CN1376947A - X射线立体图像观察*** - Google Patents

Abstract

发明属X射线影像学、计算机图像图形处理技术领域。利用人的生理视差立体视觉原理,实时动态观察物体或人体内部X射线全仿真立体图像图形。如图1,设置两个X射线发生器F₁、F₂轮流间歇透射物体A,X射线影像经电子影像增强器显示后,电视摄像器摄取图像经调制后传至计算机处理,按F₁、F₂间歇频率在电子显示器闪烁显示物体A影像,用偏振光眼镜观看物体或人体内部X射线立体图像、测量立体图像坐标。

Description

X射线立体图像观察***

1.技术领域：

该发明属X射线影像学、计算机图像图形处理技术领域。

2.背景技术：

    X线摄影学(袁聿德主编)，光学信息论(陶纯堪等作)，数字

摄影测量学(张祖勋等作)，智能化光电***(王永仲等编)，有关计算机技术，有关

计算机图像图形处理技术。

3.发明目的：

    利用人的生理视差立体视觉，将X射线二维平面图像观察实现实时动态观察物体

或人体内部X射线立体图像图形，测量计算X射线图像三维空间坐标及图像图形处理。4.  发明内容：

    X射线立体图像观察***由两个相隔一段距离安置的X射线发生器、一台X光

影像电子增强器、一块X射线发生时间控制电路、一台电视摄像器、一个调制控制器、

一台计算机，一套X射线立体图像观察***计算机程序软件，软件包括：X射线图像

放影程序、测量计算程序、图像拼接程序、三维图形地形图绘图程序，显示器、偏振

光立体图像观察眼镜控制器、偏振光眼镜组成，如图1，和计算机数学计算方法。

基础知识

一、人的立体观察视觉

    人类在自然生活中，双眼能分辨大自然中物体有远有近，大小形状等，这种感觉

就是人的立体观察视觉，也就是三维空间立体感觉。当用摄影机拍摄到自然中物体的

像片后，再观看这像片时没有立体空间感觉，原因是像片是二维平面图像。在研究中

发现，观察两张在不同位置对同一物体所拍摄的重叠像片可看到物体的三维空间立体

图像感觉。人们发明了立体电影，立体电影是在两个不同位置对同一物体拍摄的一对

重叠胶片，是一张张的二维平面图像，当同时放影这对胶片时借助分光镜观看就能看

到立体电影，看到的是有立体感的三维立体图像，原理是当我们用左眼和右眼分别同

时观看两张不同位置拍摄的同一物体的二维平面像片时，大脑将两眼分别看到的两张

二维平面图像迭合在一起，就会在大脑中产生三维立体空间图像感觉，这种现象是大

脑的本能生理现象，然而至今仍不能确切的解释大脑是如何把两张二维平面图像变成

三维空间立体图像感觉的。

    用二维平面图像观看三维空间立体图像可使用立体镜、红绿分色镜、偏振光

镜等。

二、立体观察原理

双限观察外界物体时，能分辨出物体的远近，大小形状，是由于同一物体在两眼球分别构像不一致所产生的。如图2，图中O₁、O₂为人的两眼球焦点，O₁、O₂两眼球焦点的距离称眼基线M，当物体A在两眼中的构像与视网膜垂直时，Aa₁，Aa₂称主视线，主视线Aa₁、Aa₂与眼基线O₁O₂所构的平面为主视面。当人注视看主视线上A点时，其它物体B点C点也在视网膜上构像，其构像分别为b₁、c₁和b₂、c₂，从图2中可看出，观看自然中远近距离不同的物体时，在两眼视网膜上的构像距离是不同的(视网膜用弧度表示)，这种在两眼中相对于眼球焦点构像距离产生的差距，叫人的生理视差，生理视差构成了使人能分辨物体远近大小形状的立体空间感觉效果。

在物体与两眼球之间加上二个承影像片P₁、P₂时，如图3，物体A，B、C在像片P₁、P₂上的像点分别为a₁′、b₁′、c₁′和a₂′、b₂′、c₂′，当不直接观看物体，而改变去观看承影像片P₁、P₂时，从图3可看出，两眼视网膜上的成像并未改变直接观察物体时的几何关系，视觉光线并没有被改变，视差关系也没有改变，只是形状被缩小了K倍。从上可得出，对物体相距一段距离拍摄二张该物体的像片后，用两眼同时观看分别的二张像片，同样能观看到物体的远近大小形状效果，也就是说用两张对物体在不同位置重叠摄影的二维平面像片能看到三维的立体图像，这二张像片称为“立体像对”像片。

X射线透射成像原理

X射线的发光源X射线球管近似中心投影的点光源，当X线透射物体后，物体因内部的密度不同，在X射线成像面P上产生不同深浅的黑白灰度显示物体的内部形状图像，成像原理如图4，F为X射线发生器球管光源，P是X射线成影面，H是光源F到成影面P的距离，o是F中心光线垂直投影到成影面P的交点，称主点。在P面上的成像是物体A的X射线中心投影的二维平面图像。

