基于ccd的束流圖像獲取系統(tǒng)及分析方法
【專利摘要】基于CCD的束流圖像獲取系統(tǒng)及分析方法包括以下幾部分：開始S1，影像系統(tǒng)搭建S2，刻度S3，獲取束流圖像S4，圖像分析S5，計算束流截面參數(shù)S6和結(jié)束S7。影像系統(tǒng)搭建S2，刻度S3和獲取束流圖像S4組成束流圖像獲取系統(tǒng)P1，圖像分析S5和計算束流截面參數(shù)S6組成束流參數(shù)分析方法P2。影像系統(tǒng)由CCD相機D11，可調(diào)鏡頭D12和相應(yīng)的接口D13組成。刻度S3及其方法用于標(biāo)定束流實際位置和截面參數(shù),主要硬件為刻度板D2。獲取束流圖像S4由PC電腦D31和相應(yīng)的接口D32組成，通過圖像獲取方法M2可得到高質(zhì)量的圖像。圖像分析S5包括圖像處理算法M31和3D分析算法M32，計算束流截面參數(shù)S6包括束流中心計算算法M41和截面計算算法M42。
【專利說明】
基于CCD的束流圖像獲取系統(tǒng)及分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]屬于束流診斷與測量領(lǐng)域，具體應(yīng)用于質(zhì)子重離子醫(yī)療裝置束流傳輸線上，也可 用于其他類型加速器裝置，以及科研裝置上。
【背景技術(shù)】
[0002] 束流位置和形狀一直是束流診斷與測量領(lǐng)域的重點，束流品質(zhì)直接影響后端應(yīng)用 范圍和效果，不斷提高束流測量方法有助于推動核技術(shù)利用發(fā)展。尤其是質(zhì)子重離子治療 領(lǐng)域，在產(chǎn)業(yè)化的大背景下，開發(fā)廉價可靠的束流測量裝置意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是設(shè)計一種圖像分析方法，對束流位置和形狀進行在線分析。該方 法可廣泛用于測量質(zhì)子，激光束流，重離子束流，電子束流等。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于CCD的束流圖像獲取系統(tǒng)及分析方法，如圖 1所示，該發(fā)明包括以下幾部分:開始S1，影像系統(tǒng)搭建S2,刻度S3,獲取束流圖像S4,圖像分 析S5，計算束流截面參數(shù)S6和結(jié)束S7。影像系統(tǒng)搭建S2，刻度S3和獲取束流圖像S4組成束流 圖像獲取系統(tǒng)P1，圖像分析S5和計算束流截面參數(shù)S6組成束流參數(shù)分析方法P2。中間列為 主流程，左邊列為對應(yīng)的設(shè)備，右邊為所使用的方法。
[0005] 影像系統(tǒng)由CCD相機D11，可調(diào)鏡頭D12和相應(yīng)的接口 D13組成。刻度S3及其方法Ml 用于標(biāo)定束流實際位置和截面參數(shù)，主要硬件為刻度板D2。獲取束流圖像S4由PC電腦D31和 相應(yīng)的接口 D32組成，通過圖像獲取方法M2可得到高質(zhì)量的圖像。
[0006] 圖像分析S5包括圖像處理算法M31和3D分析算法M32,計算束流截面參數(shù)S6要用到 束流中心計算算法M41和截面計算算法M42。
[0007] 影像系統(tǒng)搭建S2的作用是圖像獲取的基礎(chǔ)，影像系統(tǒng)由CCD相機D11，相機的像素 為PHXPV，可調(diào)鏡頭D12和相應(yīng)的接口D13組成，D121是焦距調(diào)節(jié)圈，如圖2所示。實施例采用 的CCD為130萬像素（1280X960)，60幀，以獲取到高質(zhì)量的圖片，其接口為GIGE lGb/s，傳輸 距離達到100米，可支持C/C++、C#、Labview等語言開發(fā)，方便算法程序編寫。
[0008] 刻度S3的作用是建立圖像像素與被拍攝物之間的尺寸關(guān)系，方便后期圖像處理過 程中的測量，測量的分辨率主要由刻度網(wǎng)格大小和相機的像素決定。
[0009] 如圖2所示，刻度板D2由支撐板D21支撐，中心區(qū)有刻度線D22,每格均為 _舉正方形，測量時中心區(qū)有光斑B1，刻度板平面與水平線B3的夾角B2為§，刻度 板中心到C⑶相機的距離B4為為。刻度方法Ml有以下步驟： Ml 1:將刻度板D2調(diào)整到水平位置，即§ =:#，并使相鏡頭軸心與刻度板中心對齊； M12:打開相機，獲取刻度板圖像，調(diào)節(jié)焦距或距離M吏圖像被刻度板網(wǎng)格占滿； Ml 3:建立直角坐標(biāo)系，原點〇位于刻度板中心，x軸對應(yīng)圖像中的PH，y軸對應(yīng)圖像中的 PV； M14:讀出圖像中x方向刻度線的格數(shù)黑和y方向刻度線的格數(shù) M15:計算刻度系數(shù)x軸為
