CN106886054A - 基于三维x射线成像的危险品自动识别装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于三维X射线成像的危险品自动识别装置及方法，通过三维X射线成像仪对传送带上的行李进行立体成像，通过信号处理器对三维图像进行预处理、特征分析、分类器训练、模式识别，最终实现实时的三维X射线成像的危险品探测。使用三维X射线成像系统，能够获得比普通二维X射线图像更多的图像信息，能够从多个角度提取更加丰富的危险品图像信息，从而提高危险品检测的准确率。适合机场、车站、政府大楼、监狱等需要进行包安全检查的场所。本发明针对目前X射线安检仪智能化水平不高、检测准确率较低，无法满足实际需要的问题，使用智能信息处理方法进行三维的危险品检测，能够促进安检设备的智能化。
Description
技术领域
本发明涉及智能安防监控技术领域，尤其涉及X射线安检机自动检测报警、基于图像的危险品自动识别研究领域，具体涉及一种基于三维X射线成像的危险品自动识别装置及方法。
背景技术
目前在机场、车站、政府大楼、监狱等需要进行安全检查的地方大多都配备有X射线安检机，通过X射线对行李物品进行成像，然后由操作人员观察显示器上的行李X射线图像快速判断行李内是否有违禁物品。操作人员通过训练需要能够快速、准确的对行李图像进行判断，尽可能的减少开包检查次数，保证人员快速通行。在行李检查过程中，完全依靠人眼进行观察，要求操作人员必须对违禁品的形状、颜色等图像特征相当熟悉，并且需要积累大量经验。操作人员需要长时间集中注意力进行安全检查，工作量巨大；由操作人员值守判断准确率较高，但是易受各种外界因素影响，难以保证系统的稳定性。
为了辅助安检仪操作人员进行行包违禁品检查，有些安检仪已经带有危险品识别功能，但是只能作为初级辅助检测手段，误报率和漏报率都较高，无法达到自动识别报警的要求。专利申请公布的“医用和工业用X射线实时立体成像装置(201010271777.3)”，它通过X射线源和X射线图像探测器在一定距离内产生移动或转动实现X射线的三维成像，可以显示被检对象的X射线三维图像和内中部件的三维定位。但该设备并不具备自动数据分析、被检物自动识别等功能。
专利申请公布的“基于层析成像的X光机与探测器几何位置关系的标定方法(201410517688.0)”，提出典型的层析成像系统中，X射线探测仪由机械装置固定在特定轨道上移动，但是往往光机和探测器之间的相对位置并不固定，会导致在成像过程中人们无法准确的知道每次曝光时探测器和X射线探测仪之间的相对位置关系，而这种不确定关系也会直接导致人们无法得到理想的重建图像。它提出了一种基于层析成像的X光机与探测器几何位置关系的标定方法。但该发明也不涉及成像结果的分析和识别，无法实现危险品的自动识别。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有X射线安检仪在自动危险品识别方面存在的不足，提供一种三维的X射线成像的危险品自动识别装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于三维X射线成像的危险品自动识别装置，包括X射线发射管、电源、运动台架、控制电路、电动滚筒、皮带、计算机和显示器，该装置能够输出被检行李的三维伪彩图像，图像的颜色分布代表被检行李物品的物质属性，还包括数字信号处理单元和探测器，其中，
所述数字信号处理单元的信号输入接口部分包括数个数据串行接口，一个有效数据率为2GB/s的第三代总线PCIE(PCI Express)接口，以保证图像数据的高速传输；
所述数字信号处理单元的信号处理部分包括一个数字信号处理器，可以实时处理多路输入数据，能够进行实时的图像预处理、三维图像重建、分割和识别，有多路串口数据输出；
所述数字信号处理单元的信号输出部分包括一个用于传输图像检测结果的VGA接口，多路串口输出，一个蜂鸣器，一个LED灯报警模块；
所述探测器的输出是显示在液晶屏上的处理后带有危险品标注的图像，可以设置三维结果显示，也可以选择二维图像显示，包括单帧显示和序列图像显示；还可以选择声音、LED灯和串行数据报警，以哪种形式显示可以通过触摸屏进行设置。
