一種集裝箱檢查系統(tǒng)輻射圖像的偽彩色變換方法

郭肖靜，吳志芳，苗積臣

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院 核檢測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

鈷-60大型集裝箱檢查系統(tǒng)利用不同密度的物質(zhì)對(duì)γ射線的吸收不同，對(duì)集裝箱內(nèi)的物體進(jìn)行透射成像，安檢人員通過查看圖像來實(shí)現(xiàn)不開箱的快速檢查。因此，獲取的圖像質(zhì)量是關(guān)鍵[1]。通用計(jì)算機(jī)的顯示系統(tǒng)能顯示的灰度變化一般只有8 位256 級(jí)，對(duì)于212～216級(jí)的灰度變化無法表現(xiàn)[2]。但人眼對(duì)彩色變化的分辨能力遠(yuǎn)高于對(duì)灰度變化的分辨能力，因此將灰度圖像轉(zhuǎn)換成彩色圖像顯示,可以提高人眼辨別圖像細(xì)微變化的能力,提高圖像的可分辨性[3]。傳統(tǒng)的偽彩色變換方法通常是對(duì)所有圖像進(jìn)行統(tǒng)一的變換，沒有考慮圖像本身的灰度分布特性。另外，偽彩色圖像顏色的選擇和搭配也會(huì)對(duì)顯示效果產(chǎn)生直接的影響。本研究提供一種基于圖像直方圖的自適應(yīng)的偽彩色變換方法，并基于色彩調(diào)和理論設(shè)置顏色查找表，從而獲得更好的視覺效果。

1 偽彩色變換的原理和方法

偽彩色變換技術(shù)是針對(duì)灰度圖像提出的，該技術(shù)可將灰度圖像變換為具有多種顏色漸變的連續(xù)彩色圖像，其宗旨是把離散灰度圖像F(x,y)的不同灰度級(jí)按照線性或非線性的方法映射成不同色彩，來提高原圖像的可辨識(shí)度，改善視覺效果。偽彩色變換的方法主要有密度分割法、空間域變換合成法和頻率域變換法。

1.1 密度分割法

密度分割法原理簡單、操作簡便，將灰度圖像F(x,y)看成一個(gè)具有二維強(qiáng)度的函數(shù)，然后用m個(gè)平行于水平面的切割平面作切割，得到m個(gè)不同的灰度區(qū)間L1,L2,L3,…,Lm，這是一種均勻分配過程，也可以是非等間隔分層，即對(duì)關(guān)心的灰度級(jí)區(qū)間分得密一些，其他區(qū)間稀疏一些。該方法比較簡單、直觀，但是變換出的彩色數(shù)目有限。

1.2 空間域變換合成法

圖1 偽彩色變換合成法原理Fig.1 The principle of a pseudo color transforming and integrating method

該方法是把灰度圖像F(x,y)同時(shí)送入具有不同變換特征的紅、綠、藍(lán)三個(gè)變換器，如圖1所示，從而產(chǎn)生三基色分量IR(j,k),IG(j,k),IB(j,k)，分別控制彩色顯像管的紅、綠、藍(lán)電子槍，從而在彩色顯像管里合成一副彩色圖像。

1.3 頻率域變換法

該方法是把灰度圖像經(jīng)傅立葉變換到頻率域，在頻率域內(nèi)用三個(gè)不同傳遞特性的濾波器分離成三個(gè)獨(dú)立分量，然后進(jìn)行逆傅立葉變換，便得到三幅代表不同頻率分量的單色圖像，對(duì)三幅圖像作進(jìn)一步的處理(如直方圖均衡化)，作為三基色分量分別加到彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)顯示通道，得到一幅彩色圖像。

2 實(shí)現(xiàn)方法

所謂偽彩色變換就是為灰度圖像中的灰度級(jí)賦予不同的色彩，獲得彩色分層的圖像，使得人眼能夠提取更多的信息。偽彩色處理結(jié)果可以是連續(xù)的彩色，也可以是由集中純彩色單獨(dú)構(gòu)成[4]。集裝箱檢測(cè)圖像灰度分布范圍廣(0～65 535)，背景區(qū)域較大，其偽彩色變換要求能夠清楚地顯示集裝箱中所裝物品的輪廓，以便于判斷是否與報(bào)關(guān)內(nèi)容一致以及是否藏有違禁品。

