CN114500802A - 一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置及图像去噪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置及图像去噪方法，其装置包括：成像设备、内保护层、中间保护层、外保护层、耐辐照玻璃罩和成像设备安装件；其方法包括以下步骤：S1、通过防辐射装置采集γ辐射环境下的图像序列；S2、遍历图像序列上的每个像素点，得到噪声标记图；S3、对噪声标记图中噪声点进行恢复，得到去噪图像；本发明解决了γ辐射场景下，场景图像中存在大量噪声，严重影响视觉质量的问题。

Description

一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置及图像去噪方法

技术领域

本发明涉及防辐射装置领域，具体涉及一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置及图像去噪方法。

背景技术

γ射线凭借其穿透能力强、无放射性沾染、杀菌无残留等优点，被广泛应用于食药杀菌、诱变育种、工业探伤等领域。但γ辐射的使用中，由于核设施老化、设备异常运行、不规范人工作业等因素可能引起卡源等事故。为保障核设施的安全运行，需要对辐射场景下设备运行状态进行监测，众多监测手段中，最直观和有效的方式是获取场景视觉信息。但视觉传感器长期工作在γ辐射环境中会产生不可逆转的损伤，并且γ射线穿透成像器件还会使场景图像中存在大量噪声，严重影响视觉质量。因此需要采取有效措施以保证γ辐射场景监测的清晰化可视。γ辐射场景清晰化可视的传统思路是采用具有一定厚度的铅层对装置进行包被式防护，但装置中各器件的抗辐射能力不同，要达到对全部器件的抗核加固必须要采用大量的防辐射材料置于装置外部，这种防护措施能够有效延长成像装置在辐射场景下的工作时长，但较厚的抗辐射材料导致抗核加固后的成像装置笨重、成本高、应用场景受限，并且并不能完全消除场景图像中的噪声。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置及图像去噪方法解决了γ辐射场景下，场景图像中存在大量噪声，严重影响视觉质量的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，包括：成像设备、内保护层、中间保护层、外保护层、耐辐照玻璃罩和成像设备安装件；

所述成像设备与成像设备安装件固定连接；所述内保护层与成像设备安装件固定连接；所述中间保护层固定在内保护层和外保护层间；所述耐辐照玻璃罩与内保护层固定连接。

进一步地，所述内保护层包括：盖体台面和管状保护层；

所述管状保护层一端闭合，一端开口；开口一端的管状保护层的环形开口与盖体台面固定连接，并延伸出部分，形成玻璃罩台面。

进一步地，在管状保护层开口一端开凿出多条凹形条槽；

所述成像设备安装件的边缘设有多个凸起，一个凸起与一条凹形条槽匹配。

上述进一步方案的有益效果为：成像设备安装件与管状保护层上的多个凹形条槽配合，使得成像设备安装件固定，便于将成像设备固定在成像设备安装件上。

进一步地，所述耐辐照玻璃罩嵌入盖体台面中，与玻璃罩台面抵靠。

上述进一步方案的有益效果为：在成像设备中的CMOS图像传感器通过光电效应捕捉场景视觉信息，因此采用具有透光特性的耐辐照玻璃罩置于CMOS图像传感器表面，用以衰减γ光子的强度，一定厚度的耐辐照玻璃能够降低冲激CMOS图像的γ光子强度，降低CMOS图像传感器的电离辐射损伤，延长器件寿命，并且由于γ光子强度的衰减，到达CMOS图像传感器各像元的高能粒子数目减少，在同样曝光周期内，场景图像中的噪声密度更小，这在一定程度上保证了视觉监测的成像质量。

