CN102411157B - 物体单侧扫描双侧立体成像的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种物体单侧扫描双侧立体成像的方法及装置，其特征是，该装置包括辐射源、多缝射线准直器、排成一定视角差的多阵列辐射探测器、多阵列辐射探测器的信号处理电路和前端计算机、主计算机和3D显示器，各阵列探测器有一定间距和不同视角面向辐射源。其双侧立体成像的方法是：辐射源在被检测物体一侧进行一次扫描，将任一对阵列探测器的左探测器图像作为左眼图像，右探测器的图像作为右眼图像，显示出前视3D图像；再将左、右探测器图像水平翻转后作为左眼图像和右眼图像，显示出后视3D图像，共同构成双侧立体图像。优点是，检测时只需在物体一侧进行一次扫描，就可获得双侧立体透视图像。适用于集装箱、车辆和货物等的双侧立体透视检测。

Description

物体单侧扫描双侧立体成像的方法及装置

技术领域                                                                   

本发明属于辐射成像技术领域, 特别涉及一种对物体进行单侧射线扫描实现双侧立体成像的方法和装置，简称“双侧立体成像装置”或“双侧3D成像装置”，用于集装箱、车辆和货物等的双侧立体透视检测。 

背景技术  

已有的用于检测集装箱、车辆和其他物体的辐射成像检测装置，用一台产生射线的辐射源（加速器、X光机或放射性同位素）和一列接收射线的阵列探测器，对被检对象进行透射扫描，可获得两维透视图像。由于多层物体在透视图像中互相重叠，不易辨认；更难以判别其纵深位置。已有一种正交成像技术，在正交方向各用一台辐射源和一列探测器，同时对物体进行扫描。但这种正交成像***的体积和成本成倍增加，而且通过物体的两幅正交投影图像来识别物体也比较费力。采用CT技术可以获得真三维图像，但CT成像要求辐射源和探测器围绕集装箱、车辆或货物进行螺旋扫描，结构复杂，体积更大，成本更高；速度上也难以满足快速检测的要求。

发明内容  

本发明的目的是提出一种通过对物体（例如集装箱、车辆和货物）进行单侧快速扫描，就可获得双侧立体辐射成像的装置。此装置结构简单，只需在已有的常规***（一台辐射源和一列探测器）的基础上增加一列（或多列）探测器和软件, 就可成为双侧立体成像***。检测速度和已有的集装箱或物品检测***一样快，进行一次快速直线扫描,就可获得相当于从物体两侧透视的立体图像和旋转摆动或景深变化的动态立体显示。特别有助于展示重叠物体的相互位置，进行识别和定位。

本发明的技术方案是, 一种物体单侧扫描双侧立体成像的方法及装置，该装置包括辐射源、多缝射线准直器、排成一定视角差的多阵列辐射探测器、多阵列辐射探测器的信号处理电路和前端计算机、主计算机和软件、3D显示器, 所述的辐射源和多缝射线准直器置于被检测物体的一侧；多阵列辐射探测器置于被检测物体的另一侧，连接有信号处理电路和前端计算机、主计算机和软件、3D显示器,各阵列探测器相互有一定间距，以不同视角面向辐射源。 

本发明的一种物体单侧扫描双侧立体成像的方法及装置，其单侧扫描双侧立体成像的方法步骤是：  

⑴ 辐射源在被检测物体一侧进行一次扫描，将任一对阵列探测器的左探测器图像作为左眼图像，右探测器的图像作为右眼图像，显示出前视3D图像；

⑵ 将任一对阵列探测器的左探测器图像进行水平翻转后作为左眼图像，右探测器的图像进行水平翻转后作为右眼图像，显示出后视3D图像；

由前视3D图像和后视3D图像构成双侧立体图像。

本发明的一种物体单侧扫描双侧立体成像的方法及装置，实现立体图像动态显示的方法是： 

⑴ 通过循环显示不同视角但具有相同视角差的成对阵列探测器的立体图像，进行物体旋转摆动的动态3D显示；

⑵ 通过循环显示不同视角差的成对阵列探测器的立体图像，进行物体景深变化的动态3D显示。

    本发明的优点是, 检测时只需在物体一侧进行一次扫描，就可获得双侧立体透视图像。在探测器阵列数大于2时，可以显示旋转摆动或景深变化的动态立体图像，使检测人员容易识别重叠物体的纵深位置。本发明适用于集装箱、车辆和货物等的双侧立体透视检测。 

