豐樹強 趙 瀟 竇玉玲 張國光

（中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

低輻射車輛檢查裝置圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究

豐樹強 趙 瀟 竇玉玲 張國光

（中國原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

低輻射成像技術(shù)應(yīng)用于車輛檢查存在著諸多技術(shù)難點，如歸一化、對數(shù)變換、動態(tài)范圍變換、探測器等工作的不穩(wěn)定所引起的干擾等問題。本文結(jié)合實際應(yīng)用，對數(shù)據(jù)處理過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)做了分析并提出了相應(yīng)的解決方案。針對由放射源位置變動造成的計數(shù)漲落，采用了動態(tài)本底技術(shù)。經(jīng)現(xiàn)場測試，取得了很好的效果。

低輻射，車輛檢查，輻射成像，圖像處理，綠色通道

在核技術(shù)領(lǐng)域中，利用射線成像原理實現(xiàn)對人員、行李、車輛等進(jìn)行掃描的產(chǎn)品應(yīng)用很廣。近年來，隨著國家出臺的高速公路綠色通道車輛免收通行費的政策全面落實，幾乎所有的高速公路收費站點都對以運送新鮮蔬菜、水果、鮮類、蛋類等為主的車輛開辟了專門的綠色通道，使綠通車輛的通行效率得以提高。據(jù)估算，2012年全國各收費站點日均通過的綠通車輛達(dá)到300輛，在一些東部省份如山東、江蘇，甚至達(dá)到800輛。然而，一些運送非綠色通道許可貨物的車輛也偽裝成綠色通道車輛通行，偷逃通行費。為此，各主要高速公路運營公司都采取了多種措施進(jìn)行打擊，但效果有限。主要原因是綠通車輛多以中大型貨車為主，短時間內(nèi)采取人工方式很難進(jìn)行有效檢查?，F(xiàn)狀是，檢查人員只能對位于貨箱門口處的貨物進(jìn)行簡單檢查，進(jìn)而根據(jù)經(jīng)驗判斷是否合格。違法人員也正是抓住這一點，將夾帶貨物藏于車廂內(nèi)部，逃避通行費。據(jù)統(tǒng)計，常規(guī)檢查方法的平均檢查時間為5-10 min，且收效甚微，效率低下。

為了有效打擊高速公路假冒綠通車輛的違法行為，確保政策得到精確執(zhí)行，保障綠通車輛與高速公路公司的正常利益，高速公路急需一種安全、高效、穩(wěn)定的檢查手段，用于對綠通車輛進(jìn)行在線流水式檢查。輻射成像技術(shù)很快得到重視，成為契合這方面應(yīng)用的、有前景的技術(shù)手段。

1 物理模型

綠色通道應(yīng)用提出之前，多數(shù)用于車輛檢查的輻射成像技術(shù)均采用高活度（如高于200×1010Bq）放射源或者高產(chǎn)額加速器，接收端則采用氣體陣列探測器，此外需要建造笨重的屏蔽體以及車輛牽引裝置等，檢查前司乘人員需下車。

由于此類設(shè)備造價不菲、檢測效率低、安裝條件苛刻，特別是日本福島核電站事故之后，公眾對放射性的關(guān)注與質(zhì)疑較為強烈，高輻射的檢查設(shè)備應(yīng)用受阻。此外，高活度的放射源在使用中一旦發(fā)生聯(lián)鎖機構(gòu)卡住或屏蔽殼無法歸位的情況，容易造成輻射事故，且常規(guī)手段難以維修。從需求角度看，此類設(shè)備大多安裝在車流密集場所，并且使用頻率很高，因此對安全性與穩(wěn)定性要求都很高。因此，小型化、低輻射、低成本、高可靠性是發(fā)展趨勢。

實際應(yīng)用場合對檢查系統(tǒng)的主要指標(biāo)需求有：最大通行寬度為3 m、最大通行高度為4.8 m、平均單次掃描時間小于30 s、司乘人員單次掃描吸收劑量低于0.1 μSv。

