高機械掃描定位的精度可以同時改善空間分辨率和密度分辨率，這就成為本文研究的主題，為下文做了鋪墊。第五章 X射線掃描定位新方法 目前掃描定位方法的不足根據(jù)上一章內(nèi)容，要想提高空間分辨率的同時，密度分辨率也得到改善，可以提高機械掃描定位的精度。但如前所述,CT從1972年誕生以來,經(jīng)過了5代的發(fā)展,取得了長足的進步,在工業(yè)和醫(yī)學(xué)眾多領(lǐng)域都發(fā)揮出不可替代的作用,然而,依然存在不少缺點。其中，掃描定位方式便是其中之一。眾所周知，為了重建出斷層圖像，必須獲取兩方面的數(shù)據(jù)：掃描射線經(jīng)過的路徑和射線衰減后的強度。這兩方面的數(shù)據(jù)的重要性是平分秋色的，任一方面的不足都會導(dǎo)致無法重建出高質(zhì)量圖像。射線路徑的數(shù)據(jù)通過掃描過程對射線源及探測器的定位得到，目前常規(guī)CT掃描定位的方法都是測量，常用的測量元件就是光柵尺和旋轉(zhuǎn)編碼器，由于滾珠絲杠、聯(lián)軸器，軸承等執(zhí)行端制造時不可避免地產(chǎn)生間隙和螺距誤差，難以克服滑差加上掃描過程的震動,常常使得測量的路徑數(shù)據(jù)誤差達到無法滿足高精度CT系統(tǒng)的要求。而目前高精度CT為了減少這些誤差，只得走“高成本高質(zhì)量”的路線，成本的增加無疑使得高精度CT的推廣受到了很大的抑制。為了改正這種缺點，將確定位置的方式由測量轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎愕玫揭矡o疑是上策,因為只要得到的原始數(shù)據(jù)足夠的精確，理論上通過計算機可以算出精度非常高的路徑信息，而新的方法正是基于這種想法提出的。 掃描定位新方法介紹 掃描定位示意圖 新方法的原理如下：根據(jù)攝影測量定位原理，對工作臺和射線源—數(shù)字像片（即平板探測器）分別建立坐標(biāo)系，在工作臺上建立的稱之為重建坐標(biāo)系，在射線源—數(shù)字像片上建立的稱之為像片坐標(biāo)系。在工作臺上設(shè)置至少3個標(biāo)志點，并確定其在重建坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，在對工件進行掃描的同時，將已知坐標(biāo)的標(biāo)志點拍攝到像片中，接著確定標(biāo)志點投影點在后者中的坐標(biāo)，利用標(biāo)志點在兩個坐標(biāo)系中的坐標(biāo)確定兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過這個轉(zhuǎn)換關(guān)系就可以確定每條X射線的路徑和射線源的位置。 ，具體實施方案如下：（1）調(diào)整X射線管 調(diào)整射線管，使X射線管中心S垂直光束與X射線數(shù)字像片6垂直，測定兩者之間的距離H（2）建立像片坐標(biāo)系oxy 在像片上建立坐標(biāo)系oxy,原點是X射線管中心S的垂直光束到像片上的像元點（3）建立立體圖像重建坐標(biāo)系在工作臺上安裝一個標(biāo)志架，標(biāo)志架上面設(shè)置至少3個標(biāo)志點（以下以3個為例），同時建立一個重建坐標(biāo)系，測出每個標(biāo)志點的坐標(biāo)（如XA、YA、ZA），存入計算機（4）X射線攝影 操作X射線管，使其與像片一起繞著工件做圓周運動，旋轉(zhuǎn)一定角度就拍一張X射線像片，總共旋轉(zhuǎn)180176。，得到多張X射線像片（5）標(biāo)志點識別與定位 將所有X射線像片信息傳送入計算機，通過計算機對像片上標(biāo)志點的投影進行識別與定位，得到各標(biāo)志點在各張像片oxy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)x、y(6)計算各像片的方位元素Xs、Ys、Zs、φ、ω、κ列出全部共線方程,如對于標(biāo)志點A，方程：x=Ha1XAXs+b1YAYs+c1ZAZsa1XAXs+b1YAYs+c1ZAZsy=Ha2XAXs+b2YAYs+c2ZAZsa1XAXs+b1YAYs+c1ZAZs兩坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣為：a1a2a3b1b2b3c1c2c3=cosφ0sinφ010sinφ0cosφ1000cosωsinω0sinωcosωcosκsinκ0sinκcosκ0001把矩陣相乘,得: a1=cosφcosκsinφsinωsinκ a2=cosφsinκsinφsinωcosκ a3=sinφcosω b1=cosωsinκ b2=cosωcosκ b3=sinω c1=sinφcosκ+cosφsinωsinκ c2=sinφsinκ+cosφsinωcosκ c3=cosφcosω 聯(lián)立3個標(biāo)志點的光束共線方程，六個未知數(shù)（Xs、Ys、Zs、α、ω、κ)，六個方程，便可解出六個方位元素（7）計算像元G的坐標(biāo)根據(jù)以上步驟，計算每個像元的坐標(biāo)：對于像元G0：XG0YG0ZG0=a1a2a3b1b2b3c1c2c300H+XsYsZsXG0=Xs+HsinφcosκYG0=Ys+HsinωZG0=Zs+(Hcosφcosω)其它像元Gij的坐標(biāo)求解類似以上過程，得到像元Gij在重建坐標(biāo)系OXYZ中的坐標(biāo)Gij（Xij、Yij 、Zij)通過以上步驟，便可以得到X射線源的位置和每個像素的坐標(biāo)。