KipTool: 通用中子成像数据处理软件

软件X 10（2019）100279原始软件出版物KipTool，一个通用的中子成像数据处理工具Chiara Carminati，Markus Strobl，Anders Kaestner中子散射和成像实验室，Paul Scherrer研究所，CH-5232 Villigen-PSI，瑞士ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2019年2019年7月2日收到修订版接受日期2019年7月2日保留字：图像处理图像增强中子成像a b st ra ctKipTool是一个多平台通用软件，用于处理和增强2D和3D成像数据，采用C++实现。它最初是为了处理来自保罗谢勒研究所进行的中子成像实验的数据而开发的。与此同时，它已经发展成为一个通用的工具，使其适合处理更广泛的成像数据集来自科学实验。实现了几个用于图像增强的模块，其中包括散射和背景校正，通过逆尺度空间技术和非线性扩散滤波器进行去噪，以及更多成像特定的清洁算法，如离群值去除和条纹滤波。该软件的特点是一个灵活的架构，允许配置一个处理链，通过结合可用的算法模块的自定义选择。它还允许图像文件处理和转换，基于阈值的图像分割，以及注册数据集的拼接。根据要解决的问题，它既可以应用于原始数据，即射线照片，也可以应用于处理后的数据集，如重建的断层摄影。命令行和图形用户界面两种模式都可用，并有特定的对话框来指导所选模块的配置。这些对话框改善了用户交互并指导参数调整。©2019作者由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本2.7用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX_2019_69法律代码许可证GPL-3.0使用git的代码版本控制系统使用C++、OpenMP、Qt5的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖关系– Mac：libxml2，tiff，cfitsio，fftw-3-single– Linux：libcfitsio 5-dev，libtiff-dev，libxml 2-dev，nexus-tools，libfftw3-dev如果有开发人员文档/手册的链接https://github.com/neutronimaging/imagingsuite/wiki/Build-instructions支持电子邮件anders. psi.ch，chiara. psi.ch软件元数据当前软件版本2.7此版本可执行文件的永久链接https://github.com/neutronimaging/KipTool/releases法律软件许可证GPL-3.0计算平台/操作系统Linux Ubuntu（LTS 18.04），OS X（High Sierra，Mojave），Microsoft Windows（Win10）安装要求依赖项– Linux：libcfitsio5，libtiff，libxml2，nexus-tools，libfftw3– Mac：无要求如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://github.com/neutronimaging/imagingsuite/wiki/User-manual-KipTool问题支持电子邮件anders. psi.ch， chiara. psi.ch*通讯作者。电子邮件地址：chiara. psi.ch（C. Carminati）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.1002792352-7110/©2019作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx2C. Carminati，M.Strobl和A.Kaestner/SoftwareX 10（2019）1002791. 动机和意义中子成像被认为是一种强大的成像技术，用于科学研究[1]和工业应用[2]。在每次实验之后，数据量化依赖于用于图像处理和分析的专用工具一些中子成像实验可能以低计数统计为特征，并且通常受到若干噪声源、非线性和探测器相关伪影的影响，例如异常值和条纹、由于实验期间的射束波动引起的不均匀剂量分布在科学成像中，用于一般目的处理的最常见工具是ImageJ[3]，这是一种开源和基于Java的软件，允许包含自定义方法作为插件，主要用于医学或生物科学[4]、X射线和中子成像[5]。除了ImageJ 之 外 ， 还 经 常 使 用 商 业 工 具 （ Avizo ， Amira ，VGStudio），在数据可视化之前可以应用各种开发用于数据处理的定制或高级算法解决方案的需求已经引发了用于通用图像处理[6，7]和方法特定数据简化和图像分析[8KipTool软件是在这种情况下开发的，作为一种通用和开放的工具，专门用于处理和增强中子成像数据[13]。