分析表明采用低活度的放射源是關(guān)鍵。低活度意味著屏蔽體的體積與重量減小，被照物體的吸收劑量降低，成本降低，安全性提高；但源強、探測器體積、分辨率、數(shù)據(jù)采集頻率之間是相互關(guān)聯(lián)的?？紤]到應(yīng)用環(huán)境、半衰期以及設(shè)備的一般使用周期，采用活度低于2.96×1010Bq的Co-60與NaI晶體探測器。MCNP計算表明，當(dāng)晶體直徑大于?20 mm、長度大于50 mm時，探測器計數(shù)率可以滿足圖像采集的要求。為提升成像質(zhì)量，可適當(dāng)加長探測器。電子學(xué)部分負(fù)責(zé)對信號積分與成型，并將信號調(diào)制為方波后經(jīng)差分電路送入計數(shù)采集卡，后者統(tǒng)計單位時間內(nèi)信號數(shù)量作為成像系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)。

圖1為依照國標(biāo)《輻射型集裝箱檢查系統(tǒng)》GB19211-2003要求對系統(tǒng)進(jìn)行測試的裝置，實驗主要包括三部分：穿透力測試、反差靈敏度測試、絲分辨力測試。

圖1 實驗設(shè)備(a)、實驗臺架(b)和測試用鋼板與鋼條(c)Fig.1 Experimental facility (a), experimental table (b) and steel plate and bar (c).

實驗所采用的鋼板吸收體規(guī)格為500 mm× 500mm×150 mm，臺架的運動速度為 0.1 m·s-1，計數(shù)采集卡的統(tǒng)計間隔為50 ms。通過實驗得到系統(tǒng)的主要參數(shù)有：最大穿透力為185 mm、反差靈敏度為1.96%、絲分辨力為10%，示意圖見圖2。

圖2 最大穿透力(a)、反差靈敏度(b)和絲分辨力(c)Fig.2 Maximum penetration power (a), contrast sensitivity (b) and silk resolution (c).

由于實際使用時被測車輛多為大型貨車，考慮到車輛與設(shè)備的安全性，需限制車輛的最大通過速度為15 km·h-1。在此條件下，考慮到探測器的尺寸，為保證成像后的長寬比在合理的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)設(shè)定在10-50 ms之間。經(jīng)過實驗，此條件下探測器單位時間內(nèi)的全亮度計數(shù)（開源，無遮擋物）的動態(tài)范圍已經(jīng)達(dá)到210以上，可以滿足成像系統(tǒng)的要求。各路探測器全亮度計數(shù)差異較大的主要原因是探測器與源的距離差異較大。同時，理論計算表明，全亮度計數(shù)下部分離源較近的探測器存在一定程度的堆積，最高堆積可達(dá)30%以上，理論上這會影響到最終成像效果，但實際使用中影響有限，這主要是因為堆積只在被測車輛很空時發(fā)生，此時該局部圖像的辨識度較好，不影響檢查人員的判別。

2 輻射成像

成像系統(tǒng)接收計數(shù)采集卡的數(shù)據(jù)，經(jīng)歸一化、對數(shù)變換、動態(tài)范圍變換、灰度變換等處理后顯示出掃描圖像。成像系統(tǒng)的完整工作流程如圖3所示。

根據(jù)車型的不同，實驗中采用100-200路探測器進(jìn)行測試。實際使用中最長的被測車輛可達(dá)20m，當(dāng)車輛以最低限速5 km·h-1通過時，采集的圖像數(shù)據(jù)接近1 000列。

由于各種蔬菜的含水量不同，取參考值0.4，計算表明Co-60源的穿透極限為1.5 m，實驗中貨車分別裝載1.0 m厚的土豆與1.5 m厚的白菜進(jìn)行了掃描實驗，結(jié)果如圖4所示。

從掃描得到的計數(shù)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)車輛裝載白菜部分的車身通過掃描線時，探測器計數(shù)已經(jīng)接近本底計數(shù)。因此，對于低輻射成像，為了提高圖像的反差靈敏度，同時消除由距離差異引起的灰度畸變，數(shù)據(jù)采集前的本底計數(shù)獲取與全亮度計數(shù)獲取非常重要，這是對各路探測器準(zhǔn)確標(biāo)定與數(shù)據(jù)歸一化計算的基礎(chǔ)。

圖3 成像系統(tǒng)工作流程Fig.3 Imaging system workflow.

