豐樹(shù)強(qiáng) 趙 瀟 竇玉玲 張國(guó)光

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

低輻射車(chē)輛檢查裝置圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究

豐樹(shù)強(qiáng) 趙 瀟 竇玉玲 張國(guó)光

（中國(guó)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(chē)輛檢查存在著諸多技術(shù)難點(diǎn)，如歸一化、對(duì)數(shù)變換、動(dòng)態(tài)范圍變換、探測(cè)器等工作的不穩(wěn)定所引起的干擾等問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)處理過(guò)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(duì)由放射源位置變動(dòng)造成的計(jì)數(shù)漲落，采用了動(dòng)態(tài)本底技術(shù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，取得了很好的效果。

低輻射，車(chē)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(xiàn)成像原理實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、行李、車(chē)輛等進(jìn)行掃描的產(chǎn)品應(yīng)用很廣。近年來(lái)，隨著國(guó)家出臺(tái)的高速公路綠色通道車(chē)輛免收通行費(fèi)的政策全面落實(shí)，幾乎所有的高速公路收費(fèi)站點(diǎn)都對(duì)以運(yùn)送新鮮蔬菜、水果、鮮類(lèi)、蛋類(lèi)等為主的車(chē)輛開(kāi)辟了專(zhuān)門(mén)的綠色通道，使綠通車(chē)輛的通行效率得以提高。據(jù)估算，2012年全國(guó)各收費(fèi)站點(diǎn)日均通過(guò)的綠通車(chē)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(yùn)送非綠色通道許可貨物的車(chē)輛也偽裝成綠色通道車(chē)輛通行，偷逃通行費(fèi)。為此，各主要高速公路運(yùn)營(yíng)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(chē)輛多以中大型貨車(chē)為主，短時(shí)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(duì)位于貨箱門(mén)口處的貨物進(jìn)行簡(jiǎn)單檢查，進(jìn)而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷是否合格。違法人員也正是抓住這一點(diǎn)，將夾帶貨物藏于車(chē)廂內(nèi)部，逃避通行費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，常規(guī)檢查方法的平均檢查時(shí)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(chē)輛的違法行為，確保政策得到精確執(zhí)行，保障綠通車(chē)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(duì)綠通車(chē)輛進(jìn)行在線(xiàn)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(chē)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(cè)器，此外需要建造笨重的屏蔽體以及車(chē)輛牽引裝置等，檢查前司乘人員需下車(chē)。

由于此類(lèi)設(shè)備造價(jià)不菲、檢測(cè)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(duì)放射性的關(guān)注與質(zhì)疑較為強(qiáng)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(jī)構(gòu)卡住或屏蔽殼無(wú)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(lèi)設(shè)備大多安裝在車(chē)流密集場(chǎng)所，并且使用頻率很高，因此對(duì)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(shì)。

實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)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(shí)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(qiáng)、探測(cè)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(cè)器。MCNP計(jì)算表明，當(dāng)晶體直徑大于?20 mm、長(zhǎng)度大于50 mm時(shí)，探測(cè)器計(jì)數(shù)率可以滿(mǎn)足圖像采集的要求。為提升成像質(zhì)量，可適當(dāng)加長(zhǎng)探測(cè)器。電子學(xué)部分負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)積分與成型，并將信號(hào)調(diào)制為方波后經(jīng)差分電路送入計(jì)數(shù)采集卡，后者統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)數(shù)量作為成像系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)。

圖1為依照國(guó)標(biāo)《輻射型集裝箱檢查系統(tǒng)》GB19211-2003要求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的裝置，實(shí)驗(yàn)主要包括三部分：穿透力測(cè)試、反差靈敏度測(cè)試、絲分辨力測(cè)試。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備(a)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架(b)和測(cè)試用鋼板與鋼條(c)Fig.1 Experimental facility (a), experimental table (b) and steel plate and bar (c).

