專利名稱：X射線立體圖像觀察系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明屬X射線影像學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像圖形處理技術(shù)領(lǐng)域。
2.
背景技術(shù)：
X線攝影學(xué)(袁聿德主編)，光學(xué)信息論(陶純堪等作)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)(張祖勛等作)，智能化光電系統(tǒng)(王永仲等編)，有關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)，有關(guān)計(jì)算機(jī)圖像圖形處理技術(shù)。
3.發(fā)明目的利用人的生理視差立體視覺，將X射線二維平面圖像觀察實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察物體或人體內(nèi)部X射線立體圖像圖形，測(cè)量計(jì)算X射線圖像三維空間坐標(biāo)及圖像圖形處理。4.
發(fā)明內(nèi)容
X射線立體圖像觀察系統(tǒng)由兩個(gè)相隔一段距離安置的X射線發(fā)生器、一臺(tái)X光影像電子增強(qiáng)器、一塊X射線發(fā)生時(shí)間控制電路、一臺(tái)電視攝像器、一個(gè)調(diào)制控制器、一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一套X射線立體圖像觀察系統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序軟件，軟件包括X射線圖像放影程序、測(cè)量計(jì)算程序、圖像拼接程序、三維圖形地形圖繪圖程序，顯示器、偏振光立體圖像觀察眼鏡控制器、偏振光眼鏡組成，如
圖1，和計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)計(jì)算方法。
基礎(chǔ)知識(shí)一、人的立體觀察視覺人類在自然生活中，雙眼能分辨大自然中物體有遠(yuǎn)有近，大小形狀等，這種感覺就是人的立體觀察視覺，也就是三維空間立體感覺。當(dāng)用攝影機(jī)拍攝到自然中物體的像片后，再觀看這像片時(shí)沒有立體空間感覺，原因是像片是二維平面圖像。在研究中發(fā)現(xiàn)，觀察兩張?jiān)诓煌恢脤?duì)同一物體所拍攝的重疊像片可看到物體的三維空間立體圖像感覺。人們發(fā)明了立體電影，立體電影是在兩個(gè)不同位置對(duì)同一物體拍攝的一對(duì)重疊膠片，是一張張的二維平面圖像，當(dāng)同時(shí)放影這對(duì)膠片時(shí)借助分光鏡觀看就能看到立體電影，看到的是有立體感的三維立體圖像，原理是當(dāng)我們用左眼和右眼分別同時(shí)觀看兩張不同位置拍攝的同一物體的二維平面像片時(shí)，大腦將兩眼分別看到的兩張二維平面圖像迭合在一起，就會(huì)在大腦中產(chǎn)生三維立體空間圖像感覺，這種現(xiàn)象是大腦的本能生理現(xiàn)象，然而至今仍不能確切的解釋大腦是如何把兩張二維平面圖像變成三維空間立體圖像感覺的。
用二維平面圖像觀看三維空間立體圖像可使用立體鏡、紅綠分色鏡、偏振光鏡等。
二、立體觀察原理雙限觀察外界物體時(shí)，能分辨出物體的遠(yuǎn)近，大小形狀，是由于同一物體在兩眼球分別構(gòu)像不一致所產(chǎn)生的。如圖2，圖中O1、O2為人的兩眼球焦點(diǎn)，O1、O2兩眼球焦點(diǎn)的距離稱眼基線M，當(dāng)物體A在兩眼中的構(gòu)像與視網(wǎng)膜垂直時(shí)，Aa1，Aa2稱主視線，主視線Aa1、Aa2與眼基線O1O2所構(gòu)的平面為主視面。當(dāng)人注視看主視線上A點(diǎn)時(shí)，其它物體B點(diǎn)C點(diǎn)也在視網(wǎng)膜上構(gòu)像，其構(gòu)像分別為b1、c1和b2、c2，從圖2中可看出，觀看自然中遠(yuǎn)近距離不同的物體時(shí)，在兩眼視網(wǎng)膜上的構(gòu)像距離是不同的(視網(wǎng)膜用弧度表示)，這種在兩眼中相對(duì)于眼球焦點(diǎn)構(gòu)像距離產(chǎn)生的差距，叫人的生理視差，生理視差構(gòu)成了使人能分辨物體遠(yuǎn)近大小形狀的立體空間感覺效果。