进一步地，所述外保护层为管状，其一端封闭，一端开口，其开口一端与盖体台面接触，并与盖体台面固定连接；

所述中间保护层为管状，其一端封闭，一端开口，中间保护层固定在外保护层和内保护层之间。

进一步地，所述内保护层和外保护层的材料为不锈钢，所述中间保护层的材料为铅；所述耐辐照玻璃罩为含氧化铈的耐辐照玻璃。

上述进一步方案的有益效果为：

内保护层采用不锈钢的优点为：①、不锈钢成本低、抗辐射性能比铅稍弱；②、不锈钢易加工，方便内置相机安放。内保护层不锈钢的作用为：①、固定内部相机；②、具有一定的防辐射性能并且成本低、易固定。

中间保护层的作用是对成像设备进行γ辐射防护，最大程度保障成像设备的长时稳定工作。

外保护层不锈钢的优点为：不锈钢电、热等物化特性较好，方便整个设备安放以及环境友好。外保护层不锈钢的作用为：①、防止其内层铅层泄露引起安全问题，铅有毒，应避免使用人员直接接触，同时避免使用过程中对环境的铅污染；②、对本装置整体起固定作用，使本发明中的成像设备便于携带易于安装。

使用耐辐照玻璃罩，能达到透光、可视要求，同时又具备防辐射能力。

进一步地，本装置还包括成像设备连接线，所述成像设备连接线包括：两根电源线、四根数据传输线、两根备用线、加强筋、金属包络线、塑封层和凯夫拉纤维层；

所述金属包络线包裹两根电源线、四根数据传输线、两根备用线和加强筋；所述塑封层套于金属包络线外；所述凯夫拉纤维层套于塑封层外。

上述进一步方案的有益效果为：

成像设备连接线为成像设备提供电源和数据通信，采用八芯线保证在连接线内部有部分数据线损坏的情况下可以使用备用线缆继续工作，并且在整个连接线损坏的情况下也能方便快速的找到替换线缆，数据线、电源线和备用线缆可以保障数据传输和电源供给；加强筋可以提高连接线的抗拉伸性能；金属包络线的作用是抗γ辐射环境下强电磁干扰，增强成像设备工作的稳定性；塑封层能够很好的保护连接线内部结构；凯夫拉纤维层可以避免线缆的磨损、污损以及其他外部损伤，提高装置的环境适应性。

进一步地，所述成像设备包括：CMOS图像传感器、ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器；所述CMOS图像传感器表面覆盖耐辐照玻璃，所述ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器表面覆盖防辐射铅层。

一种γ辐射环境下图像去噪方法，包括以下步骤：

S1、通过防辐射装置采集γ辐射环境下的图像序列；

S2、遍历图像序列上的每个像素点，得到噪声标记图；

S3、对噪声标记图中噪声点进行恢复，得到去噪图像。

进一步地，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、取出噪声标记图中噪声像素点对应的时序像素序列；

S32、取时序像素序列中非噪声像素点的像素中值，作为对应噪声像素点的像素值，得到基于时序信息的图像；

S33、取噪声标记图中噪声像素点邻域内的非噪声像素序列，取非噪声像素序列中值作为对应噪声像素点的像素值，得到基于空间信息的图像；

S34、将基于时序信息的图像和基于空间信息的图像进行加权求和，得到去噪图像。

上述进一步方案的有益效果为：

γ辐射环境下成像设备的防辐射装置在一定程度上能够减少成像图像中的噪声，但成像图像中不可避免的存在一些较小的γ辐射噪斑，γ辐射环境下图像去噪方法能够去除成像图像中残留的γ辐射噪声，达到图像清晰化可视的目的。

进一步地，步骤S2中噪声标记图中噪声像素判断的公式为：

其中，N为噪声像素判断结果，当N为1时，像素点为噪声像素点，当N为0时，像素点为正常像素点，μ()为单位阶跃函数，α为比例系数，表征非噪声像素点占整个图像序列的比例，n为图像序列中像素的数量，T为噪声检测阈值，P_i为图像序列中第i个像素值，P_n为待判断像素值。