單位為mm/像素。
[0010]由以上刻度步驟可以看出測量分辨率由刻度線的細(xì)密程度和像素大小共同決定， 刻度線約精細(xì)，像素越高，測量分辨率越高。
[0011 ] 在實施例中取馬_，_::=::_:=愛，C⑶像素為_:夂:雜_-辱=篇雜^ 陳二_:纖雜，減去4個像素是因為要考慮到邊緣像素。則：
在該刻度下，分辨率可達〇. 〇8mm。
[0012]獲取束流圖像S4的硬件設(shè)備D3包括一臺或多臺PC主機D31和與相機相應(yīng)的接口 D32及板卡，根據(jù)圖像獲取方法M2編寫獲取軟件，圖像獲取方法包括以下步驟： M21:打開相機，并配置相機參數(shù)，設(shè)置采樣時間間隔(一般小于0.5s); M22:存儲設(shè)置，臨時文件夾； M23:將圖像轉(zhuǎn)換為圖片格式，命名圖片，保存到臨時文件夾下； M24:讀取圖片，并轉(zhuǎn)換為灰度圖，如圖3所示； M25:第二次獲取圖片，重復(fù)M23并覆蓋原圖片文件； M26:每隔一個采樣時間間隔，重復(fù)M23-M25，獲得連續(xù)的圖片； M27:停止圖像獲取； M28:關(guān)閉相機。
[0013] 采樣時間間隔(一般小于0.5s)不能取太小，以便在一個間隔內(nèi)完成束流參數(shù)分析 P2,在實施例中取為200ms。灰度圖的亮度與束流強度成正比，且方便后期分析。所以在圖像 分析前將圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖，實施例中用U8格式的灰度圖。
[0014] 圖像分析S5是在得到的灰度圖基礎(chǔ)上對圖像進一步處理，此步包括兩個算法，圖 像處理算法M31和3D分析算法M32。
[0015] 圖像處理算法M31主要用于矯正因角度引起的圖像畸變，如圖4所示。
[0016] 當(dāng)刻度板D2與束流方向垂直時，束流光斑B0的尺寸為(:麵，郵），圖像沒有畸變；當(dāng) 刻度板D2與束流方向夾角為§時，束流光斑B1的尺寸為(I，)。圖像在x方向沒有畸變，在 y方向出現(xiàn)畸變，有以下尺寸關(guān)系： 1% ~ ⑴ :霉鳥.、辨_: (2) 當(dāng)刻度板D2與束流方向夾角為§時，相機D11獲取的是束流光斑B1在水平方向的投影 B11，如圖5所示，其尺寸為(_，^)，有以下尺寸關(guān)系： 靈'.=% (3) 鳥，病縛 (4) 由關(guān)系（1)_(4)得到相機束流光斑圖像B11(睡，If )與真實束流光斑圖像B10(i|，g )的尺寸關(guān)系： 鏡:=:? (5) 奪奪系(6)。
[0017]若在灰度圖中讀取的光斑像素尺寸為（PX，PY)，則圖像處理算法M31包括以下步 驟： M311:去除灰度圖周邊幾何無關(guān)的像素點； M312:讀取光斑像素尺寸(PX，PY); M313:計算相機束流光斑圖像B11尺寸(_，霉)： (7) 霉.：釋(8) M314:計算真實束流光斑圖像B10尺寸(:義，_): 循、電 (9) 鐵-=:..喝::.*:::￡：賴f:::= .1#::*::.盡染._我§ (10) 〇
[0018] 3D分析算法M32是把平面灰度圖轉(zhuǎn)化為亮度可視圖，實際上是一種可視化算法。3D 圖X軸和Y軸分別對應(yīng)于像素 PH和PV，Z軸是灰度圖的亮度。如圖6所示。
[0019] 3D分析算法M32步驟如下： M321:將CCD獲取的束流光斑灰度圖轉(zhuǎn)化為亮度矩陣，X軸和Y軸分別對應(yīng)于像素 PH和 PV，Z軸是灰度圖的亮度，亮度0 < /2SS; M322:壓縮亮度矩陣，設(shè)置壓縮比為R; M323:調(diào)用壓縮算法:M3231每R個像素取一次值;M3232對RX R個像素的亮度取平均值， 作為一個像素； M324:調(diào)用3D畫圖函數(shù)作圖，實時顯示3D圖像。
[0020] 壓縮算法M3231:每R個像素取一次值，此壓縮算法優(yōu)點是編程簡單，但未考慮所有 像素值。如圖7所示，R=3。
[0021]壓縮算法M3232:對R X R個像素的亮度取平均值，作為一個像素，此算法考慮了所 有像素點，但運算耗時較大。如圖8所示，R=3。
