X射線液體圖像高密度容器特征提取方法

孔維武 查艷麗 公安部第一研究所

引言

多視角X射線安檢設(shè)備同時(shí)具備常規(guī)雙能X射線安檢設(shè)備快速DR成像測定物體材料特征和CT型X射線安檢設(shè)備測定物體密度特征的特點(diǎn)，采用多個(gè)固定視角X射線對(duì)物體進(jìn)行透照，通過雙能X射線圖像獲得物體材料特征，通過多視角投影圖像重建物體截面，獲得物體密度特征，從而達(dá)到較精確的物性探測[1]。特別是在液體檢查技術(shù)領(lǐng)域，多視角技術(shù)受到越來越多安檢廠商的關(guān)注，紛紛推出各自的多視角液體檢查設(shè)備，歐盟民航管理部門已將此類型設(shè)備定義為液體檢查Type C型設(shè)備。

利用多視角X射線檢查液體，其核心是通過多視角圖像獲得液體的材料特征和密度特征，尤其對(duì)于高密度容器內(nèi)的液體，通常情況下，由于容器對(duì)射線的吸收性能強(qiáng)于液體，容器與液體對(duì)射線的衰減混疊一起，難以直接通過投影信息獲得液體材料特征和密度特征。為解決上述問題，一種可行的方法是通過射線穿透液體距離以及穿透高密度容器壁厚，根據(jù)某種特定剔除公式、查詢事先建立的高密度容器剔除表，剔除容器影響，獲得液體材料特征；然后，以某一合適的容器形狀、容器外徑和容器壁厚為初始形態(tài)，通過數(shù)值分析中的最優(yōu)化方法迭代解析出液體與容器衰減系數(shù)，獲得液體密度特征[2]。

不難看出，此類方法的關(guān)鍵前提是如何通過多視角液體投影圖像，獲得高密度容器的截面形狀、外徑、壁厚特征。為此，筆者以FISCAN品牌某型號(hào)多視角設(shè)備為試驗(yàn)平臺(tái)，研究了一種有效的解決方法：首先結(jié)合利用邊緣檢測與閾值分割方法定位每個(gè)視角液體區(qū)域；然后設(shè)計(jì)了一種基于多視角液體區(qū)域重建多邊形最小內(nèi)切圓分析的容器截面形狀判斷與外徑計(jì)算方法；最后研究了一種基于容器投影特征與數(shù)值差分分析的容器壁厚估計(jì)方法，從而獲得完整的基于多視角液體圖像的高密度容器特征，為后續(xù)材料特征識(shí)別與密度特征識(shí)別奠定了良好基礎(chǔ)。

一、多視角液體區(qū)域分割

根據(jù)歐盟液體檢查Type C標(biāo)準(zhǔn)，需要將液體放置在專門的塑料盒子中進(jìn)行檢查。FISCAN品牌某型號(hào)多視角設(shè)備采集的液體圖像四個(gè)視角如圖1所示。

容器特征識(shí)別的基礎(chǔ)是對(duì)各視角中液體進(jìn)行準(zhǔn)確分割。由于每個(gè)視角射線源位于通道不同位置，特別是在側(cè)照視角中，并排放置的液體存在嚴(yán)重的重疊關(guān)系，而另外三個(gè)視角中液體不存在重疊關(guān)系，使得側(cè)照視角的分割方法不能與其它三個(gè)視角分割方法完全相同，由此，液體區(qū)域分割分為液體重疊視角分割與非重疊視角分割兩種策略。

首先對(duì)圖1中非重疊視角V1、V3、V4圖像進(jìn)行閾值分割，這三組圖像背景均勻，因此直接利用一個(gè)高灰度閾值進(jìn)行圖像二值化處理，然后，利用小尺度灰度形態(tài)學(xué)與連通區(qū)分析的方法，以連通區(qū)位置、連通區(qū)大小、連通區(qū)平均灰度等特征，過濾掉特征不符合要求的連通區(qū)，獲得初始液體連通區(qū)，然后以這些初始連通區(qū)為基礎(chǔ)，對(duì)連通區(qū)進(jìn)行一定尺度的形態(tài)學(xué)膨脹，再應(yīng)用常規(guī)Canny邊緣檢測定位出液體區(qū)域精確邊緣[3]。圖2為圖1中V1、V3、V4圖像的分割結(jié)果。

