CN103810678B - 一种背散射x射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，包括以下步骤：1)设计一种背散射X射线人体安全检查设备图像矫正模板Rectify_Template，并对Rectify_Template成像，获得待矫正模板图像Img_ori；2)对Img_ori进行预处理，提取出人体图像有效成像区域Img_valid；3)对于Img_valid，首先在水平方向进行横向灰度累积和均值投影计算，并对各行灰度累积和均值曲线做极小值检测；4)水平方向矫正：以Img_valid水平方向最宽处行像素Centre_cow的宽度为基准；5）竖直方向矫正：在Img_{rec_h}基础上，以Centre_cow处水平方向一个网格宽度width_cow为基准；本发明的优点是实现了畸变图像的有效矫正，图像视觉效果得到较大改善，经过矫正后的图像比例与实际人体外形比例吻合良好，为安检人员更加有效、准确的判读图像提供了良好基础。

Description

一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法

技术领域

本发明涉及一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法,属于背散射X射线成像安全检查技术领域。

背景技术

近年来，贩毒、恐怖主义等活动越来越多地以隐藏于人体的形式出现，借助人体进行毒品走私、恐怖袭击活动使得威胁与危险更加隐蔽，严峻的形势对人体安全检查技术提出了更加严格的要求，在这样的背景下，背散射X射线成像技术因其非接触式、辐射剂量低、对低原子序数物质敏感等特点在人体安全检查技术领域受到越来越多地关注，它能够以类似相片的形式展现人体表面图像，不仅可以有效地检测出金属物品，还能够检测出像陶瓷刀、塑料枪支、液体炸弹、混合武器、毒品等非金属物品及违禁物品。

然而，在背散射X射线人体安全检查设备成像过程中，由于射线源源心到人体表面各部分距离存在差异，并且，探测器到人体表面各部分距离也存在差异，使得人体表面不同部位成像比例不同，导致图像在人体表面各处缩放程度不一致，图像产生畸变，与实际人体外形存在较大视觉偏差。具体表现为：对于同样大小的人体区域，设备对于人体胸、腹等躯干部分的成像面积要大于对胳膊、腿等四肢部分的成像面积，并且，这种畸变随着人体其它部位与身体躯干部位的距离增加而变得愈加严重，在手、脚等部位，图像畸变更加明显。这种情况容易对安检人员判读图像产生误导，影响安检人员的判读结果。

目前，在背散射X射线人体安全检查的现有技术领域，还没有相关能够完全避免成像过程中的这种图像畸变效应的技术出现。

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背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，本发明恢复了人体各部位在背散射X射线安全检查图像中的真实比例关系，减少了现有设备因为图像畸变而导致的安检人员检查效率下降、漏判、误判等问题。

本发明的一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，包括以下步骤：

1)设计一种背散射X射线人体安全检查设备图像矫正模板Rectify_Template，并对Rectify_Template成像，获得待矫正模板图像Img_ori；

2)对Img_ori进行预处理，提取出人体图像有效成像区域Img_valid，其中，预处理方法由图像滤波、图像拉伸、图像边缘检测与分割三部分组成；

3)对于Img_valid，首先在水平方向进行横向灰度累积和均值投影计算，并对各行灰度累积和均值曲线做极小值检测，并结合有效成像区域Img_valid，确定水平方向和竖直方向上的矫正基准点集；

4)水平方向矫正：以Img_valid水平方向最宽处行像素Centre_cow的宽度为基准，参照水平方向矫正基准点集，利用线性插值方法，逐行将设备原始采集的畸变图像Img中其他行像素插值拉伸至与Centre_cow宽度一致，得到图像Img_{rec_h}；

5)竖直方向矫正：在Img_{rec_h}基础上，以Centre_cow处水平方向一个网格宽度width_cow为基准，参照竖直方向矫正基准点集，利用线性插值方法，将竖直方向每两个相邻矫正基准点位置P_iP_i+1间的像素，插值拉伸或压缩至与宽度width_cow一致，得到最终矫正图像Img_rec。