附图说明

以下结合附图及实施例, 对本发明作进一步描述。

图1是本发明的一种物体单侧扫描双侧立体成像装置的示意图

图2是双侧立体成像显示效果示意图

图2-A、从射线入射侧看的前视3D图像示意

图2-B、从射线出射侧看的后视3D图像示意

图3是本发明的一种物体单侧扫描双侧立体成像方法的示意图

图3-A、立体辐射成像装置俯视图 

图3-B、立体辐射成像装置正视图 

图3-C、前视3D图像（假设为可见光3D图像）

图3-D、前视3D图像（透射射线的3D图像，粗方框为射线出射面；）

图3-E、前视3D图像的镜像显示 

图3-F、后视3D图像

图4是左右探测器图像互换前和互换后的3D成像示意图

图4- A、互换前的3D成像示意图, 

图4- B、互换后的3D成像示意图

图5是2D-3D图像的生成流程图

图6是2D-3D图像的屏幕联合显示图

图7是动态3D显示示意图之一(同样景深的3D图像的旋转显示)

图8是动态3D显示示意图之二(不同景深的3D图像的动态显示)

图9是立体成像的采用双眼液晶屏的立体显示装置

图10是立体成像的采用裸眼显示屏的3D显示器 

图中, 1—辐射源，2—多缝准直器，3—多视角扇形射束, 4—被检测物体,  5—多列辐射探测器，5-R—右辐射探测器, 5-L—左辐射探测器,  6—多列信号处理器，7—多列图像处理前端计算机,  8—主计算机,  9—3D显示器, 10—车头示意图, 11—左探测器图像中的物体影像 , 12—右探测器图像中的物体影像, 13—3D图像中的物体 ,14—左眼, 15—右眼,  16—双眼3D液晶显示屏,  17—裸眼3D显示屏 

具体实施方式

　　由图1可见, 一种物体单侧扫描双侧立体成像装置，包括辐射源（加速器、X光机或放射性同位素）1，经过准直器2给出多视角扇形射束3（每个扇形射束垂直于纸面），分别射入多个阵列探测器5，相邻扇形射束有一定夹角q，称为基本视角差。辐射源和多阵列探测器对被检测物体4进行一次扫描，各列探测器接收的信号和已有的常规*** 一样通过信号处理器6，在前端计算机7中生成各个不同视角的两维图像（2D图像）。主计算机8利用3D软件将相邻视角的各对图像一一显示在立体显示器（3D显示器）9上。3D显示器9可以是普通的计算机显示器，通过3D眼镜观看；或是头盔式3D显示器；也可以是裸眼3D显示屏。双侧立体成像的效果图如图2所示，图2-A是从射线入射侧看的前视3D图像示意，图2-B是从射线出射侧看的后视3D图像示意。 

本发明的双侧立体成像方法如图3所示，利用射线吸收只和路径的质量厚度有关、和沿路径入射还是出射无关的原理（不计及散射而仅考虑主要的透射信息时），可以仅用一侧的扫描数据，通过射束重组实现双侧立体成像。图3是采用一个辐射源和两列探测器的基本***，辐射源1处于被检测物体4的一侧，左探测器5-L和右探测器5-R处于被检测物体4的另一侧，对辐射源的视角差为q。此***对被检测物体4进行扫描时，在被检测物体4的一个水平平面内，进入左探测器5-L的射束（实线）和进入右探测器5-R的射束（虚线）的透射路径是夹角为q的两组平行线（图3-A）。箱中物体离探测器

