DE102008043526A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Substanzidentifikation - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Substanzidentifikation und eine Vorrichtung desselben sind offenbart. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Übertragen eines Untersuchungsgegenstands unter Verwendung von hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen, um ein hochenergetisches und ein niederenergetisches Übertragungsbild für den Gegenstand zu erhalten, wobei ein Wert jedes Pixels im hochenergetischen Bild eine hochenergetische Durchlässigkeit der hochenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt und ein Wert jedes Pixels im niederenergetischen Bild eine niederenergetische Durchlässigkeit der niederenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt; Berechnen eines Wertes einer ersten Funktion für die hochenergetische Durchlässigkeit und eines Wertes einer zweiten Funktion für die hochenergetische und die niederenergetische Durchlässigkeit für jedes Pixel und Klassifizieren der Orte, welche durch den Wert der ersten Funktion und den Wert der zweiten Funktion unter Verwendung einer im Voraus erzeugten Klassifikationskurve bestimmt werden, um die Art der Substanz eines Teils des Gegenstands zu identifizieren, welcher jedem Pixel entspricht. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, nicht nur ein Übertragungsbild des Gegenstands, sondern auch Materialinformationen im Gegenstand zu erhalten.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Vorliegende Erfindung betrifft eine Röntgenaufnahmetechnik, genauer ein Verfahren zur Substanzidentifikation, welches im Abbildungsuntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien angewendet wird, und eine Vorrichtung desselben, welche nicht nur ein Übertragungsbild eines Untersuchungsgegenstands erlangen bzw. erhalten, sondern auch Materialinformationen des Gegenstands erhalten können.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es ist eine moderne und fortgeschrittene Transportform einen Container als Transporteinheit zu nehmen. Die Containerisierung wurde zum Haupttrend des internationalen Frachttransports. Indessen wurde die Verwendung von Containern beim Schmuggeln von Schusswaffen, Waffen, Drogen, Sprengstoff, sogar WMDs (Weapons of Mass Destruction (Massenvernichtungswaffen)) und RDDs (Radiological Dispersal Devices (radiologische Dispersionsvorrichtungen)) zu einer internationalen Gefahr der Öffentlichkeit, welche jeder Regierung Sorge bereitet und den regulären Ablauf des internationalen Frachttransports stört.
  • Seit dem Anschlag vom 11. September in den USA begann die US-Regierung den potenziellen Risiken des Frachttransportes große Bedeutung beizumessen und sorgte sich mehr um WMDs und RDDs durch Container in die Vereinigten Staaten. Um solchen Risiken vorzubeugen, erließ die US-Zollbehörde am 17. Januar 2001 eine „Container Security Initiative (CSI)", in welcher alle ausländischen Häfen mit direkt mit dem US-Hafen verbundenen Abwicklungen dazu verpflichtet wurden mit nicht-invasiven Röntgen-(Gamma-)Strahlenabtastungs-Abbildungsgeräten zum Durchführen von Strahlenabtastungsuntersuchungen an den in die Vereinigten Staaten verfrachteten Containern ausgestattet zu sein. Ein Jahr nachdem die CSI bekannt gegeben wurde, gab es weltweit 18 Großhäfen, die der Initiative beitraten und zu arbeiten begannen. Im Hintergrund, in welchem die Auflagen für die internationale Transportsicherheit zunehmen, nahm die World Customs Organisation (Weltzollorganisation) einstimmig eine Resolution an, welche fordert, dass alle 161 Mitglieder einen Plan bezüglich der Containersicherheitsuntersuchung entlang der Form der CSI entwickeln, d. h., die Containersicherheitsuntersuchung wurde zu einem weltweit gemeinsamen Thema von Bedeutung.
  • Die bestehenden Röntgengeräte (Gammastrahlengeräte) zur Containersicherheitsuntersuchung zielen in erster Linie auf die Übertragungsabbildung ab, d. h. unter Verwendung von Röntgenstrahlen die Fracht direkt zu durchdringen, um Übertragungsbilder aller Artikel zu erhalten, welche im Weg der Röntgenstrahlen enthalten sind. Die Standardübertragungsabbildungstechnologie löst das „Visualisierungs-"Problem der Container, so dass sie weit verbreitet ist. Jedoch weisen solche Geräte üblicherweise die folgenden Nachteile auf. Erstens sind die Informationen mit einer zweidimensionalen Struktur für die Artikel anfällig, welche auf dem Weg der Strahlen überlappen, zweitens sind keine Informationen zur Dichte und drittens auch keine Materialinformationen involviert.
  • In Bezug auf eine Forderung zur „Verhinderung des Schmuggels" ist eine Hauptgegenmaßnahme gegen den Schmuggel die Artikelinformationen, welche in der Zollerklärung aufgelistet sind, mit Containerbildern der Abtastung mit hochenergetischen Röntgenstrahlen zu vergleichen und dann zu prüfen, ob dieselben beide zusammenpassen. Hier ist die Zollerklärung priori Wissen und eine Standardtechnologie der Röntgenübertragungsabbildung kann im Wesentlichen der obigen Forderung entsprechen. Jedoch stellt der Vorschlag der CSI die Forderung zur Containeruntersuchung, die sich vom Untersuchen von geschmuggelten Artikeln (kurz „Verhin derung des Schmuggels") zum Untersuchen von gefährlichen Artikeln (kurz „Verhinderung einer Gefahr") entwickelt. Da es verschiedene Arten an gefährlichen Artikeln gibt und dieselben keine festen Formen aufweisen, d. h. es gibt kein priori Wissen für Artikel in den Untersuchungscontainern, schien es bereits schwierig, den Auflagen für die Containersicherheitsuntersuchung (CSI) nur beruhend auf der Standardtechnologie der Röntgenübertragungsabbildung zu entsprechen.
  • Die akkuratere und effizientere Sicherheitsuntersuchung ist nur dann möglich, wenn reichlichere Merkmale des Gegenstands gemäß den Charakteristiken von WMDs, RDDs und anderen gefährlichen Artikeln erhalten werden. Eine Zwei-Energie-Technologie verwendet zwei Arten an Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Energiespektren, um einen Untersuchungsgegenstand zu durchdringen. Signale, welche unter unterschiedlichen Energien erhalten werden, werden verarbeitet, um die Ordnungszahlinformationen des Materials für den Gegenstand zu erhalten. Folglich ist das Sicherheitsuntersuchungsniveau unter Verwendung dieser Technologie in gewissem Maße effizient verbessert. Es wird erwünscht, dass das Abbildungscontaineruntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen eine Materialunterscheidungsfähigkeit aufweist, was in den letzten Jahren zu einem heißen Punkt der internationalen Forschung wurde.
