面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法.pdf

第 43 卷 第 1 期Vol.43,No.12024 年 1 月Journal of Applied AcousticsJanuary,2024 研究报告 面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法张金英1,2史亦凡1吴先梅3,4(1 精密光电测量仪器及技术北京市重点实验室北京理工大学光电学院北京100081)(2 北京理工大学长三角研究院嘉兴314001)(3 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100090)(4 中国科学院大学北京100049)摘要：超声显微成像技术广泛应用于工业无损检测领域。相较于闭环、半闭环扫描系统硬件复杂、成本高，开环扫描系统结构简单、成本低，但由于无反馈机制会导致步进电机的非线性运动引起图像像素错位畸变。因此，消除非线性运动带来的错位畸变是采用开环扫描系统实现高质量超声成像的关键。该文提出集最大值投影法、最大类间方差法和中心坐标校正法于一体的MIP-Otsu-C3M方法，对开环扫描系统获得的硬币回波数据采用最大值投影法获取初始灰度图像，采用最大类间方差法获取感兴趣区域的扫描图像边缘像素位置，并采用中心坐标校正法成功消除像素错位，解决了超声扫描图像畸变问题。对消除错位畸变的回波数据进行飞行时间法和傅里叶变换法图像重建，直接获得了非畸变的三维图像和透视图像。该新颖算法也验证了最大值投影法可拓展至图像畸变校正应用。关键词：超声显微成像；开环扫描系统；畸变校正；最大值投影；最大类间方差法中图法分类号:TH878+.2;TH89文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)01-0160-09DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.01.019Ultrasonic image distortion correction approach for open-loop scanning systemZHANG Jinying1,2SHI Yifan1WU Xianmei3,4(1 Beijing Key Lab of Precision Optoelectronic Measurement Instruments and Technology,School of Optics and Photonics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)(2 Yangtze Delta Region Academy of Beijing Institute of Technology,Jiaxing 314001,China)(3 State Key Laboratory of Acoustic,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100090,China)(4 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:Ultrasonic microscopy is widely used in industrial nondestructive testing.Compared with theclosed-loop and semi-closed-loop scanning systems,the hardware structure of the open-loop scanning system issimple and the cost is low.However,the non-linear motion of the stepping motor will lead to image distortionof the pixel dislocation due to the lack of feedback mechanism.Therefore,eliminating the dislocation distortioncaused by nonlinear motion is the key to realize high-quality ultrasonic imaging using open-loop scanningsystem.In this paper,a