综上，本发明的有益效果为：

1、本装置能够减弱γ光子对图像传感器的干扰，延长使用寿命同时消除γ辐射场景图像中的噪声，装置体积小易携带、成本低、能够适应多种复杂场景。

2、本发明通过获取非噪声像素点像素的中值，替换噪声点的像素，使噪声像素点的像素值正常化，同时结合时序和空间两方面对其进行加权，考虑两方面的权重占比，较准确的估算出噪声点的实际像素值，完成图像的去噪。

附图说明

图1为一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置的结构示意图；

图2为内保护层的整体结构示意图；

图3为内保护层的剖面结构示意图；

图4为成像设备安装件的结构示意图；

图5为中间保护层的剖面结构示意图；

图6为外保护层的剖面结构示意图；

图7为成像设备连接线的结构示意图；

图8为一种γ辐射环境下图像去噪方法的流程图；

图9为得到去噪图像的流程图；

其中，1、成像设备；2、内保护层；3、中间保护层；4、外保护层；5、耐辐照玻璃罩；6、成像设备安装件；7、成像设备连接线；21、盖体台面；22、管状保护层；23、玻璃罩台面；24、凹形条槽；25、内线孔；26、盖体台面的螺钉孔；31、中间线孔；41、外线孔；42、外保护层的螺钉孔；61、凸起；71、电源线；72、数据传输线；73、备用线；74、加强筋；75、金属包络线；76、塑封层；77、凯夫拉纤维层。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

γ射线穿透本装置会使其内部器件产生不可能恢复性损伤，本装置内部不同器件防辐射性能存在差异，为保护成像设备内部关键器件，保证本装置在辐射环境下长时稳定的工作，需要根据其内部关键器件特性进行独立的器件级抗核加固，以提高成像设备1整体抗辐射性能。

成像设备1的关键器件包括：CMOS图像传感器、ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器；

CMOS图像传感器通过光电效应捕捉场景视觉信息，因此采用具有透光特性的耐辐照玻璃罩5置于CMOS图像传感器表面，用以衰减γ光子的强度，使用含氧化铈的耐辐照玻璃罩5，一定厚度的耐辐照玻璃使γ光子到达CMOS图像传感器时不会对芯片造成损伤，并且在一定程度上保证了视觉监测的成像质量。

除CMOS图像传感器外，ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器均无采光需求，因此均采用防辐射铅层覆盖在ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器表面的方式实现抗核加固，ISP图像信号处理器内部包含相机成像过程中的多个重要部分，因此ISP图像信号处理器的抗核加固是弥补本装置抗辐射短板的一个重要措施，使用铅层对该器件进行抗核加固保证了该器件在γ辐射环境下的工作性能；存储器需要储存ISP图像信号处理器来不及处理的图像，为保障更好的防辐射性能，采用防辐射铅层对其进行抗核加固；视频编码器的抗核加固也是关键器件防护的一部分，其对于后续工作人员获取场景信息至关重要，因此视频编码器的抗核加固是防辐射成像装置中需要考虑的问题，采用防辐射铅层对其进行抗核加固；CMOS图像传感器、ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器的抗核加固为相机在γ辐射环境下稳定的工作提供了基础保障，使成像设备1内部关键器件具有相同水平的防辐射性能。

上述实施例是对成像设备1的内部关键部件进行保护，有效避免了在相机工作过程中由于某一部件无法正常工作引起的监测信息丢失问题，但内防护无法对成像设备1内部全部组件进行抗核加固，因此在内防护基础上还需要采取外防护措施，外防护措施能够使到达成像设备的γ射线强度衰减，延长CMOS图像传感器的使用寿命，并在一定程度上减少成像图像的噪声密度，外防护措施即下面实施例2中所展示的结构。

实施例2：

如图1所示，一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，包括：成像设备1、内保护层2、中间保护层3、外保护层4、耐辐照玻璃罩5和成像设备安装件6；

所述成像设备1与成像设备安装件6固定连接；所述内保护层2与成像设备安装件6固定连接；所述中间保护层3固定在内保护层2和外保护层4间；所述耐辐照玻璃罩5与内保护层2固定连接。