  • Die Zwei-Energie-Technologie ist insbesondere effizient, wenn die Energie des Röntgenstrahls geringer als 200 KeV ist, was bei der Gepäckuntersuchung weit verbreitet ist. Für verschiedene Materialien mit der gleichen Massenstärke, wie beispielsweise C, Al und Fe, hat die Abschwächung, wenn die Energie des den Container durchdringenden Röntgenstrahls mehrere MeV erreicht, über dieses Energiespektrum jedoch keine große Wirkung auf die Abschwächung des Strahls. Daher ist die Materialunterscheidungsfähigkeit, welche unter Verwendung der Abbildung mit hochenergetischen Röntgenstrahlen erhalten wird, im Vergleich zu der Techno logie mit niederenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien weitaus schlechter. Selbst einige Experten auf dem Gebiet der Containeruntersuchung glauben, dass die Zwei-Energie-Abbildungstechnologie kaum Wirkung zeigt, wenn die Energie des Röntgenstrahls über 200 KeV beträgt, folglich ist diese Technologie für das Containeruntersuchungssystem nicht geeignet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein Substanzidentifikationssystem vor, welches eine Einrichtung zur Energiespektrumformung und eine automatische Kalibriereinrichtung aufweist, welche das Problem bewältigen kann, bei welchem die Materialunterscheidung beim Abbildungscontaineruntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien während des Visualisierens von Materialunterscheidungsinformationen und Graustufeninformationen unter Verwendung eines Algorithmus, wie beispielsweise der Zwei-Energie-Graustufen-Fusionsalgorithmus, der Kolorierungsalgorithmus und ähnliches, nicht effizient in Echtzeit durchgeführt werden kann.
  • Im Vergleich zur herkömmlichen Abbildung mit hochenergetischen Röntgenstrahlen, welche das erhaltene Zwei-Energie-Bild verwendet, kann das System nicht nur ein Fusionsbild mit sowohl der hohen Penetrationsleistung als auch der hohen Kontrastempfindlichkeit erhalten, sondern auch einige Materialinformationen der Fracht erhalten und die Fähigkeit zur Identifikation von Sprengstoffen, Drogen, radioaktiven Materialien und ähnlichem aufweisen, damit die Kapazität der Sicherheitsuntersuchung für die Container verbessert werden kann.
  • Zudem nutzt die vorliegende Erfindung völlig die Vorteile der menschlichen Sehkraft für Grau- oder Falschfarbenbilder, welche vom herkömmlichen Abbildungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen ausgegeben werden, um Bilder zur Materialunterschei dung zu kolorieren, welche vom Abbildungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien ausgegeben werden, um Benutzer mit mehr Informationen zu versorgen.
  • In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Substanzidentifikation geliefert, welches die Folgenden Schritte aufweist: Übertragen eines Untersuchungsgegenstands unter Verwendung der hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen, um ein hochenergetisches und ein niederenergetisches Übertragungsbild für den Gegenstand zu erhalten, wobei ein Wert jedes Pixels im hochenergetischen Bild eine hochenergetische Durchlässigkeit der hochenergetischen Strahlen in Bezug auf die entsprechenden Teile des Gegenstands anzeigt und ein Wert jedes Pixels im niederenergetischen Bild eine niederenergetische Durchlässigkeit der niederenergetischen Strahlen in Bezug auf die entsprechenden Teile des Gegenstands anzeigt; Berechnen eines Wertes einer ersten Funktion für die hochenergetische Durchlässigkeit und eines Wertes einer zweiten Funktion für die hochenergetische und niederenergetische Durchlässigkeit für jedes Pixel; und Klassifizieren von Orten, welche durch den Wert der ersten Funktion und den Wert der zweiten Funktion bestimmt werden, unter Verwendung einer im Voraus erzeugten Klassifikationskurve, um die Art der Substanz eines Teils des Gegenstands zu identifizieren, welcher jedem Pixel entspricht.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zudem die Schritte zum Einstellen einer Umgebung mit einer voreingestellten Größe und zum Durchführen einer Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in der Umgebung jedes Pixels auf.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Schritt zum Durchführen der Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in der Umgebung jedes Pixels die folgenden Schritte auf: Suchen eines Pi xels, welches dem Mittelpixel in der Umgebung ähnelt, als ähnliches Pixel und Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung am ähnlichen Pixel in der Umgebung.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Unterschiede zwischen der hochenergetischen Durchlässigkeit und der niederenergetischen Durchlässigkeit des ähnlichen Pixels und der hochenergetischen Durchlässigkeit und der niederenergetischen Durchlässigkeit des Mittelpixels beide jeweils geringer als ein voreingestellter Wert.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Gegenstand als organische Substanz, Leichtmetalle, anorganische Substanz oder Schwermetalle identifiziert.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zudem einen Schritt zum Durchführen einer Kolorierungsanzeige an einem Identifikationsergebnis auf.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Schritt zum Durchführen einer Kolorierungsanzeige Folgendes auf: Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung an der hochenergetischen Durchlässigkeit und der niederenergetischen Durchlässigkeit jedes Pixels als Fusions-Grauwert; Bestimmen eines Farbtons gemäß der Art des Materials eines Teils des Gegenstands, welcher dem Pixel entspricht; Bestimmen eines Helligkeitsniveaus des Pixels gemäß dem Fusions-Grauwert des Pixels; und Erhalten eines R-Wertes, G-Wertes und B-Wertes des Pixels aus einer im Voraus erzeugten Nachlagetabelle durch Nehmen des Farbtons und Helligkeitsniveaus als Indizes.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Schritt zum Bestimmen eines Farbtons gemäß der Art des Materials eines Teils des Gegenstands, welcher dem Pixel entspricht, Folgendes auf: Zuordnen von Orange einer organischen Substanz, Zu ordnen von Grün den Leichtmetallen, Zuordnen von Blau einer anorganischen Substanz und Zuordnen von Lila den Schwermetallen.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren einen Schritt zum Durchführen einer Spektrumformung an Strahlen auf, welche von einer Strahlenquelle emittiert werden, um einen Energiespektrumunterschied zwischen den hochenergetischen Strahlen und niederenergetischen Strahlen zu vergrößern.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Klassifikationskurve für jede Art an Kalibriermaterial durch die folgenden Schritte erzeugt: Erhalten einer entsprechenden hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchlässigkeit durch Bestrahlen von Kalibriermaterialien mit verschiedenen Stärken unter Verwendung der hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen; Bilden von Punkten der Kalibriermaterialien mit unterschiedlichen Stärken durch Nehmen der ersten Funktion der hochenergetischen Durchlässigkeit als Abszisse und der zweiten Funktion der niederenergetischen Durchlässigkeit und der hochenergetischen Durchlässigkeit als Ordinate; und Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Schritt zum Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten das Einsetzen des Verfahrens der kleinsten Quadrate zur Kurvenanpassung auf, um die Kurvenanpassung an den Punkten durchzuführen.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Schritt zum Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten das Einsetzen des optimalen Anpassungspolynoms nach Tschebyscheff auf, um die Kurvenanpassung an den Punkten durchzuführen.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zudem einen Schritt zum Durchführen einer Diskretisierung an der Klassifikationskurve auf.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Substanzidentifikation geliefert, welche Folgendes aufweist: eine Bilderzeugungseinrichtung zum Übertragen eines Untersuchungsgegenstands unter Verwendung der hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen, um ein hochenergetisches Übertragungsbild und ein niederenergetisches Übertragungsbild für den Gegenstand zu erhalten, wobei ein Wert jedes Pixels im hochenergetischen Bild eine hochenergetische Durchlässigkeit der hochenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt und ein Wert jedes Pixels im niederenergetischen Bild eine niederenergetische Durchlässigkeit der niederenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt; eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Wertes einer ersten Funktion für die hochenergetische Durchlässigkeit und eines Wertes einer zweiten Funktion für die hochenergetische und niederenergetische Durchlässigkeit für jedes Pixel; und eine Klassifizierungseinrichtung zum Klassifizieren von Orten, welche durch den Wert der ersten Funktion und den Wert der zweiten Funktion bestimmt werden, unter Verwendung einer im Voraus erzeugten Klassifikationskurve, um die Art der Substanz eines Teils des Gegenstands zu identifizieren, welcher jedem Pixel entspricht.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zudem eine Einrichtung zum Einstellen einer Umgebung mit einer voreingestellten Größe und eine Einrichtung zum Durchführen einer Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in einer Umgebung jedes Pixels auf.
  • Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Einrichtung zum Durchführen einer Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in der Umgebung jedes Pixels eine Einrichtung zum Suchen eines Pixels, welches dem Mittelpixel in der Umgebung ähnelt, als ähnliches Pixel und eine Einrichtung zum Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung am ähnlichen Pixel in der Umgebung auf.
  • Das erfinderische Substanzidentifikationssystem ist im Abbildungscontaineruntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien eingebettet und zum Durchführen der Formung am Energiespektrum der Strahlen mittels Ausgestaltung der Spektrumformungseinrichtung adaptiert und verbessert dadurch die Materialunterscheidungsfähigkeit. Durch die Ausgestaltung für die Kalibriereinrichtung, eine Echtzeiterfassung für den Systemzustand und eine Erlangung bzw. ein Erhalten eines Klassifikationsparameters, welcher bestenfalls mit dem Systemzustand abgeglichen ist, ist es zudem möglich eine solide Basis für eine akkurate Materialunterscheidung zu liefern. Zudem werden durch die Aufnahme eines Schnellidentifikationsalgorithmus und eines Bildrauschreduzierungsalgorithmus in einem Materialunterscheidungsmodul Echtzeitoperationen der Algorithmen gewährleistet, die Auswirkung der statistischen Schwankung des Röntgendatensystems drastisch verringert und die Genauigkeit der Materialunterscheidung gewährleistet.
  • Zudem kann das erfinderische Substanzidentifikationssystem ein Fusionsbild mit sowohl der Penetrationsleistung als auch der Kontrastempfindlichkeit durch Ausgestalten eines Graustufen-Fusionsalgorithmus erhalten, wodurch es folglich hinsichtlich allein der Graustufe mehr Informationen als ein Ein-Energie-System erhält.
  • Nach dem Erhalten eines Ergebnisses der Materialunterscheidung und eines Fusions-Graustufenbildes gestaltet die vorliegende Er findung zudem ein Farbanzeigemodul aus, welches eine Ganzheit des gesamten Datenverarbeitungsverfahrens vom Eingeben der Zwei-Energie-Übertragungsausgangsdaten bis zum Ausgeben der RGB-Farbanzeigedaten gewährleisten kann.
  • Zudem wird das System auch der Operation in Echtzeit vollkommen gerecht und führt optimierte Ausgestaltungen an einer Vielfalt von Algorithmen mit einer schnellen Betriebsgeschwindigkeit und guten Echtzeitleistung durch.
  • Die vorliegende Erfindung kann das Problem effizient angehen, bei welchem das Abbildungsuntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien eine schlechte Materialunterscheidungsfähigkeit aufweist, und folglich weist die vorliegende Erfindung sehr gute Materialunterscheidungseffekte und Farbanzeigeeffekte, eine gute Bedienbarkeit, eine schnelle Betriebsgeschwindigkeit und einen hohen Nutzwert auf.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den folgenden detaillierten Beschreibungen der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich sein, in welchen:
  • 1A eine schematische Darstellung des grundlegenden Aufbaus eines Abbildungsuntersuchungssystems mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien zeigt;
  • 1B eine schematische Darstellung eines Abbildungsuntersuchungssystems mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien zeigt, in welchem ein Materialidentifikationsgerät eingebettet ist;
  • 1C eine Kurve des Massenschwächungskoeffizienten zeigt;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Energiespektrumformung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, in welcher schwarze Pfeile die Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau, graue Pfeile die Strahlen mit einem niederenergetischen Niveau und ein schwarzer Bereich einen Formungsmaterialblock anzeigen;
  • 3 eine schematische Darstellung einer automatischen Kalibriereinrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, in welcher schwarze Pfeile Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau und graue Pfeile Strahlen mit einem niederenergetischen Niveau anzeigen;
  • 4A einen Ablaufplan zum Veranschaulichen eines automatischen Kalibrierverfahrens nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4B einen Ablaufplan zum Veranschaulichen eines Substanzidentifikationsverfahrens nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5 eine Koordinatendefinition einer Alpha-Kurve zeigt;
  • 6A eine schematische Darstellung von Trainingsdaten der Kalibriermaterialien zeigt, welche während des automatischen Kalibrierverfahrens verwendet werden;
  • 6B eine schematische Darstellung einer Alpha-Kurve zeigt, welche anhand der Trainingsdaten der Kalibriermaterialien erzeugt wurde;
  • 6C ein statistisches Ergebnis der Trainingsdaten der Kalibriermaterialien zeigt;
  • 7A einen Ablaufplan zum Veranschaulichen eines Zwei-Energie-(d. h. hochenergetisch und niederenergetisch)Durchlässigkeits-Rauschreduzierungsverfahrens zeigt;
  • 7B einen Ablaufplan zum Veranschaulichen eines Rauschreduzierungsverfahrens zeigt, welches an einem Ergebnis der Materialidentifikation durchgeführt wird;
  • 8 Abbildungsergebnisse zeigt, welche für unterschiedliche Vorverarbeitungsparameter durch ein Materialunterscheidungsmodul erzeugt wurden;
  • 9 eine schematische Darstellung zum Veranschaulichen eines Erzeugungsverfahrens einer Farbtabelle und eines Erzeugungsverfahrens eines RGB-Bildes zeigt; und
  • 10 ein Graustufenbild und ein Farbbild zeigt.
  • DETAILLISTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nun in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben werden. Zur Klarheit wird die detaillierte Beschreibung der bekannten Funktion und Struktur, welche hierin aufgenommen sind, ausgelassen werden, welche andernfalls das Verständnis der Erfindung unklar machen würde.
  • Ein Substanzidentifikationsgerät nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Hardwareteil und einen Datenverarbeitungsalgorithmus auf. Das Substanzidentifikationsgerät ist ein Subsystem, welches im Abbildungscontaineruntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien eingebettet ist, welches die Materialunterscheidung basierend auf hochenergetischen Zwei-Energie-Übertragungsdaten durchführt.
  • Der Bequemlichkeit halber wird auf Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau im System mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien als Röntgenstrahlen mit einem hochenergetischen Niveau und auf Strahlen mit einem niederenergetischen Niveau als niederenergetische Strahlen Bezug genommen. Eine angemessene Auswahl eines Energiespektrums ist eine Voraussetzung des Abbildungscontaineruntersuchungssystems mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien. Der Auswahlbereich des Energiespektrums für die zwei Energien bzw. Doppelenergie des hochenergetischen Röntgenstrahls reicht im Allgemeinen von 3 MeV bis 10 MeV. Theoretisch gilt bei einem angemessenen Energiebereich je größer der Energieunterschied, desto besser die Materialunterscheidungsfähigkeit. Ein effizienter Bereich zum Durchführen der Materialunterscheidung wird jedoch begrenzt werden, wenn der Energieunterschied zu groß ist und der Unterschied der Penetrationsleistung zwischen den Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau und einem niederenergetischen Niveau zu groß ist.
  • Die 1A und 1B zeigen schematische Darstellungen des Abbildungscontaineruntersuchungssystems mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien. Wie in 1 gezeigt, weist das Abbildungscontaineruntersuchungssystem mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien eine Strahlenerzeugungsvorrichtung 10, eine mechanische Antriebsvorrichtung (nicht gezeigt), einen Untersuchungsgegenstand 20, wie beispielsweise einen Container, ein Datenerfassungssubsystem 30, einen Abtaststeuerungscomputer und einen Datenverarbeitungscomputer (nicht gezeigt) auf.