圖4 土豆與白菜掃描實驗Fig.4 Potatoes and Chinese cabbages scan experiment.

歸一化的目的是消除由探測器距離差異以及性能差異造成的計數(shù)數(shù)據(jù)與圖像灰度之間不能形成一致的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)的問題。常用的做法是選取某一路探測器為基準(zhǔn)，采用線性插值方法，對其余探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使所有數(shù)據(jù)形成統(tǒng)一的灰度基準(zhǔn)。實際應(yīng)用中，由于各路探測器或相應(yīng)的電子學(xué)線路均有一定的損壞概率，如果將基準(zhǔn)探測器硬編碼為某一路，則該路探測器的穩(wěn)定性對系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性影響重大。為了降低這種耦合度，我們引入方差分析的方法。

經(jīng)驗表明，單次測量時某幾路計數(shù)出問題的情況經(jīng)常發(fā)生，但大量探測器通道同時發(fā)生故障的概率則相當(dāng)小?；谶@個思路，假設(shè)某一路探測器的全亮度記數(shù)是準(zhǔn)確的，以該計數(shù)作為理論值，由于各路探測器與放射源的距離已知，可通過物理計算將該路探測器計數(shù)分別映射到其它每一路上，這樣便得到了各組理論值(CT)與實測值(CE)，進(jìn)而有：

由式(1)求出方差，此方差作為評價該路探測器通道性能指標(biāo)的依據(jù)。照此方法可以求出每一路的方差。這其中方差最小的那一路就被定為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其余各路都以該路為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化。對于單次檢測中出現(xiàn)故障的探測通道，其計數(shù)必然偏離群體，方差很大，因此不會被選為基準(zhǔn)。這樣系統(tǒng)的可靠性大大增加。實測表明，只要探測器或電子學(xué)不出現(xiàn)大面積的故障，成像系統(tǒng)都可以正常運行。

實驗中注意到，放射源每次開啟后的位置存在微小的差異，導(dǎo)致射線經(jīng)過準(zhǔn)直器后，在探測器上出現(xiàn)計數(shù)波動，影響成像的穩(wěn)定性。為了消除放射源每次開啟時的位置差異對最終成像質(zhì)量的影響，采用“動態(tài)本底技術(shù)”對實時成像時的數(shù)據(jù)歸一化與采集結(jié)束后的數(shù)據(jù)歸一化用不同的本底與全亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分為預(yù)先測量數(shù)據(jù)與實時測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)安裝調(diào)試后需預(yù)先進(jìn)行一次本底計數(shù)與全亮度計數(shù)測量，此預(yù)先測量數(shù)據(jù)只用作實時成像過程中的數(shù)據(jù)歸一化。一般情況下，對于運動圖像顯示，只要不出現(xiàn)明顯的、連續(xù)的模糊情況，就不對預(yù)先測量的本底和全亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測量。實際采集時，當(dāng)車輛完全通過檢測面后，成像系統(tǒng)可利用放射源還沒有被關(guān)閉的間隙，進(jìn)行實時全亮度的數(shù)據(jù)測量。當(dāng)采集結(jié)束后，所有圖像數(shù)據(jù)都已經(jīng)獲取，此時利用該實時測量數(shù)據(jù)對所有圖像數(shù)據(jù)重新進(jìn)行歸一化運算，得到最終圖像。由于實時測量數(shù)據(jù)與車輛檢測過程中的圖像數(shù)據(jù)是放射源處于同一位置下的檢測數(shù)據(jù)，因此重新進(jìn)行歸一化運算能有效消除放射源位置差異的影響。

