CN102890293A - 一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法,其步骤是，给出两个不同材质的物体a、物体b,射线源发出的射线束穿过所述物体a、物体b，被探测器接收，探测器上的信号经过AD转换后输入计算机,计算机基于设定算法提取所述物体a、物体b的特征属性值，计算设备对所述物体a、物体b的材料分辨能力，以此评价安检设备性能；本发明的优点是：不论是安检设备生产厂商，还是设备鉴定认证机构都可以执行，实施过程透明可重复，本发明比传统的测试探测率和误报率的方法简单方便，并综合体现了设备的成像性能和危险品识别算法，并且能够预测设备的探测率和误报率。

Description

一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法,属于辐射成像安全检查技术领域。 

背景技术

目前，X射线检测方法广泛应用于工业无损检测及安全检查等,针对X射线成像设备的性能评价存在如下方法：在工业无损检测领域，GJB1187A-2001《射线检测》针对X射线胶片透视成像检测，采用像质计灵敏度的方法评价设备的成像能力；GJB5311-2004《工业CT系统性能测试方法》针对工业CT成像检测，采用圆盘标准试件测试系统的空间分辨率和密度分辨率，并以这两个指标来评价系统成像能力；GJB5312-2004《工业射线层析成像检测》针对工业CT成像检测，采用线对测试卡和密度差试件测试系统的空间分辨率和密度分辨率，并以这两个指标来评价系统成像能力。在安全检查领域，GB15208.1-2005《微剂量X射线安全检查设备》针对安检设备使用需求提出了更详细的系统探测性能指标:线分辨率、穿透分辨率、穿透力、空间分辨率、灰度分辨能力、有机物分辨能力、无机物分辨能力、混合物分辨能力、三种材料的分辨能力、有效材料分辨能力、通过率等，但其测试方法是将一个标准测试箱放到安检设备中进行成像，通过人工分辨图像的质量来评价系统的检测性能。此外还有为消除人工评价图像的主观性误差的基于图像处理技术的图像质量自动评价方法以及美国的X射线安检CT系统图像质量评估标准ANSI N42.45-2011,其测试方法是将一个标准测试箱放入安检CT机进行扫描并重建，通过重建切片计算测试体的相关属性来评价系统成像性能。可测试的相关属性包括：物体长度、射束硬化效应、轴向空间分辨率和密度分辨率、径向空间分辨率、金属伪影效应等。以上所有方法都是通过对标准测试件的成像来评价系统的性能。安检设备的根本功能是实现对危险品的探测，安检设备的根本指标是探测率和误报率，探测率误报率指标受两方面影响:一是设备的成像性能，二是设备的危险品识别算法。前述方法都是对设备成像性能的测试，和危险品识别算法无关,也不能预测设备的探测率和误报率。另外，由于目前X射线检测设备种类很多，包括单视角透视成像设备、多视角成像设备、计算机断层成像设备等。针对这些检测设备的性能评价，还没有一个完善的统一测试标准。目前，做探测率和误报率测试已成为设备性能的衡量指标，而目前的各种射线检测标准都是针对设备图像质量的评价，不能完整的反映安检设备的探测率和误报率指标。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法。 

本发明的步骤是：给出两个不同材质的物体a、物体b,射线源发出的射线束穿过所述物体a、物体b，被探测器接收，探测器上的信号经过AD转换后输入计算机,计算机基于设定算法提取所述物体a、物体b的特征属性值，计算设备对所述物体a、物体b的材料分辨能力，以此评价安检设备性能；具体包括以下步骤: 

a.选择两种不同材料的物体a、物体b； 

b.设定各种不同的检测环境，分别将物体a、物体b放入安检设备中进行检测； 

c.安检设备输出物体a、物体b的特征属性值； 

d.统计物体a、物体b的特征属性值及标准差； 

e.基于物体a、物体b的特征属性值和标准差，计算安检设备对物体a、物体b的分辨能力； 

f.在不同的安检设备上，实施以上步骤，计算物体a、物体b在不同安检设备上的材料分辨能力，以此评价比较不同安检设备的性能。 

所述安检设备的射线源是X射线源或γ射线源之一。所述安检设备采用双能成像或多能成像。所述安检设备采用基于单视角成像方法、基于多视角成像方法、基于CT成像方法之一。所述物体a、物体b是液体或固体之一。 

