留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种电磁层析图像快速重建算法

刘泽 肖君 刘向龙 赵鹏飞 李勇 霍继伟

刘泽, 肖君, 刘向龙, 等 . 一种电磁层析图像快速重建算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(8): 1569-1576. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0651
引用本文: 刘泽, 肖君, 刘向龙, 等 . 一种电磁层析图像快速重建算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(8): 1569-1576. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0651
LIU Ze, XIAO Jun, LIU Xianglong, et al. An algorithm for fast reconstruction of electromagnetic tomography images[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(8): 1569-1576. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0651(in Chinese)
Citation: LIU Ze, XIAO Jun, LIU Xianglong, et al. An algorithm for fast reconstruction of electromagnetic tomography images[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(8): 1569-1576. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0651(in Chinese)

一种电磁层析图像快速重建算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0651
基金项目: 

国家自然科学基金 61771041

详细信息
    作者简介:

    刘泽   男, 博士, 教授。主要研究方向:过程参数检测、电磁层析成像

    肖君   女,硕士研究生。主要研究方向:电磁层析成像

    通讯作者:

    刘泽, E-mail: zliu@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TP23;TP212

An algorithm for fast reconstruction of electromagnetic tomography images

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61771041

More Information
  • 摘要:

    针对电磁层析成像(EMT)逆问题中,灵敏度矩阵的病态性、不适定性等问题,提出了一种新的电磁层析图像快速重建算法。利用主成分分析(PCA)对灵敏度矩阵做降维映射,再利用奇异值分解(SVD)求广义逆矩阵,重建图像。在选取灵敏度矩阵的协方差矩阵的特征值个数中,利用灵敏度矩阵特有的多样本特性,提出图像相关系数最大化算法,更加合理地去除灵敏度矩阵中的冗余信息,在尽可能不丢失成像特征信息的条件下,提高了解稳定性。实际采集数据成像时,该算法只需一次矩阵乘法运算,为快速实时成像提供了可能。与传统单步算法和迭代算法相比,该算法在成像质量和速度上都有较明显优势。

     

  • 图 1  仿真数据和实验数据的协方差矩阵及其特征值分布

    Figure 1.  Covariance matrix and eigenvalue distribution of simulation data and experimental data

    图 2  多样本的图像相关系数均值分布

    Figure 2.  Image correlation coefficient mean distribution with multi-sample

    图 3  电动平移台及其控制器

    Figure 3.  Electric moving stage and its controller

    图 4  8线圈传感器激励检测系统

    Figure 4.  8-coil sensor excitation and detection system

    表  1  灵敏度矩阵降维前后多物体成像对比

    Table  1.   Multi-object imaging contrast before and after dimension reduction of sensitivity matrix

    表  2  各算法多物体仿真成像对比

    Table  2.   Comparison of multi-algorithm and multi-object simulation imaging

    表  3  仿真图像相关系数数据

    Table  3.   Image correlation coefficient data in simulation

    样本类型LBP法Tikhonov
    正则化法
    Landweber
    迭代算法
    降维
    SVD
    1物体-0.010 00.506 40.787 10.801 5
    2物体-0.007 00.595 40.761 90.688 5
    3物体-0.027 40.538 60.707 90.652 5
    4物体-0.040 60.424 50.644 90.606 1
    5长物体-0.026 50.279 60.319 40.326 4
    下载: 导出CSV

    表  4  仿真图像相对误差数据

    Table  4.   Image relative error data in simulation

    样本类型LBP法Tikhonov
    正则化法
    Landweber
    迭代算法
    降维
    SV
    1物体1.188 71.046 70.753 20.751 1
    2物体1.102 80.726 50.675 20.795 5
    3物体1.042 90.729 70.637 60.668 2
    4物体1.069 50.788 30.662 20.684 0
    5长物体3.422 00.886 50.868 80.875 2
    下载: 导出CSV

    表  5  各算法计算时间

    Table  5.   Calculation time of each algorithm

    ms
    样本类型LBP法Tikhonov
    正则化法
    Landweber
    迭代算法
    降维
    SVD
    1物体1.10.4200.10.2
    2物体1.20.4306.40.2
    3物体1.10.4440.40.2
    4物体1.20.3280.80.2
    5长物体1.20.4453.20.2
    下载: 导出CSV