這個過程是通過計算的方法得到的，與傳統(tǒng)的通過測量不同，這有著本質(zhì)的不同，是其最大的特點所在，也是其最大的優(yōu)勢。 掃描定位新方法的優(yōu)點 該方法確定X射線的路徑和X射線源的位置，是通過計算機計算得到，理論上，只要得到的投影數(shù)據(jù)（也就是前述的X射線衰減后的強度）足夠準(zhǔn)確，便可利用所得數(shù)據(jù)非常精確地確定路徑和位置信息。隨著CT的越來越普及，同時對CT精度要求越來越高，這方法在降低CT成本，提高精度方面有著很大的優(yōu)勢。同時，該方法還具有X射線劑量小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低等優(yōu)點。 本章小結(jié)本章是承接上一章對提高CT圖像質(zhì)量內(nèi)容的拓展和延伸，也是本文的重點。首先針對路徑信息不準(zhǔn)造成圖像質(zhì)量低的問題，對目前掃描定位方式的不足做了詳細的分析，重點提出了一種新的掃描定位的方法，以計算代替測量，并給出了具體的實施步驟。最后分析了新的方法帶來的優(yōu)點。這為后文建立模型和驗算做了鋪墊。第六章 基于Pro/Pro/Engineer軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)旗下的集CAD/CAM/CAE于一體的功能強大的三維軟件，簡稱Pro/E。Pro/E素以參數(shù)化著稱，它是第一個提出參數(shù)化設(shè)計的概念，并采用單一數(shù)據(jù)庫解決特征的相關(guān)性問題的軟件，在當(dāng)前的三維建模軟件行業(yè)占有十分重要的地位。Pro/E采用模塊化方式，可以方便用戶根據(jù)需要選擇所要安裝的模塊。作為現(xiàn)今世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，Pro/E獲得了業(yè)界的廣泛認可和推廣，是當(dāng)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一。 關(guān)于建模的介紹上述的掃描定位方法是否可行，無疑要經(jīng)過驗證。下面就利用Pro/。該模型由幾部分組成：射線源，標(biāo)志點，工作臺，標(biāo)志架，像片（探測器），工件以及重建坐標(biāo)系和像片坐標(biāo)系。先建立有某種轉(zhuǎn)換關(guān)系的兩個矩陣（這便預(yù)定了三個角元素φ、ω、κ的值），再由具有預(yù)定位置（即三個直線元素XS、YS、ZS）的射線源發(fā)出射線，穿過已知坐標(biāo)的標(biāo)志點，在像片上得到投影點，進而得到投影點的坐標(biāo)，根據(jù)三個投影點在像片坐標(biāo)系的坐標(biāo)以及兩個坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算出像片的六個外方位元素（XS、YS、ZS、φ、ω、κ），將其與預(yù)定的比較，察看兩者的吻合度，這樣就驗證了新方法是否可行。本章建立了兩個模型，對于第一88個模型，直線元素是XS=0，YS=300，ZS=100，角元素是φ=0，ω=0，κ=0，；對于第二個模型，直線元素是XS=212，YS=212，ZS=100,角元素是φ=1176。，ω=176。，κ=176。，這里給出最終建立的兩個模型，但為了避免冗雜，只給出較復(fù)雜的第二個模型的建模過程。 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的建立建立具有一定轉(zhuǎn)換關(guān)系的重建坐標(biāo)系是這次建模的關(guān)鍵之一，這使得重建坐標(biāo)系與像片坐標(biāo)系成一定的角度，模仿實際CT掃描過程因為震動帶來坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)。建立重建坐標(biāo)系：選擇【基準(zhǔn)坐標(biāo)系工具】，以默認的PRT_CSYS_DEF坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，XYZ軸的偏移量全部設(shè)置為0，方向設(shè)置為X軸垂直FRONT面向外，Y軸垂直RIGHT面向右，建立符合右手螺旋規(guī)則的笛卡爾坐標(biāo)系，為了防止眾多坐標(biāo)系的混淆，將其重命名為“重建坐標(biāo)系”。選擇【基準(zhǔn)平面】，點擊原始坐標(biāo)系，設(shè)置沿X軸偏移量為0，點擊【確定】，便建立了基于原始坐標(biāo)系的YZ平面。同理，可以建立基于原始坐標(biāo)系的XZ平面和XY平面。建立Y軸：選擇【基準(zhǔn)軸】，按住ctrl鍵，將參照選為XY平面與YZ平面，便建立出了第一次旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸A1，即Y軸。繞Y軸旋轉(zhuǎn)：選擇【基準(zhǔn)平面】，按住ctrl鍵，將放置設(shè)置為Y1軸和XY平面，為了便于觀測，將觀測方向調(diào)整為RIGHT，176。（即φ的值），點擊【確定】，便得到了將XY平面繞著A1軸逆時針旋轉(zhuǎn)1176。的XY39。面。同理，可得到將YZ平面繞著Y1軸旋轉(zhuǎn)1176。的YZ39。面。而對應(yīng)的XZ39。面則與XZ面一致。建立Xφ軸：選擇【基準(zhǔn)軸】，按住ctrl鍵，將參照選為XY39。平面與XZ39。平面，便建立出了第二次旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸A2，即Xφ軸。繞Xφ軸旋