CN112633286B - 一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统 - Google Patents

一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，属于安检技术领域，该系统包括：CT安检机、数据标准化单元、危险品相似率处理单元、分类识别概率处理单元、危险品综合评估单元和告警单元；其中，危险品相似率处理单元包括物品分割模块、物品特征提取模块和危险品特征比对模块；分类识别概率处理单元包括投影优化模块和危险品识别模块。本系统对疑似危险物识别全面，能减少漏检事件发生，在确保安检质量的同时还能大大提高安检效率，对需要高精度安检的应用场景提供了有效保障。

Description

一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统
技术领域
本发明属于安检技术领域，尤其涉及一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统。
背景技术
日常安检中，X射线物品安检机，是当前应用最广的主力安检设备，广泛应用于公安、交通、政府、大型活动现场等场合，主要针对刀具，枪支，液体容器等，具有典型形状特征的危险品进行排查。近年来，国内外厂商和科研机构，基于深度学习技术，探索开发了的危险品智能识别功能，并且建立了成熟的被检物风险智能评价系统。
在民航、海关等要求更高的安检场合，安检CT设备已经得到了快速推广。目前主流的安检CT采用双能技术，不仅能够获得被检物的三维形态数据，还能进一步得到各点的电子密度和有效原子序数数据，所以，具有较为准确地分辨物质种类的能力。相比于普通X射线安检机，安检 CT设备对于检测毒品、爆炸物和生物组织具有非常突出的优势。
但由于安检场景中要求过包速度较快，导致CT设备获得的扫描切片数据分辨率较低，现有基于X射线的智能安检系统不能应用在CT安检中。而且危险品在过包安检时可能以不可预期的角度与形态出现，尤其是对疑似危险品，仅仅依靠安检人员的主观判断会产生误差和错判。
在安检量巨大的场景中，对CT智能安检系统的需求极为迫切。
发明内容
鉴于以上现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，用以解决现有CT安检系统识别误差大，智能程度低、工作效率低等问题。
一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，包括：
CT安检机，用于得到过包物体的原始CT切片数据；
数据标准化单元，用于对所述原始CT切片数据进行处理，得到过包物体的体数据；
危险品相似率处理单元，用于基于所述过包物体的体数据，得到所述过包物体所包括的独立物品的危险品相似率向量；
分类识别概率处理单元，用于对所述过包物体的体数据进行智能识别，得到所述过包物品对应的危险品分类识别概率向量；
危险品综合评估单元，依据所述危险品相似率向量和危险品分类识别概率向量，对物品的危险性进行综合评估。
进一步地，所述危险品相似率处理单元包括：物品分割模块、物品特征提取模块和危险品特征比对模块；其中，
所述物品分割模块，用于对所述物体的体数据进行区域边缘检测，依据检测出的独立物品数量对物体的体数据进行分割，将分割得到的m 个独立物品的体数据输入到物品特征提取模块；
所述物品特征提取模块，用于对所述物品的体数据进行特征值提取，将得到物品特征值输入到危险品特征比对模块；
所述危险品特征比对模块，用于将所述物品特征值与危险品数据库中的数据进行比对，得到所述m个独立物品的危险品相似率向量，并提供给所述危险品综合评估单元。
进一步地，所述过包物体的体数据，包括物体空间点的三维坐标数据、RGB三通道色彩数据、等效原子序数和电子密度。
进一步地，所述物品特征值，包括物品的元素分布百分比、相对电子密度和形体特征率。
进一步地，所述危险品特征比对模块，将所述物品特征值与所述危险品数据库中的数据进行比较，将所述物品特征值与所述危险品数据库中的数据进行比较，得到该物品的所述危险品相似率向量 Ki(h1,h2,…,hn)，其中Ki为所述m个独立物品中序号为i的物品代号， h1至hn为物品Ki相对于n类不同危险品的相似率；
其中，所述危险品数据库，具有n类危险品的物品特征值数据，包括危险品的名称、元素分布百分比数据、相对电子密度数据、相似率阈值α、以及由所述n类危险品的相似率阈值组成的危险品相似率阈值向量W1(α1,α2,…,αn)。
