肖宇峰， 王　瑞， 姜　軍， 張　華

(西南科技大學(xué)　a.信息工程學(xué)院；　b.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

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基于圖像匹配的放射性區(qū)域定位方法

肖宇峰a，b， 王瑞a， 姜軍a， 張華a，b

(西南科技大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010)

摘要:去污作業(yè)時(shí)，工程人員需要準(zhǔn)確定位放射性區(qū)域，徹底去除有害物質(zhì)。提出了一種利用圖像匹配定位放射性區(qū)域的方法，通過(guò)普通相機(jī)即可確定污染物位置。具體過(guò)程為：首先，采集放射性區(qū)域的γ相機(jī)圖像，并提取輻射成像區(qū)域的邊緣輪廓；然后，從γ相機(jī)和普通相機(jī)圖像中找出匹配點(diǎn)云，并利用點(diǎn)云計(jì)算出相機(jī)間的變換矩陣；最后，把γ相機(jī)圖像中的放射性區(qū)域輪廓映射到普通相機(jī)圖像中，完成普通相機(jī)對(duì)放射性區(qū)域的重新定位。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中：γ相機(jī)與普通相機(jī)有水平和垂直偏角時(shí)，該方法通過(guò)普通相機(jī)準(zhǔn)確找到了模擬的放射性區(qū)域；而在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，該方法同樣通過(guò)普通相機(jī)找到了放射性污染物。

關(guān)鍵詞:γ相機(jī)；放射性區(qū)域； 圖像匹配； 匹配點(diǎn)云

核輻射環(huán)境下，放射性物質(zhì)的定位是去除放射性污染、恢復(fù)環(huán)境安全的重要前提。為保證核事故處置、核退役現(xiàn)場(chǎng)安全施工，工程人員需要事先確定放射性物質(zhì)的位置和數(shù)量[1-2]。目前，能定位放射性目標(biāo)的方法分為兩類：一類是對(duì)已知放射性目標(biāo)定位方法；另一類是未知放射性目標(biāo)定位方法。前一類方法已經(jīng)比較成熟，通過(guò)在儲(chǔ)存放射源的容器上安裝信號(hào)發(fā)送裝置，工程人員可通過(guò)無(wú)線通信的方式定位放射性目標(biāo)[3-4]。后一類方法基于射線探測(cè)機(jī)理，通過(guò)射線探測(cè)器來(lái)識(shí)別放射性目標(biāo)，如市面上常見(jiàn)的一些放射性監(jiān)測(cè)儀器[5]。其中，γ相機(jī)是一種高效準(zhǔn)確的在線測(cè)量?jī)x器，利用光學(xué)成像和射線探測(cè)機(jī)理合成具有γ能譜分布的圖像[6]。但是，實(shí)際的核輻射作業(yè)環(huán)境比較惡劣，尤其是去污和破拆過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵和碎片，不僅影響γ相機(jī)的測(cè)量效果，而且會(huì)對(duì)精密昂貴的探測(cè)部件造成破壞。

根據(jù)上述情況，本文將γ相機(jī)和普通相機(jī)結(jié)合在一起，從γ相機(jī)圖像中提取的放射性區(qū)域映射到普通相機(jī)圖像：首先，分析γ相機(jī)圖像中的放射性劑量分布圖，提取放射性區(qū)域輪廓；其次，從γ相機(jī)和普通相機(jī)圖像中找出匹配點(diǎn)云；最后，利用匹配點(diǎn)云計(jì)算出的變換矩陣，并將γ相機(jī)圖像中的放射性區(qū)域輪廓映射到普通相機(jī)圖像。本方法在施工中具體應(yīng)用步驟為：施工前，通過(guò)γ相機(jī)首先探測(cè)環(huán)境中放射性區(qū)域，并把圖像保存下來(lái)；施工期間，通過(guò)計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序，工程人員可利用普通相機(jī)替代γ相機(jī)，并在其圖像中還原出放射性區(qū)域輪廓。這樣不僅利用γ相機(jī)準(zhǔn)確找到了放射性區(qū)域，而且避免γ相機(jī)被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