MIP-Otsu-C3M method is proposed.It integrates the maximum intensity projection(MIP)method,the maximum between-cluster variance(Otsu)method and the central coordinate correctionmethod(C3M).For the echo data obtained by the open-loop scanning system,the MIP method is used to2022-08-13收稿;2022-10-10定稿国家自然科学基金项目(62174012,61704166),国家重点研发计划项目(2018AAA0100301)作者简介:张金英(1982),女,山东济南人,博士,研究员,博士生导师,研究方向:MEMS及超声、光声、光热成像。通信作者 E-mail:;第43卷 第1期张金英等：面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法161obtain the initial gray image,the Otsu method is used to obtain the edge pixel positions of the B-scan imageof the region of interest,and the C3M method is used to eliminate the pixel dislocation.The coin imagesdemonstrated that the ultrasonic C-scan image distortion is successfully eliminated.The time of flight methodand Fourier transform method are used to reconstruct the echo data which have been corrected from thedislocation distortion,and the undistorted three-dimensional image and perspective image are obtained directly.The new algorithm also verifies that the MIP method can be extended to the application of image distortioncorrection.Keywords:Ultrasonic microscopy;Open-loop scanning system;Distortion correction;Maximum intensityprojection;Maximum between-cluster variance method0 引言超声显微成像技术利用物体的声阻抗差异，通过探测回波信号实现对物体表面及亚表面结构的三维成像，具有非侵入、无辐射、高分辨、穿透深等显著优势，广泛应用于半导体、芯片封装检测、复合新材料、金刚石复合片、航空航天材料、低压电器、新能源锂电池和碳纤维材料等领域内部缺陷检测。由于高频(30 MHz)超声阵列换能器的制备15及与高频相控阵电路的集成69仍存在巨大挑战，超声显微成像技术难以利用相控阵扫描技术，目前仍采用机械扫描方式。机械扫描主要包括闭环、半闭环、开环3种控制方式。闭环控制系统通常采用光栅尺或编码器等运动检测器读取电机的运动位置信息，将其反馈至运动控制器和上位机，并根据该反馈位置信息做出调整使电机修正运动位置，实现最佳定位精度，但这种调整往往使得连续扫描成像难以实现，仅适用于逐点扫描成像。半闭环控制系统在硬件上与闭环控制一致，也是需要采用光栅尺或编码器读取电机的运动位置信息，将其反馈至运动控制器和上位机。不同的是，半闭环控制系统不会根据反馈位置信息对电机运动做出调整，因此可以实现快速连续扫描，但在利用位置信息和回波信号进行图像重建时需要谨慎采用插值算法以消除图像畸变。开环控制系统也叫“无反馈系统”，即没有反馈功能来调节驱动系统。与闭环、半闭环系统相比，开环控制系统简单得多，无需光栅尺或编码器，仅利用回波信号进行图像重建，可以实现快速的连续扫描成像，但存在非线性运动引起的图像畸变。开环控制方式虽然不如闭环、半闭环控制方式的定位精度高，但由于结构简单、易于调试、成本低廉，多年来在激光扫描、数控系统、外骨骼增强等诸多领域获得了广泛应用。