ASTRA Toolbox学习笔记-Python

GitHub网址：https://github.com/astra-toolbox/astra-toolbox
官方网址：http://www.astra-toolbox.com/
文章网址：Fast and flexible X-ray tomography using the ASTRA toolbox

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一、简介

ASTRA Toolbox 是一个用于处理 X 射线相干散射和 X 射线传输成像的开源算法工具箱。本文档概述了该工具箱的基本概念。

几何

ASTRA Toolbox 支持以下几种类型的投影几何：

• 平行束二维投影
• 锥束二维投影
• 平行束三维投影
• 锥束三维投影
• 向量二维投影
• 向量三维投影

每种几何类型都可以通过 ASTRA 提供的 create_*_proj_geom 函数创建。

数据和算法

ASTRA Toolbox 为 X 射线相干散射和 X 射线传输成像提供了许多不同的算法，包括以下几种：

• Filtered Backprojection (FBP)
• Simultaneous Algebraic ReconstructionTechnique (SART)
• Simultaneous Iterative Reconstruction Technique (SIRT)
• Conjugate Gradient (CG)
• Total Variation (TV)

ASTRA Toolbox 提供了创建和管理算法对象的 API，用于指定算法的输入和输出数据以及算法的参数。有关如何使用 API 的详细信息，请参阅 ASTRA Toolbox 文档。

二、使用

1.创建几何（Geometry）

首先需要制定实验所需的几何形状，包括两部分：
（1）Volume geometries（体积几何）
指定了样品或幻影在二维或三维空间中的位置。它采用2D矩形或3D盒子的形式，通常以原点为中心。

创建一个3D的体积几何：

vol_geom = astra_create_vol_geom(y,x,z); 

astra_create_vol_geom(y, x, z)用于创建一个 3D 体积几何。它接收三个参数，分别表示体积在三个维度（y, x, z）上的大小。这个函数返回一个用于描述体积几何的对象，这个对象将在之后的投影和重建操作中使用。

例如，如果你想创建一个具有尺寸 128x128x128 的立方体，你可以使用以下代码：

vol_geom = astra_create_vol_geom(128, 128, 128)

这将创建一个表示 128x128x128 大小的 3D 体积几何的对象。在之后的投影和重建操作中，这个对象将被用于描述样品或模拟样品 的位置和尺寸。

（2）a projection geometry（投影几何）
指定了射线源和探测器的位置和轨迹。可用的投影几何类型有2D平行光束、2D扇形光束、3D平行光束和3D锥形光束。

proj_geom = astra_create_proj_geom('cone',  det_spacing_x, det_spacing_y, det_row_count, det_col_count, angles, source_origin, origin_det);

创建一个圆锥投影几何（cone）。函数的参数如下：

‘cone’：代表几何类型，这里是圆锥投影。
det_spacing_x：探测器像素在x方向上的间距。
det_spacing_y：探测器像素在y方向上的间距。
det_row_count：探测器面板的行数。
det_col_count：探测器面板的列数。
angles：投影角度的数组，单位通常是弧度。
source_origin：源点到物体原点的距离。
origin_det：物体原点到探测器的距离。

函数返回一个代表投影几何的对象，它包含了上述参数的信息。这个投影几何对象可用于后续的投影、反投影等操作。

2.创建投影数据对象（data）

使用astra.data3d模块来创建3D数据对象。主要使用的函数为以下两个：astra.data3d.create(data_type, geometry, data=None)和astra.data3d.delete(data_object_ids)，用于创建和删除数据对象。以下是该模块中的主要函数及其参数和用法：

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1. astra.data3d.create(data_type, geometry, data=None)：用于创建一个ASTRA数据对象。这个函数可以用于创建三维的投影数据或者体积数据。

• data_type 是一个字符串，表示数据类型。对于三维投影数据，使用 ‘-proj3d’。对于三维体积数据，使用 ‘-vol’。
• geometry 是一个包含投影几何或体积几何的字典。对于投影数据，使用由 astra.create_proj_geom() 创建的投影几何。对于体积数据，使用由 astra.create_vol_geom() 创建的体积几何。
• data 是可选的 NumPy 数组，包含初始数据。如果未指定，将使用零填充数据。

返回值：返回一个数据对象ID，这个ID可以用于后续的ASTRA函数调用。

sino_id = astra.data3d.create('-sino', proj_geom, sino_data)
vol_id = astra.data3d.create('-vol', vol_geom, vol_data)

2. astra.data3d.get(dataset_id)： 用于获取三维数据集对象的信息。具体来说，可以获取三维数据集对象的属性，例如数据类型、大小、数据范围等。
参数：

• dataset_id： 数据对象的ID。

返回值：一个包含数据对象内容的NumPy数组。

import numpy as np
import astra

# 创建一个体积几何
vol_geom = astra.create_vol_geom(128, 128, 128)

# 使用现有的 NumPy 数组创建一个三维体积数据对象
data = np.random.rand(128, 128, 128)
vol_data_id = astra.data3d.create('-vol', vol_geom, data)

# 获取数据对象中的数据
retrieved_data = astra.data3d.get(vol_data_id)

# 检查原始数据和检索到的数据是否相同
print(np.allclose(data, retrieved_data))  # 如果数据相同，则输出 True

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