X射线相衬成像技术是自1995年开始引起关注的一类新型X射线成像技术。不同于传统的基于物质对X射线的吸收差异的成像方式，X射线相衬成像技术是通过捕捉X射线与物质相互作用后的相位变化信息来获取物质的内部结构。对于许多物质，特别是由低原子序数的轻元素组成的生物软组织、聚合物及纤维复合材料，当X射线穿过它们时，物质对射线的相位影响通常比对射线的吸收要大三到五个数量级，所以相衬成像能很好地克服传统成像无法对弱吸收物质进行高衬度成像的困难，使得空间分辨率可达到几微米。　　经过二十年的发展，X射线相衬成像技术主要衍生出以下四种:晶体干涉成像、衍射增强成像、同轴成像和光栅相衬成像。此外，还有一些在上述技术基础上进行改进的混合技术，如光栅式Bonse-Hart干涉成像和边缘照明成像等。在这些方法中，有些因为对光源的相干性要求过高，或对成像光路的稳定性要求甚严，抑或成像视场过于狭小，导致它们在实际应用中受到严重制约。近年来，随着光栅制作工艺的提升，能以常规廉价的X射线管作为光源并满足大视场的光栅相衬成像方法备受众多学者的青睐，这给相衬技术在材料科学、生物和临床医学等应用带来了光明。　　本文以国家自然科学基金重大科研仪器设备研制专项项目为背景，结合国内相关技术的研究现状，利用计算机仿真技术对相衬成像的真实物理过程进行了成像仿真研究，对国内自有技术路线的成像方案进行了可靠再现。为了使实际成像系统能够生成高质量的影像，针对成像过程，采用了有效的系统标定策略，分析成像的影响因子;针对成像结果，利用数字图像处理技术进一步改善了图像质量。本文的主要工作和创新点如下:　　1.结合蒙特卡罗技术和波动光学仿真了X射线成像过程，实现了一个仿真系统。该系统既可仿真传统成像，也可仿真相衬成像。传统成像只考虑了X射线的粒子特性，仅利用基于蒙特卡罗的粒子跟踪技术就可以接近真实地仿真成像过程的物理机制;而相衬成像还涉及到X射线的波动性，特别是光的衍射特性。该仿真系统通过采样转换技术连接光的粒子性和波动性，有效地仿真了相衬成像。仿真结果与实验数据之间的对比显示，该系统能够提供可靠的实验数据。除数据仿真外，整个系统集成了数据预处理、数据重建及可视化等多种功能，涵盖了不同成像原理（传统成像、同轴成像和光栅成像）、不同成像模式（平行束、扇形束和锥形束）等情形下的相关仿真与重建，为相关工作的深入研究提供了易交互、可扩展的开发平台。　　2.为了提高重建质量，提出了一种针对锥束圆形CT成像转台中转轴的标定策略。作为成像系统，CT自身成像几何参数的精度直接影响后续的三维重建。目前光栅相衬CT还处于实验阶段，探测物体的尺寸不算太大，通常将成像设备固定并将探测物放置于转台上。由于设备自身精度、机械振动及人为因素等影响，转轴微小的偏差都会对重建带来伪影并降低信噪比，这些伪影给实际的识别和诊断带来严重的影响，所以CT在工作之前需要对系统参数进行自检。针对这个问题，本文仿真设计了一个简单的模体和对应的标定算法来确定锥束CT成像中转台参数，通过实验分析，相对其他CT转轴标定算法，该方法简单有效，方便实用。　　3.针对光栅相衬成像，提出了一种基于傅里叶变换的相位恢复算法。整个CT系统，从成像到重建大体有三个不同层次的相位恢复:①采用步进法或莫尔条纹恢复得到投影的微分相位图;②从微分相位图恢复得到相位图;③根据投影图恢复物体内部每点的相位信息，通常称之为CT重建。针对②阶段中相位恢复，本文提出了基于单幅投影图的频域滤波相位恢复算法。相对于积分恢复法，可有效抑制条纹伪影;相对于采用两个互垂直方向投影图的频域滤波恢复法，可明显降低X射线的辐射剂量和实验设计复杂度。　　4.提出了一个无参考图像质量评价算法，并用于评价X射线成像的质量。影像质量的好坏直接影响目标的分析与诊断，建立与人类视觉系统相符合的自动图像质量评价方法是一个重要手段。在所有图像质量评价中，无参考评价难度最大，但也是真正意义上的和最具应用前景的评价方法。本文提出的无参考质量评价算法属于空域型，计算简单快捷。通过LIVE标准数据库上统计测试分析，该算法相对于当前其他同类算法具有明显的优势。　　5.提出了一种渐进式图像去噪算法，并用于提高X射线成像的质量。作为成像系统，CT扫描过程中不可避免会产生噪声，这些噪声会降低影像的信噪比，给后续的识别和诊断带来困扰。对此，本文提出了一种基于三维块匹配的渐进式图像去噪算法。该算法采用多层多次融合的设计结构，充分利用去噪图与原始噪声图之间的融合信息来进一步提升去噪性能。实验对比显示，随着噪声程度的加大，该算法性能提高的幅度愈加明显，并优于其他去噪算法。