本发明还提供一种基于三维X射线成像的危险品自动识别方法，该方法利用上述的基于三维X射线成像的危险品自动识别装置，该方法包括以下步骤：
步骤(1)X射线探测仪对被检物进行移动扫描以获得对象的完整容积数据，并将数据发送到计算机，X射线探测仪与计算机之间通过PCIE(PCI Express)接口相连；
步骤(2)在计算机上基于获取的片层图像进行三维目标重建，通过多幅等间隔的片层图像重建三维目标，实现被检查物体的三维分析、操作和显示，在此使用基于匹配的图像插值方法形成等分辨率的数据解决扫描获取的图像在三个正交方向的空间分辨率不一致的问题，基于匹配的插值方法考虑到被检测物体在三维空间中的几何形状的不规则性，可产生较好的中间切片图像，在此主要使用边缘轮廓信息进行匹配，此外也使用几何结构、灰度、颜色等信息来改善匹配效果，得到疑似危险品目标之后进行内插，以产生连续变化的中间物体轮廓，完成插值后，进行目标的三维重建，由于安检需要具有实时性，在此使用基于轮廓的表面模型法进行三维重建，先从二维片层中抽取轮廓，然后确定相邻断层上轮廓的对应关系，并构造一组对应轮廓的表面；
步骤(3)三维目标识别过程主要包括三维目标预分割、目标特征提取和目标识别三步，使用高斯曲率分割法进行目标预分割，通过区域增长、设置阈值、迭代操作将曲面分割成互不相交的区域，然后提取各个目标的三维目标特征，包括长宽高、面积、连通性几何特征和Hu矩等代数特征，通过实验获得大量危险品的正负样本图像，并使用这些已知图像数据进行分类器建模，最终使用模型进行危险品识别；
步骤(4)安检仪工作时，利用三维图像分析方法检测行李中是否有危险品，当行李通过X射线安检通道时，计算机对X射线成像数据进行插值、三维重建、处理和分析，通过图像滤波、增强、分割、特征提取和分析，如果发现有管制刀具、枪支和/或液体危险品，则将危险品在图像中圈出并将图像数据通过PCIE接口传输到计算机并将其显示在液晶显示器上，并显示相应危险品报警提示语和危险品名称预测，可以选择设置发出声音和LED灯的闪烁报警。
进一步的，将目前的完全依靠安检人员监测X射线图像来发现危险品的方法改进为依靠计算机图像分析来辅助安检人员进行安全检查的方法，只有当计算机发出危险品报警时安检人员才需要进行查看，通过对屏幕上显示的危险品进行放大来确认是否真有危险品存在，如果计算机不进行报警则无需安检人员查看，旅客均可快速通过安检通道。
进一步的，通过接口进行连接，各个功能模块相对独立，便于产品集成和设备改造升级，能够通过计算机图像处理方法迅速发现行包内的危险品并通过图像、声音、灯光进行报警，而且报警方式可选，这种使用图像进行危险品探测的方法节省了大量人力、物力，提高了安检的智能化水平，缩短了旅客的安检通过时间。
进一步的，使用三维图像数据进行目标检测，得到的信息更多，能够较好的解决目前二维X射线图像目标识别中较难解决的多目标重叠问题。
本发明的具体方案还在于：
一种三维的X射线成像的危险品自动识别装置及方法，包括三维X射线安检机、信号输入接口、数字信号处理单元、报警单元、信号输出接口五部分。X射线安检机捕获生成的彩色图像通过数字信号传输接口输入到本系统的数字信号处理器，由数字信号处理器对图像信号进行分析处理，处理后的报警信息可以以声音、串行数据、图像的形式进行输出。
所述三维X射线安检机，包括X射线发射管、电源、运动台架、控制电路、电动滚筒、皮带、计算机、显示器等，能够输出被检行李的三维伪彩图像，图像的颜色分布代表被检行李物品的物质属性，如黄色代表有机物、蓝色代表金属等；
所述数字信号处理单元的信号输入接口部分包括数个数据串行接口，一个有效数据率为2GB/s的第三代总线PCIE(PCI Express)接口(保证图像数据的高速传输)；
所述数字信号处理单元的信号处理部分包括一个数字信号处理器，可以实时处理多路输入数据，能够进行实时的图像预处理(包括去噪、增强等)、三维图像重建、分割和识别，有多路串口数据输出；
所述数字信号处理单元的信号输出部分包括一个用于传输图像检测结果的VGA接口，多路串口输出，一个蜂鸣器，一个LED灯报警模块；
探测器的输出是显示在液晶屏上的处理后带有危险品标注的图像，可以设置三维结果显示，也可以选择二维图像显示，包括单帧显示和序列图像显示；还可以选择声音、LED灯和串行数据报警，以哪种形式可以通过触摸屏进行设置。
