岩石材料X射线CT图像伪影研究

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由于X射线CT技术可以动态、定量和无损伤地量测被测物体的内部结构,因而其应用领域不断扩大,从原来的医学领域扩大到工业材料乃至岩土工程界。岩石材料X射线CT试验主要目的是透视岩石试样在各个受力阶段变形破裂过程中的内部细节,确定岩石特性与CT数之间的定量关系,探索岩石损伤破裂演化的一般规律。由于受仪器精度、测试方式、图像重建等各种因素的影响,与医学CT图像相似,岩石材料CT图像也存在伪影现象。开展此类伪影的专题研究对正确判断CT图像、合理应用CT信息以及深入提取试验成果等方面有着重要意义。在充分了解CT机工作原理和CT图像获取过程的基础上,对完整岩石试样和预设裂纹岩石材料试样进行CT试验,获取不同荷载作用下的CT试验数据,并将这些数据转换成直观的CT图像。从这些CT图像入手,通过CT数对比分析,判断出四种CT图像伪影:边界伪影、弧形伪影、错位伪影和裂纹伪影。应用CT图像重构模拟、CT数统计、小波变换、Fourier变换、滤波器优化、最小二乘拟合等多种方法分别研究了四类伪影的产生机理、减小或消除方法以及试样信息提取方法。研究发现,边界伪影与CT重构算法中滤波器函数有关,通过优化滤波器可以明显改善图像质量,虽然伪影不可能完全消除,但却包含了岩体边界信息,据此可以提取岩体试样尺寸信息。弧形伪影的产生是射束硬化所致,此类伪影可以根据频率差异通过Fourier变换法或小波分解法消除。错位伪影的产生是岩体试样的位置在CT扫描过程中发生变化所致,即两幅图像在运算前没有对齐,形成“阴阳环”图像,此类伪影可通过图像配准消除。裂纹伪影与CT机分辨率有关,由于CT机扫描间隔和X射线束宽度的限制,岩石内部裂纹宽度小于CT机分辨率,导致CT图像裂纹失真。基于裂纹区极小值,提出确定裂纹宽度的方法。上述研究虽然是针对岩石材料,但对脆性均质材料CT试验具有借鉴意义。
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