XplorePlane/XP.Calibration

XP.Calibration

平面 CT 系统几何校准库，基于 .NET 8 + Emgu.CV，从 C++ OpenCV 实现移植而来。

功能

提供两种校准方法：

• 中心校准 (CenterCalibration) — 从投影序列检测球心轨迹，椭圆拟合后反算倾斜角和焦点投影偏移，适用于快速估算
• 完整几何校准 (FullCalibration) — 基于 TIGRE 投影模型（角点法），使用 Levenberg-Marquardt 优化器同时优化 5~9 个几何参数

项目结构

XP.Calibration/
├── Models/
│   ├── CalibrationModels.cs        # EllipseResult, GeoParams, CenterCalibrationResult
│   ├── FullCalibrationResult.cs    # 完整校准输出 (各参数 + RMS)
│   └── FullCalibrationOptions.cs   # 优化模式选项
├── Core/
│   ├── RawReader.cs                # RAW float32 投影数据读取
│   ├── BallDetector.cs             # 球心检测 (自适应阈值+亚像素质心 / Canny+椭圆拟合)
│   └── TigreProjection.cs          # TIGRE 投影模型 (rollPitchYaw + eulerZYZ)
├── CenterCalibration.cs            # 中心校准
└── FullCalibration.cs              # 完整几何校准 (LM 优化)

校准参数

完整几何校准支持三种模式：

模式	参数数	优化参数
基础	5	ay, det_y, det_x, det_z, R
+探测器偏移	7	基础 + offDetecU, offDetecV
+距离	9	基础 + offDetecU, offDetecV + DSO, DSD

参数含义：

参数	说明	TIGRE 对应
ay	旋转轴倾斜角	angles[:,1]
det_x	探测器 dYaw (Rx)	rotDetector[:,0]
det_y	探测器 dPitch (Ry)	rotDetector[:,1]
det_z	探测器 dRoll (Rz)	rotDetector[:,2]
R	物体偏移半径	offOrigin[:,2] = -R
offDetecU/V	探测器平移偏移	offDetector[:,0]/[:,1]
DSO	焦点到旋转中心距离	geo.DSO
DSD	焦点到探测器距离	geo.DSD

使用示例

中心校准

var geo = new GeoParams
{
    DSO = 200, DSD = 500, PixelSize = 0.6,
    NDetecU = 512, NDetecV = 512
};

var calib = new CenterCalibration();
var result = calib.CalibrateFromRaw("projections.raw", 512, 512, 360, geo);

Console.WriteLine($"倾斜角: {result.AlphaDeg:F2}°");
Console.WriteLine($"R: {result.R_mm:F2} mm");
Console.WriteLine($"焦点投影: ({result.FocalU:F2}, {result.FocalV:F2})");

完整几何校准 (5 参数)

var geo = new GeoParams
{
    DSO = 250, DSD = 450, PixelSize = 0.6,
    NDetecU = 512, NDetecV = 512
};

var full = new FullCalibration();
var result = full.CalibrateFromRaw("projections.raw", 512, 512, 360, geo);

Console.WriteLine($"ay: {result.AyDeg:F4}°");
Console.WriteLine($"det_z: {result.DetZDeg:F4}°");
Console.WriteLine($"R: {result.R_mm:F4} mm");
Console.WriteLine($"RMS: {result.RmsPx:F6} px");

完整几何校准 (9 参数)

var options = new FullCalibrationOptions
{
    OptimizeDetectorOffset = true,  // +offDetecU/V
    OptimizeDistances = true,       // +DSO/DSD
    MaxIterations = 5000,
    Tolerance = 1e-16
};

var full = new FullCalibration();
// 可选: 监听优化进度
full.OnProgress = (iter, rms, p) =>
    Console.WriteLine($"Iter {iter}: RMS={rms:F6} px");

var result = full.CalibrateFromRaw("projections.raw", 512, 512, 360, geo, options);

直接传入 Mat 列表

如果投影数据已经在内存中（比如从相机采集），可以直接传 List<Mat>：

List<Mat> projections = ...; // 已有的 CV_32F Mat 列表
var result = new FullCalibration().Calibrate(projections, geo, options);

切换球心检测方法

默认使用自适应阈值 + 亚像素质心法。如需使用 Canny + 椭圆拟合法：

// 关闭亚像素质心，改用矩心
BallDetector.EnableSubPixel = false;

// 或直接调用椭圆拟合检测
BallDetector.DetectCenterByEllipse(mat, out var center);

算法说明

球心检测流程

1. 归一化 float32 → 8bit
2. 高斯模糊 (3×3, σ=0.8)
3. 自适应阈值二值化 (blockSize=31, C=-5)
4. 查找最大轮廓
5. 亚像素质心 (强度加权) 或矩心

TIGRE 投影模型

完全按照 TIGRE computeDeltas_Siddon 流程实现：

1. 初始化探测器角点 (P, Pu0, Pv0) 和射线源 S
2. rollPitchYaw — 探测器自身旋转 (det_x, det_y, det_z)
3. 探测器偏移 (offDetecU/V)
4. eulerZYZ — 扫描旋转 (scanAngle, ay)
5. 物体偏移 (offOrigX = -R)
6. 射线-平面交点 → 像素坐标

LM 优化器

• 数值差分雅可比矩阵 (中心差分, ε=1e-7)
• Cholesky 分解求解法方程
• 自适应阻尼因子 (成功 ×0.3, 失败 ×10)
• 参数边界约束 (clamp)

依赖

• .NET 8.0-windows
• Emgu.CV 4.10.0.5680