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电容成像双共轭梯度图像重建改进算法

马敏 范广永 孙颖

马敏, 范广永, 孙颖等 . 电容成像双共轭梯度图像重建改进算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1489-1494. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0015
引用本文: 马敏, 范广永, 孙颖等 . 电容成像双共轭梯度图像重建改进算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1489-1494. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0015
MA Min, FAN Guangyong, SUN Yinget al. Improved capacitance imaging biconjugate gradient image reconstruction algorithm[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1489-1494. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0015(in Chinese)
Citation: MA Min, FAN Guangyong, SUN Yinget al. Improved capacitance imaging biconjugate gradient image reconstruction algorithm[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1489-1494. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0015(in Chinese)

电容成像双共轭梯度图像重建改进算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0015
基金项目: 

国家自然科学基金 U1733119

详细信息
    作者简介:

    马敏  女, 博士, 教授, 硕士生导师。主要研究方向:无损检测及新型传感器

    范广永  男, 硕士研究生。主要研究方向:无损检测及新型传感器

    孙颖  女, 硕士研究生。主要研究方向:无损检测及新型传感器

    通讯作者:

    马敏, E-mail: mm5739@163.com MA Min, E-mail: mm5739@163.com

  • 中图分类号: TB971

Improved capacitance imaging biconjugate gradient image reconstruction algorithm

Funds: 

National Natural Science Foundation of China U1733119

  • 摘要:

    针对电容层析成像技术(ECT)逆问题中软场效应的影响,以及重建图像时使用的传统迭代类算法迭代次数多、成像速度慢等问题,将双共轭梯度(BICG)应用到电容层析成像技术中,为了得到更好的重建效果,提出了双共轭梯度与正则化思想相结合来求解逆问题的最佳解。通过COMSOL5.3软件进行建模,使用MATLAB 2014a进行图像重建与图像评估,分别使用Tikhonov、Landweber、共轭梯度(CG)、BICG、所提改进算法进行图像重建。实验表明:所提改进算法的成像效果不仅优于其他迭代类算法,而且大大缩短了图像重建需要的时间;尤其对一些复杂流型成像效果更佳,图像错误率低至约0.2,相关系数高达约0.88,成像时间缩短至2.77 s,迭代次数减少至20次。

     

  • 图 1  传统ECT系统模型

    Figure 1.  Traditional ECT system model

    图 2  BICG算法计算流程

    Figure 2.  BICG algorithm calculation flowchart

    图 3  ECT系统仿真

    Figure 3.  ECT system simulation

    图 4  传感器电势分布

    Figure 4.  Sensor potential distribution

    图 5  各模型重建图像

    Figure 5.  Reconstructed images of each model

    表  1  IME计算值

    Table  1.   Calculated values of IME

    仿真模型 Tikhonov算法 Landweber算法 CG算法 BICG算法 改进算法
    核心流 0.3880 0.2537 0.2420 0.2857 0.2524
    双泡流 0.4201 0.3813 0.4227 0.3512 0.3503
    三泡流 0.4802 0.4254 0.5012 0.4003 0.4010
    层流 0.5046 0.4213 0.9344 0.3612 0.3410
    环流 0.6548 0.5826 0.5802 0.2013 0.2106
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    表  2  CORR计算值

    Table  2.   Calculated values of CORR

    仿真模型 Tikhonov算法 Landweber算法 CG算法 BICG算法 改进算法
    核心流 0.7012 0.8063 0.7901 0.7886 0.8095
    双泡流 0.6325 0.6418 0.6558 0.7802 0.7795
    三泡流 0.5361 0.5904 0.5418 0.6217 0.6223
    层流 0.5241 0.6908 0.0130 0.7146 0.7134
    环流 0.4529 0.4608 0.4621 0.8592 0.8786
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    表  3  成像算法数据对比

    Table  3.   Comparison of imaging algorithm data

    算法 迭代次数 成像时间/s
    Tikhonov算法 3.06
    Landweber算法 120 4.47
    CG算法 200 10.32
    BICG算法 50 3.12
    改进算法 20 2.77
    下载: 导出CSV
  • [1] 张立峰.压缩感知在电容层析成像中的应用[J].北京航空航天大学学报, 2017, 43(11):2316-2321. https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract14344.shtml