對(duì)于側(cè)照液體重疊視角，其分割策略分為兩部分：首先，以底照V1視角液體分割結(jié)果為指導(dǎo)，識(shí)別出側(cè)照視角中液體間重疊關(guān)系，并予以標(biāo)記；然后，根據(jù)標(biāo)記結(jié)果，在側(cè)照視角每組已標(biāo)記重疊區(qū)域的部分，利用對(duì)應(yīng)的高能圖像灰度直方圖極小值檢測方法，首先分割出重疊區(qū)域，進(jìn)而分割出完整的液體區(qū)域，其中，方法難點(diǎn)在于灰度直方圖極小值檢測，假設(shè)用h(z)代表直方圖，那么直方圖的極小值點(diǎn)應(yīng)該同時(shí)滿足[4]：

實(shí)際操作時(shí)，順序掃描直方圖h(z)，當(dāng)遇到第一個(gè)滿足上式的z值時(shí)，理想情況下，該值即可用作重疊區(qū)域的分割閾值，但是，實(shí)際圖像直方圖由于信號(hào)的統(tǒng)計(jì)漲落等原因不可避免的存在很多起伏，使得按上式計(jì)算出來的谷值可能對(duì)應(yīng)于一個(gè)不正確的極小值，為此，設(shè)計(jì)以下三條規(guī)則避免上述問題：

（1）對(duì)灰度圖像進(jìn)行較大尺度中值濾波，降低圖像信號(hào)本身的統(tǒng)計(jì)漲落影響；

（2）對(duì)直方圖h(z)進(jìn)行較大尺度一維均值濾波，降低統(tǒng)計(jì)帶來的統(tǒng)計(jì)漲落影響；

（3）每得到一個(gè)符合要求的z值，統(tǒng)計(jì)被分割部分像素?cái)?shù)目，如果像素?cái)?shù)目低于事先設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)閾值，刪除此z值，繼續(xù)往下掃描，直至得到的z值對(duì)應(yīng)的被分割部分像素?cái)?shù)目滿足要求，將此時(shí)的z值作為最終的重疊區(qū)域分割閾值。

圖1中側(cè)照V2視角重疊液體分割結(jié)果如圖3所示，其中，高灰度的部分標(biāo)記了重疊區(qū)域，低灰度的部分標(biāo)記了非重疊區(qū)域，每個(gè)液體區(qū)域通過事先設(shè)計(jì)好的不同灰度組合完成。

二、多視角高密度容器特征提取方法

（一）方法概述

在分割出液體區(qū)域后，如何將其與多視角二維投影信息相結(jié)合，獲得高密度容器特征是本文研究的另一重點(diǎn)與研究難點(diǎn)，為此，進(jìn)一步研究了一種基于液體分割結(jié)果與多視角液體投影圖像分析的高密度容器特征提取方法。

作為后續(xù)高密度容器內(nèi)液體材料特征與密度特征計(jì)算的輸入?yún)?shù)，容器特征主要包括容器截面形狀、容器截面外徑尺寸和容器壁厚。需要說明，容器特征計(jì)算需要首先對(duì)多視角設(shè)備檢查通道建立坐標(biāo)系，如圖4所示，以通道底面中間位置作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，圖4中的（p1x，p1y）、（p2x，p2y）、（p3x，p3y）、（p4x，p4y）分別代表4個(gè)射線源源心在坐標(biāo)系中相對(duì)位置，此外，需要根據(jù)設(shè)備探測器布局結(jié)構(gòu)圖計(jì)算每個(gè)探測像元在坐標(biāo)系中的相對(duì)位置。

（二）容器截面形狀判斷與外徑計(jì)算

容器截面形狀判斷與容器外徑計(jì)算，通過對(duì)四視角分割結(jié)果在檢查通道坐標(biāo)系中重建多邊形進(jìn)行分析完成，具體示例如圖5所示。

其中，所謂通道坐標(biāo)系重建多邊形，實(shí)質(zhì)是指：四個(gè)視角中代表同一液體的四組液體分割區(qū)域，在某一重建位置，在探測器方向重建多邊形交點(diǎn)區(qū)域，每個(gè)射線源與被檢查液態(tài)物品都有起始和終止兩條交線（對(duì)應(yīng)于液體分割區(qū)域的上下邊緣位置），四個(gè)視角的八條交線會(huì)圍成一個(gè)交點(diǎn)區(qū)域多邊形，其中，圖5通道左側(cè)為一圓形截面液體重建多邊形，通道右側(cè)為一方形截面重建多邊形，多邊形區(qū)域以ABCDEFGH表示。

如圖5所示，容器截面形狀判斷與容器外徑計(jì)算通過一種窮舉迭代求取多邊形ABCDEFGH最小內(nèi)切圓的方法實(shí)現(xiàn)，其具體步驟如下：