[0022]為了滿足實時性，實施例中采用壓縮算法M3231。
[0023]計算束流截面參數(shù)S6是在圖像分析S5基礎(chǔ)上對圖像進一步處理，以最終得到束流 截面參數(shù)。計算束流截面參數(shù)S6包括束流中心計算算法M41和束流截面計算算法M42。
[0024]束流中心計算算法M41得到束流中心位置參數(shù)(If，lf)，具體步驟包括： M411:以刻度板中心為原點重建亮度矩陣索引，搜索亮度矩陣，找出最高亮度矩陣元； M412:如果最高亮度矩陣元只有一個麥=1，則束流中心就是該矩陣元對應(yīng)的像素點（ 根據(jù)公式(9)和(10)得到束流中心位置參數(shù)(舄，泣)為： 路(id _ :士:巧^啊拿(12) M413:如果最高亮度矩陣元有多個這些矩陣元對應(yīng)的像素點為(|^|^，獅 則取這些像素的幾何中心(_|_，_|@)作為光斑的中心像素： 滅-::='|離。:械似 （13) ;|雜 6 械政 (14) 根據(jù)公式(9)和（10)得到束流中心位置參數(shù)(編，變D為： 雜(15) If = * Fy * tmiB (16) M412也可看做M413的特殊情況。
[0025]束流截面計算算法M42包括以下步驟： M421:定義束流寬度露
，__}為束流寬度邊界的亮度，為束流光斑中 心的圖像亮度，》常用的可取H:g2等，若束流截面近似為高斯分布，也可取W作為寬度，即
M422:對亮度矩陣作X-Z投影，如圖9所示，，求出束流光斑像素 寬度心z =
M423:束流X方向?qū)嶋H寬度為軟細(xì)z:..二雜$..:《尾:； M424:對亮度矩陣作Y-Z投影，如圖10所示
，求出束流光斑像 素寬度_=;:梅4一寫； M425:束流Y方向?qū)嶋H寬度為誇|g二需2:，:_* __
【附圖說明】
[0026] 圖1是基于(XD的束流圖像獲取系統(tǒng)及分析方法。
[0027] 圖2是相機和刻度板。
[0028] 圖3是灰度圖轉(zhuǎn)換。
[0029]圖4是束流圖像畸變。
[0030] 圖5是束流光斑在相機中的投影。
[0031] 圖6是束流光斑的3D圖。
[0032] 圖7是壓縮算法M3231。
[0033] 圖8是壓縮算法M3231。
[0034]圖9是光斑的X-Z投影。
[0035]圖10是光斑的Y-Z投影。
【主權(quán)項】
1. 基于CCD的束流圖像獲取系統(tǒng)及分析方法，其特征在于，所述的系統(tǒng)和方法包括:開 始S1，影像系統(tǒng)搭建S2，刻度S3，獲取束流圖像S4，圖像分析S5，計算束流截面參數(shù)S6和結(jié)束 S7;影像系統(tǒng)搭建S2，刻度S3和獲取束流圖像S4組成束流圖像獲取系統(tǒng)P1，圖像分析S5和計 算束流截面參數(shù)S6組成束流參數(shù)分析方法P2。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的影像系統(tǒng)搭建S2，功能是圖像獲取的基礎(chǔ)，由CCD相機D11，可 調(diào)鏡頭D12和相應(yīng)的接口 D13組成，相機的像素為PHXPV;刻度S3及其方法Ml用于標(biāo)定束流 實際位置和截面參數(shù)，主要硬件為刻度板D2;獲取束流圖像S4由PC電腦D31和相應(yīng)的接口 D32組成，通過圖像獲取方法M2可得到高質(zhì)量的圖像；圖像分析S5包括圖像處理算法M31和 3D分析算法M32;計算束流截面參數(shù)S6包括束流中心計算算法M41和截面計算算法M42。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的刻度板D2，中心區(qū)有刻度線，每格均為雙正方形， 測量時中心區(qū)有光斑，刻度板平面與水平線的夾角為S，刻度板中心到CCD相機的距離為fc ，測量分辨率由刻度線的細(xì)密程度和像素大小共同決定，刻度線約精細(xì)，像素越高，測量分 辨率越高，刻度方法Ml有以下步驟： Mil:將刻度板D2調(diào)整到水平位置，即g = 0,并使相鏡頭軸心與刻度板中心對齊； M12:打開相機，獲取刻度板圖像，調(diào)節(jié)焦距或距離，使圖像被刻度板網(wǎng)格占滿； Ml3:建立直角坐標(biāo)系，原點〇位于刻度板中心，X軸對應(yīng)圖像中的PH，y軸對應(yīng)圖像中的 PV; Μ14:讀出圖像中X方向刻度線的格數(shù)_.