1994年，田雯等10研制了开环控制的二维激光扫描动态检测系统，利用对系统随机误差的修正，很好地实现了工件超差的准确判别。2004年，施群等11提出了应用于开环系统的高精度均匀插补算法，通过软硬件结合的方式保证了开环步进电机控制脉冲的均匀性，提高了开环系统的数控精度。2020年，Orekhov等12研制并对比了3种人类脚踝外骨骼辅助行走系统，证明了开环控制方式不仅在扭矩追踪能力等性能上优于闭环控制，并且具有更低的能量损耗、噪声及复杂度，具有更优的商业前景。在超声显微成像中，目前研究人员广泛采用的机械扫描方式还是闭环、半闭环控制系统。2019 年，Shoukroun等13利用自主搭建的闭环超声扫描系统对新型的X射线CT系统的探伤检测进行评估和校准验证，该超声成像系统的聚焦声斑为280 m；2020年，Svilainis等14利用三维闭环机械扫描系统对高频聚焦超声换能器进行C扫描成像，聚焦声斑为350 m，还可对超声换能器进行性能测试和验证，指导新的换能器制造方法；2021年，Lim 等15研制了一套超声热疗检测双模式医疗设备，该设备应用德国PHYSIC仪器的L-509半闭环扫描系统进行C扫描成像，分辨率为200 m，在小鼠实验上取得了阶段性成功。这些闭环扫描系统具有反馈机制，定位精度高、成像分辨率高，但是系统复杂、所需硬件成本高。如果能采用开环控制系统实现快速连续扫描，并将非线性运动引起的图像畸变消除，就会显著降低超声显微成像系统的成本和控制复杂度。本文提出一种面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法，通过改进图像重建算法消除非线性运动引起的图像畸变，具有校正简便、控制简单、成本低廉等特点，能够适应多种目标检测和成像需求。1622024 年 1 月1 图像畸变校正原理在超声显微成像中，通过A扫描获得待测样品某个位置处的回波信号，反映了该处轴向的深度信息(图1(a)(b)；当扫描系统按照直线方式运动时，可获得多个A扫描的回波信号，构成B扫描，反映了待测样品沿该直线的剖面信息(图1(c)；当扫描系统按照蛇形或梳形方式运动时，可获得多个A扫描的回波信号，构成C扫描，反映了待测样品在某个深度的层析信息或表面形貌(图1(d)。t/sV/V(a)?A?(b)?A?(c)?B?(d)?C?图1超声扫描方式示意图Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic scanningmode在由B扫描或C扫描获得超声图像时，必须保证超声图像中每个A扫描回波信号对应的像素点位置与扫描探头的实际位置一致，这在闭环系统中容易实现，通常通过伺服电机的编码器或利用光栅尺等将步进电机扫描的精确位置反馈至上位机来实现(图2(a)。在开环系统中，由于运动控制器只负责发出扫描指令而无扫描探头的位置信息反馈(图2(b)，难以保证像素点位置与扫描探头的实际位置完全一致。当扫描系统按照连续直线方式运动时，即使运动控制器在每次直线扫描(B扫描)过程中发射驱动脉冲数量相同，每次直线运动情况也不完全一致，主要是线性运动区的起始和终止位置不同。这是由于步进电机转子转动时，运动速度并不总是均匀的，其开始和停止过程存在加速和减速运动，会引入空触发等造成的位移误差。因此，当采用开环系统连续直线扫描时，不论采用蛇形扫描(图3(a)还是梳形扫描(图3(b)，由于存在加速和减速过程诱导的非线性运动(图3(c)(d)，导致每个B扫描的线性运动区起始位置和终止位置均存在随机误差(图3(e)，从而使得感兴趣区域(Region of interest,ROI)出现错位，引起图像像素错位畸变。在开始运行一段时间后，速度趋于稳定(即进入线性运动区)，此时位移误差大幅降低，可忽略不计。?-?(a)?-?(b)?图2扫描系统工作原理框图Fig.2 Scanning system working principle block diagram第43卷 第1期张金英等：面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法163?(a)?C?(b)?C?(c)?(d)?(e)C?图3像素错位产生原因示意图Fig.3 Schematic diagram of causes of pixel dislocation因此，在开环扫描中，需要解决的主要问题是消除线性运动区起始和终止位置的错位误差。一个简单的解决方法是将ROI置于扫描系统的线性运动区。