阮金陸1，李宏云1，宋紀文1，張建福1，陳 亮1，張忠兵1，劉金良1，2

（1.西北核技術(shù)研究所 輻射探測科學研究中心，陜西 西安 710024；2.清華大學 工程物理系，北京 100084）

核乳膠中質(zhì)子徑跡計算機輔助識別方法研究

阮金陸1，李宏云1，宋紀文1，張建福1，陳 亮1，張忠兵1，劉金良1，2

（1.西北核技術(shù)研究所 輻射探測科學研究中心，陜西 西安 710024；2.清華大學 工程物理系，北京 100084）

為克服核乳膠質(zhì)子徑跡人工判讀的缺點，研究了一種計算機輔助識別的方法。該方法中，對由顯微鏡系統(tǒng)獲取的核乳膠圖像序列依次經(jīng)組合式濾波器濾波、多閾值二值化、徑跡點篩選、徑跡點去冗余處理后識別出圖像序列中的徑跡點，經(jīng)徑跡重建從獲取的徑跡點中重建出反沖質(zhì)子徑跡。利用該方法從經(jīng)14.9MeV中子束輻照的核乳膠中提取出反沖質(zhì)子徑跡，并將提取的徑跡與人工判讀方法提取的徑跡進行了比較，結(jié)果基本一致。該方法將為核乳膠質(zhì)子徑跡自動判讀系統(tǒng)的開發(fā)和核乳膠應(yīng)用于脈沖中子束能譜測量實驗奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。

核乳膠；反沖質(zhì)子徑跡；計算機輔助識別；徑跡重建

中子能譜是表征脈沖中子源特性的重要參數(shù)，對于裂變、聚變反應(yīng)過程診斷，如ICF聚變研究中離子溫度、燃料面密度測量［1］，具有十分重要的意義。脈沖中子能譜可通過磁分析儀和中子飛行時間方法測量，但核乳膠探測器用于測量脈沖中子能譜具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、連續(xù)靈敏、無死時間等優(yōu)點，因此有望成為測量脈沖中子束能譜的有效探測器之一［2-3］。

核乳膠用于中子能譜測量的基本原理是：入射的中子與核乳膠中的氫核發(fā)生n-p彈性散射，反沖質(zhì)子會在其經(jīng)過的路徑上形成穩(wěn)定的“潛影”，“潛影”經(jīng)化學處理變成顯微鏡可分辨的徑跡點（約1μm）［45］，反沖質(zhì)子徑跡則由一連串的徑跡點表示。根據(jù)質(zhì)子徑跡長度與能量的對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合反沖質(zhì)子的散射角可推斷入射中子的能量。通過大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果得出脈沖中子的能譜［6-7］。因此，脈沖中子能譜精確測量的關(guān)鍵在于質(zhì)子徑跡的長度和散射角的精確測量。為保證這兩點的精度，準確提取質(zhì)子徑跡是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

過去核乳膠徑跡的提取需依賴人工判讀，不僅費時費力，且精度與判讀者的經(jīng)驗有關(guān)。為克服人工判讀的不足，國內(nèi)外開展了核乳膠徑跡判讀系統(tǒng)的相關(guān)研究，例如，華中科技大學的CCD全自動測量系統(tǒng)等［8］、日本的S-UTS系統(tǒng)［9］、俄羅斯的PAVICOM系統(tǒng)［10］、歐洲的ESS系統(tǒng)［11］等。但這些系統(tǒng)主要用于提取垂直入射薄核乳膠（40～50μm）的高能粒子徑跡［1213］，以此確定關(guān)鍵事件發(fā)生的空間位置。在脈沖中子能譜測量中，為保證核乳膠中質(zhì)子徑跡的完整性，要求采用厚的核乳膠（400～500μm），并使中子束流平行于核乳膠平面入射。這種厚核乳膠中反沖質(zhì)子徑跡長，且在徑跡末端通常會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，較薄核乳膠中的徑跡復雜得多。此外，中子輻射場中存在的伴隨γ射線產(chǎn)生的康普頓電子會對質(zhì)子徑跡產(chǎn)生干擾，因此針對薄核乳膠徑跡點的自動提取方法無法適用于厚核乳膠探測器中反沖質(zhì)子徑跡的判別。

針對厚核乳膠探測器中質(zhì)子徑跡復雜等特點，本文提出一種基于計算機輔助識別質(zhì)子徑跡的方法。利用該方法對由山西師范大學制作，經(jīng)中國原子能科學研究院倍加器產(chǎn)生的能量為14.9MeV、粒子注量為1.02×1010cm-2的中子束輻照的核乳膠中的質(zhì)子徑跡進行提取，并將顯微鏡同一視場下利用該方法提取的質(zhì)子徑跡與人工判讀提取的徑跡進行比較。