    表  6  各算法实验成像对比

    Table  6.   Comparison of multi-algorithm experimental imaging

    表  7  实验图像相关系数数据

    Table  7.   Image correlation coefficient data in experiment


    样本类型
    LBP法Tikhonov
    正则化法
    Landweber
    迭代算法
    降维
    SVD
    1物体0.531 60.612 20.652 30.647 5
    2物体0.453 40.543 30.608 40.599 0
    3物体0.467 10.519 10.587 90.590 4
    下载: 导出CSV

    表  8  实验图像相对误差数据

    Table  8.   Image relative error data in experiment

    样本类型LBP法Tikhonov
    正则化法
    Landweber
    迭代算法
    降维
    SVD
    1物体0.960 30.787 00.674 10.685 0
    2物体0.959 70.696 60.667 20.671 1
    3物体0.953 70.778 30.693 00.687 6
    下载: 导出CSV
  • [1] PEYTON A J, BACK M S, BORGES A R, et al. Development of electromagnetic tomography(EMT)for industrial applications. Part1: Sensor design and instrumentation[C]//1st World Congress on Industrial Process Tomography, 1999: 306-317.
    [2] RAMLI S, PEYTON A J. Feasibility study of planar-array electromagnetic inductance tomography(EMT)[C]//1st World Congress on Industrial Process Tomography, 1999: 502-510.
    [3] 王化祥, 尹武良.用于多相界面检测系统的阵列式容栅电容传感器的优化设计[J].仪器仪表学报, 1996, 17(1):8-13. doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.1996.01.002

    WANG H X, YIN W L.Optimum design of an array of segmented capacitance sensor for multi-phase interface measuring system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 1996, 17(1):8-13(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.1996.01.002
    [4] LIU C, XU L J, CHEN J L, et al.Development of a fan-beam TDLAS-based tomographic sensor for rapid imaging of temperature and gas concentration[J].Optics Express, 2015, 23(17):494-511. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-23-17-22494
    [5] 刘泽, 薛芳其, 杨国银, 等.电磁层析成像灵敏度矩阵实验测试方法[J].仪器仪表学报, 2013, 34(9):1982-1988. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yqyb201309010

    LIU Z, XUE F Q, YANG G Y, et al.Experimental measurement method of sensitivity matrix for electromagnetic tomography[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(9):1982-1988(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yqyb201309010
    [6] 刘泽, 何敏, 徐苓安, 等.多激励模式的电磁层析成像系统[J].仪器仪表学报, 2001, 22(6):614-617. doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2001.06.019

    LIU Z, HE M, XU L A, et al.Multi-mode excitation electromagnetic tomography (EMT) system[J].Chinese Journal of Scientific Instrument, 2001, 22(6):614-617(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2001.06.019
    [7] 彭黎辉, 陆耿, 杨五强.电容成像图像重建算法原理及评价[J].清华大学学报(自然科学版), 2004, 44(4):478-484. doi: 10.3321/j.issn:1000-0054.2004.04.013

    PENG L H, LU G, YANG W Q.Image reconstruction algorithms for electrical capacitance tomography:State of the art[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2004, 44(4):478-484(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1000-0054.2004.04.013
    [8] 吴杰, 李明峰, 余腾.测量数据处理中病态矩阵和正则化方法[J].大地测量和地球动力学, 2010, 30(4):102-105. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dkxbydz201004019

    WU J, LI M F, YU T.Ill matrix and regularization method in surveying data processing[J].Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010, 30(4):102-105(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dkxbydz201004019
    [9] 徐驰, 韩磊, 张书第, 等.最小二乘矩阵滤波器设计与性能分析[J].舰船科学技术, 2011, 33(4):72-76. doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2011.04.014

    XU C, HAN L, ZHANG S D, et al.Design and performance analysis of least-square matrix filter[J].Ship Science and Technology, 2011, 33(4):72-76(in Chinese). doi: 10.3404/j.issn.1672-7649.2011.04.014
    [10] 王友华.病态矩阵的本质及其解决方法[J].矿山测量, 2005(2):62-63. doi: 10.3969/j.issn.1001-358X.2005.02.024