越远，通过扫描时左右探测器探测到它的时间差越大，物体在左右探测器图像中的水平位置差别越大；这就是生成立体视觉的信息基础。如果将辐射源和探测器改到被检测物 体另一侧进行扫描，射束在被检测物体4的这个平面内的透射路径，也是夹角为q的两组平行线。所以，在被检测物体4的水平面内，将一侧扫描的数据进行适当重组，可以作为另一侧扫描的数据。但是在被检测物体4的垂直平面内（图3-B），分别在被检测物体两侧进行扫描时的射线路径并不相同，它们是各自向探测器的方向张开的。由于离探测器远的物体在投影图像上比紧贴探测器的物体大，用一侧的扫描数据生成在另一侧扫描的立体图像，会使图像中物体的相对高度发生失真。但是这并不影响物体的位置关系；以下将说明，并不妨碍我们仅进行单侧扫描实现双侧立体成像。

通过图3-A所示的单侧扫描，由左右眼探测器所获得的两幅2D视图，生成的“前视立体图像”将如图3-D所示，这是从实际辐射源向射线前方看的立体图像。由图3-B可知，出射侧的箱体上边棱投影会比入射侧的箱体上边棱投影低而黑。图3-D中用细线方框代表射线入射侧的箱体边棱投影，粗线方框代表射线出射侧的箱体边棱投影。看起来，出射侧的箱体边棱似乎突出在箱内物体之前。厚密物体的深色图像也似乎突出在轻薄物体的浅色图像之前；立体视觉受到干扰。这也是迄今射线透射的3D成像未能得到普遍应用的原因之一。如果是可见光成像，前后物体有遮挡关系，立体视觉效果会比射线的3D图像好得多，如图3-C。

本发明的双侧立体成像方法可以改善透射立体成像的视觉效果。用单侧扫描的立体成像数据生成双侧立体图像的原理如图4所示，图4上方为正视图，下方为俯视图。

所有类型的3D显示器都有一个基本功能：左右探测器的图像只能分别被一只眼睛看到。例如图4-A中左探测器的物体影像11仅进入观察者的左眼14，右探测器图像中的物体影像12仅进入右眼15；3D视觉中的物体13将位于3D显示器9视在平面之前。实际物体离探测器越远，在左、右探测器图像中的影像11和12距离越大，其3D影像也越突出到眼前。如果将左、右探测器的图像互换（图4-B），物体13在3D空间中的位置将在3D显示器9的视在平面之后，好比是图4-A中物体影像13的镜像。镜像变换倒转了3D图像中物体的前后关系。

如果在图3中将左右探测器图像互换，生成的3D图像将如图3-E。图3-E好比是图3-D的镜像，相当于从射线出射侧看被检测物体的立体图像。图3-E中射线出射侧的被检箱体边棱（粗线方框）变成了最近眼的一侧，它遮挡所有物体是自然的，并不干扰立体视觉。射线入射侧的被检箱体边棱（细线方框）在图3-E中最大最远，不会遮挡任何被检测箱体内的物体，所以图3-E的立体感好于图3-D；但图3-E中物体和箱体的左右位置关系与实物位置相反。将左右探测器的图像先进行水平翻转再生成立体视图，得图3-F，物体和箱体的左右位置与实物位置就可一致。和图3-E一样，图3-F的立体视觉效果也比较好。定义图3-F为“虚拟后视立体图像”，简称“后视立体图像”。

图3-F之所以称为虚拟后视图像，因为它不是真正利用辐射源从被检测物体后面进行透射扫描得到的后视图像。图3-F中不同纵深的物体高度比例并不是真正利用辐射源从被检测物体后面进行透射扫描时的物体高度比例。但其物体高度比例和目前常规使用的2D视图一样，反倒有便于匹配辨识的好处；常规2D视图在检测工作中总是需要显示的基本视图。 

除上例被检测物体边棱对立体视觉的干扰问题外，在厚密物体和轻薄物体重叠时，厚密物体看起来也会比较“抢前”，不容易分清与其相重叠的轻薄物体的相对位置。采用本发明的双侧立体成像方法，总有一侧图像（图3-D或图3-F）是此厚密物体确实靠前的，从此侧图像看就比较容易看清重叠物体的相对位置。