1基于圖像匹配的放射性區(qū)域定位

1.1放射性區(qū)域特征分析與提取

1.1.1γ相機(jī)圖像的特征

γ相機(jī)是一種放射源劑量分布成像設(shè)備，被用于實(shí)驗(yàn)室的放射源劑量分析和核輻射區(qū)域中的放射源定位。其利用統(tǒng)計(jì)方法探測(cè)γ射線強(qiáng)度，不僅能采集放射源所在場(chǎng)景的灰度圖像，還能以彩色條紋的等高圖標(biāo)識(shí)出現(xiàn)場(chǎng)的放射性分布區(qū)域。圖1是γ相機(jī)采集的廢料桶圖像，有較強(qiáng)劑量強(qiáng)度的部位被等高圖標(biāo)識(shí)出來(lái)(真實(shí)圖像的等高線有紅、黃、藍(lán)、綠等不同顏色)。HSV色彩模型有色調(diào)(H)、飽和度(S)和亮度(V)三部分，圖像中無(wú)彩色信息的區(qū)域只有亮度值，其色調(diào)和飽和度為0。因此，γ相機(jī)圖像中色調(diào)與飽和度取非零值的區(qū)域都具有放射性。

圖1　γ相機(jī)圖像

1.1.2放射性區(qū)域輪廓提取

根據(jù)γ相機(jī)圖像的上述特征，采用HSV圖像模型中的S(飽和度)分量對(duì)放射性區(qū)域進(jìn)行提取。對(duì)于圖像中某像素點(diǎn)(x，y)，有下述公式

(1)

式中：I(x，y)為像素點(diǎn)(x，y)的飽和度分量；T為飽和度閾值。

圖2　γ相機(jī)圖像的二值圖

對(duì)閾值運(yùn)算后的圖像進(jìn)行去噪，得到圖2描述的二值圖，其中的白色表示放射性區(qū)域。本研究采用sobel微分算子提取圖2中的白色邊緣[7]。通過(guò)對(duì)該圖卷積，得到沿X軸方向和Y軸方向的灰度差分近似值，如下述公式所示

(2)

(3)

式中：I為原始圖像；Dx和Dy分別為沿x和y方向進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到的圖像。根據(jù)下式得到梯度圖，再由閾值分割得到圖3中的放射性區(qū)域輪廓。

(4)

圖3　放射性區(qū)域輪廓

得到輪廓像素點(diǎn)后，按下述步驟把各輪廓提取并表示出來(lái)：

第一步，通過(guò)圖像逐行掃描尋找輪廓點(diǎn)。找到輪廓點(diǎn)時(shí)標(biāo)記種子點(diǎn)p0，并插入表示輪廓點(diǎn)的鏈表L。令p= p0，由該種子點(diǎn)開(kāi)始跟蹤。如沒(méi)有找到新的輪廓點(diǎn)，退出。

第二步，把p的像素值置為0，順時(shí)針把鄰域內(nèi)8個(gè)點(diǎn)依次記為p′。如果p′為輪廓點(diǎn)，則執(zhí)行下一步；否則，執(zhí)行第四步。

第三步，令p= p′，把點(diǎn)p′插入鏈表L，執(zhí)行第二步。

第四步，如果p與p0相鄰或均為輪廓點(diǎn)，則停止圖像掃描，L中的點(diǎn)就是輪廓點(diǎn)；否則，取出L中的點(diǎn)并賦值給p，執(zhí)行第二步。

第五步，統(tǒng)計(jì)L中點(diǎn)的數(shù)目，根據(jù)閾值排除細(xì)小輪廓后，轉(zhuǎn)至第一步提取下一輪廓。

1.2γ相機(jī)圖像與普通相機(jī)圖像的匹配

采集γ相機(jī)圖像后，工程人員用普通相機(jī)替換γ相機(jī)來(lái)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，或輔助來(lái)去除放射性物質(zhì)。但是，工程人員無(wú)法直接從普通相機(jī)圖像中找到放射源的準(zhǔn)確位置。此時(shí)，如果將前述γ相機(jī)圖像和普通相機(jī)圖像進(jìn)行匹配，把提取出的放射性區(qū)域輪廓映射到普通相機(jī)圖像中，則普通相機(jī)也可以用來(lái)定位那些放射性物質(zhì)。下面采用SIFT算法完成圖像匹配，在普通相機(jī)圖像中尋找放射性區(qū)域輪廓的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)[8-10]。其基本思路：在γ相機(jī)圖像中提取關(guān)鍵點(diǎn)；賦予關(guān)鍵點(diǎn)尺度和方向；生成關(guān)鍵點(diǎn)特征描述器；在普通相機(jī)圖像中尋找關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)。

1.2.1關(guān)鍵點(diǎn)提取

本文采用具有較好穩(wěn)定性的DOG高斯差分算子來(lái)描述局部極值點(diǎn)特征，對(duì)于點(diǎn)(x，y)有

L(x,y,kσ)-L(x,y,σ)

(5)