1 核乳膠徑跡識別原理

核乳膠質(zhì)子徑跡識別原理如圖1所示。首先獲取不同深度的核乳膠圖像序列：通過等距移動（0.3μm）顯微鏡上的100倍浸油物鏡，利用視場面積為136×102.4μm2的CCD相機（1 360像素×1 024像素）拍攝核乳膠內(nèi)部的圖像，從圖像中拾取徑跡點。再獲取整個核乳膠內(nèi)部圖像：通過載物臺在x、y方向上的移動，改變拍攝的圖像區(qū)域。然后提取圖像中的徑跡點：利用圖像處理的方法從拍攝的圖像中提取徑跡點。最后徑跡重建：將同一條徑跡上的徑跡點逐一連接，便獲得了核乳膠中的質(zhì)子徑跡。因此，核乳膠內(nèi)部徑跡有效提取的關(guān)鍵在于利用圖像處理方法從每幅圖像中準確高效地提取徑跡點，并從獲取的徑跡點中重建徑跡。

圖1 核乳膠質(zhì)子徑跡識別原理示意圖Fig.1 Diagram of recognition principle of proton tracks in nuclear emulsions

2 徑跡點提取方法

為了從圖像中提取徑跡點，需經(jīng)4步圖像處理過程：濾波處理、多閾值二值化、徑跡點篩選和徑跡點去冗余。

2.1 濾波處理

宇宙射線、中子輻射場中的伴隨γ射線和環(huán)境輻射等會在核乳膠中產(chǎn)生可疑徑跡，核乳膠本身的缺陷和表面劃痕，以及顯影引起的隨機噪聲（稱為霧點）給徑跡點識別帶來干擾。因此，為了抑制噪聲等的影響，對所獲得的圖片（圖2a）進行濾波處理。為了避免經(jīng)濾波處理后的圖像過多丟失原圖像的真實信息，利用帶通濾波器是一個很好的折中［14］。文中采用的帶通濾波器由截止頻率為40Hz的二階低通巴特沃斯濾波器和截止頻率為100Hz的二階高通巴特沃斯濾波器組合而成，如式（1）所示，其中D0和D1分別為帶通濾波器的低通截止頻率和高通截止頻率。圖2b為通過帶通濾波器處理后的圖像。從圖像中可看出，徑跡得到增強，背景噪聲等得到較好的抑制。

圖2 原始圖像經(jīng)濾波、二值化和徑跡點篩選處理后的結(jié)果Fig.2 Results of original image processed through image convolution with filter，binarization and track grains clustering

2.2 多閾值二值化

徑跡點處存在銀原子團，使得該處的灰度值較其他部分的偏低。利用灰度值存在差異這一點，可通過設(shè)定灰度值閾值的方法將濾波后的圖像進行二值化，將大于閾值的像素點的灰度值設(shè)為1，而小于等于閾值的像素點的灰度值設(shè)為0。由于每幅圖像在核乳膠內(nèi)部的深度不同以及顯微鏡光照系統(tǒng)的變化，每幅圖像的明暗程度有所不同，因此閾值的選擇不能設(shè)定為常數(shù)，而應(yīng)根據(jù)每幅圖像的明暗程度設(shè)定。為了克服這一問題，利用式（2）將濾波后的圖像歸一化，其中：f（x，y）、f1（x，y）分別為濾波后圖像中像素點（x，y）的灰度值和歸一化圖像中像素點（x，y）的灰度值；fmin、fmax分別為濾波后圖像的最小灰度值和最大灰度值。經(jīng)歸一化處理得到的圖像，雖可設(shè)置相同的閾值，但由于核乳膠顯影處理不均勻而導致不同深度的徑跡點的灰度值又存在一定的差異，因此對同一圖像采用多個閾值分別進行二值化的方法克服這一問題。本文將深度小于等于6μm的圖像的閾值設(shè)定為0.2、0.4和0.6，而其他深度的圖像的閾值設(shè)定為0.2和0.4。圖2c中的黑色區(qū)域即代表提取的徑跡點。