（1）計(jì)算多邊形ABCDEFGH的重心坐標(biāo)（px，py）；

（2）以（px，py）為初始位置，分別往其外側(cè)擴(kuò)展一定距離作為內(nèi)切圓心，查找掃描區(qū)域ScanArea，然后，在x方形和y方向分別以小步長ε迭代移動(dòng)（px，py）位置，移動(dòng)后位置以（px'，py'）表示，同時(shí)計(jì)算（px'，py'）到多邊形ABCDEFGH每條邊的垂線距離，共計(jì)8條，以line1~line8表示，統(tǒng)計(jì)此8條line1~line8長度差異最大的兩條垂線差值delta并記錄；

（3）統(tǒng)計(jì)整個(gè)ScanArea區(qū)域內(nèi)所有delta的最大值maxDis，如果此maxDis小于事先設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)閾值LenS，說明此時(shí)圓心到多邊形8條邊距離非常接近，此多邊形圍的液體截面與多邊形最小內(nèi)切圓相近，認(rèn)為容器截面為圓形；否則，認(rèn)為容器截面為類方形。

判斷出容器截面形狀之后，不難計(jì)算出容器外徑尺寸，計(jì)算過程分成兩部分：

（1）當(dāng)判斷容器截面為圓形，直接計(jì)算圓心到多邊形每組邊距離的平均作為容器半徑；

（2）當(dāng)判斷容器截面為類方形，如圖5中右側(cè)方形容器重建多邊形ABCDEFGH所示，直接計(jì)算其中BD距離作為容器高度（外徑），需要說明，考慮到實(shí)際高密度方形截面容器的轉(zhuǎn)角處都帶稍許弧度，計(jì)算出來的方形容器外徑值還需要經(jīng)過一定經(jīng)驗(yàn)加權(quán)修正。

（三）容器壁厚計(jì)算

容器壁厚計(jì)算具體的方法分兩個(gè)步驟：

（1）在投影圖像數(shù)據(jù)上找到壁厚特征數(shù)據(jù)，即容器壁投影特征提取，利用數(shù)值差分分析的方法得到投影圖像上代表容器壁厚的像素個(gè)數(shù)；

（2）利用圖5給出的多視角液體重建多邊形模型，運(yùn)用投影數(shù)據(jù)與截面數(shù)據(jù)的幾何關(guān)系計(jì)算出容器壁厚實(shí)際代表的像素個(gè)數(shù)，最終按照探測器尺寸得到容器壁厚。

通過前文中對(duì)高密度容器邊界精確定位，再通過對(duì)容器擺放姿態(tài)的分析，壁厚計(jì)算的第一步是在容器瓶身上確定一行理想分析位置，然后，從容器邊界讀取此行一維數(shù)據(jù)，不難看出，表示投影數(shù)據(jù)壁厚特征的邊界位置，是在上述理想分析位置行對(duì)應(yīng)一維數(shù)據(jù)的內(nèi)邊界一定范圍內(nèi)的一個(gè)谷值。

一個(gè)典型的高密度容器壁厚投影數(shù)據(jù)（容器理想分析位置行一維數(shù)據(jù)）如圖6所示，其中，圖中的橫坐標(biāo)表示行數(shù)據(jù)像素位置，縱坐標(biāo)表示像素灰度值。準(zhǔn)確找到谷底位置到最近邊界的距離，就代表了投影圖像上容器壁厚的像素個(gè)數(shù)。

運(yùn)用數(shù)值差分分析方法對(duì)圖6表征的一維信號(hào)計(jì)算得到谷值位置，把圖6看作一條曲線，則谷值檢測可借助求曲線極小值的方法，極小值點(diǎn)應(yīng)同時(shí)滿足一階導(dǎo)數(shù)等于零，二階導(dǎo)數(shù)大于零的位置。假設(shè)gray(i)表示如圖6所示行中位置i的灰度數(shù)據(jù)，順序掃描此行數(shù)據(jù)，當(dāng)遇到第一個(gè)滿足式（2）同時(shí)滿足式（3）的i位置時(shí)，此時(shí)i位置就對(duì)應(yīng)于谷值位置。其中，gray'表示gray的差分結(jié)果。

投影圖像上代表容器壁厚像素個(gè)數(shù)與實(shí)際通道截面上壁厚代表像素個(gè)數(shù)的幾何關(guān)系如圖7所示，通過這個(gè)關(guān)系計(jì)算得到實(shí)際通道截面上壁厚代表像素個(gè)數(shù)，再通過像素個(gè)數(shù)、像素位置與實(shí)際對(duì)應(yīng)的探測器尺寸，就可以計(jì)算得出容器壁厚。