进一步地，所述分类识别概率处理单元包括投影优化模块和危险品智能识别模块；
所述投影优化模块，用于对来自数据标准化单元的所述物体的体数据进行多角度投影得到投影图，对所述投影图进行图像增强处理，获得二维投影数据；
所述危险品智能识别模块，用于对所述二维投影数据进行智能识别，得到危险品分类识别概率向量，提供给所述危险品综合评估单元；
其中，所述图像增强处理，是通过卷积自编码器算法，将所述投影图进行清晰度补充增强，得到更高分辨率的图像数据；
所述二维投影数据，包括二维坐标数据和坐标点对应的归一化至[0,1] 区间的RGB三通道值数据。
进一步地，所述危险品智能识别模块，包括输入层、隐藏层和输出层；所述隐藏层包含卷积层、池化层和全连接层；其中，
所述输入层的输入数据为所述二维投影数据；
所述卷积层，卷积核个数为25，卷积核大小为3×3，步长为1，并用ReLU作为激活函数；用于对来自所述输入层的输入数据进行特征提取，对于每一张输入图片可以提取出25个特征图；
所述池化层采用步长为2的最大池化；
所述全连接层用于对所述卷积层和池化层提取的特征进行加权求和，以获得对所述二维投影数据进行识别分类的结果；
所述输出层为全连接层的末端神经元，神经元总数等于危险品类别总数n；每个输出层神经元代表一个危险品种类，其输出值为归一化分类概率值；
所述危险品智能识别模块在应用前使用反向传播算法对网络参数进行训练，训练集为包括所述n类危险品的名称标签的危险品图像数据集；对训练后的识别结果进行统计，得到n类危险品的分类识别阈值β1至βn，组成危险品的分类识别阈值向量W2(β1,β2,…,βn)。
进一步地，通过将所述二维投影数据输入到所述危险品智能识别模块，获得相对于每一类危险品的识别概率p1至pn，组成该物品的所述危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn)。
进一步地，所述对物品的危险性进行综合评估，获得评估指标，包括：
对所述m个独立物品，依次进行比较评估，并对评估结果进行排序列表；其中，对物品Ki的评估过程为：
将物品Ki的危险品相似率向量Ki(h1,h2,…,hn)与所述危险品相似率阈值向量W1(α1,α2,…,αn)比较，将h1至hn中小于对应的λ×α向量的h项值设为0，代表不含该类危险品；λ为物品Ki的形体特征率；
将所述危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn)与所述危险品的分类识别阈值向量W2(β1,β2,…,βn)比较，将p1至pn中小于β向量的p项值设为0，代表不包含该项危险品；
经上述处理后，将Ki(h1,h2,…,hn)与T(p1,p2,…,pn)做向量加法运算，再与评估阈值W3(γ1,γ2,…,γn)做向量减法运算，得到评估结果F(f1,f2,…,fn)；其中，
γ1至γn为所述n类危险品的疑似危险品评估阈值；
f1至fn为所述评估指标，表示该物品相对于每一类危险品的疑似程度；对f1至fn中大于0的项，将物品Ki评估为疑似该项所代表的危险品；对其中小于等于0的项，评估为不含该项所代表的危险品。
进一步地，还包括告警单元；所述告警单元，对评估出来的疑似危险品名称，依据所述f1至fn中大于0的项数值的高低进行实时排序列表，在显示终端进行告警。
本发明有益效果如下：
本发明利用安检CT在立体成像和成分探测方面的优势，对疑似危险品进行智能分类和特征比对，进而通过综合评估，量化了评估标准，实现了对疑似危险品的高精度识别，给予安检人员精确的判断依据。本系统对疑似危险物识别全面，能减少漏检事件发生，在确保安检质量的同时还能大大提高安检效率，对需要高精度安检的应用场景提供了有效保障。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明实施例基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明提出了一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，能对被测物品进行综合评估，提高安检工作效率和可靠率。
系统实施例
本发明的一个具体实施例，公开了一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，如图1所示的结构原理图，该系统包括：CT安检机、数据标准化单元、危险品相似率处理单元、分类识别概率处理单元、危险品综合评估单元和告警单元；其中，危险品相似率处理单元包括物品分割模块、物品特征提取模块和危险品特征比对模块；分类识别概率处理单元包括投影优化模块和危险品识别模块。