  • Die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 weist einen Zwei-Energie-Beschleuniger und die anderen Hilfsgeräte auf und kann Röntgenstrahlen mit zwei Arten an Energieniveaus erzeugen. Die mechanische Antriebsvorrichtung kann ermöglichen, dass die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 und das Datenerfassungssubsystem 30 rela tive Horizontalbewegungen in Bezug auf den Container 20 aufweisen.
  • Es ist möglich, dass die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 und das Datenerfassungssubsystem 30 stillhalten, während der Container 20 in Bewegung ist. Alternativ ist es auch möglich, dass der Container 20 stillhält, während die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 und das Datenerfassungssubsystem 30 gemeinsam in Bewegung sind.
  • Das Datenerfassungssubsystem 30 weist in erster Linie Linearreihendetektoren auf, welche zum Erfassen von Strahlen verwendet werden, welche erhalten werden, nachdem die durch die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 erzeugten Röntgenstrahlen mit zwei Energien den Gegenstand durchdringen, um Zwei-Energie-Übertragungsdaten zu erzeugen, und verwendet werden, um die Daten zum Computer (nicht gezeigt) zu übertragen. Das Datenerfassungssubsystem 30 weist zudem eine Ausleseschaltung zum Auslesen von Projektionsdaten und eine Logikschaltungssteuereinheit auf dem Detektor und ähnliches auf. Der Detektor kann ein Feststoffdetektor, ein Gasdetektor oder ein Halbleiterdetektor sein.
  • Der Abtaststeuerungscomputer ist für das Überprüfen der Hauptsteuerung, welche die mechanische Steuerung, elektrische Steuerung und Sicherheitskettensteuerung enthält, des Systemarbeitsablaufes verantwortlich. Der Datenverarbeitungscomputer ist für das Verarbeiten und Anzeigen der Zwei-Energie-Übertragungsdaten verantwortlich, welche durch das Datenerfassungssubsystem erhalten wurden.
  • Eine Vorrichtung 40 zur Energiespektrumformung und eine automatische Kalibriervorrichtung 50, wie in 1B gezeigt, werden eingesetzt, um die Materialunterscheidungsfähigkeit des Zwei-Energie-Systems zu verbessern, wodurch der Effekt der Substanzidentifikation verbessert wird.
  • Die Vorrichtung 40 zur Energiespektrumformung weist Materialien zur Energiespektrumformung und entsprechende Hilfsvorrichtungen auf. Die Vorrichtung 40 zur Energiespektrumformung ist zwischen der Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 und dem Gegenstand 20 mit einer Absicht zur Formung von Energiespektren der Strahlen, welche von der Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 ausgegeben werden, vor den Strahlen, die den Gegenstand 20 durchdringen, derart angeordnet, dass die Verteilung des Energiespektrums für die Materialunterscheidung vorteilhafter ist.
  • Das Charakteristikum des Materials zur Energiespektrumformung besteht im Aufweisen einer sehr großen Abschwächung für niederenergetische Strahlen und einer sehr geringen Abschwächung für hochenergetische Strahlen. Je besser dieses Charakteristikum ist, desto besser ist der Effekt der Energiespektrumformung. Ein Material kann als Material zur Energiespektrumformung betrachtet werden, wenn es das obige Charakteristikum erfüllt. Abhängig vom Charakteristikum des Materials zur Energiespektrumformung kann die äquivalente Energie der Strahlen nach der Energiespektrumformung verbessert werden. Wenn das Material zur Energiespektrumformung auf die Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau wirkt, wird die äquivalente Energie der Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau verbessert werden, während die äquivalente Energie der Strahlen mit einem niederenergetischen Niveau konstant bleibt, wodurch sich der Energieunterschied zwischen den hochenergetischen Strahlen und niederenergetischen Strahlen derart vergrößert, dass die Materialunterscheidungsfähigkeit des Systems verbessert werden wird.
  • Basierend auf diesem Charakteristikum kann Grafit als Formungsmaterial ausgewählt werden. Aus rein theoretischer Sicht gilt, je dicker das Formungsmaterial ist, desto besser ist die Materialunterscheidungsfähigkeit. Je dicker jedoch das Formungsmaterial ist, desto größer ist der Abschwächungsgrad der Strahlen, ge ringer die Menge, die der Detektor empfängt, und geringer der Rauschabstand der Daten, wenn statistische Schwankungen berücksichtigt werden. Folglich weist die Stärke des Formungsmaterials einen optimalen Wert auf, welcher basierend auf der Ist-Situation des Systems bestimmt werden muss. Gemäß den Energieverteilungen der Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau und niederenergetischen Niveau wird bestimmt, dass die Energiespektrumformung nur über einem bestimmten Energieniveau durchgeführt werden kann. 2A zeigt eine schematische Darstellung einer sich drehenden Vorrichtung zur Energiespektrumformung. Alternativ ist es möglich die Energiespektrumformung sowohl am hochenergetischen Niveau als auch niederenergetischen Niveau durchzuführen. 2B zeigt eine Vorrichtung zur Energiespektrumformung zum Durchführen einer Energiespektrumformung an beiden Energieniveaus.
  • Die Ausgestaltung der Vorrichtung 40 zur Energiespektrumformung sollte von den Anforderungen für die Energiespektrumformung abhängen. Es ist möglich die Formung nur an Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau durchzuführen und dann den Energieunterschied zwischen beiden Energieniveaus durch Verbessern der äquivalenten Energie der Strahlen mit einem hochenergetischen Niveau zu vergrößern, um die Materialunterscheidungsfähigkeit des Systems zu verbessern. Es ist auch möglich die Energiespektrumformung an beiden Energieniveaus durchzuführen, was etwas speziell ist und üblicherweise angewendet wird, wenn die Strahlen mit einem niederenergetischen Niveau ungefähr 3 MeV bleiben. Anhand der Kurve des Massenschwächungskoeffizienten in 1C kann erkannt werden, dass die Schwächungskoeffizienten des Materials mit einer niedrigen Ordnungszahl (low-Z materials) in der Nähe des 3 MeV-Energiebandes nahe beieinander liegen und die Veränderungstendenz sehr langsam ist. Folglich weist die Energieveränderung einen sehr geringen Effekt auf die Unterscheidungsfähigkeit von Materialien mit einer geringen Ordnungszahl in der Nähe dieses Energiebandes auf, während die Schwächungsko effizienten der Materialien mit einer hohen Ordnungszahl (high-Z materials) einen Wendepunkt in der Nähe von 3 MeV aufweisen. Dies wird dazu führen, dass Blei (Pb) von den anderen Materialien gemäß solch einer Energieauswahl nicht unterschieden werden kann. Daher kann die Energiespektrumformung auch an der Energie mit einem niederenergetischen Niveau von 3 MeV durchgeführt werden. Es ist möglich, die Unterscheidbarkeit der Materialien mit einer hohen Ordnungszahl unter Verwendung der Materialien zur Energiespektrumformung zu verbessern, um den niederenergetischen Anteil der Energie mit einem niederenergetischen Niveau zu absorbieren, und es besteht kein negativer Effekt auf die Materialien mit einer niedrigen Ordnungszahl.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer automatischen Kalibriervorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die automatische Kalibriervorrichtung weist zwei Hauptteile auf, d. h. Hardware und Software.