2.3 徑跡點篩選

核乳膠中的徑跡點尺寸約為1μm，徑跡點在某一方向上最多占據(jù)10個像素點。因此，對于徑跡點占據(jù)的像素點個數(shù)，即徑跡點的面積需設(shè)定合適的下限和上限，以避免提取的徑跡點不符合實際條件。根據(jù)對所用核乳膠的觀察，將下限值設(shè)定為3、上限值設(shè)定為64較為合理。保留面積落入這一區(qū)間的徑跡點，剔除其他徑跡點。理論上核乳膠中的徑跡點應(yīng)是圓形的，徑跡點的近圓度R越高，確信度越高。R是包含徑跡點所有像素的最小橢圓的長軸與短軸的比值。本文保留近圓度R滿足1≤R＜2條件的徑跡點進行進一步處理，剔除其他徑跡點。

根據(jù)上述徑跡點的面積和近圓度兩個判斷條件可從不同閾值下提取的徑跡點中刪除不符合條件的徑跡點。如圖2d中右側(cè)放大區(qū)域所示，其中存在3個徑跡點由于不能同時滿足上述兩個條件而被刪除。由于文中取了多閾值進行二值化，使得同一徑跡點可能從不同閾值下獲得的二值圖中均被提取出來。因此，為了克服同一徑跡點被多次提取的缺點，利用式（3）中的判斷準則對獲得的多幅二值圖進行處理。當閾值有3個時，a、b、c分別取0.2、0.4和0.6；當閾值有2個時，a、b、c分別取0.2、0.4和0.4。

其中：Pai為二值圖（閾值為a）中構(gòu)成徑跡點的坐標集合｛（xaim，yaim）｝；Pbi為二值圖（閾值為b）中構(gòu)成徑跡點的坐標集合｛（xbim，ybim）｝；Pcj為二值圖（閾值為c）中構(gòu)成徑跡點的坐標集合｛（xcjm，ycjm）｝；Pbcj為二值圖fbc中構(gòu)成徑跡點的坐標集合｛（xbcjm，ybcjm）｝；fa、fb、fc分別為以a、b、c為閾值獲得的二值圖。

最后根據(jù)式（4）以每個像素點的灰度值作為權(quán)重，計算組成某一徑跡點的所有像素點坐標的平均值，計算的值即為該徑跡點的坐標值（x，y），而物鏡所處位置即為該徑跡點的z坐標。

其中：xi為構(gòu)成某一徑跡點的像素點的水平坐標；yi為構(gòu)成某一徑跡點的像素點的垂直坐標；f（xi，yi）為像素點（xi，yi）的灰度值；SArea為徑跡點的面積。

2.4 徑跡點去冗余

將在同一視場下拍攝的全厚度縱深的核乳膠徑跡圖像序列均利用上述3個步驟進行處理，即可獲得每幅圖像中的徑跡點，最終獲得該視場下所有徑跡點的三維圖像，徑跡點的尺寸約為1μm，而每幅圖像的間隔為0.3μm，因此同一徑跡點可能在相鄰的4幅圖像中均被提取出來，從而造成冗余。雖增大每幅圖像的間隔可避免冗余，但會導致較多的徑跡點由于不在焦平面上無法提取出來，使得一條徑跡上的徑跡點很少，不利于后期的徑跡重建。冗余的徑跡點最大的特點是在相鄰的4幅圖像中的坐標很接近。因此首先根據(jù)相鄰4幅圖像中的徑跡點的坐標進行判斷是否存在冗余。徑跡點最特殊的特點是灰度值較其他位置的灰度值低，因此將徑跡點的灰度值平均值fAver作為去冗余的第1個準則；徑跡點的近圓度R是徑跡點又一典型特征，因此如果灰度值平均值相同，則利用徑跡點的近圓度R作為去冗余的第2個準則；當這兩個準則均相同時，認為面積較小的徑跡點的可信度更高，因此將徑跡點的面積SArea作為第3個準則。去冗余的詳細原則如圖3所示。去冗余后的徑跡點3D圖像如圖4所示。

圖3 徑跡點去冗余原則Fig.3 Principle of removing redundant track points

圖4 去冗余后的徑跡點3D圖像Fig.4 3Dillustration of processed result of all track grains by removing redundancies