为了解决非线性运动引起的像素错位问题，本文提出集最大值投影(Maximum inten-sity projection,MIP)法、最大类间方差(Maximumbetween-cluster variance,Otsu)法和中心坐标校正法(Central coordinate correction method,C3M)于一体的MIP-Otsu-C3M方法，图像畸变校正原理如图4所示。首先采用MIP法获得ROI表面散射形貌的灰度图像(图4(a)，其次利用Otsu法获得灰度图像中每一行的ROI边缘像素位置(图4(b)，进而获取每一行两个边缘像素的对称中心位置(图4(c)，将每一行的像素整体进行平移校正，直至将对称中心移动到图像对称轴所在的列(图4(d)。由于两侧均为非ROI区域，因此平移时可将一侧溢出数据补充至另一侧，无需考虑灰度图两侧的校正问题。平移校正后，即可获得消除ROI像素错位畸变的灰度图像。需要说明的是，除了Otsu边缘检测算子法，也可利用图像中背景像素与ROI表面散射边缘像素存在明显灰度值差异，采用观察法或其他边缘检测算子法来确定ROI的边缘像素位置。2图像畸变校正算法本文提出的MIP-Otsu-C3M图像畸变校正算法处理流程如表1所示，主要包括数据预处理、MIP、Otsu、C3M等4个步骤。(a)?(b)Otsu?(c)?(d)?MIP?ROI?ROI?MIP?图4MIP-Otsu-C3M方法错位畸变校正原理示意图Fig.4 Schematic diagram of MIP-Otsu-C3M method for dislocation distortion correction1642024 年 1 月表1图像畸变校正算法处理流程伪代码Table 1 Image distortion correction algorithm process pseudo-code1.对A扫描原始数据进行预处理：输入所需变量数据，包括滤波器参数、以图2(b)为例的全部A 扫描原始数据、图像分辨率(x,y)(由扫描点数决定)等；对全部A 扫描原始数据进行剪切、数字滤波和希尔伯特变换等处理，获得预处理数据，处理过程如图5所示。2.利用MIP获得灰度图像：输入预处理数据：for i 1到xfor j 1 到ya 第i行、第j 列的A扫描预处理数据；对a进行MIP计算，将计算结果保存到D(i,j)中；endend将D 矩阵中所有的数据归一化到0,255；处理过程如图6所示。3.确定灰度图像的ROI左右边缘位置：输入归一化数据D，D 为x行、y 列的灰度矩阵；利用Otsu边缘检测算法或数据观察法确定阈值v，该阈值v 用于确定灰度图像的ROI左右边缘位置；设置矩阵L(x,2)，L包含x行，每行包含左右2 个边缘像素位置；for i 1到xfor j 1 到yif D(i,j)大于v则L(i,1)=j;break；endend如果没有符合条件的位置，则L(i,1)=y/2;for j y 到1if D(i,j)大于v则L(i,2)=j;break;endend如果没有符合条件的位置，则L(i,2)=y/2;end4.对灰度图像进行中心坐标校正：设置原始灰度图像中目标每行的中心位置为向量C(x,1)；C(x,1)=(L(x,1)+L(x,2)/2;设置每行所需要的校正补偿量为offset(x,1)；offset(x,1)=y/2 C(x,1);设置R(x,y)为校正后的灰度矩阵；for i 1到xif(offset(i)大于0)将第i行整体向右移动n次，n=offset(i)；每次移动时，将最右侧像素值补充至最左侧第一个像素位置；移动完毕后，将该行数据保存到R矩阵中的对应行；endif(offset(i)等于0)不需要移动，将该行数据直接保存到R矩阵中的对应行；endif(offset(i)小于0)将第i行整体向左移动n次，n=abs(offset(i)；每次移动时，将最左侧像素值补充至最右侧第一个像素位置；移动完毕后，将该行数据保存到R 矩阵中的对应行；endendR矩阵即为校正后的灰度图像。第43卷 第1期张金英等：面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法165t/st/st/st/sV/VV/VV/VV/V(a)?A?(b)?(c)?(d)?图5对A扫描超声回波信号的预处理过程Fig.5 Preprocessing of ultrasonic A-scan signal 图6MIP法获得灰度图像示意图Fig.6 MIP method to obtain gray image schematic3 结果与讨论本文采用如图2(b)所示的开环控制方式，利用三轴平移运动位移台带动高频聚焦超声换能器(OLYMPUS V376-SU，30 MHz)对待测样品(游戏硬币、五角硬币)进行蛇形或梳形C扫描。