CT安检机，用于对过包物体进行CT扫描，得到过包物体的原始CT 切片数据。
数据标准化单元，将所述原始CT切片数据进行处理，获得过包物体的体数据。所述过包物体的体数据，包括物体空间点的三维坐标数据、 RGB三通道色彩数据、等效原子序数和电子密度。
其中，对原始CT切片数据按立体空间位置叠加成为物体的空间三维体坐标数据；使用滤波反投影重建算法对原始CT切片数据进行计算，得到过包物体空间切片上各点材质的等效原子序数和电子密度。
示例性地，所述过包物体的体数据为体数据矩阵L(t)。
Figure BDA0002861164100000071
式中，L(t)为t时刻过包的物体的体数据矩阵；l000至lxyz为物体空间点；x、y、z为物体空间点的三维坐标数据；r、g、b为RGB三色通道色彩值，每通道取值范围为0至255；a为物体空间点的等效原子序数；b为物体空间点的电子密度。
危险品相似率处理单元包括：物品分割模块、物品特征提取模块和危险品特征比对模块。
其中，物品分割模块，对物体的体数据进行区域边缘检测，依据检测出的独立物品数量对物体的体数据进行分割，得到m个独立物品的体数据。
示例性地，分割出m个物品K1至Km时，分别得到物品K1至Km的体数据。
物品特征提取模块，对各独立物品进行特征值提取，得到物品特征值。
具体地，基于每个物品的体数据对每个物品进行特征值提取，所述特征值包括元素分布百分比、相对电子密度和形体特征率。
其中，元素分布百分比，是依据物品各空间点的等效原子序数向量，得到该物品各成分元素占该物品总元素的分布比率；
相对电子密度，是依据CT数据与相对电子密度的转换关系得出；
形体特征率，是依据对该物品的边缘检测，得到该物品形体数据，再与危险品形体模型数据进行拟合，对拟合误差做均值，得到该物品的形体特征率λ。
进一步地，形体特征率λ为大于0的一个数值，λ越小，代表该物品越形似危险品，如当该物品为片状物品时，该物品的形体特征率λ小于1。
危险品特征比对模块，将物品特征值与危险品数据库中的数据进行比对，获取物品的危险品相似率向量；
示例性地，危险品特征比对模块依次对分割出来的m个物品的特征值与危险品数据库中的数据进行比对，获取m个物品的危险品相似率向量。
危险品数据库包含了n类危险品的物品特征值数据，包括危险品的名称、元素分布百分比数据、相对电子密度数据以及相似率阈值α。n 类危险品的相似率阈值组成危险品相似率阈值向量W1(α1,α2,…,αn)，α1至αn为根据测试实验数据得出的实验值，并可以根据不同的安检应用场景进行相应的调整。
基于特征值数据，对第i个物品的特征值与n种危险品数据进行比较，得到该物品与n种危险品相似程度的危险品相似率向量 Ki(h1,h2,…,hn)，其中h1至hn为物品Ki相对于n类不同危险品的相似率。
分类识别概率处理单元包括投影优化模块和危险品智能识别模块。
投影优化模块，对数据标准化单元获得的过包物体的体数据进行多角度投影得到投影图，对所述投影图进行图像增强处理，获得二维投影数据。
二维投影数据实质为安检物品的平面投影图片，包含二维坐标数据和坐标点对应的归一化至[0,1]区间的RGB三通道值数据。
具体地，所述图像增强处理，是由于大螺距CT得到的图像清晰度较低，通过卷积自编码器算法，将所述投影图进行清晰度补充增强，得到更高分辨率的图像，从而获得包含更多的图像特征的信息。
所述卷积自编码器算法，包括基于卷积神经网络的编码器网络和解码器网络。将投影图输入编码器网络，得到一组编码数据，将编码数据输入解码器网络，得到图像增强的二维投影数据。
危险品智能识别模块，对来自投影优化模块的二维投影数据进行智能识别，获取危险品分类识别概率向量。
具体地，危险品智能识别模块包括一种卷积神经网络，用于对输入二维投影数据进行特征提取，并通过自身的神经网络对图像特征进行分类，分类结果表现在输出层。
示例性地，危险品智能识别模块包括输入层、隐藏层和输出层。其中隐藏层包含卷积层、池化层和全连接层。其中，
输入层：输入层的输入数据为投影优化模块得到的二维投影数据。
卷积层：在卷积层，设定卷积核个数为25，卷积核大小为3×3，步长为1，并用ReLU作为激活函数。卷积层的功能是对来自输入层的输入数据进行特征提取，对于每一张输入图片可以提取出25个特征图。
池化层：在池化层采用步长为2的最大池化。池化层的功能是将特征图中的单个点结果替换为其相邻区域的特征图统计量，从而达到保留特征并减少训练参数的目的。
全连接层：全连接层的作用是对卷积层和池化层得到的特征进行加权求和以得到对输入图片进行识别分类的目的。