本发明基于上述装置的危险品自动检测报警方法，系统进行以下步骤：
利用三维X射线探测仪获取片层图像信息。此处在X射线探测仪对被检物进行移动扫描以获得对象的完整容积数据，并将数据发送到计算机，X射线探测仪与计算机之间通过PCIE(PCI Express)接口相连。
在计算机上基于获取的片层图像进行三维目标重建，方法是通过多幅等间隔的片层图像重建三维目标，实现被检查物体的三维分析、操作和显示。为了解决扫描获取的图像在三个正交方向的空间分辨率不一致的问题，在此使用基于匹配的图像插值方法形成等分辨率的数据。基于匹配的插值方法考虑到被检测物体在三维空间中的几何形状的不规则性，可产生较好的中间切片图像。在此主要使用边缘轮廓信息进行匹配，此外也使用几何结构、灰度、颜色等信息来改善匹配效果。得到疑似危险品目标之后进行内插，以产生连续变化的中间物体轮廓。完成插值后，进行目标的三维重建。由于安检需要具有实时性，在此使用基于轮廓的表面模型法进行三维重建。先从二维片层中抽取轮廓，然后确定相邻断层上轮廓的对应关系，并构造一组对应轮廓的表面。
三维目标识别过程主要包括三维目标预分割、目标特征提取和目标识别三步。在本发明中使用高斯曲率分割法进行目标预分割，通过区域增长、设置阈值、迭代等操作将曲面分割成互不相交的区域。然后提取各个目标的三维目标特征，主要包括长宽高、面积、连通性等几何特征和Hu矩等代数特征。通过实验获得大量危险品的正负样本图像，并使用这些已知图像数据进行分类器建模，最终使用模型进行危险品识别。
安检仪工作时，利用三维图像分析方法检测行李中是否有危险品。其特征在于，当行李通过X射线安检通道时，计算机对X射线成像数据进行插值、三维重建、处理和分析，通过图像滤波、增强、分割、特征提取和分析，如果发现有管制刀具、枪支、液体等危险品，则将危险品在图像中圈出并将图像数据通过PCIE接口传输到计算机并将其显示在液晶显示器上，并显示相应危险品报警提示语和危险品名称预测，可以选择设置发出声音和LED灯的闪烁报警。
本发明与现有技术相比的优点在于：
随着技术的快速发展，很多城市都在新建地铁、高铁，对安检仪的需求也非常大，而目前我国的人工费用也逐年升高，使用这种有更高识别率的三维X射线安检机提供基于图像识别的危险品检测技术，能够减少安检人员的需求量，降低安检人员的工作强度，提高安检效率。另外，本装置还预留其他信息输入接口，可将其他探测手段获取的数据，如金属探测、拉曼探测、中子探测的数据汇集到处理单元内，进行多种数据的融合处理，得到鲁棒性更高、探测准确率更高的结果。由于本发明的多接口、功能模块独立耦合的设计，提高了装置的实用性，利于后期设备改造。在信号处理部分，将使用智能图像信息分析方法进行行包危险品探测，促进安检设备的智能化。
附图说明
图1是三维X射线安检机行李危险品自动检测报警装置系统结构图。
图2是信号处理单元外观示意图。
图3是设备的安装布局及连接方式示意图。
图4是三维X射线安检机行李危险品自动检测报警装置的运行流程图。
图5是三维X射线安检机行李危险品自动检测算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1本装置的具体结构如下：
基于三维X射线立体成像系统的危险品检测自动报警装置，由三维X射线安检机和数据处理单元两大部分组成。三维X射线安检机由X射线发射管、运动机构、电源、控制电路、电动滚筒、皮带、计算机、显示器等构成；数据处理部分包括信号输入接口101、图形处理单元(GPU)102、信号输出接口103、报警单元104和供电系统105。信号输入接口包括用于接收三维X射线图像信号的PCIE接口、为接收其他探测设备数据的预留串行接口等；图形处理单元是用于对三维X射线图像信号和其他探测信号进行分析的GPU；信号输出接口包括返回处理后三维图像使用的VGA接口、输出报警信号的串行接口；报警单元包括LED灯、蜂鸣器及显示器。供电系统用于为图形处理单元、报警单元供电。