    ZHANG L F.Application of compressed sensing in electrical capacitance tomography[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(11):2316-2321(in Chinese). https://bhxb.buaa.edu.cn/CN/abstract/abstract14344.shtml
    [2] BROWN B E.International society for reef studies[J].Coral Reefs, 1984, 3(1):58. doi: 10.1007/BF00306141
    [3] KAGAWA Y, MURAI T.Numerical simulation of acoustic levitation[C]//IEEE 1985 Ultrasonics Symposium.Piscataway, NJ: IEEE Press, 1985: 198574.
    [4] VAUHKONEN M, KARJALAINEN P A, KAIPIO J P.A Kalman filter approach applied to the tracking of fast movements of organ boundaries[C]//Proceedings of the 20th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.Piscataway, NJ: IEEE Press, 1998: 6345874.
    [5] YANG W Q, SPINK D M, YORK T A, et al.An image reconstruction algorithm based on Landweber's iteration method for electrical capacitance tomography[J].Measurement Science and Technology, 1999, 10(11):1065-1069. doi: 10.1088/0957-0233/10/11/315
    [6] KIM D K, KIM S B, KIM H K.Image processed tracking system of multiple moving objects based on Kalman filter[J].KSME International Journal, 2002, 16(4):427-435. doi: 10.1007/BF03185072
    [7] YANG W Q, STOTT A L, GAMIO J C.Analysis of the effect of stray capacitance on AC-based capacitance transducer for tomography[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2003, 52(5):1674-1681. doi: 10.1109/TIM.2003.817925
    [8] 王化祥, 朱学明, 张立峰.用于电容层析成像技术的共轭梯度算法[J].天津大学学报, 2005, 38(1):1-4. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/tianjdxxb200501001

    WANG H X, ZHU X M, ZHANG L F.Conjugate gradient algorithm for electrical capacitance tomography[J].Journal of Tianjin University, 2005, 38(1):1-4(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/tianjdxxb200501001
    [9] 王化祥, 胡理, 赵波.基于自适应网格剖分的EIT图像重建算法[C]//中国生物医学工程进展——2007中国生物医学工程联合学术年会, 2007: 5.

    WANG H X, HU L, ZHAO B.EIT image reconstruction algorithm based on adaptive meshing[C]//Progress in Biomedical Engineering in China—2007 China Biomedical Engineering Joint Academic Annual Meeting, 2007: 5(in Chinese).
    [10] 田沛, 秦京建, 秦旭刚.基于两相流电容层析成像系统的正则化Landweber算法[J].仪器仪表用户, 2018, 25(9):90-92. doi: 10.3969/j.issn.1671-1041.2018.09.027

    TIAN P, QIN J J, QIN X G.Regularized Landweber algorithm based on two-phase electrical capacitance tomography system[J].Instrumentation Users, 2018, 25(9):90-92(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1671-1041.2018.09.027
    [11] 袁俊峰.基于并行稳定双共轭梯度算法的不可压缩管流数值模拟[D].杭州: 杭州电子科技大学, 2013.

    YUAN J F.Numerical simulation of incompressible tube flow based on parallel stable double conjugate gradient algorithm[D].Hangzhou: Hangzhou University of Electronic Science and Technology, 2013(in Chinese).
    [12] 彭政, 陈东方, 王晓峰.正则化超分辨率重建过程的自适应阈值去噪[J].计算机应用, 2017, 37(7):2084-2088. doi: 10.3969/j.issn.1001-3695.2017.07.036

    PENG Z, CHEN D F, WANG X F.Adaptive threshold denoising of regularized super-resolution reconstruction process[J].Journal of Computer Applications, 2017, 37(7):2084-2088(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-3695.2017.07.036
    [13] 陈德运, 陈宇, 王莉莉, 等.基于改进Gauss-Newton的电容层析成像图像重建算法[J].电子学报, 2009, 37(4):739-743. doi: 10.3321/j.issn:0372-2112.2009.04.012

    CHEN D Y, CHEN Y, WANG L L, et al.Image reconstruction algorithm based on improved Gauss-Newton for electrical capacitance tomography[J].Chinese Journal of Electronics, 2009, 37(4):739-743(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:0372-2112.2009.04.012
    [14] CUI Z, WANG H, YIN W.Electrical capacitance tomography with differential sensor[J].IEEE Sensors Journal, 2015, 15(9):5087-5094. doi: 10.1109/JSEN.2015.2446982
    [15] 马平, 司志宁.基于小波变换的CT/ECT图像融合方法[J].计量学报, 2018, 39(4):536-540. doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2018.04.18

    MA P, SI Z N.CT/ECT image fusion method based on wavelet transform[J].Acta Metrologica Sinica, 2018, 39(4):536-540(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1000-1158.2018.04.18
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-16
  • 录用日期:  2019-02-02
  • 网络出版日期:  2019-08-20

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