Tanghaowei
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# XP.Calibration
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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。
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## 功能
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提供两种校准方法：
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- **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
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- **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
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## 项目结构
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XP.Calibration/
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├── Models/
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│ ├── CalibrationModels.cs # EllipseResult, GeoParams, CenterCalibrationResult
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│ ├── FullCalibrationResult.cs # 完整校准输出 (各参数 + RMS)
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│ └── FullCalibrationOptions.cs # 优化模式选项
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├── Core/
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│ ├── RawReader.cs # RAW float32 投影数据读取
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│ ├── BallDetector.cs # 球心检测 (自适应阈值+亚像素质心 / Canny+椭圆拟合)
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│ └── TigreProjection.cs # TIGRE 投影模型 (rollPitchYaw + eulerZYZ)
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├── CenterCalibration.cs # 中心校准
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└── FullCalibration.cs # 完整几何校准 (LM 优化)
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## 校准参数
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完整几何校准支持三种模式：
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| 模式 | 参数数 | 优化参数 |
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|------|--------|----------|
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| 基础 | 5 | ay, det_y, det_x, det_z, R |
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| +探测器偏移 | 7 | 基础 + offDetecU, offDetecV |
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| +距离 | 9 | 基础 + offDetecU, offDetecV + DSO, DSD |
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参数含义：
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| 参数 | 说明 | TIGRE 对应 |
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|------|------|-----------|
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| ay | 旋转轴倾斜角 | angles[:,1] |
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| det_x | 探测器 dYaw (Rx) | rotDetector[:,0] |
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| det_y | 探测器 dPitch (Ry) | rotDetector[:,1] |
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| det_z | 探测器 dRoll (Rz) | rotDetector[:,2] |
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| R | 物体偏移半径 | offOrigin[:,2] = -R |
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| offDetecU/V | 探测器平移偏移 | offDetector[:,0]/[:,1] |
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| DSO | 焦点到旋转中心距离 | geo.DSO |
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| DSD | 焦点到探测器距离 | geo.DSD |
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## 使用示例
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### 中心校准
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```csharp
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var geo = new GeoParams
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{
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DSO = 200, DSD = 500, PixelSize = 0.6,
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NDetecU = 512, NDetecV = 512
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};
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var calib = new CenterCalibration();
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var result = calib.CalibrateFromRaw("projections.raw", 512, 512, 360, geo);
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Console.WriteLine($"倾斜角: {result.AlphaDeg:F2}°");
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Console.WriteLine($"R: {result.R_mm:F2} mm");
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Console.WriteLine($"焦点投影: ({result.FocalU:F2}, {result.FocalV:F2})");
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```
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### 完整几何校准 (5 参数)
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```csharp
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var geo = new GeoParams
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{
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DSO = 250, DSD = 450, PixelSize = 0.6,
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NDetecU = 512, NDetecV = 512
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};
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var full = new FullCalibration();
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var result = full.CalibrateFromRaw("projections.raw", 512, 512, 360, geo);
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Console.WriteLine($"ay: {result.AyDeg:F4}°");
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Console.WriteLine($"det_z: {result.DetZDeg:F4}°");
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Console.WriteLine($"R: {result.R_mm:F4} mm");
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Console.WriteLine($"RMS: {result.RmsPx:F6} px");
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```
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### 完整几何校准 (9 参数)
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```csharp
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var options = new FullCalibrationOptions
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{
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OptimizeDetectorOffset = true, // +offDetecU/V
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OptimizeDistances = true, // +DSO/DSD
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MaxIterations = 5000,
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Tolerance = 1e-16
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};
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var full = new FullCalibration();
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// 可选: 监听优化进度
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full.OnProgress = (iter, rms, p) =>
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Console.WriteLine($"Iter {iter}: RMS={rms:F6} px");
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var result = full.CalibrateFromRaw("projections.raw", 512, 512, 360, geo, options);
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```
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### 直接传入 Mat 列表
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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>`：
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```csharp
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List<Mat> projections = ...; // 已有的 CV_32F Mat 列表
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var result = new FullCalibration().Calibrate(projections, geo, options);
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```
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### 切换球心检测方法
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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：
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```csharp
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// 关闭亚像素质心，改用矩心
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BallDetector.EnableSubPixel = false;
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// 或直接调用椭圆拟合检测
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BallDetector.DetectCenterByEllipse(mat, out var center);
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## 算法说明
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### 球心检测流程
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1. 归一化 float32 → 8bit
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2. 高斯模糊 (3×3, σ=0.8)
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3. 自适应阈值二值化 (blockSize=31, C=-5)
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4. 查找最大轮廓
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5. 亚像素质心 (强度加权) 或矩心
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### TIGRE 投影模型
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完全按照 TIGRE `computeDeltas_Siddon` 流程实现：
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1. 初始化探测器角点 (P, Pu0, Pv0) 和射线源 S
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2. `rollPitchYaw` — 探测器自身旋转 (det_x, det_y, det_z)
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3. 探测器偏移 (offDetecU/V)
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4. `eulerZYZ` — 扫描旋转 (scanAngle, ay)
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5. 物体偏移 (offOrigX = -R)
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6. 射线-平面交点 → 像素坐标
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### LM 优化器
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- 数值差分雅可比矩阵 (中心差分, ε=1e-7)
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- Cholesky 分解求解法方程
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- 自适应阻尼因子 (成功 ×0.3, 失败 ×10)
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- 参数边界约束 (clamp)
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## 依赖
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- .NET 8.0-windows
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- Emgu.CV 4.10.0.5680
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