到目前为止，KipTool已经在多个研究领域做出了贡献，如食品工程[14]，生物医学科学[15，16]，地球科学[17，18]，探测器开发[19]和材料科学[20，21]。在这样的研究中，最常用的模块已经实现的边缘保持平滑逆尺度空间（ISS）滤波器的基础上制定的伯格等人。[22 ]第20段。在最新版本中，KipTool是开源和多平台的[23]。除了ISS滤波器外，还包括几种用于图像增强的复杂技术，例如散射和偏差校正[24，25]，条纹滤波[26]和高级离群值去除。进一步实现了几种图像处理工具，允许图像转换，裁剪，图像组合，基于阈值的分割和拼接。KipTool属于MuhRec的成像套件[27]，这是一种专用于计算机断层扫描（CT）重建的开源工具。这两个工具共享核心库和GUI组件，其优点是相似的外观使用户在数据处理过程中更容易使用这两个程序可以从GitHub存储库下载源代码以及已编译的二进制包[23]。这些二进制文件准备在Microsoft Windows（在Win10上测试）、Ubuntu Linux（在LTS 18.04上测试）和OS X（在High Sierra和Mojave上测试）上运行。2. 软件描述2.1. 软件构架该软件具有模块化架构，该架构分层组织有（i）核心图像处理库，（ii）算法，(iii)处理框架，（iv）可以加载到框架中的处理模块，以及（v）GUI组件。图1显示了KipTool软件体系结构的主要原理。核心库（Kipl）包括用于输入输出和图像处理的所有基本类和方法。算法包括用于不同操作和过滤器的数学实现（ImagingAlgorithms）和用于模块配置的父类（ModuleConfig）。GUI核心组件实现所有的基础小部件（QtAddons）和用于配置模块对话框的基类（QtModuleConfig）。核心代码不依赖于GUI库，它们共同代表构建KipTool应用程序的基础库。这些基础库与CT重建软件MuhRec 共 享 [27] 。 模 块 库 （ ProcessModules ） 实 现 了 由 框 架（ProcessFramework）调用和执行的过滤器使用对单个图像（体积或一系列2D图像）进行操作的模块链来执行处理任务。链可以在运行时动态配置。配置是使用GUI完成的，该GUI允许添加、删除和更改模块的执行顺序GUI组件基于Qt（版本5.9.2或更高版本），完全独立于软件的其余部分。它们包括加载图像和配置处理链的主应用程序窗口，以及旨在改善用户交互并通过指导参数调整来帮助配置模块的模块对话框（ProcessModulesGUI）。可以使用可视化和比较处理结果的工具，例如直方图、像素通过处理之前和之后的像素差以及穿过原始图像和处理后的图像的沿x和y方向的线轮廓。每次执行链时，都会自动编写XML格式的配置文件。这个文件可以被加载来重新存储以前的处理状态.它包含所有相关信息，例如输入和输出的路径以及处理链。配置文件还可以用于从命令行运行KipTool，从而允许在自动处理脚本中调用软件，而无需调用GUI。从命令行运行软件也减少了内存需求，因为结果直接流传输并保存到磁盘，而不是发送到应用程序进行显示。在主窗口中，还可以调用图像格式转换和重新切片工具（ ConversionTools ） ， 并 且 这 些 工 具 可 以 通 过 模 块 化 架 构（ConversionModes）再次实现，其中每个模块都有一个专用对话框（ConversionModulesGUI）。作 为 模 块 相 互 作 用 的 一 个 例 子 ， 我 们 可 以 考 虑ProcessFramework和Process- ingModules类之间的交互。简单地说 ， ProcessFramework 库 由 几 个 类 组 成 ： KiplProcessConfig 、KiplFactory和KiplEngine，每个类在软件中扮演特定的角色。Kipl-ProcessConfig读写软件的配置文件.这样的配置然后由KiplFactory类使用，KiplFactory类构建KiplEngine，再次传递Config信息，并配 置 配 置 中 定 义 的 所 选 ProcessingModules 在 KiplEngine 中 ，ProcessingModules最终使用从共享对象库动态加载的方式添加并执行。2.2. 软件功能KipTool旨在对2D和3D图像进行降噪、增强和分类。过滤器模块可以根据其功能分组如下。修改图像像素强度的基本操作在模块中实现：DoseCorrection（剂量校正）：通过使用用户选择的图像本身的开放射束感兴趣区域（ROI）的平均值对每个图像进行归一化，实现单剂量校正。ClampData：使低于和高于用户定义的灰度值限值的图像强度值饱和。