3 徑跡重建

從圖4可看到，提取的徑跡點中存在許多的偽徑跡點。但由于真徑跡點之間在空間上存在較大的相關(guān)性，而偽徑跡點多為隨機分布。因此可利用這一特點，從偽徑跡點中提取真徑跡點，從而重建質(zhì)子徑跡。首先逐一遍歷徑跡點，找尋與遍歷到的徑跡點Pi（xi，yi，zi）滿足式（5）所示條件的徑跡點Pj（xj，yj，zj）。用徑跡點Pj（xj，yj，zj）作為新的起始點，尋找坐標滿足式（5）所示條件的徑跡點，利用式（6）從符合條件的徑跡點中找到使得cosθ取得最大正值的徑跡點Pm（xm，ym，zm），因cosθ越大表示Pi、Pj、Pm這3個點越接近在一條直線上，越可能是同一條徑跡上的點。用徑跡點Pj和Pm分別更新徑跡點Pi和Pj，按照上述過程繼續(xù)遍歷，直到無符合條件的徑跡點為止，如果構(gòu)成徑跡的徑跡點數(shù)大于10，則記錄這些徑跡點。由于重建過程中第1步中滿足式（5）所示條件的徑跡點Pj不是唯一的，因此以Pi為起始點重建的徑跡也不是唯一的，文中將具有最多徑跡點的徑跡作為重建的徑跡，并標記這些構(gòu)成徑跡的徑跡點，以免后續(xù)的徑跡重建重復利用這些徑跡點。利用這種重建方法從同一視場下全厚度縱深的核乳膠中重建的徑跡如圖5所示。

圖5 同一視場下所有徑跡重建結(jié)果Fig.5 Reconstruction results of all tracks under the same field

4 結(jié)果比較

利用人工提取質(zhì)子徑跡方法對同一視場下拍攝的圖像序列中的質(zhì)子徑跡進行提取，將提取的結(jié)果與利用計算機輔助識別方法提取的徑跡進行比較，結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出，計算機輔助識別方法提取的徑跡與人工識別方法提取的徑跡基本一致，對于同一徑跡點的坐標x、y、z，偏差均在0.5μm范圍內(nèi)。這表明，計算機輔助判讀方法提取的徑跡能較好地反映質(zhì)子在核乳膠中的運動路線。

圖6 輔助識別方法提取的徑跡與人工判讀提取的徑跡對比Fig.6 Comparison of track reconstruction results obtained by manual identification method and computer-aided recognition method

5 結(jié)論

本文研究了核乳膠中質(zhì)子徑跡計算機輔助提取方法，對獲取的核乳膠徑跡圖像依次進行帶通濾波器濾波、多閾值二值化、徑跡篩選和去冗余處理后獲得圖像中的徑跡點，并利用重建算法從提取的徑跡點中重建出反沖質(zhì)子在核乳膠中的徑跡。將本文方法提取的徑跡與人工判讀提取的徑跡進行比較，兩種方法的結(jié)果基本一致，表明利用計算機輔助方法提取的質(zhì)子徑跡是可靠有效的。下一步開展的工作是在此技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一套核乳膠質(zhì)子徑跡自動識別系統(tǒng)，克服人工判讀費時費力、精度不高的缺點，實現(xiàn)自動識別重建核乳膠內(nèi)所有質(zhì)子徑跡和獲取質(zhì)子徑跡參數(shù)的功能，為將來核乳膠應(yīng)用于脈沖中子束能譜測量提供重要的技術(shù)和軟、硬件基礎(chǔ)。

中國原子能科學研究院倍加器實驗室為核乳膠中子輻照提供了良好的實驗條件，山西師范大學張東海教授提供核乳膠和后期顯影處理方面的幫助，在此一并表示感謝。

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Computer-aided Method for Recognition of Proton Track in Nuclear Emulsion

RUAN Jin-lu1，LI Hong-yun1，SONG Ji-wen1，ZHANG Jian-fu1，CHEN Liang1，ZHANG Zhong-bing1，LIU Jin-liang1，2
（1.Radiation Detector Research Center，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China；2.Department of Engineering Physics，Tsinghua University，Beijing100084，China）

In order to overcome the shortcomings of the manual method for proton-recoil track recognition in nuclear emulsions，a computer-aided track recognition method was studied.In this method，image sequences captured by a microscope system were processed through image convolution with composite filters，binarization by multi thresholds，track grains clustering and redundant grains removing to recognize the track grains in the image sequences.Then the proton-recoil tracks were reconstructed from the recognized track grains through track reconstruction.The proton-recoil tracks in the nuclear emulsion irradiated by the neutron beam at energy of 14.9MeV were recognized by the computer-aided method.The results show that proton-recoil tracks reconstructed by this method consist well with those reconstructed by the manual method.This computer-aided track recognition method lays an important technical foundation of developments of a proton-recoil track automatic recognition system and applications ofnuclear emulsions in pulsed neutron spectrum measurement.

nuclear emulsion；proton-recoil track；computer-aided recognition；track reconstruction

TL815

A

1000-6931（2014）02-0362-06

10.7538／yzk.2014.48.02.0362

2012-12-03；

2013-02-26

國家自然科學基金資助項目（11175141）

阮金陸（1987—），男，吉林農(nóng)安人，碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)