当在承形面P上加一个透镜S，如图5就能得到需要大小尺寸的X线图像像片P′，P′＝KP，K为倍数。P′S为像距f，SP为物距H。

X射线立体像对原理

为了观察到X线立体图像，必须得到能建立物体立体图像的两张“像对”像片或用电子扫描记录下两张像对数字信息之后，借助立体观察镜或计算机数字化立体观察技术才能看到X射线三维立体图像。如图6，设有两个X射线发生器球管F₁、F₂光源，并相隔一段距离M，F₁、F₂垂直投射在P₁、P₂上的交点o₁、o₂为主点，是像片P₁、P₂上的坐标原点。当X射线透射物体后，物体A、B在两承影面P₁、P₂上分别的成像为a₁、b₁和a₂、b₂，物体A，B在P₁，P₂上的投影点a₁与a₂，b₁与b₂的距离之差为投影差，相似于人的生理视差：

        Δa＝a₁-a₂；   Δb＝b₁-b₂；

    既  Δx_i＝x₁-x_i+1；

当获得立体像对P₁、P₂像片后，根据立体观察原理，两眼同时分别观看P₁、P₂两像片上的像点a₁、b₁和a₂、b₂将会看到物体A、B的立体三维图像。用透镜的方法如图5，同样可得到立体像对P₁′、P₂′像片。如图6，物体A、B在P₁′、P₂′上的成像为a₁′、b₁′和a₂′、b₂′，从图中看出在P₁′、P₂′像片上并未改变X射线透射成像光线的几何条件，当用立体镜观察P₁′、P₂′像片时，同样能看到物体A、B的立体空间三维图像，但立体空间三维图像被缩小了K倍。

计算机X射线数字立体图像观察与X射线断面扫描计算机重建立体图形有很大差别，前者是利用人的立体视觉，借助立体镜进行观察，如同观察到自然立体现象，后者是由线条和阴影虚拟构成的立体图形视觉。

X射线立体图像基础数学模型

分别在X射线成影像片P₁、P₂建立像片平面坐标系，如图7，o₁-x₁y₁和o₂-x₂y₂，F₁、F₂为X射线光源球管，F₁，F₂称焦点，坐标原点o₁、o₂为F₁F₂垂直辐射在P₁、P₂成影面上的交点，称主点。

当得到X射线立体观察像对P₁、P₂像片后，建立物体与X射线成影图像点之间的三维坐标基础数学模型。如图8，H为X射线光源焦点F₁、F₂至成影像片P₁、P₂的设定常数距离，M为两焦点F₁、F₂之间设定的常数距离。设物体空间坐标系X、Y轴与成影像片P₁的像片平面坐标x₁、y₁轴平行，Z轴垂直于像片P₁坐标原点o₁，空间坐标系原点O与像片P₁平面坐标系原点o₁的垂直距离为ΔH。

建立起影像点平面坐标系o-xy与物体点空间坐标系O-XYZ之间的关系，空间物体A在P₁、P₂成影面上的影像点分别为a₁、a₂，其像片平面坐标在P₁片上为x₁、y₁，在P₂片上为x₂、y₂。

依据立体观察原理，X坐标轴平行于眼基线，空间物体点A投影在两像片P₁、P₂的像点a₁与a₂平面x坐标之差为Δx＝x₁-x₂，Δx称投影视差，是立体视觉的来源。

在图8中作辅助线后可得出，当已设定焦点F₁、F₂和基线M，焦点F₁、F₂到成影面P₁、P₂的设定距离为H时：

∵ΔF₁o₁a₁′∽ΔF₁OA′；ΔF₁a₁a₁′∽ΔF₁AA′；

  $\frac{X}{x_1}=\frac{Z}{H};$ $\frac{Y}{y_1}=\frac{Z}{H};$ ∴  $X=\frac{Z}{H}{x}_1;$

又∵ΔF₂a₂′o₂∽ΔF₂A′A″；

则 $\frac{A^{\′}{A}^{\′\′}}{x_2}=\frac{Z}{H};$ $A^{\′}A=\frac{Z}{H}{x}_2;$

∵A′A″＝M-X；

故 $M-X=\frac{Z}{H}{x}_2;$

(因x₂本身带正负号，图8中_x2为负)

将(1-1)式中X代入(1-2)式： $M=\frac{Z}{H}(x_1-x_2);$

得 $Z=\frac{\mathrm{MH}}{(x_1-x_2)};$

∵Δx＝x₁-x₂；                     (1-3)式

∴

从(1-4)式得出物体的空间高度变化ΔH与立体像对中视差Δx有关，证明像点的视差Δx是立体视觉的来源。

联立(1-1)式和(1-4)式得：

(1-5)式是空间物体与X射线像对影像点之间三维空间坐标关系计算的联立方程式，是建立X射线立体图像观察的基础数学关系式。当量测并计录到空间物体X射线像对P₁、P₂像片上的相同像点影像平面坐标x₁、y₁、x₂后，用(1-5)式可计算得到物体的三维空间坐标值。