针对液态危险品检测，本发明能够通过使用不同的容器模拟不同的检测环境；针对普通行包安检设备，能够通过使用不同设置的测试箱模拟不同的检测环境。 

所述物体a、物体b的特征属性值是一维或多维之一。所述物体a、物体b的特征属性值的标准差能够通过实验统计获得或直接指定。 

本发明的优点是：不论是安检设备生产厂商，还是设备鉴定认证机构都可以执行，实施过程透明可重复，本发明的方法比传统的测试探测率和误报率的方法简单方便，并综合体现了设备的成像性能和危险品识别算法，且能够预测设备的探测率和误报率。 

附图说明

图1是本发明所述一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法的材料分辨能力计算流程图； 

图2是本发明所述一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法的s₁和s₂的空间 分布图； 

图3是本发明所述一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法的s₁′和s₂′的空间分布图； 

图4是本发明所述一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法的特征属性值标准差不等时二维空间分布比较图； 

其中，（4a）分布示例图1；(4b)分布示例图2 

图5是本发明所述一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法的特征属性值标准差归一化后的二维空间分布比较图； 

其中，（5a）分布示例图1；(5b)分布示例图2。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述,本发明的步骤是：给出两个不同材质的物体a、物体b,射线源发出的射线束穿过所述物体a、物体b，被探测器接收，探测器上的信号经过AD转换后输入计算机,计算机基于设定算法提取所述物体a、物体b的特征属性值，计算设备对所述物体a、物体b的材料分辨能力，以此评价安检设备性能；具体包括以下步骤: 

a.选择两种不同材料的物体a、物体b； 

b.设定各种不同的检测环境，分别将物体a、物体b放入安检设备中进行检测； 

c.安检设备输出物体a、物体b的特征属性值； 

d.统计物体a、物体b的特征属性值及标准差； 

e.基于物体a、物体b的特征属性值和标准差，计算安检设备对物体a、物体b的分辨能力； 

f.在不同的安检设备上，实施以上步骤，计算物体a、物体b在不同安检设备上的材料分辨能力，以此评价比较不同安检设备的性能。 

本发明所述的材料分辨能力的计算流程如图1所示，计算过程中包括的两个主要步骤如下: 

（1）特征属性选择和变换 

因检测环境，噪声等的影响，可将物体的特征属性值看作随机变量，则我们在选取物体的特征属性时，应使得这些特征属性值互不相关。为了便于图形化说明，以m=2为例。 

本发明提出的基于特征距离的材料分辨能力计算公式如下: 

$C(a,b)=\frac{f\left(m\right)\·\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(a\left(s_i\right)-b\left(s_i\right))}^2}}{\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}a{\left({\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}+\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}b{\left({\mathrm{\σ}}_i\right)}^2}}---\left(\text{1}\right)$

其中s_i(i＝1,2,…,m)代表材料的m个特征属性值；σ_i(i＝1,2,…,m)代表由检测环境、系统噪声等造成的m个特征属性值的标准差；f（m）是一个基于物体的特征维度m的函数；C(a,b)代表检测系统对物体a、物体b两种材料的分辨能力。 

如图2所示是物体的某两种属性值的二维空间分布。从图中可以看出，s₁和s₂在总体趋势上呈线性关系，通过计算s₁和s₂的互相关系数，可判断s₁和s₂的互相关程度，若互相关系数超过某一个阈值，则需要通过一定的变换方法降低特征属性的相关性。例如，针对图2中的示例，可以通过如下坐标变换的方法，构造两个新的特征属性s₁′和s₂′： 

$\left[\begin{array}{c}{s_1}^{\′}\\ {s_2}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_1\\ s_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

如图3所示显示了s₁′和s₂′的二维空间分布，此时和s₁和s₂比较，s₁′和s₂′的互相关系数会显著降低。 

(2)特征属性标准差归一化 

当物体的m个特征属性值的标准差σ_i(i＝1,2,…,m)不相等时，利用公式(1)计算系统对两种物体的分辨能力会得出不合理的结果。如图4所示： 

a(σ₁)＝b(σ₁)＝c(σ₁)＝d(σ₁) 

a(σ₂)＝b(σ₂)＝c(σ₂)＝d(σ₂) 

$\sqrt{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(a\left(s_i\right)-b\left(s_i\right))}^2}=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(c\left(s_i\right)-d\left(s_i\right))}^2}$