三、多視角高密度容器特征提取試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文研究方法在高密度容器特征提取方面的實(shí)際效果，設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)驗(yàn)證方法：

（1）選擇10個(gè)高密度容器樣本，包括：4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓形試劑瓶，容積分別為100ml、250ml、500ml、1000ml；3個(gè)實(shí)際圓形容器，分別為1000ml調(diào)料、750ml紅酒、300ml啤酒；3個(gè)方形容器，分別為700ml白酒、500ml橄欖油、250ml調(diào)料，容器按上述順序依次以編號(hào)1~10表示；

（2）將容器放置在液體檢查塑料盒中，并在通道的左側(cè)和右側(cè)分別進(jìn)行檢查，記錄每個(gè)容器在不同檢查位置上的容器截面形狀判斷結(jié)果、容器截面外徑計(jì)算結(jié)果和容器壁厚計(jì)算結(jié)果，其中，圓形容器截面外徑指容器的直徑，方形容器截面外徑指容器位于塑料檢查盒中的容器高度。

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，其中，“左”“右”分別表示：正視安檢設(shè)備通道入口端，將容器置于安檢設(shè)備通道的“左側(cè)”以及“右側(cè)”。

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從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，本文研究的多視角高密度容器特征提取方法，對(duì)于判斷表1涉及樣本容器截面形狀而言，準(zhǔn)確度達(dá)到了100%，這是因?yàn)閳A形容器和方形容器對(duì)應(yīng)的多視角重建多邊形，其最小內(nèi)切圓情況差異較大。圓形容器重建多邊形最小內(nèi)切圓理論上和此圓形容器截面本身是完全重合的，考慮到實(shí)際系統(tǒng)誤差，兩者間的差異也要遠(yuǎn)小于方形容器的情況。

從容器外徑看，圓形容器直徑計(jì)算結(jié)果精度較高，與手工測量值很接近，都在2mm以內(nèi)，方形容器的計(jì)算值與測量值差異稍大，這是因?yàn)?，方形容器的?jì)算模型是以容器截面四個(gè)轉(zhuǎn)角呈完全垂直關(guān)系設(shè)計(jì)的，而實(shí)際容器轉(zhuǎn)角都具有一定倒角，且加工工藝很難保證完全垂直關(guān)系，但需要說明，這種程度的精度，能夠滿足后續(xù)最優(yōu)化迭代重建的要求。

分析容器壁厚計(jì)算，絕大多數(shù)樣本利用本文方法計(jì)算得到的結(jié)果，與液體CT計(jì)算結(jié)果誤差在15%左右，但仍有部分?jǐn)?shù)據(jù)和液體CT計(jì)算結(jié)果存在較大差異，最大誤差超過了30%，這主要由兩點(diǎn)原因造成：

（1）試驗(yàn)平臺(tái)多視角設(shè)備探測器大小為1.6mm，而容器壁厚范圍大多在2.5mm~5.0mm之間，容器分割和容器壁投影特征提取階段個(gè)別像素的分割差異與可能導(dǎo)致最終計(jì)算出來的容器壁厚結(jié)果存在較大差異；

（2）本文方法計(jì)算出的壁厚是容器截面指定位置的壁厚值，而液體CT計(jì)算結(jié)果中的壁厚是整個(gè)容器截面的平均壁厚值，這些都造成容器壁厚的計(jì)算很難像容器截面形狀判斷那樣達(dá)到特別理想的結(jié)果。

四、結(jié)語

利用多視角進(jìn)行液體探測，其核心在于如何從多視角二維投影數(shù)據(jù)中提取出被檢查液體的材料特征和密度特征，特別是對(duì)于高密度容器內(nèi)的液體，因?yàn)槿萜魑招暂^強(qiáng)，對(duì)液體屬性判斷干擾較大，需要利用特定的容器剔除方法和最優(yōu)化截面重建方法獲取所需要的信息，而這兩個(gè)方法的關(guān)鍵前提是通過多視角液體圖像提取出高密度容器截面形狀、外徑和壁厚等容器特征，為此，本文研究了一種基于多視角液體圖像的高密度容器特征提取方法。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究方法獲取的高密度容器特征在判斷容器截面形狀方面達(dá)到了令人滿意的效果，對(duì)于圓形容器的外徑計(jì)算精度也達(dá)到了一個(gè)較高水平，對(duì)于方形容器外徑和容器壁厚的計(jì)算，雖然在部分情況下與真實(shí)數(shù)值存在一定差異，但同樣滿足后續(xù)步驟的計(jì)算要求，為材料特征識(shí)別與密度特征識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。