输出层：为全连接层的末端神经元，神经元总数等于危险品类别总数。每个输出层神经元代表一个危险品种类，其输出值为归一化分类概率值。
危险品智能识别模块的训练过程为：卷积神经网络使用反向传播算法对网络参数进行训练，训练集为包括n类危险品名称标签的危险品图像数据集。对训练后的识别结果进行统计，得到n类危险品的分类识别阈值β1至βn，组成分类识别阈值向量W2(β1,β2,…,βn)。
采用危险品智能识别模块对所述二维投影数据进行识别过程为：将需要识别的二维投影数据T，输入到训练好的危险品智能识别模块中，得到T对应n种危险品的危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn)。
危险品综合评估单元，基于所述危险品相似率向量和危险品分类识别概率向量，对物品的危险性进行综合评估，获得评估指标；
具体的，对m个物品，依次进行比较评估，并对评估结果进行排序列表。
其中，对物品Ki的评估过程为：
将物品Ki的危险品相似率向量Ki(h1,h2,…,hn)与危险品相似率阈值向量W1(α1,α2,…,αn)比较，将h1至hn中小于λ×α的h项值设为0，代表不含该类危险品。其中λ为物品Ki的形体特征率。
对二维投影数据T的危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn) 与危险品的分类识别阈值向量W2(β1,β2,…,βn)比较，将p1至pn中小于β的p项值设为0,代表不包含该项危险品。
经上述处理后，将Ki(h1,h2,…,hn)与T(p1,p2,…,pn)做向量加法运算，再与评估阈值W3(γ1,γ2,…,γn)做向量减法运算，得到评估结果F(f1,f2,…,fn)。
所述评估阈值W3(γ1,γ2,…,γn)为经验阈值，其中γ1至γn为所述 n类危险品的疑似危险品评估阈值。
f1至fn为该物品相对于每一类危险品的疑似程度；对f1至fn中大于 0的项，将物品Ki评估为疑似该项所代表的危险品；对其中小于等于0 的项，评估为不含该项所代表的危险品。
告警单元，对评估出来的疑似危险品名称，依据所述f1至fn中大于0的项数值的高低进行实时排序列表，在显示终端进行告警。以此作为量化的评估指标，给予安检人员作为是否需要开包检查的判别依据。
本系统能对危险品进行较高精度的识别评估，相较于目前同行业的其它基于CT的安检系统，本系统对疑似危险物识别全面，在确保安检质量的同时还能大大提高安检效率，对需要高精度安检的应用场景提供了有效保障。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，包括：
CT安检机，用于得到过包物体的原始CT切片数据；
数据标准化单元，用于对所述原始CT切片数据进行处理，得到过包物体的体数据；
危险品相似率处理单元，用于基于所述过包物体的体数据，将所述过包物体中包括的独立物品的物品特征值与危险品数据库中的数据进行比较，得到该物品的危险品相似率向量Ki(h1,h2,…,hn)，其中Ki为独立物品中序号为i的物品代号，h1至hn为物品Ki相对于n类不同危险品的相似率；
分类识别概率处理单元，用于对所述过包物体的体数据进行多角度投影得到二维投影数据T，通过智能识别获得所述过包物体相对于每一类危险品的识别概率p1至pn，组成该物品的危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn)；
危险品综合评估单元，依据所述危险品相似率向量和危险品分类识别概率向量，对物品的危险性进行综合评估，包括：
对m个独立物品，依次进行比较评估，并对评估结果进行排序列表；其中，对物品Ki的评估过程为：
将物品Ki的危险品相似率向量Ki(h1,h2,…,hn)与危险品相似率阈值向量W1(α1,α2,…,αn)比较，将h1至hn中小于对应的λ×α向量的h项值设为0，代表不含该类危险品；λ为物品Ki的形体特征率；
将所述危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn)与所述危险品的分类识别阈值向量W2(β1,β2,…,βn)比较，将p1至pn中小于β向量的p项值设为0，代表不包含该项危险品；
经上述处理后，将Ki(h1,h2,…,hn)与T(p1,p2,…,pn)做向量加法运算，再与评估阈值W3(γ1,γ2,…,γn)做向量减法运算，得到评估结果F(f1,f2,…,fn)；其中，
γ1至γn为n类危险品的疑似危险品评估阈值；