  • Die automatische Kalibriervorrichtung 50 weist Kalibriermaterialien auf, welche in einer Leiter und entsprechenden Hilfsgeräten verteilt sind. Die automatische Kalibriervorrichtung 50 kann Kalibrierdaten erfassen, gibt das automatische Kalibrierverfahren ein, erhält einen Klassifikationsparameter, welcher mit dem Systemzustand in Echtzeit abgeglichen ist und speichert denselben in einer Datei als Eingabe in ein Materialunterscheidungsmodul.
  • Hier weisen die Kalibriermaterialien verschiedene typische Materialien auf. Um die Kalibriergenauigkeit zu gewährleisten, kann zumindest eine Art an typischem Material pro Kategorie vorbereitet werden. Alternativ können mehrere Arten an typischen Materialien mit unterschiedlichen, äquivalenten Ordnungszahlen pro Kategorie vorbereitet werden. Wenn kein Material vorbereitet wird oder es einen begrenzten Raum zum Platzieren der automatischen Kalibriervorrichtung 50 gibt, können Materialien der mittleren Kategorien ausgelassen werden und der automatische Kalibrieral gorithmus stattdessen einen interpolierten Wert der Daten der angrenzenden Kategorie verwenden. Die Auswahl der Kalibriermaterialien kann mit den Materialunterscheidungsanforderungen für das System assoziiert werden. Die Anforderungen für die zwei Energien des hochenergetischen Röntgenstrahls können in vier Kategorien unterteilt werden, d. h. organische Substanz, Leichtmetalle, anorganische Substanz und Schwermetalle. Daher werden vier Arten an typischen Materialien aus den obigen vier Kategorien ausgewählt, d. h. der Reihe nach Grafit (Z = 6), Aluminium (Z = 13), Eisen (Z = 26) und Blei (Z = 82). Die Auswahl dieser vier Arten an Materialien basiert auf zwei Gründen. Einer ist, dass diese Materialien häufig verwendet werden, und der Andere, dass jedes derselben zu einer elementaren Substanz gehört, welche von stabiler Beschaffenheit ist.
  • Für jedes Material sollten mehrere Klassen an Leitern von dünn bis dick ausgebildet werden. Die dünnste Stärke und die dickste Stärke hängen vom Materialunterscheidungsbereich des Systems ab. Die Anzahl an Klassen der Leitern kann durch die Kalibriergenauigkeit zusammen mit dem Raum zum Platzieren der automatischen Kalibriervorrichtung bestimmt werden.
  • Die Hilfsvorrichtungen liefern in erster Linie das mechanische Antreiben und setzen die Lokalisierungsabtastung um, um Zwei-Energie-Übertragungsdaten jeder Leiter für jedes Material zu erhalten. Wenn mehrere Spalten der Zwei-Energie-Übertragungsdaten an jeder Lokalisierungsstelle erfordert werden, wird empfohlen mehr als 256 Spalten abzutasten, wodurch der Effekt der statistischen Schwankung des Signals größtenteils beseitigt wird.
  • In Richtung der Höhe unterscheiden sich die Winkelverteilungen für die Röntgenstrahlen, welche durch die verschiedenen Detektoren empfangen werden, über den Armträgern der Detektoren. Die Spektrumverteilungen für verschiedene Winkelverteilungen unterscheiden sich und führen dadurch zu unterschiedlichen Parametern für die Materialunterscheidung. Daher können unter Berücksichtigung des Effektes der Winkelverteilungen der Röntgenstrahlen alle Erfassungshöhen in mehrere Bereiche unterteilt werden, wobei jeder eine unabhängige Statistik aufweist, um einen Klassifikationsparameter zu erzeugen. Dies erfordert, dass die Kalibriermaterialien in der automatischen Kalibriervorrichtung 50 alle Spannen von Interesse decken sollten.
  • Wenn die Höhen der Kalibriermaterialien durch die objektiven Faktoren, wie beispielsweise die Verarbeitungskapazität, der Geräteraum usw., begrenzt sind, ist es nicht möglich alle Detektormodule auf dem Armträger zu bedecken. Eine vereinfachte Weise ist wie folgt. Unter normalen Bedingungen befindet sich die interessanteste Erfassungshöhe in einer Position, in welcher der Container Fracht platziert, und das System stellt üblicherweise den Hauptstrahl des Röntgenstrahls auf die Nähe dieser Position ein. Folglich wird der Hauptstrahl der Strahlen auf den wichtigen Kalibriergegenstand gerichtet. Die Kalibriermaterialien können ausgestaltet sein, um nur den Bereich zu bedecken. Dann werden die erhaltenen Zwei-Energie-Übertragungsdaten in den automatischen Kalibrieralgorithmus als Parameter desselben eingegeben, um einen Klassifikationsparameter, welcher der Energiespektrumverteilung in Richtung des Hauptstrahls des Röntgenstrahls entspricht, als Klassifikationsparameter für alle Erfassungsbereiche zu erzeugen. Diese vereinfachte Weise liegt innerhalb des Toleranzfehlerbereiches, wobei die Winkelverteilung des Röntgenstrahls geringer ist.
  • Die Kalibriermaterialien in der automatischen Kalibriervorrichtung 50 können in jeglichen Formen vorgesehen sein, solange die obigen Anforderungen erfüllt werden. In 3 sind die Ordnungsnummer (order number) der Leiter und die Stärke nur zur Veranschaulichung beschrieben ohne wirkliche Bedeutungen anzugeben.
  • 4A zeigt einen Ablaufplan eines automatischen Kalibrierprozesses nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 4A gezeigt, erzeugt die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 einen Röntgenstrahl beim Block 110. Beim Block 120 wird der Röntgenstrahl durch die Vorrichtung 40 zur Energiespektrumformung geformt. Beim Block 130 wird der automatische Kalibrierprozess künstlich ermöglicht und gestartet, wenn die automatische Kalibrierverarbeitung durchzuführen ist, um Kalibrierausgangsdaten zu erhalten.
  • Beim Block 140 wird sequenziell eine Datenkorrekturverarbeitung an den Kalibrierausgangsdaten durchgeführt. Beim Block 150 wird ein automatischer Kalibrieralgorithmus gestartet, um einen Klassifikationsparameter zum Speichern in einer Datei zu erzeugen.
  • Dann wird beim Block 150 der automatische Kalibrieralgorithmus aufgerufen, um den Klassifikationsparameter zu berechnen, welcher mit dem derzeitigen Systemzustand zusammenpasst.
  • 4B zeigt einen Ablaufplan eines Substanzidentifikationsverfahrens nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 4B gezeigt, erzeugt die Strahlenerzeugungsvorrichtung 10 einen Röntgenstrahl beim Block 210 und dann formt die Vorrichtung 40 zur Energiespektrumformung beim Block 220 den Röntgenstrahl, um einen Röntgenstrahl zu erhalten, welcher zur Materialunterscheidung erwünscht wird.
  • Beim Block 230 durchdringt der geformte Röntgenstrahl den Gegenstand 20, um Zwei-Energie-Ausgangsdaten für den Gegenstand zu erzeugen. Danach wird beim Block 240 ein Datenkorrekturmodul ermöglicht, um eine Datenkorrektur an den Zwei-Energie-Ausgangsdaten durchzuführen, um Effekte der Hintergrunddaten des Detektors, Unbeständigkeiten des Detektors und Schwankungen der Strahlenmenge zu beseitigen. Die korrigierten Daten werden zur Materialunterscheidung und Zwei-Energie-Graustufen-Fusionsverarbeitung verwendet.