2.1 輻射圖像的預(yù)處理

集裝箱檢查系統(tǒng)利用射線衰減來形成最終的輻射圖像，因此對(duì)于集裝箱內(nèi)沒有物體的位置，其衰減最小。在最終的輻射圖像上，該位置就是灰度最小的位置，稱該灰度值為本底灰度(Base)。對(duì)輻射圖像上的任何一點(diǎn)(x,y)，設(shè)其灰度為G(x,y)，那么必有G(x,y)≥Base。設(shè)圖像中灰度最大點(diǎn)的灰度值為Gmax，對(duì)原輻射圖像進(jìn)行如式(1)的預(yù)處理變換：

(1)

式(1)中，該變換可以將輻射圖像的本底去除，并根據(jù)圖像的最大灰度，將圖像灰度動(dòng)態(tài)地映射到0～256顯示灰度范圍中，以保證獲得最大的對(duì)比度。

2.2 灰度到彩色的映射

偽彩色線性變換方法是將顏色表中的所有顏色平均分配到所有灰度上，無論輻射圖像的灰度分布如何，其灰度映射到彩色都是固定的。當(dāng)灰度分布不連續(xù)時(shí)，會(huì)有顏色表中的顏色無法被用到的情況。采用動(dòng)態(tài)的非線性方法，根據(jù)輻射圖像的直方圖，動(dòng)態(tài)地將顏色表中的顏色分配到不同灰度上，具體方法如下：

1) 統(tǒng)計(jì)直方圖中有效灰度級(jí)數(shù)目和有效像素個(gè)數(shù)；

2) 計(jì)算每種顏色對(duì)應(yīng)的平均灰度數(shù)目和像素個(gè)數(shù)；

3) 將顏色表中當(dāng)前顏色分配給某一灰度，并累計(jì)該顏色已分配的灰度數(shù)目和像素?cái)?shù)目，如果超過2)中計(jì)算的均值，則切換到下一顏色；

4) 重復(fù)3)直至所有灰度分配完畢。

在1)中，引入有效灰度級(jí)的概念，輻射圖像往往在本底灰度上的像素?cái)?shù)目非常大，而實(shí)際被探測(cè)物體對(duì)應(yīng)某灰度級(jí)的像素?cái)?shù)目相對(duì)較小。當(dāng)執(zhí)行2)時(shí)，每種顏色對(duì)應(yīng)的平均像素個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于被探測(cè)物體對(duì)應(yīng)灰度的像素?cái)?shù)目。算法處理后，很多灰度都對(duì)應(yīng)到同一顏色上，從而丟失了圖像細(xì)節(jié)。

利用預(yù)處理，保證了本底灰度的像素映射到灰度0附近，然后設(shè)置一個(gè)門限值(Threshold)，只有當(dāng)灰度大于門限值，才視為有效灰度，并累計(jì)其像素個(gè)數(shù)，可以有效地避免本底灰度像素點(diǎn)過多對(duì)算法的影響。

2.3 基于色彩調(diào)和理論的顏色表

本方法顏色表的設(shè)置依據(jù)奧斯特瓦爾德顏色體系，該體系由24個(gè)色相組成[5](見圖2)，基本色相為黃、橙、紅、紫、藍(lán)、藍(lán)綠、綠、黃，每個(gè)基本色相又分為3個(gè)部分，組成24個(gè)分割的色相環(huán)，其中相距180度的兩個(gè)色相為互補(bǔ)色，互補(bǔ)色結(jié)合的色組，是對(duì)比最強(qiáng)的色組。雖然顏色表選用的顏色越多，圖像越細(xì)膩，但是輻射圖像用于通過物體輪廓判斷是否包含違禁品，太多的顏色反而會(huì)弱化輪廓，甚至形成麻點(diǎn)，不利于判斷，可選用若干對(duì)比較強(qiáng)的色相來顯示。集裝箱檢查系統(tǒng)所得輻射圖像通常有大面積的背景，而且背景的灰度值變化較小，用一個(gè)顏色來表示；物體的顏色用反色來表示，以增強(qiáng)對(duì)比度。例如，選用黑色作為被檢物體以外的背景色，橙色和藍(lán)色為兩個(gè)互補(bǔ)色相，可用于顯示集裝箱及其內(nèi)部物品的顏色，形成較強(qiáng)的對(duì)比。