實(shí)驗(yàn)所采用的鋼板吸收體規(guī)格為500 mm× 500mm×150 mm，臺(tái)架的運(yùn)動(dòng)速度為 0.1 m·s-1，計(jì)數(shù)采集卡的統(tǒng)計(jì)間隔為50 ms。通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jiàn)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(shí)際使用時(shí)被測(cè)車(chē)輛多為大型貨車(chē)，考慮到車(chē)輛與設(shè)備的安全性，需限制車(chē)輛的最大通過(guò)速度為15 km·h-1。在此條件下，考慮到探測(cè)器的尺寸，為保證成像后的長(zhǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)，此條件下探測(cè)器單位時(shí)間內(nèi)的全亮度計(jì)數(shù)（開(kāi)源，無(wú)遮擋物）的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)達(dá)到210以上，可以滿(mǎn)足成像系統(tǒng)的要求。各路探測(cè)器全亮度計(jì)數(shù)差異較大的主要原因是探測(cè)器與源的距離差異較大。同時(shí)，理論計(jì)算表明，全亮度計(jì)數(shù)下部分離源較近的探測(cè)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(huì)影響到最終成像效果，但實(shí)際使用中影響有限，這主要是因?yàn)槎逊e只在被測(cè)車(chē)輛很空時(shí)發(fā)生，此時(shí)該局部圖像的辨識(shí)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(jì)數(shù)采集卡的數(shù)據(jù)，經(jīng)歸一化、對(duì)數(shù)變換、動(dòng)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(chē)型的不同，實(shí)驗(yàn)中采用100-200路探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際使用中最長(zhǎng)的被測(cè)車(chē)輛可達(dá)20m，當(dāng)車(chē)輛以最低限速5 km·h-1通過(guò)時(shí)，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(jì)算表明Co-60源的穿透極限為1.5 m，實(shí)驗(yàn)中貨車(chē)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

從掃描得到的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)車(chē)輛裝載白菜部分的車(chē)身通過(guò)掃描線(xiàn)時(shí)，探測(cè)器計(jì)數(shù)已經(jīng)接近本底計(jì)數(shù)。因此，對(duì)于低輻射成像，為了提高圖像的反差靈敏度，同時(shí)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(jì)數(shù)獲取與全亮度計(jì)數(shù)獲取非常重要，這是對(duì)各路探測(cè)器準(zhǔn)確標(biāo)定與數(shù)據(jù)歸一化計(jì)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(shí)驗(yàn)Fig.4 Potatoes and Chinese cabbages scan experiment.

歸一化的目的是消除由探測(cè)器距離差異以及性能差異造成的計(jì)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(wèn)題。常用的做法是選取某一路探測(cè)器為基準(zhǔn)，采用線(xiàn)性插值方法，對(duì)其余探測(cè)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(shí)際應(yīng)用中，由于各路探測(cè)器或相應(yīng)的電子學(xué)線(xiàn)路均有一定的損壞概率，如果將基準(zhǔn)探測(cè)器硬編碼為某一路，則該路探測(cè)器的穩(wěn)定性對(duì)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(yàn)表明，單次測(cè)量時(shí)某幾路計(jì)數(shù)出問(wèn)題的情況經(jīng)常發(fā)生，但大量探測(cè)器通道同時(shí)發(fā)生故障的概率則相當(dāng)小?；谶@個(gè)思路，假設(shè)某一路探測(cè)器的全亮度記數(shù)是準(zhǔn)確的，以該計(jì)數(shù)作為理論值，由于各路探測(cè)器與放射源的距離已知，可通過(guò)物理計(jì)算將該路探測(cè)器計(jì)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(shí)測(cè)值(CE)，進(jìn)而有：

由式(1)求出方差，此方差作為評(píng)價(jià)該路探測(cè)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(duì)于單次檢測(cè)中出現(xiàn)故障的探測(cè)通道，其計(jì)數(shù)必然偏離群體，方差很大，因此不會(huì)被選為基準(zhǔn)。這樣系統(tǒng)的可靠性大大增加。實(shí)測(cè)表明，只要探測(cè)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(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)中注意到，放射源每次開(kāi)啟后的位置存在微小的差異，導(dǎo)致射線(xiàn)經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器后，在探測(cè)器上出現(xiàn)計(jì)數(shù)波動(dòng)，影響成像的穩(wěn)定性。為了消除放射源每次開(kāi)啟時(shí)的位置差異對(duì)最終成像質(zhì)量的影響，采用“動(dòng)態(tài)本底技術(shù)”對(duì)實(shí)時(shí)成像時(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)測(cè)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(jì)數(shù)與全亮度計(jì)數(shù)測(cè)量，此預(yù)先測(cè)量數(shù)據(jù)只用作實(shí)時(shí)成像過(guò)程中的數(shù)據(jù)歸一化。一般情況下，對(duì)于運(yùn)動(dòng)圖像顯示，只要不出現(xiàn)明顯的、連續(xù)的模糊情況，就不對(duì)預(yù)先測(cè)量的本底和全亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測(cè)量。實(shí)際采集時(shí)，當(dāng)車(chē)輛完全通過(guò)檢測(cè)面后，成像系統(tǒng)可利用放射源還沒(méi)有被關(guān)閉的間隙，進(jìn)行實(shí)時(shí)全亮度的數(shù)據(jù)測(cè)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(shí)利用該實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)所有圖像數(shù)據(jù)重新進(jìn)行歸一化運(yùn)算，得到最終圖像。由于實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)與車(chē)輛檢測(cè)過(guò)程中的圖像數(shù)據(jù)是放射源處于同一位置下的檢測(cè)數(shù)據(jù)，因此重新進(jìn)行歸一化運(yùn)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(jì)數(shù)；I為穿透后計(jì)數(shù)。