如图2～3所示，所述内保护层2包括：盖体台面21和管状保护层22；

所述管状保护层22一端闭合，一端开口；开口一端的管状保护层22的环形开口与盖体台面21固定连接，并延伸出部分，形成玻璃罩台面23。

在盖体台面21上设有盖体台面的螺钉孔26，在外保护层4设有外保护层的螺钉孔42，盖体台面的螺钉孔26与外保护层的螺钉孔42匹配，两者间可通过螺钉固定连接。

在图3中，管状保护层22还设有内外贯通的内线孔25。

在管状保护层22开口一端开凿出多条凹形条槽24；如图4所示，成像设备安装件6的边缘设有多个凸起61，一个凸起61与一条凹形条槽24匹配，成像设备安装件6用于固定成像设备1。

所述耐辐照玻璃罩5嵌入盖体台面21中，与玻璃罩台面23抵靠。

如图5所示，外保护层4为管状，其一端封闭，一端开口，其开口一端与盖体台面21接触，并与盖体台面21固定连接。

在外保护层4上设有外线孔41。

如图6所示，所述中间保护层3为管状，其一端封闭，一端开口，中间保护层3固定在外保护层4和内保护层2之间。

中间保护层上设有中间线孔31，中间线孔31、内线孔25和外线孔41三者位置对应，用于穿过成像设备连接线7。

所述内保护层2和外保护层4的材料为不锈钢，所述中间保护层3的材料为铅；所述耐辐照玻璃罩5为含氧化铈的耐辐照玻璃。

如图7所示，本装置还包括成像设备连接线7，所述成像设备连接线7包括：两根电源线71、四根数据传输线72、两根备用线73、加强筋74、金属包络线75、塑封层76和凯夫拉纤维层77；

所述金属包络线75包裹两根电源线71、四根数据传输线72、两根备用线73和加强筋74；所述塑封层76套于金属包络线75外；所述凯夫拉纤维层77套于塑封层76外。

γ光子在不同材料中的强度衰减模型如下式，其中，I₀、I为γ射线穿透物质前后的强度，δ_r为γ射线与物质发生相互作用的总截面，N为物质单位体积所包含的原子数，x为材料厚度，μ为物质吸收γ射线的线衰减系数；

根据上式强度衰减模型，内保护层2、中间保护层3、外保护层4和耐辐照玻璃罩5的厚度均通过下式求解：

上实施例1和实施例2对成像设备1采取的一系列加固措施能够为γ辐射场景下本装置的长时正常稳定工作提供保障，但成像图像中仍不可避免的出现噪声干扰，在物理防护效果有限的情况下，本申请再提供一种去噪方法，用于解决γ辐射环境下对图像成像造成的噪声影响，如实施例3。

实施例3：

如图8所示，一种γ辐射环境下图像去噪方法，包括以下步骤：

S1、通过防辐射装置采集γ辐射环境下的图像序列；

S2、遍历图像序列上的每个像素点，得到噪声标记图；

S3、对噪声标记图中噪声点进行恢复，得到去噪图像。

如图9所示，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、取出噪声标记图中噪声像素点对应的时序像素序列；

S32、取时序像素序列中非噪声像素点的像素中值，作为对应噪声像素点的像素值，得到基于时序信息的图像；

S33、取噪声标记图中噪声像素点邻域内的非噪声像素序列，取非噪声像素序列中值作为对应噪声像素点的像素值，得到基于空间信息的图像；

S34、将基于时序信息的图像和基于空间信息的图像进行加权求和，得到去噪图像。

步骤S2中噪声标记图中噪声像素判断的公式为：

其中，N为噪声像素判断结果，当N为1时，像素点为噪声像素点，当N为0时，像素点为正常像素点，μ()为单位阶跃函数，α为比例系数，表征非噪声像素点占整个图像序列的比例，n为图像序列中像素的数量，T为噪声检测阈值，P_i为图像序列中第i个像素值，P_n为待判断像素值。