通過(guò)比較相鄰的26個(gè)點(diǎn)，可以判定當(dāng)前點(diǎn)是否為局部極值點(diǎn)。顯然，只需對(duì)高斯平滑后的相鄰尺度圖像執(zhí)行減法，計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單。

1.2.2關(guān)鍵點(diǎn)方向分配

為保持旋轉(zhuǎn)不變性，本文選用梯度方向描述關(guān)鍵點(diǎn)(x，y)的方向，式(6)描述其模型，梯度幅值如式(7)計(jì)算，梯度方向如式(8)計(jì)算。

(6)

(7)其中，a=(L(x+1,y)-L(x-1,y))2,b=(L(x,y+1)-L(x,y-1))2。

(8)

為提高抗干擾性能，對(duì)以關(guān)鍵點(diǎn)為中心、r為半徑的區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)執(zhí)行高斯加權(quán)統(tǒng)計(jì)，選出主能梯度方向?yàn)殛P(guān)鍵點(diǎn)方向。

1.2.3特征向量生成

采用如下步驟為關(guān)鍵點(diǎn)創(chuàng)建特征向量：

第一步，計(jì)算放射空間參數(shù)緯角度θ、經(jīng)角度φ和尺度σ。

第二步，采用式(9)把關(guān)鍵點(diǎn)(x，y)轉(zhuǎn)移到主方向。

(9)

第三步，以關(guān)鍵點(diǎn)為中心劃分16×16像素矩形，對(duì)其中4×4像素區(qū)域計(jì)算8個(gè)方向的梯度直方圖。通過(guò)統(tǒng)計(jì)各梯度生成種子點(diǎn)，最后得到16個(gè)種子點(diǎn)和128維的向量。

第四步，通過(guò)閾值化和向量歸一化生成式(10)描述的特征向量。

L=(l1,l2,…,l128)

(10)

1.2.4特征點(diǎn)匹配

計(jì)算出γ相機(jī)圖像和普通相機(jī)圖像的關(guān)鍵點(diǎn)特征向量后，可通過(guò)式(13)計(jì)算二者相似度值。

Ri=(ri1,ri2,…,ri128)

(11)

Si=(Si1,Si2,…,Si128)

(12)

(13)

式中：Ri為γ相機(jī)圖像中的被匹配點(diǎn)的特征向量；Si為普通相機(jī)圖像中待匹配點(diǎn)的特征向量。為增強(qiáng)抗干擾能力，可分別計(jì)算Si與最近點(diǎn)Rj相似度數(shù)值、Si與次近點(diǎn)Rp的相似度數(shù)值。再通過(guò)判斷二者的比值來(lái)確定匹配點(diǎn)，如式(14)所示。

(14)

1.3污染源目標(biāo)重映射

為在普通相機(jī)圖像中找到γ相機(jī)圖像中的放射性區(qū)域，需要利用上述匹配方法生成兩幅圖像的匹配點(diǎn)云，然后完成如下工作：計(jì)算圖像之間的變換矩陣；把γ相機(jī)圖像提取出的輪廓點(diǎn)映射到普通相機(jī)的圖像中。當(dāng)匹配點(diǎn)云不在同一空間平面時(shí)，還需要對(duì)匹配點(diǎn)所在平面進(jìn)行分割。對(duì)不同平面上的匹配點(diǎn)分別執(zhí)行上述計(jì)算后，就能從三維空間的角度完成輪廓點(diǎn)的準(zhǔn)確匹配，避免畸變和錯(cuò)誤。

1.3.1變換矩陣擬合

對(duì)于同一平面上的γ相機(jī)圖像和普通相機(jī)圖像，其匹配點(diǎn)有如下關(guān)系式

(15)

(16)

(17)

每對(duì)匹配點(diǎn)坐標(biāo)值可得到兩個(gè)獨(dú)立方程，至少需要4對(duì)匹配點(diǎn)才能得到H矩陣值。

1.3.2目標(biāo)輪廓變換

得到γ相機(jī)圖像到普通相機(jī)圖像的射影矩陣H后，可對(duì)γ相機(jī)圖像中提取的輪廓點(diǎn)序列坐標(biāo)進(jìn)行變換，計(jì)算出這些點(diǎn)在普通相機(jī)圖像中的坐標(biāo)，這些坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輪廓就是普通相機(jī)圖像中對(duì)應(yīng)的放射性區(qū)域。