图形处理部分集成在一块电路板上实现，包括一个电源接口、若干个串行接口、两个PCIE接口。电源接口与电源连接；输入串行接口作为预留口和其他探测器连接，输入PCIE接口用于连接三维X射线安检机和图形处理单元，将原始图像数据输入到信号处理器中；蜂鸣器和LED灯通过串行接口与数字信号处理器连接；处理后的图像通过网络接口连接至X射线安检机并将结果显示在LCD液晶屏上。图2是数据处理单元外观。201是GPU芯片；202预留的是串行信号输入接口；203是数据处理单元电源接口，用于给整个数据处理单元供电；204是PCIE接口，用于传输三维X射线图片；205是信号输出串口，输出系统状态、故障信息、报警信息等数据；208是触摸屏，可进行输出选择，可以选择声音报警、灯光报警、图像报警，三种模式为复选式；209是主机开关按键；210是信号处理单元面板，所有组件都集成在该面板上。
图3是设备的安装(连接)方式示意图。301为置物台，302为三维X射线探测仪，303为液晶显示器，304为数据处理单元，其中包含输入输出接口、蜂鸣器和LED灯，305为电源，306是数据处理单元与显示器的连接，307为数据处理单元与主机连接的通道，包括供电系统的连接和信号连接。旅客通过安检机时将行包置于301上，当行包通过302时，探测器探测到的信号(包括X射线图像和后期扩展之后得到的如金属探测信号等)通过307的PCIE接口和串行接口发送到信号处理单元。处理之后的结果(包括带有标记的三维X射线图像、声音和灯光报警信号)发送到液晶显示器303和蜂鸣器及LED灯。
图4是本自动行包安检机工作流程图。设备通电启动后，302内的皮带开始转动，当有旅客将行包放置在置物台上时，皮带加速转动，行包通过302的检测通道，此时302捕获通带内的行包三维X射线图像，图像会进入数据处理单元。数据处理单元中已存有前期训练好的分类器模型。捕获的X射线图像经过图像滤波和非线性增强、片层图像插值、三维重建、三维图像分割、特征提取和分类识别，最终会得到是否是危险品的分类结果。如果是危险品，则将危险品区域圈出并标注危险品的可能名称，根据触摸屏208上的选择发出声音、灯光报警，提示相关安检人员进行查看。
系统中信号的具体处理过程如下：
X射线图像信号：信号进入数据处理单元的GPU芯片201中，通过相应的算法判断视场中是否有危险品出现，如果有，则在图像上标注相关危险品信息并将图像通过PCIE接口传输到主机并在液晶显示器中显示，可以通过触摸屏选择声音报警、灯光报警或图像报警。
其他探测信号：在系统扩展后，会同时探测金属、液体等信息，这些信号也会送入数据处理单元的芯片201中判断行包中是否有危险品出现，如果有，则通过融合图像探测结果和其他探测结果，在LCD上显示最终探测结果，发出告警信息，可以选择声音报警和灯光报警。
实际应用举例如下：
本发明适用于需要安装安检机的场所，如火车站、地铁站、监狱、看守所等场所安装。1.硬件安装与系统建立：按照图3所示安装好X射线安检机，包括图3的置物台301、三维X射线探测仪302、液晶显示器303、电源305，然后利用信号传输线(PCIE线和串口线)将数据处理单元接至图3的三维X射线探测仪302，接通数据处理单元电源305，LCD的视频线亦接至数据处理单元的信号VGA接口。本发明装置也可与网络管理系统相连，将报警数据上传，构成智能安检系统。2.装置初始化：系统启动后，对所有部件进行的初始化，系统各设备自检，若出现故障，在图3的液晶显示器303上显示故障信息。报警形式可通过触摸屏进行选择，选择灯光、声音报警模式时，不同的选择会发出不同的报警信号，由中断程序控制相应报警串口的通断；如果自检正常，监控系统开始工作。3.装置工作过程：当信息处理单元检测到行包中存在危险品时，发出报警信息并在LCD上将危险品区域圈定，报警信息的形式由用户选择。当危险品报警器检测到有危险品携带时，发出报警通知相关人员查看三维X射线探测仪监控信息，若确实在行包中出现危险品，可以由安检人员采取相应的措施。4.危险品检测算法：X射线安检机捕获的图像信号编码后发送至信号处理单元的GPU芯片中，首先用高斯滤波对图像滤波，用非线性增强方法对图像进行增强。通过对片层图像插值、三维重建，得到光滑的三维目标图像，然后使用高斯曲率分割法进行三维图像分割，特征各个分割目标的几何特征、代数特征等，使用之前训练好的分类模型进行识别，最终得到是否是危险品的分类结果。如果有危险品携带，将报警信息通过串口发出，在LCD上显示红框圈定危险品区域。
Claims (5)