所述步骤S34中进行加权求和的公式为：

I_d＝εI_t+(1-ε)I_s

其中，I_d为去噪图像，ε为图像权重值，I_t为基于时序信息去噪的图像，I_s为基于空间信息去噪的图像。

Claims (10)

1.一种γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，包括：成像设备(1)、内保护层(2)、中间保护层(3)、外保护层(4)、耐辐照玻璃罩(5)和成像设备安装件(6)；

所述成像设备(1)与成像设备安装件(6)固定连接；所述内保护层(2)与成像设备安装件(6)固定连接；所述中间保护层(3)固定在内保护层(2)和外保护层(4)间；所述耐辐照玻璃罩(5)与内保护层(2)固定连接。

2.根据权利要求1所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，所述内保护层(2)包括：盖体台面(21)和管状保护层(22)；

所述管状保护层(22)一端闭合，一端开口；开口一端的管状保护层(22)的环形开口与盖体台面(21)固定连接，并延伸出部分，形成玻璃罩台面(23)。

3.根据权利要求2所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，在管状保护层(22)开口一端开凿出多条凹形条槽(24)；

所述成像设备安装件(6)的边缘设有多个凸起(61)，一个凸起(61)与一条凹形条槽(24)匹配。

4.根据权利要求2所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，所述耐辐照玻璃罩(5)嵌入盖体台面(21)中，与玻璃罩台面(23)抵靠。

5.根据权利要求2所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，所述外保护层(4)为管状，其一端封闭，一端开口，其开口一端与盖体台面(21)接触，并与盖体台面(21)固定连接；

所述中间保护层(3)为管状，其一端封闭，一端开口，中间保护层(3)固定在外保护层(4)和内保护层(2)之间。

6.根据权利要求1所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，所述内保护层(2)和外保护层(4)的材料为不锈钢，所述中间保护层(3)的材料为铅；所述耐辐照玻璃罩(5)为含氧化铈的耐辐照玻璃。

7.根据权利要求1所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，还包括成像设备连接线(7)，所述成像设备连接线(7)包括：两根电源线(71)、四根数据传输线(72)、两根备用线(73)、加强筋(74)、金属包络线(75)、塑封层(76)和凯夫拉纤维层(77)；

所述金属包络线(75)包裹两根电源线(71)、四根数据传输线(72)、两根备用线(73)和加强筋(74)；所述塑封层(76)套于金属包络线(75)外；所述凯夫拉纤维层(77)套于塑封层(76)外。

8.根据权利要求1所述的γ辐射环境下成像设备的防辐射装置，其特征在于，所述成像设备(1)包括：CMOS图像传感器、ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器；所述CMOS图像传感器表面覆盖耐辐照玻璃罩(5)，所述ISP图像信号处理器、存储器和视频编码器表面覆盖防辐射铅层。

9.一种γ辐射环境下图像去噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过防辐射装置采集γ辐射环境下的图像序列；

S2、遍历图像序列上的每个像素点，得到噪声标记图；

S3、对噪声标记图中噪声点进行恢复，得到去噪图像。

10.根据权利要求9所述的γ辐射环境下图像去噪方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、取出噪声标记图中噪声像素点对应的时序像素序列；

S32、取时序像素序列中非噪声像素点的像素中值，作为对应噪声像素点的像素值，得到基于时序信息的图像；

S33、取噪声标记图中噪声像素点邻域内的非噪声像素序列，取非噪声像素序列中值作为对应噪声像素点的像素值，得到基于空间信息的图像；

S34、将基于时序信息的图像和基于空间信息的图像进行加权求和，得到去噪图像；

步骤S2中噪声标记图中噪声像素判断的公式为：

其中，N为噪声像素判断结果，当N为1时，像素点为噪声像素点，当N为0时，像素点为正常像素点，μ()为单位阶跃函数，α为比例系数，表征非噪声像素点占整个图像序列的比例，n为图像序列中像素的数量，T为噪声检测阈值，P_i为图像序列中第i个像素值，P_n为待判断像素值。

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