  • Danach wird beim Block 250 eine Klassifikationsparameterdatei, welche während des automatischen Kalibrierverfahrens erzeugt wird, in das Materialunterscheidungsmodul eingegeben. Dann wird das Material des Gegenstands basierend auf den korrigierten Zwei-Energie-Daten identifiziert, um Materialinformationen zu erzeugen.
  • Andererseits werden beim Block 260 die korrigierten Zwei-Energie-Daten in ein Zwei-Energie-Graustufen-Fusionsmodul für eine Graustufen-Fusionsverarbeitung eingegeben, um ein Übertragungsbild für den Gegenstand mit den fusionierten Zwei-Energie-Daten zu erzeugen. An dieser Stelle wird beim Block 280 eine Kolorierungsverarbeitung an den Materialinformationen durchgeführt, welche durch das Materialklassifikationsmodul ausgegeben werden. D. h., beim Block 290 werden für die Graustufenanzeige geeignete Übertragungsbilddaten in für die Farbanzeige geeignete RGB-Daten gemäß den im Gegenstand enthaltenen Materialinformationen umgewandelt, um auf dem Datenverarbeitungscomputer angezeigt zu werden.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird das automatische Kalibrierverfahren künstlich ausgelöst, sobald sich der Systemzustand verändert, um die automatische Kalibriervorrichtung 50 einzuschalten, um die der Spektrumformung unterzogenen Kalibrierausgangsdaten zu erfassen und die Daten dann durch ein Datenerfassungssubsystem zu einem Datenverarbeitungscomputer zu senden. Ein Materialunterscheidungsalgorithmus wird unter Verwendung eines Alpha-Kurvenverfahrens ausgestaltet. Daher ist der Zweck des automatischen Kalibrieralgorithmus einen Klassifikationsparameter zu berechnen, welcher mit dem Systemzustand für das Alpha-Kurvendiagramm zusammenpasst. Durch Aufrufen des automatischen Kalibrieralgorithmus wird der Klassifikationsparameter, welcher mit dem Systemzustand für das Alpha-Kurvendiagramm zusammenpasst, erhalten und in einer Datei als Parametereingabe in das Materialunterscheidungsmodul gespeichert. Die Koordinate des Alpha-Kurvendiagramms ist als 5 definiert.
  • Wie in 5 gezeigt, sind alphaL und alphaH wie folgt definiert: alphaL = (1 – log(TL))·1000, wobei TL die niederenergetische Durchlässigkeit ist; alphaH = (1 – log(TH))·1000, wobei TH die hochenergetische Durchlässigkeit ist.
  • alphaH gilt als Abszisse alphax der Alpha-Kurve und der Unterschied von alphaL und alphaH gilt als Ordinate alphay der Alpha-Kurve: alphax = alphaH = (1 – log(TH))·1000; alphay = alphaL – alphaH = (–log(TL) + log(TH))·1000.
  • Wie oben beschrieben wurde, wird beim Block 130 das Datenkorrekturmodul aufgerufen, um eine Datenkorrektur an den Kalibrierausgangsdaten durchzuführen, um die Effekte der Hindergrunddaten des Detektors, die Unbeständigkeiten des Detektors und Schwankungen der Strahlenmenge zu beseitigen und Trainingsdaten des Kalibriermaterials zu erhalten. 6A ist eine schematische Darstellung der Trainingsdaten innerhalb einiger Erfassungsspannen im Alpha-Kurvendiagramm.
  • Ein Prozess zum Erzeugen einer Klassifikationsgrenze unter verschiedenen Arten an Materialien anhand der Trainingsdaten des Kalibriermaterials wird wie folgt detaillierter beschrieben werden.
    • (i) Innerhalb einiger Erfassungsspannen wird eine Mittelwertstatistik sequenziell an mehreren Spalten der korrigierten Zwei-Energie-Daten jeder Leiter für jedes Material durchgeführt, um eine Reihe an Mittelwertpunkten für die Trainingsdaten des Kalibriermaterials zu erhalten. 6C ist eine schematische Darstellung der Mittelwertpunkte für die Trainingsdaten innerhalb einiger Erfassungsspannen im Alpha-Kurvendiagramm.
    • (ii) Im Alpha-Kurvendiagramm der 6B werden mehrere Mittelwertpunkte für die Trainingsdaten für irgendeine Materialart miteinander verbunden, damit eine diskrete Alpha-Kurve für das Material erhalten werden kann. Da die Ordnungsnummer der Leitern des Kalibriermaterials beschränkt ist, weist die diskrete Alpha-Kurve, welche direkt aus dem Verbinden erhalten wird, jedoch eine ziemlich geringe Genauigkeit auf. Daher kann das Verfahren der kleinsten Quadrate zur Kurvenanpassung eingesetzt werden, um die Kurvenanpassung durchzuführen, d. h. ein passendes Polynom eines gegebenen Datenpunktes mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate zu erhalten. Mehrere Mittelwertpunkte der Trainingsdaten gelten derart als Eingabeparameter für die Kurvenanpassung, dass ein Anpassungsparameter für die Kurve, d. h. die Koeffizienten der jeweiligen Ordnungen des Polynoms, erhalten werden können. Die Ordnung des Anpassungspolynoms wird auf der Ist-Situation beruhend ausgewählt. Die Kurvenanpassung kann auch andere Anpassungsverfahren einsetzen, wie beispielsweise das optimale Anpassungspolynom nach Tschebyscheff.
    • (iii) Eine Diskretisierung wird auf der x-Achse der Alpha-Kurve durchgeführt, wobei die diskrete Genauigkeit derselben von Notwendigkeiten abhängt. Dann können die Daten der y-Achse, welche jedem diskreten Punkt entsprechen, unter Verwendung der Kurvenanpassungsparameter berechnet werden. Durch diesen Schritt kann eine Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material erhalten werden.
    • (iv) Wiederhole die Schritte (ii) und (iii) bis die Diskretisierungs-Alpha-Kurven für alle Materialien erhalten werden können.
    • (v) Wie anhand der 6B erkannt werden kann, weist die Alpha-Kurve in Richtung der Ordnungszahl Monotonie auf, was nur die Basis für den Zwei-Energie-Materialunterscheidungsalgorithmus ist. Folglich können die Diskretisierungs-Alpha-Kurven für verschiedene Materialarten derart erhalten werden, dass eine Diskretisierungsgrenze für zwei angrenzende Kurven sequenziell berechnet werden kann, wie in 6C gezeigt.