在物體與兩眼球之間加上二個(gè)承影像片P1、P2時(shí)，如圖3，物體A，B、C在像片P1、P2上的像點(diǎn)分別為a1′、b1′、c1′和a2′、b2′、c2′，當(dāng)不直接觀看物體，而改變?nèi)ビ^看承影像片P1、P2時(shí)，從圖3可看出，兩眼視網(wǎng)膜上的成像并未改變直接觀察物體時(shí)的幾何關(guān)系，視覺光線并沒有被改變，視差關(guān)系也沒有改變，只是形狀被縮小了K倍。從上可得出，對(duì)物體相距一段距離拍攝二張?jiān)撐矬w的像片后，用兩眼同時(shí)觀看分別的二張像片，同樣能觀看到物體的遠(yuǎn)近大小形狀效果，也就是說用兩張對(duì)物體在不同位置重疊攝影的二維平面像片能看到三維的立體圖像，這二張像片稱為“立體像對(duì)”像片。
X射線透射成像原理X射線的發(fā)光源X射線球管近似中心投影的點(diǎn)光源，當(dāng)X線透射物體后，物體因內(nèi)部的密度不同，在X射線成像面P上產(chǎn)生不同深淺的黑白灰度顯示物體的內(nèi)部形狀圖像，成像原理如圖4，F(xiàn)為X射線發(fā)生器球管光源，P是X射線成影面，H是光源F到成影面P的距離，o是F中心光線垂直投影到成影面P的交點(diǎn)，稱主點(diǎn)。在P面上的成像是物體A的X射線中心投影的二維平面圖像。
當(dāng)在承形面P上加一個(gè)透鏡S，如圖5就能得到需要大小尺寸的X線圖像像片P′，P′＝KP，K為倍數(shù)。P′S為像距f，SP為物距H。
X射線立體像對(duì)原理為了觀察到X線立體圖像，必須得到能建立物體立體圖像的兩張“像對(duì)”像片或用電子掃描記錄下兩張像對(duì)數(shù)字信息之后，借助立體觀察鏡或計(jì)算機(jī)數(shù)字化立體觀察技術(shù)才能看到X射線三維立體圖像。如圖6，設(shè)有兩個(gè)X射線發(fā)生器球管F1、F2光源，并相隔一段距離M，F(xiàn)1、F2垂直投射在P1、P2上的交點(diǎn)o1、o2為主點(diǎn)，是像片P1、P2上的坐標(biāo)原點(diǎn)。當(dāng)X射線透射物體后，物體A、B在兩承影面P1、P2上分別的成像為a1、b1和a2、b2，物體A，B在P1，P2上的投影點(diǎn)a1與a2，b1與b2的距離之差為投影差，相似于人的生理視差
Δa＝a1-a2； Δb＝b1-b2；既 Δxi＝x1-xi+1；當(dāng)獲得立體像對(duì)P1、P2像片后，根據(jù)立體觀察原理，兩眼同時(shí)分別觀看P1、P2兩像片上的像點(diǎn)a1、b1和a2、b2將會(huì)看到物體A、B的立體三維圖像。用透鏡的方法如圖5，同樣可得到立體像對(duì)P1′、P2′像片。如圖6，物體A、B在P1′、P2′上的成像為a1′、b1′和a2′、b2′，從圖中看出在P1′、P2′像片上并未改變X射線透射成像光線的幾何條件，當(dāng)用立體鏡觀察P1′、P2′像片時(shí)，同樣能看到物體A、B的立體空間三維圖像，但立體空間三維圖像被縮小了K倍。
計(jì)算機(jī)X射線數(shù)字立體圖像觀察與X射線斷面掃描計(jì)算機(jī)重建立體圖形有很大差別，前者是利用人的立體視覺，借助立體鏡進(jìn)行觀察，如同觀察到自然立體現(xiàn)象，后者是由線條和陰影虛擬構(gòu)成的立體圖形視覺。
X射線立體圖像基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型分別在X射線成影像片P1、P2建立像片平面坐標(biāo)系，如圖7，o1-x1y1和o2-x2y2，F(xiàn)1、F2為X射線光源球管，F(xiàn)1，F(xiàn)2稱焦點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)o1、o2為F1F2垂直輻射在P1、P2成影面上的交點(diǎn)，稱主點(diǎn)。
當(dāng)?shù)玫絏射線立體觀察像對(duì)P1、P2像片后，建立物體與X射線成影圖像點(diǎn)之間的三維坐標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。如圖8，H為X射線光源焦點(diǎn)F1、F2至成影像片P1、P2的設(shè)定常數(shù)距離，M為兩焦點(diǎn)F1、F2之間設(shè)定的常數(shù)距離。設(shè)物體空間坐標(biāo)系X、Y軸與成影像片P1的像片平面坐標(biāo)x1、y1軸平行，Z軸垂直于像片P1坐標(biāo)原點(diǎn)o1，空間坐標(biāo)系原點(diǎn)O與像片P1平面坐標(biāo)系原點(diǎn)o1的垂直距離為ΔH。
建立起影像點(diǎn)平面坐標(biāo)系o-xy與物體點(diǎn)空間坐標(biāo)系O-XYZ之間的關(guān)系，空間物體A在P1、P2成影面上的影像點(diǎn)分別為a1、a2，其像片平面坐標(biāo)在P1片上為x1、y1，在P2片上為x2、y2。