1.基于三维X射线成像的危险品自动识别装置，包括X射线发射管、电源、运动台架、控制电路、电动滚筒、皮带、计算机和显示器，该装置能够输出被检行李的三维伪彩图像，图像的颜色分布代表被检行李物品的物质属性，其特征在于：还包括数字信号处理单元和探测器，其中：
所述数字信号处理单元的信号输入接口部分包括数个数据串行接口，一个有效数据率为2GB/s的第三代总线PCIE(PCI Express)接口，以保证图像数据的高速传输；
所述数字信号处理单元的信号处理部分包括一个数字信号处理器，可以实时处理多路输入数据，能够进行实时的图像预处理、三维图像重建、分割和识别，有多路串口数据输出；
所述数字信号处理单元的信号输出部分包括一个用于传输图像检测结果的VGA接口，多路串口输出，一个蜂鸣器，一个LED灯报警模块；
所述探测器的输出是显示在液晶屏上的处理后带有危险品标注的图像，可以设置三维结果显示，也可以选择二维图像显示，包括单帧显示和序列图像显示；还可以选择声音、LED灯和串行数据报警，以哪种形式显示可以通过触摸屏进行设置。
2.基于三维X射线成像的危险品自动识别方法，该方法利用权利要求1所述的基于三维X射线成像的危险品自动识别装置，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤(1)X射线探测仪对被检物进行移动扫描以获得对象的完整容积数据，并将数据发送到计算机，X射线探测仪与计算机之间通过PCIE(PCI Express)接口相连；
步骤(2)在计算机上基于获取的片层图像进行三维目标重建，通过多幅等间隔的片层图像重建三维目标，实现被检查物体的三维分析、操作和显示，在此使用基于匹配的图像插值方法形成等分辨率的数据解决扫描获取的图像在三个正交方向的空间分辨率不一致的问题，基于匹配的插值方法考虑到被检测物体在三维空间中的几何形状的不规则性，可产生较好的中间切片图像，在此主要使用边缘轮廓信息进行匹配，此外也使用几何结构、灰度、颜色等信息来改善匹配效果，得到疑似危险品目标之后进行内插，以产生连续变化的中间物体轮廓，完成插值后，进行目标的三维重建，由于安检需要具有实时性，在此使用基于轮廓的表面模型法进行三维重建，先从二维片层中抽取轮廓，然后确定相邻断层上轮廓的对应关系，并构造一组对应轮廓的表面；
步骤(3)三维目标识别过程主要包括三维目标预分割、目标特征提取和目标识别三步，使用高斯曲率分割法进行目标预分割，通过区域增长、设置阈值、迭代操作将曲面分割成互不相交的区域，然后提取各个目标的三维目标特征，包括长宽高、面积、连通性几何特征和Hu矩等代数特征，通过实验获得大量危险品的正负样本图像，并使用这些已知图像数据进行分类器建模，最终使用模型进行危险品识别；
步骤(4)安检仪工作时，利用三维图像分析方法检测行李中是否有危险品，当行李通过X射线安检通道时，计算机对X射线成像数据进行插值、三维重建、处理和分析，通过图像滤波、增强、分割、特征提取和分析，如果发现有管制刀具、枪支和\或液体危险品，则将危险品在图像中圈出并将图像数据通过PCIE接口传输到计算机并将其显示在液晶显示器上，并显示相应危险品报警提示语和危险品名称预测，可以选择设置发出声音和LED灯的闪烁报警。
3.根据权利要求2所述的基于三维X射线成像的危险品自动识别方法，其特征在于：将目前的完全依靠安检人员监测X射线图像来发现危险品的方法改进为依靠计算机图像分析来辅助安检人员进行安全检查的方法，只有当计算机发出危险品报警时安检人员才需要进行查看，通过对屏幕上显示的危险品进行放大来确认是否真有危险品存在，如果计算机不进行报警则无需安检人员查看，旅客均可快速通过安检通道。
4.根据权利要求2所述的基于三维X射线成像的危险品自动识别方法，其特征在于：通过接口进行连接，各个功能模块相对独立，便于产品集成和设备改造升级，能够通过计算机图像处理方法迅速发现行包内的危险品并通过图像、声音、灯光进行报警，而且报警方式可选，这种使用图像进行危险品探测的方法节省了大量人力、物力，提高了安检的智能化水平，缩短了旅客的安检通过时间。
5.根据权利要求2所述的基于三维X射线成像的危险品自动识别方法，其特征在于：使用三维图像数据进行目标检测，得到的信息更多，能够较好的解决目前二维X射线图像目标识别中较难解决的多目标重叠问题。
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