    • • Die Klassifikation der vier Arten an Kategorien hängt von der äquivalenten Ordnungszahl ab: Z = 1∼10 wird in eine Kategorie organischer Substanzen klassifiziert; Z = 10∼18 wird in eine Kategorie von Leichtmetallen klassifiziert; Z = 18∼57 wird in eine Kategorie anorganischer Substanzen klassifiziert; und Z > 57 wird als Kategorie von Schwermetallen klassifiziert. Grafit (Z = 6), Aluminium (Z = 13), Eisen (Z = 26) bzw. Blei (Z = 82) werden für die vier Arten typischer Materialien ausgewählt. Eine Diskretisierungs-Alpha-Kurve für eine Ordnungszahl von Z = 10, d. h. eine Klassifikationsgrenze zwischen einer organischen und einer anorganischen Substanz wird durch Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung an einer Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material Grafit (Z = 6) und einer Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material Aluminium (Z = 13) erhalten. Der gewichtete Wert der gewichteten Mittelwertsberechnung kann unter anderem einfach basierend auf der Ordnungszahl berechnet werden, d. h., es wird angenommen, dass die Unterscheidbarkeiten innerhalb verschiedener Bereiche der Ordnungszahl gleich sind. Obwohl sich die Unterscheidbarkeiten innerhalb verschiedener Bereiche der Ordnungszahl genau genommen unterscheiden sollten, da sich die hochenergetischen zwei Energien bzw. hochenergetische Doppelenergie (high-energy dual-energy) von den niederenergetischen zwei Energien bzw. der niederenergetischen Doppelenergie (low-energy dual-energy) dadurch unterscheidet, dass die Materialunterscheidungsfähigkeit derselben relativ schlecht ist, können nur die Materialien unterschieden werden, welche zu verschiedenen Kategorien gehören, während die Materialien mit unterschiedlichen Ordnungszahlen nicht genau unterschieden werden können. Daher ist solch ein Unterschied akzeptabel.
    • • Ähnlich wird eine Diskretisierungs-Alpha-Kurve für eine Ordnungszahl von Z = 18, d. h. eine Klassifikationsgrenze zwischen Leichtmetallen und einer anorganischen Substanz, durch Durchführen der gewichteten Mittelwertsberechnung an einer Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material Aluminium (Z = 13) und einer Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material Blei (Z = 82) erhalten. Eine Diskretisierungs-Alpha-Kurve für eine Ordnungszahl von Z = 57, d. h. eine Klassifikationsgrenze zwischen einer anorganischen Substanz und Schwermetallen, wird durch Durchführen der gewichteten Mittelwertsberechnung an einer Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material Eisen (Z = 26) und einer Diskretisierungs-Alpha-Kurve für das Material Blei (Z = 82) erhalten.
    • (vi) Wiederhole die Schritte (i), (ii), (iii), (iv) und (v) bis die Diskretisierungs-Klassifikationsgrenzen für alle Erfassungsspannen erhalten werden.
  • Die Daten für die Klassifikationsgrenzen der verschiedenen Arten an typischen Materialien unter verschiedenen Erfassungsspannen werden in einer Datei als Klassifikationsparameter für das Materialunterscheidungsmodul gespeichert.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist die Materialunterscheidung ein Unterscheidungsmerkmal für das Zwei-Energie-Röntgensystem vom Ein-Energie-Röntgensystem. Da die Materialunterscheidungsfähigkeit, welche durch die Abbildung mit hochenergetischen Röntgenstrahlen erhalten wird, weitaus schlechter als die der Technologie mit niederenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien ist, ist es daher für das Materialunterscheidungsmodul erforderlich nicht nur zu berücksichtigen, wie eine Klassifikation richtig durchzuführen ist, sondern auch zu berücksichtigen, wie der Effekt der Materialunterscheidung zu verbessern ist.
  • Zuerst wird eine Rauschreduzierungsverarbeitung an der hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchlässigkeit durchgeführt. Dann wird eine Materialunterscheidungsverarbeitung unter Verwendung eines Ergebnisses der Rauschreduzierung durchgeführt. Zum Schluss wird wieder eine weitere Rauschreduzierungsverarbeitung an einem Ergebnis der Materialunterscheidung durchgeführt. Wenn die Anforderung des Systems für die Verarbeitungsgeschwindigkeit sehr hoch ist, wird nur einer der Schritte vor und nach der Materialunterscheidung übrig bleiben, während der bessere Effekt der Materialunterscheidung noch gewährleistet wird.
  • Die Materialunterscheidungsfähigkeit der zwei Energien bzw. Doppelenergie des hochenergetischen Röntgenstrahls ist aufgrund der Beschränkung des Energiespektrums, in welchem die Doppelenergie der hochenergetischen Röntgenstrahlen besteht, weitaus schlechter als die der Technologie mit niederenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien. Die statistische Schwankung des Röntgenstrahls ist jedoch inhärent. Daher wird erfordert eine Vorverarbeitung an den Daten und eine Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild bzw. niederenergetischen Bild durchzuführen. Andernfalls wird die Genauigkeit der Materialunterscheidungsfähigkeit zu einem großen Maß beschränkt sein. Vor dem Durchführen der Rauschreduzierung gilt, je größer die statistische Schwankung ist, desto geringer ist die Klassifikationsgenauigkeit, unter der Voraussetzung, dass die Klassifikationsgenauigkeit auf ein gewisses Maß gesenkt wird. Wenn die Klassifikationsgenauigkeit auf ein gewisses Maß gesenkt wird, wird ein Klassifikationsfehler bestimmt. Um die Klassifikationsgenauigkeit zu verbessern und den Effekt der Materialunterscheidung zu gewährleisten, ist es notwendig einen effizienten Vorverarbeitungsalgorithmus auszugestalten, um eine Rauschreduzierung durchzuführen. Der Zweck der Vorverarbeitung ist das Rauschen der Daten zu reduzieren, damit sich die Daten dem wahren Wert so weit wie möglich nähern, um die Genauigkeit der Materialunterscheidung zu erhöhen. Dieser Rauschreduzierungsgrad der Vorverarbeitung hängt vom Rauschpegel des Systems ab. Die Ausgestaltung des Vorverarbeitungsalgorithmus weist eine große Flexibilität auf, solange der Zweck der Rauschreduzierung erzielt wird. Um den Effekt der Materialunterscheidung so weit wie möglich zu erhalten, ist es notwendig, sich auf die Auswahl einer Umgebung und die Definition eines ähnlichen Punktes während des Ausgestaltungsprozesses für den Vorverarbeitungsalgorithmus zu konzentrieren:
    • (a) Die Auswahl einer Umgebung: Die Umgebung sollte angemessen groß gemacht werden, da die Anzahl der statistisch gemittelten Punkte zu klein ist und der Effekt der Rauschreduzierung nicht ideal ist, wenn die Umgebung zu klein ist. Natürlich sollte die Umgebung nicht zu groß gemacht werden, da die Betriebsgeschwindigkeit beeinträchtig werden wird, der Effekt der Rauschreduzierung nicht weiter vergrößert werden wird und möglicherweise eine übermäßige Glättung verursacht wird, wenn die Umgebung zu groß ist.
    • (b) Die Definition eines ähnlichen Punktes: Ein Problem einer unscharfen Kante wird während des statistischen Mittelwertsberechnungsprozesses leicht einbezogen werden, wenn eine große Umgebung ausgewählt wird. Um eine Beeinträchtigung des Kantenbereiches während der Rauschreduzierung zu vermeiden, wird erfordert einen Begrenzungszustand für Punkte in der Umgebung während des statistischen Prozesses hinzuzufügen. Der Punkt, welcher mit dem Zustand übereinstimmt, wird als ähnlicher Punkt bezeichnet, durch welchen die Mittelwertsstatistik alleinig beeinträchtigt wird. Die Punkte, welche zu einem Bereich gehören, welcher sich vom Mittelpunkt unterscheidet, stimmen nicht mit dem Begrenzungszustand überein, dadurch außerhalb des statistischen Bereiches, damit sie keinen Effekt auf den Mittelwert haben.
  • Die Schritte des Vorverarbeitungsalgorithmus werden im Ablaufplan der 7A veranschaulicht.