依據(jù)立體觀察原理，X坐標(biāo)軸平行于眼基線，空間物體點(diǎn)A投影在兩像片P1、P2的像點(diǎn)a1與a2平面x坐標(biāo)之差為Δx＝x1-x2，Δx稱投影視差，是立體視覺的來(lái)源。
在圖8中作輔助線后可得出，當(dāng)已設(shè)定焦點(diǎn)F1、F2和基線M，焦點(diǎn)F1、F2到成影面P1、P2的設(shè)定距離為H時(shí)∵ΔF1o1a1′∽ΔF1OA′；ΔF1a1a1′∽ΔF1AA′；Xx1=ZH;]]>Yy1=ZH;]]>∴X=ZHx1;]]> 又∵ΔF2a2′o2∽ΔF2A′A″；
則A′A′′x2=ZH;]]>A′A=ZHx2;]]>∵A′A″＝M-X；故M-X=ZHx2;]]>(因x2本身帶正負(fù)號(hào)，圖8中x2為負(fù)) 將(1-1)式中X代入(1-2)式M=ZH(x1-x2);]]>得Z=MH(x1-x2);]]>∵Δx＝x1-x2； (1-3)式∴ 從(1-4)式得出物體的空間高度變化ΔH與立體像對(duì)中視差Δx有關(guān)，證明像點(diǎn)的視差Δx是立體視覺的來(lái)源。
聯(lián)立(1-1)式和(1-4)式得 (1-5)式是空間物體與X射線像對(duì)影像點(diǎn)之間三維空間坐標(biāo)關(guān)系計(jì)算的聯(lián)立方程式，是建立X射線立體圖像觀察的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)關(guān)系式。當(dāng)量測(cè)并計(jì)錄到空間物體X射線像對(duì)P1、P2像片上的相同像點(diǎn)影像平面坐標(biāo)x1、y1、x2后，用(1-5)式可計(jì)算得到物體的三維空間坐標(biāo)值。
空間物體絕對(duì)高度變化為ΔH；ΔHi＝H-Zi(1-6)式空間物體點(diǎn)與點(diǎn)相對(duì)高差為ΔZ；
ΔZi＝Z0-Zi(1-7)式空間物體點(diǎn)與點(diǎn)相對(duì)視差為ωx；ωxi＝Δx0-Δxi(1-8)式由無(wú)數(shù)個(gè)三維空間坐標(biāo)值將組成有位置、有大小形狀的物體空間數(shù)字視覺立體圖像模型，實(shí)現(xiàn)這個(gè)三維空間立體圖像觀察系統(tǒng)為計(jì)算機(jī)X射線數(shù)字立體圖像觀察系統(tǒng)。
X射線圖像的獲得和立體圖像觀察要得到滿足立體圖像觀察原理的X射線立體像對(duì)的二張像片，須有兩個(gè)X射線光源F1、F2，或設(shè)兩個(gè)F位置，并相隔一段距離M，才能獲得立體像對(duì)。X射線圖像的獲得和立體圖像觀察有兩種技術(shù)途經(jīng)，一是光電一體化系統(tǒng)，二是機(jī)電一體化系統(tǒng)。
一.光電一體化系統(tǒng)記錄X射線平面圖像用電視攝像系統(tǒng)，如圖1，圖1中X射線發(fā)生器球管已設(shè)定了兩個(gè)F1和F2，在F1與F2之間有設(shè)定的距離M，F(xiàn)1、F2與X射線影像電子增強(qiáng)器P1(P2)之間有設(shè)定的距離H，但X射線影像電子增強(qiáng)器只有一個(gè)，只要將F1、F2在照射時(shí)間上有一個(gè)輪換間歇開閉間隔，一個(gè)先透射，一個(gè)后透射，這樣就不斷地在X射線影像電子增強(qiáng)器上由電子掃描記錄到物體X射線的平面像片，這些像片被分成奇偶數(shù)像片，由電視攝像器攝取后，經(jīng)調(diào)制器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳給計(jì)算機(jī)，這些像片數(shù)字信號(hào)由計(jì)算機(jī)立體圖像放影軟件處理后，在電視顯示屏上閃爍顯示奇偶像片，利用人大腦觀察影像遲后消失性，使用偏振光眼鏡，就能觀察到X射線立體圖像。在立體觀察中可量測(cè)計(jì)算得到物體三維空間坐標(biāo)，用計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)軟件，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)跟蹤觀察、跟蹤測(cè)量計(jì)算、自動(dòng)重建物體的三維立體圖形、繪制物體內(nèi)部地形圖、顯示物體的任意方向三維立體圖像和圖形、可進(jìn)行多圖形多圖像拼接、圖像圖形增強(qiáng)處理、并可用激光打印機(jī)輸出圖像或圖形。