1.4算法偽碼

根據(jù)上述過(guò)程分析，給出了算法偽碼框架，具體包括以下5部分內(nèi)容：1)采集γ相機(jī)圖像；2)提取γ相機(jī)圖像中的放射性區(qū)域輪廓；3)采集普通相機(jī)圖像；4)匹配γ相機(jī)圖像和普通相機(jī)圖像；5)在普通相機(jī)圖像中重映射出放射性區(qū)域輪廓。

1)采集伽馬相機(jī)圖像

GetGamaView(PicGama)；

2)提取伽馬相機(jī)圖像中的放射性區(qū)域輪廓

GenerateGamaAera(PicGama)；//閾值運(yùn)算得到伽馬圖像中的放射性區(qū)域；

Outline(PicGama，GamaLine)；//提取放射性區(qū)域的邊緣輪廓。

3)采集普通相機(jī)圖像

GetCommonView(PicComn)；

4)匹配伽馬相機(jī)圖像以及普通相機(jī)圖像

ExtractKeyPoint(PicGama，GamaPoint)；//從伽馬相機(jī)中提取關(guān)鍵點(diǎn)；

Generate(GamaPoint，Scale，Direction)；//賦予關(guān)鍵點(diǎn)尺度和方向；

GenerateDesc(GamaPoint，Scale，Direction，GamaPointDesc)；//生成關(guān)鍵點(diǎn)特征描述器；

MatchPoint(PicGama，PicComn，GamaPointDesc，CloudPoint)；//在普通相機(jī)中尋找匹配的關(guān)鍵點(diǎn)，生成匹配點(diǎn)云。

5)普通相機(jī)圖像中重映射出放射性區(qū)域輪廓

TransForm(CloudPoint，Matrix)；//計(jì)算伽馬相機(jī)圖像到普通相機(jī)圖像的變換矩陣；

ReMapOutline(GamaLine，MappingLine，Matrix)；//根據(jù)變換矩陣，把伽馬相機(jī)圖像中的輪廓點(diǎn)映射到普通相機(jī)圖像中。

2實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，利用C語(yǔ)言和OpenCV2.3函數(shù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了上述算法，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試：計(jì)算機(jī)采用Intel的3.20 GHz(4核)處理器，內(nèi)存容量為4 Gbyte，操作系統(tǒng)為Windows7，實(shí)驗(yàn)圖片分辨率為800×600。

2.1模擬測(cè)試放射性區(qū)域定位效果

圖4a為模擬γ相機(jī)圖像(在普通相機(jī)拍攝的灰度圖中貼上標(biāo)識(shí)放射性區(qū)域的彩色等高圖)；圖4b為普通相機(jī)水平旋轉(zhuǎn)60°后拍攝的圖像(φ表示相機(jī)水平旋轉(zhuǎn)的角度)；圖4c為關(guān)鍵點(diǎn)的匹配過(guò)程；圖4d為普通相機(jī)圖像中映射出的輪廓。該測(cè)試證明：γ相機(jī)與普通相機(jī)存在一定水平轉(zhuǎn)角時(shí)，本方法可在普通相機(jī)中找出放射性區(qū)域。

圖4　γ相機(jī)與普通相機(jī)存在水平旋轉(zhuǎn)角度時(shí)的測(cè)試效果

圖5a為模擬γ相機(jī)圖像(在普通相機(jī)拍攝的灰度圖中貼上標(biāo)識(shí)放射性區(qū)域的彩色等高圖)；圖5b為普通相機(jī)垂直旋轉(zhuǎn)60°后拍攝的圖像(θ表示相機(jī)垂直旋轉(zhuǎn)的角度)；圖5c為關(guān)鍵點(diǎn)的匹配過(guò)程；圖5d為普通相機(jī)圖像中映射出的輪廓。該測(cè)試證明：γ相機(jī)與普通相機(jī)存在一定垂直轉(zhuǎn)角時(shí)，本方法可在普通相機(jī)中找出放射性區(qū)域。

圖5　γ相機(jī)與普通相機(jī)存在垂直旋轉(zhuǎn)角度時(shí)的測(cè)試效果

2.2模擬測(cè)試放射性區(qū)域定位準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性

測(cè)試中，在一塊有文字的木板上畫(huà)出三角形、圓形和正方形分別模擬3塊不同的放射性區(qū)域。用普通相機(jī)拍攝該木板得到圖6a所示的圖像，并假設(shè)該圖為γ相機(jī)圖像。此后，相機(jī)從3個(gè)不同方向拍攝該木板圖像，并通過(guò)本方法在圖像中畫(huà)出上面3塊區(qū)域的輪廓：圖6b為相機(jī)正對(duì)木板拍攝得到的圖像以及找到的區(qū)域輪廓；圖6c為相機(jī)水平旋轉(zhuǎn)45°后拍攝得到的圖像以及找到的區(qū)域輪廓；圖6d為普通相機(jī)水平后退3m后拍攝得到的圖像以及找到的區(qū)域輪廓。在圖6b～6d中，外面的三角形(圓形和正方形)線條是本方法通過(guò)匹配畫(huà)出的輪廓，里面的三角形(圓形和正方形)是最初畫(huà)在木板上的輪廓。實(shí)驗(yàn)證明，本方法在圖像中找出的放射性區(qū)域總能覆蓋實(shí)際的放射性區(qū)域，沒(méi)有出現(xiàn)找偏、找錯(cuò)或者漏掉情況。