穿透率與穿透厚度之間存在如下指數(shù)關(guān)系：

式中，μ為衰減系數(shù)；x為穿透厚度；I0為穿透前計數(shù)；I為穿透后計數(shù)。

因此，歸一化后的數(shù)據(jù)矩陣需做相應(yīng)的對數(shù)變換。由對數(shù)函數(shù)曲線，對于任一點x0、y0=f(x0)，對于固定的增量Δx，有：

當(dāng)x0較小時，Δy較大；隨著x0增大，Δy逐漸減小。而x0較大的點對應(yīng)被測物較薄的部分，即較容易穿透的區(qū)域；x0較小的點對應(yīng)被測物較厚的部分，即不容易穿透的區(qū)域。結(jié)合實際情況，先做如下的線性變換：假設(shè)矩陣數(shù)據(jù)的最小值為Xmin，則對每一個矩陣數(shù)據(jù)X做運算：X′=X-Xmin+2，即將對數(shù)變換的自變量區(qū)域拉近到靠近過零點(2,X)的區(qū)段，這樣對數(shù)變換后的矩陣有利于被測物較厚區(qū)域的圖像顯示。

計數(shù)采集卡獲取的計數(shù)是以雙字節(jié)格式保存的，因此理論上最高可到16位灰度級；而操作系統(tǒng)只支持8位灰度級的圖像顯示[1]。直接進(jìn)行線性動態(tài)范圍壓縮，必然造成細(xì)節(jié)丟失。因此考慮采用浮點數(shù)矩陣存儲壓縮后的數(shù)據(jù)，即作216(int)→256 (float)的轉(zhuǎn)換，該浮點數(shù)矩陣作為用戶后期圖像處理的數(shù)據(jù)源，對用戶所做的灰度做如下變換：

256(float)(TL-TH) →256(byte)

式中，TL、TH為用戶選取的閾值下限和上限。這使得圖像細(xì)節(jié)在用戶的灰度變換中仍得到保留。

為方便檢查人員的后期處理，在成像系統(tǒng)中實現(xiàn)了常用的圖像處理功能，有幾何變換（反色、鏡像、放大、灰度拉伸）[2]、平滑與銳化（中值、高斯、梯度、拉普拉斯）、頻域濾波（傅立葉、高通）、分割與偽彩(Roberts、Prewitt、Sobel、Kirsch、Rainbow)[3]等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

成像系統(tǒng)基于Windows XP與Visual Studio 2005環(huán)境開發(fā)，采用TCP協(xié)議作為各子系統(tǒng)通訊與數(shù)據(jù)收發(fā)的傳輸層協(xié)議[4]。考慮到實際應(yīng)用中，圖像掃描一般可在20 s內(nèi)完成，而檢查人員的后期分析、處理、研判所需時間不固定。因此，為提升系統(tǒng)的吞吐量，消除因檢查違法車輛所造成的后續(xù)車輛積壓，在項目設(shè)計時我們將成像系統(tǒng)的實時掃描模塊與圖像處理模塊分離；二者可以獨立工作，實時掃描模塊將掃描后的數(shù)據(jù)文檔發(fā)送到圖像處理模塊，后者則以任務(wù)隊列的形式接收緩沖多個數(shù)據(jù)文檔。檢查人員可以掛起有疑問的數(shù)據(jù)文檔，進(jìn)行后續(xù)文檔的分析處理。

2012年，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于山東高速某收費站的綠色通道車輛檢查。系統(tǒng)投入使用后，日均掃描車輛超過500輛，可對通過該收費站的所有綠色通道車輛進(jìn)行在線式檢查。同時，檢查人員的工作效率相比傳統(tǒng)方式提高了5倍以上，人員數(shù)量縮減為1-2人，檢查的準(zhǔn)確率有了大幅度提高。圖5為系統(tǒng)工作現(xiàn)場實物圖，圖6為綠色通道車輛掃描圖像，其中圖6(a)為車頭非避讓模式下的正常綠通車輛掃描圖像，圖6(b)為車頭避讓模式下的違法夾帶車輛掃描圖像?？梢钥闯?，對于貨箱中大面積的違法夾帶行為，掃描后的圖像能比較清晰地顯示出來。

圖5 設(shè)備工作現(xiàn)場Fig.5 Equipment working site.