二.機(jī)電一體化系統(tǒng)記錄X射線平面圖像用X光感光膠片，X射線發(fā)生器可設(shè)一個(gè)，但應(yīng)設(shè)兩個(gè)投射位置F1、F2，才能拍攝有重疊的X光片。光機(jī)一體化系統(tǒng)如圖9，1是像片盤、2是物鏡、3是ΔY分量反光棱鏡、4是ΔX分量反光棱鏡、5是反光棱鏡、6是目鏡，像片盤設(shè)置于X、Y軌道上，3、4反光棱鏡設(shè)置于ΔX、ΔY軌道上，當(dāng)將兩張重疊的X光片分別放置于左、右像片盤后，觀看目鏡就能觀察到物體或人體內(nèi)部X射線立體圖像。X、Y、ΔX、ΔY的運(yùn)行軌跡由光電碼盤記錄后傳給記算機(jī)計(jì)算三維空間坐標(biāo)和圖形處理。5.發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在X射線圖像應(yīng)用領(lǐng)域，如X射線在醫(yī)學(xué)影像診斷、X射線在工業(yè)機(jī)械探傷、X射線在安全檢查、X射線在海關(guān)進(jìn)出口貨物檢驗(yàn)等，均為二維平面圖像觀察，不能觀察到物體或人體內(nèi)部三維圖像。X射線加計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)是用二維斷面掃描數(shù)據(jù)重建模擬三維立體圖形，立體圖形失真性大，不能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的觀察到立體圖形，對(duì)掃描設(shè)備制造和計(jì)算機(jī)技術(shù)要求很高。本發(fā)明利用人的生理視差立體視覺原理，降底了設(shè)備制造和計(jì)算機(jī)計(jì)算難度，能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的觀察到物體或人體內(nèi)部X射線三維立體完全仿真圖像，并能進(jìn)行圖像圖形處理，在上述領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)立體圖像觀察和圖像圖形處理。
權(quán)利要求
該發(fā)明屬X射線影像學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖像處理技術(shù)?，F(xiàn)行的X射線影像學(xué)設(shè)備中，X射線發(fā)生器只設(shè)置一個(gè)，當(dāng)X射線透射物體或人體后，所觀察到的X射線影像是二維平面圖像，在對(duì)人體進(jìn)行X射線斷面掃描后，用計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行模擬重建三維立體圖形。X射線立體圖像觀察系統(tǒng)的發(fā)明特征有1.設(shè)兩個(gè)相隔一段設(shè)定距離安置的X射線發(fā)生器。
2.設(shè)一個(gè)X射線發(fā)生器但有兩個(gè)相隔設(shè)定距離安置X射線發(fā)生器的位置。
3. 2、3X射線發(fā)生器輪流間歇向物體或人體透射X射線。
4. 3透射的X射線被一個(gè)X射線影像電子增強(qiáng)器輪流間歇顯示圖像，電視攝像器攝取圖像后經(jīng)調(diào)制器傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理X射線圖像后在電子顯示器上按3順序輪流間歇顯示增強(qiáng)圖像。
5.戴偏振光眼鏡觀察電子顯示器，利用人的生理視差立體視覺觀察物體內(nèi)部或人體內(nèi)部X射線三維立體全仿真圖像。
6.計(jì)算X射線立體觀察圖像三維坐標(biāo)數(shù)學(xué)計(jì)算方法。
7.在X射線立體圖像觀察中測(cè)量二維坐標(biāo)的方法。
8.用1、2、3獲得兩張X射線感光膠片。
9.用光學(xué)分光立體鏡觀察X射線感光膠片，觀察到5結(jié)果。
全文摘要
發(fā)明屬X射線影像學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像圖形處理技術(shù)領(lǐng)域。利用人的生理視差立體視覺原理,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察物體或人體內(nèi)部X射線全仿真立體圖像圖形。如圖1,設(shè)置兩個(gè)X射線發(fā)生器F
文檔編號(hào)G02B27/26GK1376947SQ01107280
公開日2002年10月30日 申請(qǐng)日期2001年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月26日
發(fā)明者舒嘉 申請(qǐng)人:舒嘉