圖6　定位準(zhǔn)確性測(cè)試

2.3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了圖7所示的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：通過(guò)型號(hào)為Cartogam50的γ相機(jī)檢測(cè)一個(gè)有放射性污染物的廢料桶，采集的γ圖像如圖7a所示；在γ相機(jī)旁邊安裝了一臺(tái)FCB-EX980SP的普通相機(jī)，采集的普通相機(jī)圖像如圖7b所示；圖7b中的輪廓對(duì)應(yīng)著圖7a中的放射性區(qū)域，通過(guò)本方法計(jì)算得到。

圖7　現(xiàn)場(chǎng)放射性區(qū)域定位

3結(jié)論

在核退役、核應(yīng)急處理期間，放射性區(qū)域定位將幫助工程人員發(fā)現(xiàn)有害目標(biāo)，從而準(zhǔn)確、徹底地去除放射性物質(zhì)。利用γ相機(jī)事先采集的有放射性特征的圖像，本文通過(guò)匹配γ相機(jī)圖像和普通相機(jī)圖像實(shí)現(xiàn)放射性區(qū)域定位。在去污和拆除時(shí)，采用本方法還能避免γ相機(jī)被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。本文方法工作步驟為：首先，利用γ相機(jī)輻射成像找出環(huán)境中的放射性區(qū)域，并從γ相機(jī)圖像中提取放射性區(qū)域輪廓；然后，通過(guò)圖像匹配方法從γ相機(jī)和普通相機(jī)圖像中找出匹配點(diǎn)云，并計(jì)算得到兩個(gè)相機(jī)的變換矩陣；最后，利用變換矩陣將γ相機(jī)圖像中的放射性區(qū)域輪廓映射到普通相機(jī)圖像，從而完成放射性區(qū)域的重定位。實(shí)驗(yàn)安排的測(cè)試分別表明：本文方法可通過(guò)普通相機(jī)準(zhǔn)確找到模擬放射性區(qū)域；γ相機(jī)與普通相機(jī)存在較大位置偏差時(shí)，該方法仍然能準(zhǔn)確找到目標(biāo)；該方法在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果比較穩(wěn)定。

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責(zé)任編輯：閆雯雯

Radioactive area location method based on image matching

XIAO Yufenga，b，WANG Ruia，JIANG Juna，ZHANG Huaa，b

(a.InformationEngineeringSchool；b.SpecialEnvironmentRobotTechnologyKeyLaboratoryofSichuanProvince，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，SichuanMianyang621010，China)

Abstract:During decontamination，engineers need to accurately position radioactive area and remove hazardous material. A radioactive area positioning method based on image matching is proposed， and the contaminant can be found with normal camera. There are three steps： firstly， the γ camera image is acquired and edge contour of radioactive area is extracted； secondly， from the gamma camera image and normal camera image， the matching point cloud is got and the transformed matrix is formulated； lastly， the contour is mapped into normal camera image and radioactive area is relocated by it. In experiments：when there are some horizontal or vertical deflection angles， this method can accurately find out simulation radioactive area； at application field， it also accurately position contaminant with normal camera.

Key words:gamma camera；radioactive area；image matching；match point cloud

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.05.024

基金項(xiàng)目：核能開(kāi)發(fā)科研項(xiàng)目(2011-1137)；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZA0091)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015GZ0035)

作者簡(jiǎn)介：

肖宇峰(1978— )，副研究員，主要從事計(jì)算機(jī)視覺(jué)與網(wǎng)絡(luò)通信研究。

收稿日期：2015-03-31

文獻(xiàn)引用格式：肖宇峰， 王瑞， 姜軍，等. 基于圖像匹配的放射性區(qū)域定位方法[J].電視技術(shù)，2016，40(5)：110-115.

XIAO Y F，WANG R，JIANG J，et al. Radioactive area location method based on image matching[J].Video engineering，2016，40(5)：110-115.