圖2 奧斯特瓦爾德顏色體系24色相環(huán)Fig.2 24 hues ring of Ostwald Color Order System

3 偽彩色處理結(jié)果

對(duì)應(yīng)用于某海關(guān)的鈷-60集裝箱檢查系統(tǒng)得到的輻射圖像進(jìn)行偽彩色變換，得到了較好的效果，如圖3所示。該集裝箱中所裝物品為顯示器，圖像背景選擇了黑色，物品顏色選擇了橙、藍(lán)兩個(gè)色系，這兩個(gè)顏色為相對(duì)色，圖中層疊擺放的顯示器輪廓清晰可見，顏色層次感強(qiáng)，獲得了較好的顯示效果。利用傳統(tǒng)線性非配法的一種處理結(jié)果示于圖4，可見，圖中顯示器的輪廓沒有圖3清晰，顏色選取較隨機(jī)，對(duì)比度也較差。

圖3 某海關(guān)集裝箱輻射圖像的偽彩色變換結(jié)果Fig.3 A pseudo color image of a radiation image obtained by a customs system processed

圖4 用一種傳統(tǒng)線性變換方法處理某海關(guān)集裝箱輻射圖像的偽彩色變換結(jié)果Fig.4 A pseudo color image of a radiation image obtained by a customs system processed using a traditional method

4 結(jié)論

本文提出了一種適用于集裝箱檢查系統(tǒng)輻射圖像的偽彩色變換方法，該方法可根據(jù)灰度圖像的直方圖分布特點(diǎn)，為灰度級(jí)動(dòng)態(tài)分配顏色，并基于色彩調(diào)和理論選取互補(bǔ)色進(jìn)行顯示，提高了圖像的可識(shí)別度，取得了很好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張麗，陳志強(qiáng)，康克軍，等. 偽彩色的非線性分配方法在大型集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)圖像處理中的應(yīng)用[J]. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2000,20(2):157-161.

Zhang Li, Chen Zhiqiang, Kang Kejun, et al. Application of non-liner mapping color in large container inspect system[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2000, 20(2): 157-161(in Chinese).

[2] 陳磊，張凱，金振成. 數(shù)字乳房X片中的偽彩色增強(qiáng)應(yīng)用[J]. 上海生物醫(yī)學(xué)工程,2004,25(3):01-31.

Chen Lei, Zhang Kai, Jin Zhencheng. The application of pseudo-color enhancement in digital mammography[J]. Shanghai Journal of Biomedical Engineering, 2004, 25(3): 1-31(in Chinese).

[3] 汪登斌，唐敖榮，何國祥，等. 乳腺鉬靶片計(jì)算機(jī)偽彩色圖像處理的臨床應(yīng)用[J]. 中華放射學(xué)雜志,1996,30(7):472-475.

Wang Dengbin, Tang Aorong, He Guoxiang, et al. Clinical applications of computer assisted pseudo-color encoded molybdenum mammograph[J]. Chinese Journal of Radiology, 1996, 30(7): 472-475(in Chinese).

[4] 賈永紅. 計(jì)算機(jī)圖像處理與分析[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社，2001：74-76.

[5] 俞琳，余隋懷，陳登凱，等. 奧斯特瓦爾德色彩體系環(huán)境下的色彩調(diào)和方法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2009,7:41-44.

Yu Lin, Yu Suihuai, Deng Dengkai, et al. Color harmony method research in Ostwald color system environment[J]. Modern Manufacturing Engineering, 2009, 7: 41-44(in Chinese).