ScaleData：根据输入的截距和斜率值线性缩放每个像素的强度。···C. Carminati，M.Strobl和A.Kaestner/SoftwareX 10（2019）1002793图像分类通过以下方式执行：Fig. 1. 软件架构。可以选择多种模型，最常用的模型是众所周知的过滤器也是...BasicThreshold：基于用户定义的值。DoubleThreshold：也称为滞后阈值，对输入图像应用两次阈值化操作，用于窄（img>较高阈值）和宽范围的强度（img>较低阈值）。使用低阈值获得的图像用作区域生长算法的种子，其由使用较宽阈值获得的图像限定[28]。作为附加选项，可以选择比较的符号，即是否通过选择具有高于或低于阈值的值的像素来应用分类。条纹和斑点在射线照相图像中是常见的，并且相关伪影可以由模块校正StripeFilter：如[ 26 ]所述，使用组合小波和傅立叶滤波减轻条纹伪影。通过首先应用小波变换，然后对其垂直分量进行傅立叶滤波来校正垂直线。一个典型的用例是应用该滤波器来补偿正弦图域中的垂直线，这又导致重建的计算机断层扫描中的环形伪影然而，它可以用于补偿由图像采集产生的垂直线。MorphSpotClean：通过将平滑阈值与形态学操作相结合，实现高级离群值去除[28]。首先，应用形态学灰度填充孔洞算法来产生检测图像。原始图像，然后顺利阈值与sigmoid函数，以确定斑点。这些区域最后被形态填充的结果替换。此滤镜可用于去除暗点或亮点，或两者的组合。高级图像滤波和去噪在以下环境中实现BBLogNorm：实现黑体校正（BB校正或BB方法），这是一种通过增强图像归一化公式进行散射和系统偏差校正的方法，该公式通过处理使用中子吸收剂（黑体，BB）插入网格获得的专用图像来实现，如[24，25]所述。在没有BB图像或需要散射校正的情况下，该模块可以在简化模式下使用，以应用带剂量校正的平场归一化。ISSFilter：基于[22]实现ISS边缘保持平滑滤波器。在我们的实现中，ISSfilter更一般地是一个正则化框架，其中不同的补充了原始ISS方法中描述的选项：处理从“零”图像开始，并迭代地接近输入图像。由于大尺度比小尺度收敛得更快，所以该算法旨在当大尺度特征被包括在图像重建中时停止迭代，而包括噪声的小尺度特征被排除。NonLinearDiffusion：使用Perona-Malik扩散滤波器，使用[29]中描述的We-ickert方案，基于非线性扩散方程实现边缘保持平滑滤波器。除了过滤，各种工具的图像转换是可用的：重新切片图像：允许沿正交平面XZ和YZ重新切片图像。合并卷：允许缝合部分重叠的卷对。实现加权平均方案，其中S形函数将两个贡献与它们沿拼接的纵向轴的像素位置成比例地加权。文件转换：允许几种类型的图像操作，例如（i）不同文件格式之间的转换，（ii）裁剪，（iii）图像组合和（iv）重新排序使用黄金比例扫描采集的数据集[30]。通用文件转换：是一个工具，以转换图像文件与未知的文件格式，以tiff。转换是使用像位数、行跨距和数据偏移量这样的参数来完成的。此模块可用于转换从相机供应商保存在本机文件格式的图像。这些工具被实现为直接对文件进行操作，而不是在处理之前加载所有数据，从而允许在主内存有限的计算机上处理大型数据集。请读者参阅用户手册，以了解模块及其功能的更详细说明。2.2.1. 文件格式KipTool接受tiff中的一系列图像，并将其作为输入。处理后的文件保存为深度为8，16或32位的tiff文件。在Generic文件转换模块中，原生相机格式seq和viva还可以选择将其转换为tiff格式。当前的一个限制是不处理多帧单个文件，并且不可能写入fits。在未来的版本中，我们预计将实现这些选项，以及对NeXus数据格式的支持[31]。···········4C. Carminati，M.Strobl和A.Kaestner/SoftwareX 10（2019）100279××图二. 在KipTool主窗口中配置的示例性处理链。在处理选项卡中，用户可以添加、删除和配置特定模块。在本例中，加载了BBLogNorm、MorphSpotClean和ISSFilter在处理过程中，会显示一个进度条，允许可视化处理状态，并在需要时通过取消按钮停止处理3. 说明性示例3.1. 通过GUI我们展示了该软件的一个典型用例，其中处理链被配置为（i）使用BB方法校正散射并进行归一化，（ii）去除离群值，以及（iii）在保持边缘的同时进行平滑。在KipTool GUI的主窗口中配置的处理链的快照如图所示。二、处理示例性数据集：BNC连接器，与金属和塑料部件组装的样品，在Paul Scherrer Institut（PSI）的ICON光束线处使用摄像机-探测器系统，具有27 27 mm2视场（FOV）、20µ m厚的硫氧化钆（GadOx）闪烁体和Andor DW 436 L CCD摄像机，20482048像素，有效像素大小为13。5µ m。