位移台由步进电机(北光世纪 SC100)驱动，步进电机通过运动控制器与上位机相连。超声换能器与脉冲发射-接 收 器(JSR Ultrasonic DPR 500，带 宽300 MHz)连接，接收到的回波信号经过脉冲发射-接收器的放大、滤波等前置电路处理，由示波器(R&S RTB2004)采集后以二进制数据传输至上位机。在连续直线扫描时，上位机发送指令至运动控制器，驱动三轴位移台按预设路径进行C扫描运动。为实现机械扫描、脉冲发射及数据采集的同步工作，运动控制器向步进电机每发送N 个驱动脉冲，超声换能器发射一次超声信号并接收回波信号，同时示波器将该回波信号采集后传输至上位机。如果运动控制器向步进电机每发送N 个驱动脉冲，位移台能够移动相同的长度，则经过MIP 后获得的灰度图像应无像素错位畸变。然而，如前所述，步进电机的加速、减速过程引入的非线性运动，使得在加速、减速阶段，不能保证位移台移动相同长度，因此本文对如图7(a)所示的游戏硬币进行蛇形C扫描，经MIP法获得的灰度超声图像显示了明显的像素错位畸变，如图7(b)所示。对五角硬币进行梳形C扫描，经MIP法获得的灰度图像及其边缘图像均显示了明显的像素错位畸变，如图8(a)(b)所示。采用本文提出的MIP-Otsu-C3M方法对图7(b)、图8(a)所示的灰度图校正后，得到如图7(c)、图8(c)所示的灰度图，对图8(c)灰度图提取边缘图像如图8(d)所示，可见校正后的图像大幅消除了图像像素错位畸变，准确显示了硬币上的各种文字和图案等信息。在Windows 10操作系统环境下，利用图像处理软件对本方法代码进行测试运行，平均运行时间约为1.9 s。1662024 年 1 月(a)?(b)?(c)?3 mm图7蛇形C扫描的游戏硬币时域MIP法超声图像Fig.7 Snake C-scan game coin ultrasound image with MIP method(a)?(b)?(c)?(d)?3 mm图8梳形C扫描的五角硬币时域MIP法超声图像Fig.8 Raster C-scan coin ultrasound image with MIP method in time domain本文提出的MIP-Otsu-C3M方法不只适用于上述时域MIP法超声成像，也适用于飞行时间(Time of flight,TOF)法及频域法超声成像。图9(a)为未采用MIP-Otsu-C3M方法校正的TOF法二维灰度图，图9(b)为采用MIP-Otsu-C3M方法校正后利用TOF法重建的灰度图。TOF 法与MIP法类似，区别是每个像素的灰度值来源于幅度最大值所对应的时间信息。TOF法以三维图表示时更能反映ROI的形貌信息，即TOF反映物体表面的起伏程度或者厚度，如图9(c)所示。图10(a)为五角硬币的正面、背面图案照片，图10(b)为对预处理回波信号进行傅里叶变换后，利用频域MIP 法重建的灰度图。对预处理回波信号采用MIP-Otsu-C3M方法校正后再进行傅里叶变换，利用频域MIP法重建的灰度图如图10(c)所示。可以看出，采用MIP-Otsu-C3M方法校正后，不论是TOF法灰度图、三维图，还是频域法MIP图，均显著消除了图像像素错位畸变。3 mm010?/mm20(a)?(c)?(b)?图9五角硬币TOF法超声图像Fig.9 Coin ultrasound image with TOF method第43卷 第1期张金英等：面向开环扫描系统的超声图像畸变校正方法167(a)?(b)?(c)?3 mm图10五角硬币及频域MIP法超声图像Fig.10 Coin and ultrasound image with MIP method in frequency domain与图8(c)所示的时域MIP灰度图不同，图10(c)所示的频域MIP灰度图除显示了五角硬币正面的图案信息，也显示了其背面的图案信息。这是因为，本文将硬币放置于30 MHz 聚焦超声换能器的景深内，换能器发射的声波可穿透硬币，在正面、背面均产生回波或散射。超声成像的对比度来源于声阻抗差异，当声波由水入射至硬币表面时，二者之间巨大的声阻抗差异使得硬币正面的反射回波很大。如果硬币表面是平整的，反射回波会被换能器接收产生强回波信息；如果硬币表面具有起伏的棱角，声波会被散射而大幅降低被换能器接收的能量。因此超声回波主要携带的信息为硬币界面的散射形貌。在时域MIP中，硬币正面的回波强度大大高于背面的回波强度，取最大值时仅选取了正面的回波幅值，因此仅呈现了正面的图案信息。