f1至fn为评估指标，表示该物品相对于每一类危险品的疑似程度；对f1至fn中大于0的项，将物品Ki评估为疑似该项所代表的危险品；对其中小于等于0的项，评估为不含该项所代表的危险品。
2.根据权利要求1所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，所述危险品相似率处理单元包括：物品分割模块、物品特征提取模块和危险品特征比对模块；其中，
所述物品分割模块，用于对所述物体的体数据进行区域边缘检测，依据检测出的独立物品数量对物体的体数据进行分割，将分割得到的所述m个独立物品的体数据输入到物品特征提取模块；
所述物品特征提取模块，用于对所述物品的体数据进行特征值提取，将得到物品特征值输入到危险品特征比对模块；
所述危险品特征比对模块，用于将所述物品特征值与危险品数据库中的数据进行比对，得到所述m个独立物品的危险品相似率向量，并提供给所述危险品综合评估单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，所述过包物体的体数据，包括物体空间点的三维坐标数据、RGB三通道色彩数据、等效原子序数和电子密度。
4.根据权利要求3所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，所述物品特征值，包括物品的元素分布百分比、相对电子密度和形体特征率。
5.根据权利要求4所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，所述危险品特征比对模块，将所述物品特征值与所述危险品数据库中的数据进行比较，得到该物品的所述危险品相似率向量Ki(h1,h2,…,hn)；
其中，所述危险品数据库，具有n类危险品的物品特征值数据，包括危险品的名称、元素分布百分比数据、相对电子密度数据、相似率阈值α、以及由所述n类危险品的相似率阈值组成的所述危险品相似率阈值向量W1(α1,α2,…,αn)。
6.根据权利要求5所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，所述分类识别概率处理单元包括投影优化模块和危险品智能识别模块；
所述投影优化模块，用于对来自数据标准化单元的所述物体的体数据进行多角度投影得到投影图，对所述投影图进行图像增强处理，获得二维投影数据；
所述危险品智能识别模块，用于对所述二维投影数据进行智能识别，得到危险品分类识别概率向量，提供给所述危险品综合评估单元；
其中，所述图像增强处理，是通过卷积自编码器算法，将所述投影图进行清晰度补充增强，得到更高分辨率的图像数据；
所述二维投影数据，包括二维坐标数据和坐标点对应的归一化至[0,1]区间的RGB三通道值数据。
7.根据权利要求6所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，所述危险品智能识别模块，包括输入层、隐藏层和输出层；所述隐藏层包含卷积层、池化层和全连接层；其中，
所述输入层的输入数据为所述二维投影数据；
所述卷积层，卷积核个数为25，卷积核大小为3×3，步长为1，并用ReLU作为激活函数；用于对来自所述输入层的输入数据进行特征提取，对于每一张输入图片可以提取出25个特征图；
所述池化层采用步长为2的最大池化；
所述全连接层用于对所述卷积层和池化层提取的特征进行加权求和，以获得对所述二维投影数据进行识别分类的结果；
所述输出层为全连接层的末端神经元，神经元总数等于危险品类别总数n；每个输出层神经元代表一个危险品种类，其输出值为归一化分类概率值；
所述危险品智能识别模块在应用前使用反向传播算法对网络参数进行训练，训练集为包括所述n类危险品的名称标签的危险品图像数据集；对训练后的识别结果进行统计，得到n类危险品的分类识别阈值β1至βn，组成危险品的分类识别阈值向量W2(β1,β2,…,βn)。
8.根据权利要求7所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，通过将所述二维投影数据输入到所述危险品智能识别模块，获得该物品的所述危险品分类识别概率向量T(p1,p2,…,pn)。
9.根据权利要求8所述的一种基于危险品相似率和识别概率的智能安检系统，其特征在于，还包括告警单元；所述告警单元，对评估出来的疑似危险品名称，依据所述f1至fn中大于0的项数值的高低进行实时排序列表，在显示终端进行告警。
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