其中，在上述方法步骤1)中，矫正模板Rectify_Template由下列三种物体组成：

a)金属支架；

b)由金属支架支撑的具有一定厚度、一定面积的强散射体有机材料面板；

c)附着于有机材料面板表面，具有一定直径，并且在竖直与水平两个方向等间距放置的金属丝。

在上述方法步骤2)中，预处理方法由图像滤波、图像拉伸、图像边缘检测与分割三部分组成。预处理方法中的图像滤波采用NL-Means滤波方法，该方法优点在于，既能对图像平坦区域具有较好的噪声抑制效果，又不破坏图像的边缘细节信息；图像拉伸采用线性灰度变换实现；边缘检测使用常规的Sobel边缘检测方法实现；图像分割，结合滤波图像的灰度信息和边缘强度信息，利用经验阈值分割实现。完成人体图像有效成像区域Img_valid的提取。

在上述方法步骤3)中，极小值检测方法利用常规的求取曲线极小值方法实现，即：曲线极小值位置处的值应符合其一次导数等于0且二次导数大于0。需要说明，水平方向上的矫正基准点集指的是：图像Img_valid的每行像素两端的端点位置；竖直方向上的矫正基准点集指的是：图像Img_valid的各行灰度累积和均值曲线极小值点对应的各行位置。

在上述方法步骤4)中，首先沿水平方向逐行遍历Img_valid，找到Img_valid最宽处Centre_cow，并以Centre_cow两端位置为基准，将设备采集的畸变图像Img中其它各行灰度数据拉伸至与Centre_cow宽度一致，拉伸方式利用线性插值方法实现。

在上述方法步骤5)中，首先确定Centre_cow处水平方向的图像网格宽度width_cow，以此宽度为基准，将竖直方向每两个相邻矫正基准位置P_iP_i+1间的像素，拉伸或压缩至与宽度width_cow一致，拉伸或压缩方式利用线性插值方法实现。

矫正过程由所述步骤4)水平方向矫正和所述步骤5)竖直方向矫正组成；图像矫正方法，基于矫正基准点集，利用线性插值方式实现。

本发明的优点是实现了畸变图像的有效矫正，图像视觉效果得到较大改善，经过矫正后的图像比例与实际人体外形比例吻合良好，为安检人员更加有效、准确的判读图像提供了良好基础。

附图说明

图1是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的流程图；

图2是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的步骤S1涉及的矫正模板Rectify_Template示意图(正面)；

图3是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的步骤S1涉及的矫正模板Rectify_Template实际成像Img_ori例图；

图4是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的步骤S2涉及的图3 Img_ori经过预处理后得到的有效成像区域Img_valid例图；

图5是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的步骤S3涉及的图4 Img_valid水平方向灰度投影曲线图；

图6是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的步骤S4涉及对图像Img_valid进行水平方向矫正结果例图；

图7是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的步骤S5涉及对图像Img_valid进行完水平方向矫正后再进行竖直方向矫正的结果例图；

图8是本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的对于一副实际采集的人体图像的矫正前后例图；其中，图(a)为矫正前的图像，图(b)为矫正后的图像。

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。

参照图1本发明所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的流程图，本发明方法主要包括以下步骤：

1)步骤S1，设计一种背散射X射线人体安全检查设备图像矫正模板Rectify_Template，并对Rectify_Template成像，获得矫正模板图像Img_ori；

2)步骤S2，对Img_ori进行预处理，提取出人体图像有效成像区域Img_valid，其中，预处理方法由图像滤波、图像拉伸、图像边缘检测与分割三部分组成；

3)步骤S3，对于Img_valid，首先在水平方向进行横向灰度累积和均值投影计算，并对各行灰度累积和均值曲线做极小值检测，并结合有效成像区域Img_valid，确定水平与竖直两个方向上的矫正基准点集；

4)步骤S4，水平方向矫正：以Img_valid水平方向最宽处行像素Centre_cow的宽度为基准，参照水平方向矫正基准点集，利用线性插值方法，逐行将原始采集畸变图像Img中其他行像素插值拉伸至与Centre_cow宽度一致，得到图像Img_{rec_h}；

