2017数学建模问题二问题三

2019-01-10 15:29

需要添加符号系统:

m,从模板接受信息经过逆变换到图形矩阵的转换系数。 Xi yi 还有Pij1 Pij2

问题二

该问题是问题一的逆向过程,根据问题一得到的标定参数,利用上述CT系统得到的某未知介质的接收信息,确定该未知介质在正方形托盘中的位置、几何形状和吸收率等信息。

由Radon 原理:

两维情况下Radon变换大致可以这样理解:一个平面内沿不同的直线(直线与原点的距离为??,方向角为θ)对??(??,??)做线积分,得到的像??(??,??)就是函数??(??,??)的Radon变换。也就是说,平面(??,??)的每个点的像函数值对应了原始函数的某个线积分。

在本题中,对于刚好照射在每一探测器上的X射线刚好对应于直线 ?? ,用X射线去照射模板或待检测物质,相当于在X射线对应的直线 ??上做线积分,由于r及??的不同,得到不同的??(??,??),对应于所得到的接收信息。

对Radon变换简单理解如图1,

上图中,在直角坐标系??????中,?? ??,?? 为直线?? 上的点,由于??=????????θ,??=??????????,从而对每一 ??,?? ,图中直线?? 可表示为:

????????θ+??????????=??

沿直线 l 对f(x,y)做线积分,得Radon 变换公式为:

R r,θ = ?∞f x,y ds ,其中s= x2+y2

在本题中,Radon 变换可直观理解为:根据不同射线的入射方向,对位于待检测介质或模板内部的射线的衰减系数进行积分,可得待检测物质或模板的衰减函数R(r,θ),如图2所示。

在二维平行束投影示意图中,射线目标信息为函数 f(x,y) , θ为X 射线的法线与x轴夹角,r为射线AB与原点的距离。[1]

+∞

另,狄拉克 δ 函数是一个广义函数,在物理学中常用其表示质点、点电荷等理想模型的密度分布,该函数在除了零以外的点取值都等于零,而其在整个定义域上的积分等于1

为了便于理解及应用,我们写出一种最简单的狄拉克 δ 函数形式:

δ ?? =

0 ,??=0

1 ,??≠0

将此狄拉克 δ 函数应用到X射线所对应的直线??上,有

0 ,????????θ+?????????????=0?? ????????θ+????????????? =

1 ,????????θ+?????????????≠0

即在直线 l 上的点f(x,y)满足δ xcosθ+ysinθ?r =1,其他不在直线 l 上的点满足δ xcosθ+ysinθ?r =0。

此时,R r,θ 为探测器所接收到的信息,由上述论证,此时Radon 变换为:

?? ??,?? =

+∞

?? ??,?? ?? ????????θ+????????????? ????

?∞

Radon 变换可理解为某一二维图像在 r,θ 空间的投影, r,θ 空间的每一点对应(x,y)空间的一条直线方程。

补充:实际上,R r,θ 定义在空间中一个半圆柱体的侧面上,如图3。

Radon逆变换(Iradon)由投影后的R r,θ ,Radon逆变换可以求出原二维图像的几何形状及对X射线的吸收率等信息,即给出从投影到重建的解。具体表达式为:

?? ??,?? =

1????

???? ???? 2??20??????????+??????????????∞

??

??(??,??)

根据上述数学原理,结合Matlab中Radon及Iradon函数进行求解。

(1)利用Matlab的Iradon工具箱。我们将512*180的接收信息矩阵,通过radon逆变换,以及平移图像中心,得到由五个椭圆组成的“外星人”状图像。颜色越浅“吸收率”越大。如图所示:

图x 附件三接收图

图x 附件三介质原始图像的几何形状

(2)图像在正方形托盘的位置确定。

由256*256个像素点的图像矩阵对应到100mm*100mm的正方形托盘,每一个像素点的长为0.3906mm,得到该未知介质在正方形托盘的位置信息,以正方形托盘中心为坐标原点(0,0)作图:

图x 附件三未知介质在正方形托盘的位置

(3)对应吸收率的确定。

首先根据附件二的模板接收信息,进行radon逆变换得到模板的图像信息,

寻找逆变换得到的图像信息与原始图像之间的平均比例关系m。

??????1??????1

m= 1≤i≤256,1≤j≤256,∈??

??????2??????2

用matlab求解m程序见附录1xxx。解得m = 2.0751,即从接收信息进行radon逆变换得到原始图像的真实“吸收率”为函数返回值的2倍。此时再读入附件三即未知介质的接收矩阵,通过乘以转换系数m再进行radon逆变换得到10个点的吸收率如下表(代码见附录2xxx):

表xxx 问题二10个点的吸收率 吸收率 ???? ???? 10.0000 18.0000 0.0000 1 34.5000 25.0000 0.9803 2 43.5000 33.0000 0.0000 3 45.0000 75.5000 1.2445 4 48.5000 55.5000 1.0774 5 50.0000 75.5000 1.5241 6 56.0000 76.5000 1.3087 7 65.5000 37.0000 0.0000 8 79.5000 18.0000 0.0000 9 98.5000 43.5000 0.0000 10

问题三:

该问题同样是radon的逆变换,利用问题一中得到的标定参数,根据附件五的接收信息,给出该未知介质的相关信息。

我们首先根据之前的方法利用radon反变换得到图像:

图xxx 问题三未去噪得到的图形

此时发现图像有太多的毛刺,通过查阅资料得知图像受到噪声干扰影响,必须进行去噪操作。 由滤波反投影法(FBP):

滤波反投影法根据附件三所给接收信息,采用先修正、后投影重建图像的做法,可得到原始图像的吸收率信息。其原理为:在得到某一角度下的投影函数(一


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