而在频域MIP 中，当正面、背面均产生反射回波时，其声波频率均为30 MHz左右，傅里叶变换中均对30 MHz附近的频率成分产生贡献，具有最大的频域MIP值；当正面产生反射回波、背面产生散射无回波时，其30 MHz附近的频率成分仅由正面回波贡献，具有较大的频域MIP值；当正面产生散射无回波、背面产生反射回波时，其30 MHz附近的频率成分仅由背面回波贡献，具有较小的频域MIP值；当正面、背面均产生散射无回波，其30 MHz附近的频率成分具有最小的频域MIP值。因此频域MIP既包含了正面的图案信息，也包含了背面的图案信息，这表明该方法对探测超声内部结构具有重要潜力和价值。MIP法通常仅用于获得灰度图像，是血管造影等生物医学领域常见的图像重建方法16，而本文提出的MIP-Otsu-C3M方法则是利用MIP法不仅实现了MIP图像的像素错位畸变校正，而且在校正MIP图像的同时，实现了C扫描预处理数据的整体校正，为更灵活的TOF法、傅里叶变换法及层析法等图像重建处理提供了消除错位的数据。这拓展了MIP法的应用领域。(a)?ROI?(b)?ROIROI?图11圆形轮廓模具推荐放置方法Fig.11 Recommended placement method for thering mold需要指出的是：(1)本文提出的MIP-Otsu-C3M方法需要在ROI所需扫描面积的基础上预留非线性运动区，这会增大额外的C扫描区域。不过目前商用步进电机每个连续直线扫描的加速、减速过程很快，非线性运动区的长度很短，因此预留扫描范围很小，对C扫描成像速度影响较小。(2)本方法在图像矫正方面利用了目标物体的轴对称特性，即需要每个行扫描中物体占据的有效像素点具有共同的对称轴，仅需找到每行的对称轴，将原本错位1682024 年 1 月的对称轴平移至同一列，即可实现所有行扫描的对齐。因此本文提出的MIP-Otsu-C3M方法仅适用于对圆形轮廓的目标物体进行超声成像，而对非圆形轮廓的目标物体，则需要借助圆形轮廓的模具，例如材质为超声可探测的圆环，采用图11所示方法放置。只要圆形轮廓模具和ROI均位于线性运动区，则借助圆形轮廓模具实现错位畸变校正，即可获得非畸变的ROI超声图像。该方法在保证所提MIP-Otsu-C3M校正算法的精确度和优越性的同时，进一步扩大了校正算法的使用范围。4 结论开环扫描方式控制简单、硬件成本低，但无反馈机制会引起超声图像错位畸变。本文提出了一种面向开环扫描系统的图像畸变校正方法，集合了MIP、Otsu和C3M多种算法，从实验上验证了该方法对蛇形、梳形C扫描图像均有消除错位畸变的效果。利用校正后的C扫描数据，获得了五角硬币的TOF法和傅里叶变换法非畸变图像。最后讨论了所提校正方法两个可能的应用局限，均给出了相应解决方案。本文提出的MIP-Otsu-C3M方法有利于开环扫描系统应用于超声显微成像，且拓展了MIP法的应用。参考文献1 Zhang J Y,Xu W J,Carlier J,et al.Modelling and simu-lation of a high-frequency(100 MHz)ultrasonic phased ar-rays based on single crystal LiNbO3J.Ultrasonics,2012,52:4753.2 Zhang J Y,Xu W J,Carlier J,et al.Numerical andexperimental investigation of Kerf depth effect on high-frequency phased array transducerJ.Ultrasonics,2012,52:223229.3 Zhang J Y,Xu W J,Carlier J,et al.Micromachined high-frequency ZnO ultrasonic linear arraysC.IEEE Interna-tional Ultrasonics Symposium,Prague,Czech Republic,2013:2125.4 Zhang J Y,Xu W J,Carlier J,et al.A controllablewet-etching method to fabricate high-frequency ZnO ul-trasonic arraysC.International Congress on Ultrasonics,Singapore,2013:25.5 Zhang J Y,Xu W J,Carlier J,et al.A self-alignedand mask-free fabrication 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