圖6 綠色通道車輛掃描圖像(a) 圖像處理，(b) 文檔瀏覽Fig.6 Green channel vehicle inspection image. (a) Image processing, (b) Record reviewing

正常運行時系統(tǒng)只工作于車頭避讓模式，放射源在車頭通過后才會打開，檢查過程中司乘人員無需下車，可直接駕車低速通過檢查設(shè)備。即使貨箱中藏有人員，被直接照射后人員的單次吸收劑量也在本底水平，僅相當(dāng)于乘坐飛機在高空5 min的照射劑量。

4 結(jié)語

公眾對輻射源安全性的關(guān)注以及客觀環(huán)境的使用限制促使輻射裝備逐步向低輻射、小型化、實用化方向發(fā)展。綠色通道車輛檢查的應(yīng)用需求是近幾年才被提出來的，并隨著政策的落實而逐漸明確。不同于以往的車輛檢查，針對綠色通道車輛的檢查有特殊的技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用需求。本項目對低輻射條件下的成像關(guān)鍵技術(shù)做了分析與討論，并結(jié)合實際應(yīng)用中的若干問題提出了相應(yīng)的解決方案。經(jīng)現(xiàn)場測試，取得了較好的效果。由于大型綠色通道車輛的寬度可達(dá)2 m以上，滿載貨物時，現(xiàn)有的放射源難以穿透，因此，研發(fā)高能量低產(chǎn)額的加速器設(shè)備替代現(xiàn)有的低劑量Co-60源是下一步的工作重點。

1 Castleman K R. Digital image processing[M]. Beijing: Prentice-Hall International, 1998

2 岡薩雷斯. 數(shù)字圖像處理[M]. 第二版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003

Gonzalez R C. Digital image processing[M]. 2ndEd. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2003

3 何斌, 馬天予, 王運堅, 等. Visual C++數(shù)字圖像處理[M]. 第二版. 北京: 人民郵電出版社, 2002

HE Bin, MA Tianyu, WANG Yunjian, et al. Visual C++ digital image processing[M]. 2ndEd. Beijing: Posts & Telecom Press, 2002

4 葉樹華. 網(wǎng)絡(luò)編程實用教程[M]. 第二版. 北京: 人民郵電出版社, 2010

YE Shuhua. Network application programming[M]. 2ndEd. Beijing: Posts & Telecom Press, 2010

CLCTL99

Critical technology research on image processing for low radiation vehicle inspection equipment

FENG Shuqiang ZHAO Xiao DOU Yuling ZHANG Guoguang
(China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)

Background:Normal green channel vehicle inspection methods have many flaws, such as low efficiency and long time expense. The accuracy depends on the experience of inspector and it can not meet the online inspection. Purpose: The aim is to develop a new method which can help the inspector to promote the vehicle inspection speed and accuracy. Methods: Using real time image processing and control system, a new imaging system was developed. Results: The actual test shows that the inspection time can be reduced to less than one minute and the inspectors can also be reduced to one or two persons. Also the inspection accuracy is greatly improved. Conclusion: The imaging system achieves good effect through actual tests.

Low radiation, Vehicle inspection, Radiation imaging, Image processing, Green channel

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060401

豐樹強，男，1978年出生，2007年于中國原子能科學(xué)研究院獲碩士學(xué)位，核技術(shù)應(yīng)用

竇玉玲，E-mail: carol707@163.com

2013-12-19，

2014-02-21