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

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

計(jì)數(shù)采集卡獲取的計(jì)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(jí)；而操作系統(tǒng)只支持8位灰度級(jí)的圖像顯示[1]。直接進(jìn)行線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍壓縮，必然造成細(xì)節(jié)丟失。因此考慮采用浮點(diǎn)數(shù)矩陣存儲(chǔ)壓縮后的數(shù)據(jù)，即作216(int)→256 (float)的轉(zhuǎn)換，該浮點(diǎn)數(shù)矩陣作為用戶(hù)后期圖像處理的數(shù)據(jù)源，對(duì)用戶(hù)所做的灰度做如下變換：

256(float)(TL-TH) →256(byte)

式中，TL、TH為用戶(hù)選取的閾值下限和上限。這使得圖像細(xì)節(jié)在用戶(hù)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(shí)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?yàn)V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(kāi)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]?？紤]到實(shí)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(shí)間不固定。因此，為提升系統(tǒng)的吞吐量，消除因檢查違法車(chē)輛所造成的后續(xù)車(chē)輛積壓，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)我們將成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)掃描模塊與圖像處理模塊分離；二者可以獨(dú)立工作，實(shí)時(shí)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(duì)列的形式接收緩沖多個(gè)數(shù)據(jù)文檔。檢查人員可以?huà)炱鹩幸蓡?wèn)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(fèi)站的綠色通道車(chē)輛檢查。系統(tǒng)投入使用后，日均掃描車(chē)輛超過(guò)500輛，可對(duì)通過(guò)該收費(fèi)站的所有綠色通道車(chē)輛進(jìn)行在線(xiàn)式檢查。同時(shí)，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(chǎng)實(shí)物圖，圖6為綠色通道車(chē)輛掃描圖像，其中圖6(a)為車(chē)頭非避讓模式下的正常綠通車(chē)輛掃描圖像，圖6(b)為車(chē)頭避讓模式下的違法夾帶車(chē)輛掃描圖像?？梢钥闯觯瑢?duì)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(lái)。

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

圖6 綠色通道車(chē)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(yùn)行時(shí)系統(tǒng)只工作于車(chē)頭避讓模式，放射源在車(chē)頭通過(guò)后才會(huì)打開(kāi)，檢查過(guò)程中司乘人員無(wú)需下車(chē)，可直接駕車(chē)低速通過(guò)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(jī)在高空5 min的照射劑量。

4 結(jié)語(yǔ)

公眾對(duì)輻射源安全性的關(guān)注以及客觀(guān)環(huán)境的使用限制促使輻射裝備逐步向低輻射、小型化、實(shí)用化方向發(fā)展。綠色通道車(chē)輛檢查的應(yīng)用需求是近幾年才被提出來(lái)的，并隨著政策的落實(shí)而逐漸明確。不同于以往的車(chē)輛檢查，針對(duì)綠色通道車(chē)輛的檢查有特殊的技術(shù)指標(biāo)與應(yīng)用需求。本項(xiàng)目對(duì)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(shí)際應(yīng)用中的若干問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，取得了較好的效果。由于大型綠色通道車(chē)輛的寬度可達(dá)2 m以上，滿(mǎn)載貨物時(shí)，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(diǎn)。

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(yùn)堅(jiān), 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(shù)華. 網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)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(shù)強(qiáng)，男，1978年出生，2007年于中國(guó)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