总共在360nm的断层扫描范围内采集了375个投影，步还采集了插入BB的稀疏断层扫描，其特征在于以规则角度步长对360mm进行采样的15个投影，以允许使用BB进行散射和偏差校正approach.第一个操作是使用BBLogNorm模块应用BB校正通过模块对话框，加载参考图像并调整模块参数。此时的中间结果代表了剂量校正和偏差/散射校正的衰减图像计算（图1）。3，步骤b）。在第二步中，我们应用MorphSpotClean模块（图1）。3、步骤c）。在这种情况下，模块对话框允许通过显示斑点清洁的结果和之前的图像差异来调整阈值参数。过滤后。在处理链的最后一步中，我们应用ISSFilter（图1）。3，步骤d），在保持图像特征和边缘的同时进行平滑，从而获得去噪投影。本例中使用的原始数据是[32]中发布的免费数据集的一部分3.2. 通过命令行界面我们描述如何从命令行界面（CLI）运行处理链在典型的工作流中，使用GUI在较小的测试数据集上配置处理可以使用简单的命令kiptool -f configurefile.xml>调用CLI版本的软件，并将配置文件作为输入。在处理大数据集时，此配置特别方便节省内存，因为原始图像不会像GUI中那样保存以进行比较。此外，CLI允许在处理需要相同或相似处理链的多个数据集时自动化该过程。在这种情况下，可以在循环中调用KipTool，在每个步骤中选择不同的配置文件，其中输入和输出适合处理第n个数据集，并将结果保存到给定的文件夹中。图4显示了如何在for循环中调用KipTool的说明性示例。值得注意的是，这个特殊的例子是用Python编写的;但是，可以使用任何允许为此目的进行系统调用的脚本语言。4. 影响数据处理是提供成像实验定量结果不可或基于这个理由，C. Carminati，M.Strobl和A.Kaestner/SoftwareX 10（2019）1002795图三. 处理链的示例性结果。根据输入原始数据，（a）处理链被应用于（b）通过以下步骤校正散射和其他偏差：BBLogNorm模块，（c）通过MorphSpotClean模块去除离群值，并且最后（d.）通过ISSFilter模块平滑图像，同时保留边缘。第二行显示了不同过滤器的效果。每个步骤的图像的缩放区域详细显示了效果。显示了处理链最后一步的水平和垂直像素强度分布和图像直方图，显示与前一步（红线）相比，ISS滤波器（蓝线）后噪声显著降低，同时保留了图像信息。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版选择包括KipTool和MuhRec在内的成像套件，是为了向中子成像界提供通用的工具，以便数据处理它的开发得到了欧洲项目SINE 2020 [33]和瑞士实物捐助的6C. Carminati，M.Strobl和A.Kaestner/SoftwareX 10（2019）100279见图4。使用KipTool通过命令行界面循环处理多个数据集：在每一步加载一个特定的配置文件，允许自动处理多个数据集。欧洲空间数据源（ESS），PSI开发并提供成像仪器的图像分析软件ODIN [34]。KipTool的模块化结构允许持续集成新开发的方法，这些方法可以作为新模块添加，以满足个性化测量和新应用的特定需求。例如，BBLogNorm模块就是这种情况，我们设计了一个自定义解决方案来补偿我们实验中的系统偏差和散射伪影[24，25]。尽管大多数滤波器是专门设计用于解决中子成像问题的，但其通用性质使其适合于更广泛地处理来自科学成像实验的数据集，例如X射线断层扫描[20]。此外，KipTool射线照片，以及已经处理或缩减的数据集，例如CT体积，这取决于要解决的具体5. 结论我们在本文中介绍了KipTool，一个用于处理科学图像数据的开源和通用工具。该软件正在持续开发中，我们预计将添加更多选项和模块，例如支持NeXus数据格式[31]和更高维度的数据集分析，例如3D动态[35]或波长解析数据集[36]。确认该项目获得了欧盟Hori- zon 2020研究和创新计划的资助竞合利益作者声明，他们与其作者身份或本文的发表没有利益冲突引用[1]Kardjilov N，Manke I，Woracek R，Hilger A，Banhart J.中子成像的进展。Mater. 今 天 2018;21 （ 6 ） ： 652-72.http://dx.doi.org/10 的 网 站 。1016/j.martod.2018.03.001。[2][10]李文辉，李文辉.现代中子成像技术的工业应用进展。Physics Procedia2013;43：231-42. http://dx.doi.org/10.1016/j.phpro.2013.03.027网站。[3] Schneider CA，Rasband WS，Eliceiri KW. 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