    WANG Y H.Essence of ill-conditioned matrix and corresponding solutions[J].Mine Surveying, 2005(2):62-63(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-358X.2005.02.024
    [11] 阮越, 陈汉武, 刘志昊, 等.量子主成分分析算法[J].计算机学报, 2014, 37(3):666-676. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjxb201403016

    RUAN Y, CHEN H W, LIU Z H, et al.Quantum principal component analysis algorithm[J].Chinese Journal of Computers, 2014, 37(3):666-676(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/jsjxb201403016
    [12] 周笋, 吉国力.基于改进BP算法的广义逆矩阵求解方法[J].厦门大学学报, 2003, 42(3):386-389. doi: 10.3321/j.issn:0438-0479.2003.03.027

    ZHOU S, JI G L.Generalized inverse matrix method based on BP algorithm[J].Journal of Xiamen University, 2003, 42(3):386-389(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:0438-0479.2003.03.027
    [13] 李高明, 李海鹏.求矩阵奇异值分解的一种新方法[J].数学实践与认识, 2011, 41(7):212-215. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sxdsjyrs201107028

    LI G M, LI H P.A new methods of matrix singular values decomposition[J].Mathematics in Practice and Theory, 2011, 41(7):212-215(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sxdsjyrs201107028
    [14] 朱晓临, 李雪艳, 邢燕, 等.基于小波和奇异值分解的图像边缘检测[J].图学学报, 2014, 35(4):563-570. doi: 10.3969/j.issn.2095-302X.2014.04.012

    ZHU X L, LI X Y, XING Y, et al.Image edge detection based on wavelet and singular value decomposition[J].Journal of Graphics, 2014, 35(4):563-570(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.2095-302X.2014.04.012
    [15] PENG L, YE J, LU G, et al.Evaluation of effect of number of electrodes in ECT sensors on image quality[J].IEEE Sensors Journal, 2012, 12(5):1554-1564. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=JJ0226557991
    [16] 冯洁婷, 颜刚, 王涛, 等.Tikhonov正则化参数选择对高速率刺激听觉诱发电位重建的影响[J].航天医学与医学工程, 2012, 25(1):54-60. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/htyxyyxgc201201012

    FENG J T, YAN G, WANG T, et al.Effects of parameter selection of Tikhonov regularization on reconstruction of high-rate auditory evoked potentials[J].Space Medicine & Medical Engineering, 2012, 25(1):54-60(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/htyxyyxgc201201012
    [17] 余瑞艳.基于混沌粒子群算法的Tikhonov正则化参数选取[J].数学研究, 2011, 44(1):101-106. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sxyj201101013

    YU R Y.Optimal choosing of Tikhonov regularization parameter based on chaos particle swarm optimization algorithm[J].Journal of Mathematical Study, 2011, 44(1):101-106(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/sxyj201101013
    [18] 唐利民, 朱建军.基于Landweber迭代的秩亏非线性最小二乘问题算法研究[J].大地测量与地球动力学, 2010, 30(1):95-98. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dkxbydz201001021

    TANG L M, ZHU J J.Algorithm based on Landweber iteration for solving rank deficiency nonlinear least squares proble[J].Journal of Geodesy and Geodynamics, 2010, 30(1):95-98(in Chinese). http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/dkxbydz201001021
    [19] 王旭, 王静文, 王柯元.阈值Landweber在MIT图像重建中的应用[J].东北大学学报(自然科学版), 2016, 37(4):477-480. doi: 10.3969/j.issn.1005-3026.2016.04.005

    WANG X, WANG J W, WANG K Y.Application of threshold-ing Landweber algorithm in MIT image reconstruction[J].Journal of Northeastern University (Natural Science), 2016, 37(4):477-480(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1005-3026.2016.04.005
  • 加载中
图(4) / 表(8)
计量
  • 文章访问数:  701
  • HTML全文浏览量:  101
  • PDF下载量:  416
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-23
  • 录用日期:  2017-12-01
  • 网络出版日期:  2018-08-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答