空间物体绝对高度变化为ΔH；

ΔH_i＝H-Z_i                        (1-6)式

空间物体点与点相对高差为ΔZ；

      ΔZ_i＝Z₀-Z_i                 (1-7)式

空间物体点与点相对视差为ωx；

      ωx_i＝Δx₀-Δx_i             (1-8)式

    由无数个三维空间坐标值将组成有位置、有大小形状的物体空间数字视觉立体

图像模型，实现这个三维空间立体图像观察***为计算机X射线数字立体图像观察

***。

    X射线图像的获得和立体图像观察

    要得到满足立体图像观察原理的X射线立体像对的二张像片，须有两个X射线

光源F₁、F₂，

或设两个F位置，并相隔一段距离M，才能获得立体像对。X射线图像的获得和立

体图像观察有两种技术途经，一是光电一体化***，二是机电一体化***。

    一.光电一体化***：记录X射线平面图像用电视摄像***，如图1，图1

中X射线发生器球管已设定了两个F₁和F₂，在F₁与F₂之间有设定的距离M，F₁、F₂

与X射线影像电子增强器P₁(P₂)之间有设定的距离H，但X射线影像电子增强器只

有一个，只要将F₁、F₂在照射时间上有一个轮换间歇开闭间隔，一个先透射，一个

后透射，这样就不断地在X射线影像电子增强器上由电子扫描记录到物体X射线的

平面像片，这些像片被分成奇偶数像片，由电视摄像器摄取后，经调制器转换成数

字信号后传给计算机，这些像片数字信号由计算机立体图像放影软件处理后，在电

视显示屏上闪烁显示奇偶像片，利用人大脑观察影像迟后消失性，使用偏振光眼镜，

就能观察到X射线立体图像。在立体观察中可量测计算得到物体三维空间坐标，用

计算机相关技术软件，可实现计算机跟踪观察、跟踪测量计算、自动重建物体的三

维立体图形、绘制物体内部地形图、显示物体的任意方向三维立体图像和图形、可

进行多图形多图像拼接、图像图形增强处理、并可用激光打印机输出图像或图形。

    二.机电一体化***：记录X射线平面图像用X光感光胶片，X射线发生器可

设一个，但应设两个投射位置F1、F2，才能拍摄有重叠的X光片。光机一体化***

如图9，1是像片盘、2是物镜、3是ΔY分量反光棱镜、4是ΔX分量反光棱镜、5

是反光棱镜、6是目镜，像片盘设置于X、Y轨道上，3、4反光棱镜设置于ΔX、Δ

Y轨道上，当将两张重叠的X光片分别放置于左、右像片盘后，观看目镜就能观察

到物体或人体内部X射线立体图像。X、Y、ΔX、ΔY的运行轨迹由光电码盘记录后

传给记算机计算三维空间坐标和图形处理。5.发明优点：

    在X射线图像应用领域，如X射线在医学影像诊断、X射线在工业机械探伤、X射线在安全检查、X射线在海关进出口货物检验等，均为二维平面图像观察，不能观察到物体或人体内部三维图像。X射线加计算机断层扫描技术是用二维断面扫描数据重建模拟三维立体图形，立体图形失真性大，不能实时动态的观察到立体图形，对扫描设备制造和计算机技术要求很高。本发明利用人的生理视差立体视觉原理，降底了设备制造和计算机计算难度，能实时动态的观察到物体或人体内部X射线三维立体完全仿真图像，并能进行图像图形处理，在上述领域中实现立体图像观察和图像图形处理。

Claims (9)

1. 该发明属X射线影像学、计算机图形图像处理技术。现行的X射线影像学设备中，X射线发生器只设置一个，当X射线透射物体或人体后，所观察到的X射线影像是二维平面图像，在对人体进行X射线断面扫描后，用计算机只能进行模拟重建三维立体图形。X射线立体图像观察***的发明特征有：

   1.设两个相隔一段设定距离安置的X射线发生器。
2. 2.设一个X射线发生器但有两个相隔设定距离安置X射线发生器的位置。
3. 3. 2、3X射线发生器轮流间歇向物体或人体透射X射线。
4. 4. 3透射的X射线被一个X射线影像电子增强器轮流间歇显示图像，电视摄像器摄取图像后经调制器传送至计算机，计算机处理X射线图像后在电子显示器上按3顺序轮流间歇显示增强图像。
5. 5.戴偏振光眼镜观察电子显示器，利用人的生理视差立体视觉观察物体内部或人体内部X射线三维立体全仿真图像。
6. 6.计算X射线立体观察图像三维坐标数学计算方法。
7. 7.在X射线立体图像观察中测量二维坐标的方法。
8. 8.用1、2、3获得两张X射线感光胶片。
9. 9.用光学分光立体镜观察X射线感光胶片，观察到5结果。

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