5)步骤S5，竖直方向矫正：在Img_{rec_h}基础上，以Centre_cow处水平方向一个网格宽度width_cow为基准，参照竖直方向矫正基准点集，利用线性插值方法，将竖直方向每两个相邻矫正基准位置P_iP_i+1间的像素，插值拉伸或压缩至与宽度width_cow一致，得到最终矫正图像Img_rec。

其中，在步骤S1中，一种背散射X射线人体安全检查设备图像矫正模板Rectify_Template，如图2所示，其由下列三种物体组成：

a)金属支架11；

b)由金属支架支撑的具有一定厚度、一定面积的强散射体有机材料面板12；

c)附着于有机材料面板表面，具有一定直径，并且在竖直与水平两个方向等间距放置的金属丝13。

需要说明，强散射体有机材料面板12应能在长度和宽度两个方向上，覆盖绝大多数被检查人的检查范围，因此，在本实施例中，强散射体有机材料面板12的高度为2000mm，宽度为1500mm；为保证散射强度，有机材料面板12的厚度为50mm；此外，为保证成像质量，金属丝13的直径为5mm，在竖直与水平两个方向间距相同，为50mm。

步骤S1中，一种背散射X射线人体安全检查设备图像矫正模板Rectify_Template实际成像例图Img_ori如图3所示，其中，图像中灰度较高的区域由强散射体有机材料面板12成像所得，图像中灰度较低的线由金属丝13成像所得。

步骤S2用于对图3进行预处理，并提取出人体图像有效成像区域。

步骤S2涉及的预处理过程由以下三个部分组成：

a)图像滤波；

对Img_ori采用NL-Means滤波方法进行滤波得到图像Img_filter，其目的是降低图像噪声对后续预处理步骤的影响。由于NL-Means滤波是图像处理领域中的常规技术，在此不再赘述其原理，但需要说明的是，NL-Means方法具有既能对图像平坦区域具有较好的噪声抑制效果、又不破坏图像的边缘细节信息的特点，特别符合背散射X射线信号滤波需求。

b)图像拉伸；

对Img_filter采用灰度线性拉伸方法得到图像Img_tran，其目的是提高图像的对比度，更有利于后续边缘检测与图像分割过程。以12比特图像为例，具体图像拉伸实现方法是：首先通过灰度直方图分析，确定一个低灰度经验阈值lv与一个高灰度经验阈值hv，然后直接将滤波后的图像Img_filter中灰度介于lv与hv之间的像素灰度拉伸至lv-4095之间；低于lv部分保持不变；高于hv部分设置为4095。

拉伸公式如式(1)所示，其中，I(i,j)表示滤波图像Img_filter在(i,j)位置灰度；T(i,j)表示拉伸图像Img_tran在(i,j)的像素灰度。

$T(i,j)=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{I(i,j)-lv}{hv-lv}\&times;(4095-lv)+lv& if& lv<I(i,j)\&le;hv\\ 4095& if& I(i,j)>hv\\ I(i,j)& if& I(i,j)\&le;lv\end{array}\right.---\left(1\right)$

c)边缘检测与分割；

首先，对Img_tran进行Sobel边缘检测，获得边缘图像Img_edge；接着，利用经验阈值函数S(Img_tran(x,y))对Img_edge进行分割并二值化，保留Img_edge中的强边缘信息，得到强边缘图像Img_edge-hi，其中，经验阈值函数S(Img_tran(x,y))设计为一个与图像Img_tran对应像素灰度相关的函数；最后，逐行统计Img_edge-hi的两端有效位置，保留Img_tran中每行像素两端有效位置之间的像素灰度，其余部分像素灰度置为0。由于Sobel边缘检测与阈值分割是图像处理领域中的常规技术，在此不再赘述其原理。

本发明步骤S2涉及的图3Imgori经过预处理后得到的有效成像区域Img_valid例图，如图4所示。

步骤S3的作用是，利用有效成像区域Img_valid，完成水平方向与竖直方向的矫正基准点集统计，这是本发明涉及的一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的核心步骤。

首先，在水平方向对Img_valid进行横向灰度累积和均值投影计算，然后，对各行灰度累积和均值曲线做极小值检测，其中，极小值检测方法利用常规的求取曲线极小值方法实现，即：曲线中极小值处的数值应同时符合其一次导数等于0且二次导数大于0，如式(2)所示，其中，h(z)代表各行灰度累积和均值曲线。