将以上等式带入公式(1)得，C(a,b)＝C(c,d)，即系统对物体a、b和物体c、d具有相同的分辨能力。但是从图3中，可以直观的看出，C(c,d)＞C(a,b)。造成这种不一致现象的原因是物体的特征属性值的标准差不等，即σ₁≠σ₂。 

为解决上述不一致性，本发明采用标准差归一化的方法。构造新的特征属性值如下： 

${s_i}^{\′}=s_i\·\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_i},i=\mathrm{1,2},...,m$

则 

${{\mathrm{\σ}}_i}^{\′}=\mathrm{\σ}\left(s_i\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_i}\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_i\·{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_i}={\mathrm{\σ}}_1,i=\mathrm{1,2},...,m$

将经过标准差归一化的物体特征属性二维分布重新表示，如图5所示，此时，通过公式(1)计算和通过图5的直观表达，都可以得到C(a,b)＝C(c,d)。 

安检设备对危险品和安全品的区分能力，是安检设备制造商和广大用户都十分关心的问题。针对该问题，本发明的工作过程及用途如下: 

（1）同型号设备性能比较； 

安检设备制造商在设备交付用户使用之前，需确定设备的检测性能是否满足设计要求。同型号的设备具有相同的软件系统和硬件配置，然而由于机械安装误差、运输振动、射线源和探测器的制造误差等，使得同型号设备的检测性能之间会存在一定的差异。为评估这种差异对设备检测性能的影响程度，可采用本发明的材料分辨能力计算方法。 

首先，确定两种不同材质的待检物体。然后，使用当前检测设备计算这两种物体的材料分辨能力，同时，和已认证设备上计算的这两种物体的材料分辨能力做对比，计算其相对误差。若误差控制在一定阈值范围内，则认为当前设备检测性能合格。 

（2）不同型号设备性能比较； 

随着硬件性能的提高和软件算法的更新，安检设备在不断的更新换代。为了定量的比较新一代设备的检测性能和老一代设备的检测性能，可采用本发明的材料分辨能力计算方法。 

(3)探测率和误报率预测； 

探测率和误报率是一个安检系统性能的关键指标，通过对模拟的旅客包裹进行检测和统计，可获得设备的探测率和误报率指标，这是当前设备认证过程中的标准方法。本发明将检测环境对检测结果的影响建模于物体的材料特征属性标准差中，通过计算典型的安全品和危险品在特征属性空间的重叠程度，同时考虑特征属性的统计分布特性，就可以有效地预测检测设备的探测率和误报率。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本 发明权利要求的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法，其特征在于,步骤是:给出两个不同材质的物体a、物体b,射线源发出的射线束穿过所述物体a、物体b，被探测器接收，探测器上的信号经过AD转换后输入计算机,计算机基于设定算法提取所述物体a、物体b的特征属性值，计算设备对所述物体a、物体b的材料分辨能力，以此评价安检设备性能；具体包括以下步骤:

(1)选择两种不同材料的物体a、物体b；

(2)设定各种不同的检测环境，分别将物体a、物体b放入安检设备中进行检测；

(3)安检设备输出物体a、物体b的特征属性值；

(4)统计物体a、物体b的特征属性值及标准差；

(5)基于物体a、物体b的特征属性值和标准差，计算安检设备对物体a、物体b的分辨能力；

(6)在不同的安检设备上，实施以上步骤，计算物体a、物体b在不同安检设备上的材料分辨能力，以此评价比较不同安检设备的性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法，其特征在于，所述安检设备的射线源是X射线源或γ射线源之一。

3.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法，其特征在于，所述安检设备采用双能成像或多能成像。

4.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法，其特征在于，所述安检设备采用基于单视角成像方法、基于多视角成像方法、基于CT成像方法之一。

5.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法，其特征在于，所述物体a、物体b是液体或固体之一。

6.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法,其特征在于，针对液态危险品检测，能够通过使用不同的容器模拟不同的检测环境；针对普通行包安检设备，能够通过使用不同设置的测试箱模拟不同的检测环境。

7.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法,所述物体a、物体b的特征属性值是一维或多维之一。

8.根据权利要求1所述的一种基于材料分辨能力的射线安检系统性能评价方法,所述物体a、物体b的特征属性值的标准差能够通过实验统计获得或直接指定。

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