和y方向刻度線的格數(shù)義；4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像獲取方法M2，包括以下步驟： M21:打開相機，并配置相機參數(shù)，設(shè)置采樣時間間隔(一般小于0.5s ); M22:存儲設(shè)置，臨時文件夾； M23:將圖像轉(zhuǎn)換為圖片格式，命名圖片，保存到臨時文件夾下； M24:讀取圖片，并轉(zhuǎn)換為灰度圖； M25:第二次獲取圖片，重復(fù)M23并覆蓋原圖片文件； M26:每隔一個采樣時間間隔，重復(fù)M23-M25，獲得連續(xù)的圖片； M27:停止圖像獲?。? M28:關(guān)閉相機。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像分析S5是在得到的灰度圖基礎(chǔ)上對圖像進一步處理，此 步包括兩個算法，圖像處理算法M31和3D分析算法M32;圖像處理算法M31主要用于矯正因角 度引起的圖像畸變，其尺寸關(guān)系推導(dǎo)方法如下： 當(dāng)刻度板D2與束流方向垂直時，束流光斑的尺寸為(_，郵），圖像沒有畸變;當(dāng)刻度板 D2與束流方向夾角為_寸，束流光斑的尺寸為(民，％.)，圖像在X方向沒有畸變，在y方向出 現(xiàn)畸變，有以下尺寸關(guān)系：當(dāng)刻度板D2與束流方向夾角為酬寸，相機D11獲取的是束流光斑在水平方向的投影，其 尺寸為(睡，II)，有以下關(guān)系：由關(guān)系（1)-(4)得到相機束流光斑圖像(:，$)與真實束流光斑圖像(聽，P|)的尺寸 關(guān)系： 趣 (5) 轉(zhuǎn).=.艦.:乘誰& (6) 若在灰度圖中讀取的光斑像素尺寸為(PX，PY)，則圖像處理算法M31包括以下步驟： Μ311:去除灰度圖周邊幾何無關(guān)的像素點； 1312:讀取光斑像素尺寸(卩1，？￥); M313:計算相機束流光斑圖像尺寸(迄，％ ): 齡=:權(quán))? (7) (8) Μ314:計算真實束流光斑圖像尺寸(鐘，?§):6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的3D分析算法Μ32,其功能是把平面灰度圖轉(zhuǎn)化為亮度可視圖； 3D分析算法Μ32步驟如下： Μ321:將CCD獲取的束流光斑灰度圖轉(zhuǎn)化為亮度矩陣，X軸和Υ軸分別對應(yīng)于像素 ΡΗ和 PV，Z軸是灰度圖的亮度，亮度0 S / S 2SS; M322:壓縮亮度矩陣，設(shè)置壓縮比為R; M323:調(diào)用壓縮算法對圖像進行壓縮:M3231每R個像素取一次值，或者M3232對R X R個 像素的亮度取平均值，作為一個像素； M324:調(diào)用3D畫圖函數(shù)作圖，實時顯示3D圖像。7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的束流中心計算算法M41，其功能是得到到束流中心位置參數(shù)（ ￥|，哎），具體步驟包括： M411:以刻度板中心為原點重建亮度矩陣索引，搜索亮度矩陣，找出最高亮度矩陣元； M412:如果最高亮度矩陣元只有一個況二則束流中心就是該矩陣元對應(yīng)的像素點（ 根據(jù)公式(9)和（10)得到束流中公位置參數(shù)(?，拉)為：M413:如果最高亮度矩陣元有多個IV >3,這些矩陣元對應(yīng)的像素點為，轉(zhuǎn)|_)， ￡夂1_深;貝陬這些像素的幾何中心(巧4@作為光斑的中心像素：根據(jù)公式(9)和（10)得到束流中心位置參數(shù)(_:，靈)為：M412也可看做M413的特殊情況。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的束流截面計算算法M42，其步驟包括： M421:定義束流寬度W，為束流寬度邊界的亮度，職&為束流光斑中心 的圖像亮度，》常用的可取2虞:e2等，若束流截面近似為高斯分布，也可取^作為寬度，即M42 2:對亮度矩陣作X-Z投影，，求出束流光斑像素寬度 M423:束流X方向?qū)嶋H寬度為轉(zhuǎn),縱;M424:對亮度矩陣作Y-Z投影： ，求出束流光斑像素寬度 ?二 w" - wy; M425:束流Y方向?qū)嶋H寬度為以,，=*如成。
【文檔編號】G01T1/29GK105929438SQ201610245817
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】汪金龍
【申請人】汪金龍