和

图4Img_valid对应的横向灰度累积和均值曲线及其极小值检测结果，如图5所示，其中，图5(a)给出了Img_valid对应的横向灰度累积和均值曲线，图5(a)的横坐标表示图4Img_valid竖直方向的位置，纵轴表示图4Img_valid竖直方向每行图像的灰度累积和均值；图5(b)给出了图5(a)所示曲线的极小值检测结果示意，图5(b)中竖直方向的线段与图5(b)横轴的交点位置即为检测出来的极小值，此极小值点检测结果对应的各行位置的集合，就是竖直方向矫正基准点集；图像Img_valid的每行像素两端的首个灰度大于0的端点位置，就是水平方向矫正基准点集。

基于上述竖直方向矫正基准点集和水平方向矫正基准点集，步骤S4和步骤S5用于完成对畸变图像的矫正。

在步骤S4中，首先沿水平方向逐行遍历Img_valid，找到Img_valid最宽处Centre_cow，如图4中的41所示，并以Centre_cow的两端位置为基准，参照水平方向矫正基准点集，将原始采集畸变图像Img中其它各行灰度数据位于矫正基准点集内的像素拉伸至与Centre_cow宽度一致，拉伸方式利用常规的线性插值方法实现。

图6给出了水平方向的矫正结果。

在步骤S5中，首先确定Centre_cow处水平方向的图像网格宽度width_cow，如图6中的61所示，并以此宽度为基准，将竖直方向矫正基准点集中每两个相邻矫正基准位置P_iP_i+1间的像素，拉伸或压缩至与宽度width_cow一致。拉伸或压缩方式利用常规的线性插值方法实现。

图7给出了竖直方向的矫正结果，这是畸变图像的最终矫正结果。

为了更加直观的给出本发明涉及的一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法的实际效果，图8给出了一组利用本发明所述方法对FISCAN某型号背散射X射线人体安全检查设备采集的人体图像进行畸变矫正处理前后的对比图像，其中，图8(a)为矫正前的图像，图8(b)为矫正后的图像。可以看出，相对矫正前的图像，矫正后的人体图像比例与实际人体外形比例吻合良好，达到了预期的图像矫正效果。

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 (5)

1.一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设计一种背散射X射线人体安全检查设备图像矫正模板Rectify_Template，并对Rectify_Template成像，获得矫正模板图像Img_ori；

(2)对Img_ori进行预处理，提取出人体图像有效成像区域Img_valid；

(3)对于Img_valid，确定水平与竖直两个方向上的矫正基准点集；

(4)对原始采集的畸变图像Img，水平方向矫正，得到图像Img_{rec_h}；

(5)在Img_{rec_h}基础上，进行竖直方向矫正，得到最终矫正图像Img_rec；

在所述步骤(1)中，所述矫正模板由下列三种物体组成：

(1)金属支架；

(2)由金属支架支撑的具有一定厚度、一定面积的强散射体有机材料面板；

(3)附着于有机材料面板表面，具有一定直径，并且在竖直与水平两个方向等间距放置的金属丝。

2.根据权利要求1所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，预处理方法由图像滤波、图像拉伸、图像边缘检测与分割三部分组成，其中，图像滤波采用NL-Means滤波方法；图像拉伸采用线性灰度变换实现；边缘检测使用Sobel边缘检测方法实现；图像分割，结合滤波图像的灰度信息和边缘强度信息，利用经验阈值分割实现。

3.根据权利要求1所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，利用常规求取曲线极小值方法实现，即：曲线极小值位置处的值应符合其一次导数等于0且二次导数大于0。

4.根据权利要求1所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，水平方向上的矫正基准点集指的是：Img_valid的每行像素两端的端点位置；竖直方向上的矫正基准点集指的是：Img_valid的各行灰度累积和均值曲线极小值点对应的各行位置。

5.根据权利要求1所述一种背散射X射线人体安全检查设备畸变图像矫正方法，其特征在于，矫正过程由所述步骤(4)水平方向矫正和所述步骤(5)竖直方向矫正组成；图像矫正方法，基于矫正基准点集，利用线性插值方式实现。