图像的生成流程归纳于图5, 本发明的双侧立体成像通过一次快速扫描将显示出三种图像：基本的（左眼或右眼）2D图像，前视3D图像和后视3D图像，在计算机屏幕9上联合显示出来（图6），对照观察有助于识别物体及其空间位置。 

本发明的3D显示器可以采用已有的任何类型的3D显示器。采用补色式（Anaglyph）3D显示时，需要有补色3D图像形成器，但这属于一般图像处理技术。补色式3D图像使用红青（红绿）眼镜就可观看，没有闪烁感，无须连接信号和电源，使用方便，可作为检测人员的首选。

本发明的动态3D显示，目的在于进一步改进3D辐射成像的视觉效果。看静止的3D辐射图像时，观察者适当左右移动头部,会有助于识别物体远近，但很有限。采用本发明的多视角动态3D显示方法，更有助于识别物体纵深位置。如图1所示，N列探测器有N-1对视角不同的图像,每对图像的视角差都等于基本视角差q；由每对图像生成的3D图像具有基本景深。将N-1对视角不同的图像循环显示出来，就可看到N-1个具有基本景深的动态3D图像在旋转摆动如图7。为便于图示，图中的三个不同视角的图像故意拉开了距离；它们的旋转轴本应重叠的）。人眼观察转动的3D图像，对物体的相对位置会更敏感。

N列探测器有N-2对具有2倍基本视角差的图像对，有N-3对具有3倍基本视角差的图像对，显示为3D图像时其景深为基本景深的2倍或3倍，循环显示出来就可看到景深变化的动态3D图像如图8。

图9中16是采用双眼液晶屏的立体显示装置，可以是简单的开关式液晶眼镜或高质量的虚拟现实头盔。直接将左右探测器的图像输入双眼液晶屏，即可看到前视3D图像；将左右探测器的图像进行水平翻转后再输入双眼液晶屏，看到的是后视3D图像。

图10中17是采用裸眼显示屏的3D显示器。不需戴立体眼镜和虚拟现实头盔就可看到不同视角的立体透视图像。主计算机8将各前端机的图像按列交替重排,然后输入高分辨率显示器。例如，采用三阵列探测器的***，一次扫描获得三个不同视角的图像。通过主计算机按列交替重排，使显示器的第1、4、7…列显示左阵列探测器图像，第2、5、8…列显示中阵列探测器图像，第3、6、9…列显示右阵列探测器图像。显示器前方装有折射角逐列变化的裸眼3D显示屏20，观察者处于显示屏前的不同位置，可以裸眼看到不同视角的立体图像。

Claims (2)

1.一种物体单侧扫描双侧立体成像的装置，该装置包括辐射源、多缝射线准直器、排成一定视角差的多阵列辐射探测器、多阵列辐射探测器的信号处理电路和前端计算机、主计算机和软件、3D显示器,其特征是,所述的辐射源和多缝射线准直器置于被检测物体的一侧；多阵列辐射探测器置于被检测物体的另一侧，连接有信号处理电路和前端计算机、主计算机和软件、3D显示器,各阵列探测器相互有一定间距，以不同视角面向辐射源；

其中，采用该装置进行单侧扫描双侧立体成像的特征是：

⑴辐射源在被检测物体一侧进行一次扫描，将任一对阵列探测器的图像作为左、右眼图像，显示出前视3D图像和/或前视3D镜像；

⑵将任一对阵列探测器的左探测器图像进行水平翻转后作为左眼图像，右探测器的图像进行水平翻转后作为右眼图像，显示出后视3D图像；

由前视3D图像以及后视3D图像构成双侧立体图像。

2.如权利要求1所述的一种物体单侧扫描双侧立体成像的装置，其实现立体图像动态显示的特征是：

⑴通过循环显示不同视角但具有相同视角差的成对阵列探测器的立体图像，进行物体旋转摆动的动态3D显示；

⑵通过循环显示不同视角差的成对阵列探测器的立体图像，进行物体景深变化的动态3D显示。