  • In den Schritten 310∼340 wird ein Parameter des Algorithmus basierend auf den häufig verwendeten Merkmalen der Zwei-Energie-Daten während des Ausführens des Algorithmus eingestellt. In den Schritten 350∼380 wird eine Rauschreduzierungsoperation an Ist-Bildern basierend auf dem Parameter des Algorithmus durchgeführt, welcher in den Schritten 310∼340 während des Ausführens des Algorithmus bestimmt wird.
  • Im Schritt 310 werden die hochenergetische und die niederenergetische Durchlässigkeit als zweidimensionales Merkmal ausgewählt. Dies ist, da das Zwei-Energie-System dieses zweidimensionale Merkmal nur direkt erhalten kann. Die Auswahl des zweidimensionalen Merkmals anstelle des Auswählens von entweder der hochenergetischen Durchlässigkeit oder der niederenergetischen Durchlässigkeit als eindimensionales Merkmal dient zum Gewährleisten, dass die Beurteilung des ähnliches Punktes genauer ist.
  • Im Schritt 320 ist es kritisch die Amplitude der statistischen Schwankung für die Durchlässigkeit zu analysieren. Die Amplitude der statistischen Schwankung für die Durchlässigkeit hängt vom Ausgestaltungsniveau des gesamten Systems ab. Eine Weise zum Erhalten der Amplitude der statistischen Schwankung ist eine Statistik an einer relativen Standardabweichung der Durchlässigkeit innerhalb eines gleichmäßigen Bereiches durchzuführen. Im Algemeinen beträgt das Rauschen das 2,355-fache der Standardabweichung. Es ist möglich einen Amplitudenunterschied zwischen den Durchlässigkeiten unter ähnlichen Punkten gemäß dem Rauschpegel einzustellen.
  • Im Schritt 330 wird das Einstellen der Größe der Umgebung mit der Amplitude der statistischen Schwankung der Daten im Schritt 320 assoziiert. Die Fläche der Umgebung wird entsprechend größer eingestellt, da die Amplitude der statistischen Abweichung derart großer wird, dass die Fläche der Umgebung größer eingestellt werden sollte. Andererseits wird die Betriebsgeschwindigkeit des Algorithmus langsamer, da die Fläche der Umgebung großer eingestellt wird. Durch die Verarbeitung für Ist-Daten und den Vergleich der Verarbeitungseffekte unterschiedlicher Umgebungen wird eine Fläche von 5 Pixel·5 Pixel für die Vorverarbeitungsumgebung im vorliegenden System ausgewählt.
  • Im Schritt 340 ist das Einstellen der Gewichtungskoeffizienten für die ähnlichen Punkte mit unterschiedlichen Abständen vom Mittelpunkt kein kritischer Schritt für diesen Algorithmus. Das System setzt eine Weise zur Gleichgewichtungssummierung (equal weighting summarization) zum Durchführen ein.
  • Im Schritt 350 wird ein Suchbereich für einen ähnlichen Punkt für das Mittelpixel basierend auf der Fläche der Umgebung bestimmt, welche im Schritt 330 bestimmt wird. Wenn die Unterschiede zwischen der hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchlässigkeit des Mittelpixels bzw. die einiger Pixel in der Umgebung beide kleiner als der Amplitudenunterschied der Durchlässigkeiten zwischen den ähnlichen Punkten sind, welche im Schritt 320 bestimmt werden, gilt das Pixel als ähnlicher Punkt des Mittelpixels.
  • Im Schritt 360 wird eine gewichtete Mittelwertsberechnung an den gewichteten Koeffizienten, welche im Schritt 340 für die hochenergetische und niederenergetische Durchlässigkeit zwischen ähnlichen Punkten bestimmt wurden, durchgeführt, um einen gewichteten Mittelwert der hochenergetischen und niederenergetischen Durchlässigkeit zu erhalten.
  • Im Schritt 370 werden alphax und alphay unter Verwendung eines Rauschreduzierungsergebnisses berechnet, welches im Schritt 360 ausgegeben wird, d. h. der gewichtete Mittelwert der hochenerge tischen und niederenergetischen Durchlässigkeit, für welche die Berechnungsformel als 5 bezeichnet wird.
  • Schließlich wird eine Materialunterscheidung durchgeführt, um ein vorläufiges Ergebnis der Materialidentifikation zu erhalten.
  • Ein Alpha-Kurvenverfahren wird eingesetzt, um einen Materialidentifikationsalgorithmus auszugestalten, wobei die charakteristischen Achsen desselben alphax bzw. alphay sind (eine Koordinatendefinition für die Alpha-Kurve ist in 5 veranschaulicht). Alphax und alphay werden unter Verwendung des gewichteten Mittelwertes der hochenergetischen und niederenergetischen Durchlässigkeit berechnet. Dann wird eine Materialunterscheidung durchgeführt. Die Materialunterscheidung basiert auf einer Klassifikationsgrenze, welche durch das automatische Kalibriermodul erhalten wird. Anhand 6A kann erkannt werden, dass die Alpha-Kurve Monotonie in Richtung der Ordnungszahl aufweist, was auch die Basis des Zwei-Energie-Materialunterscheidungsalgorithmus ist. Für die hochenergetische Doppelenergie nimmt der alphay-Wert in Richtung der Ordnungszahl monoton ab, wenn die Ordnungszahl des Materials zunimmt, welche dem gleichen alphax-Punkt entspricht. Es ist bekannt, dass Alpha-Daten für einen zu untersuchenden Punkt (alphaxR, alphayR) sind und es möglich ist drei Grenzpunkte entsprechend alphaxR, d. h. alphayC-Al, alphayAl-Fe bzw. alphayFe-Pb, durch Nachschlagen in einer Tabelle zu erhalten. Es ist möglich Materialinformationen für den zu untersuchenden Punkt durch Vergleichen der Verhältnisse zwischen alphayC-Al, alphayAl-Fe und alphayFe-Pb zu bestimmen.
  • Die Materialidentifikation basiert auf dem gewichteten Mittelwert der ähnlichen Punkte. Daher wurde der Effekt der statistischen Schwankung der Daten auf die Klassifikationsgenauigkeit auf ein Minimum verringert. Ein Materialunterscheidungsergebnis zwischen den Punkten ist jedoch nicht gleichmäßig, da die Mate rialunterscheidung Punkt für Punkt durchgeführt wird. Um den Anzeigeeffekt zu gewährleisten, wird zudem eine Rauchreduzierung an den Materialunterscheidungsergebnissen ähnlicher Punkte nach dem Durchführen der Materialunterscheidung an einem ganzen Bild durchgeführt.
  • Der Rauschreduzierungsalgorithmus ähnelt dem Vorverarbeitungsalgorithmus, dessen Schlüssel ist eine Größe für eine Umgebung auszuwählen und einen ähnlichen Punkt zu beurteilen. Die Schritte des Algorithmus werden im Ablaufplan der 7B veranschaulicht.
  • In den Schritten 410∼440 wird ein Parameter des Algorithmus basierend auf den häufig verwendeten Merkmalen der Zwei-Energie-Daten während des Ausführungsprozesses des Algorithmus eingestellt. In den Schritten 450∼470 wird eine Rauchreduzierungsoperation an Ist-Bildern basierend auf dem Parameter des Algorithmus, welcher in den Schritten 410∼440 bestimmt wird, während des Ausführungsprozesses des Algorithmus durchgeführt.
  • Im Schritt 410 werden die hochenergetische und die niederenergetische Durchlässigkeit noch immer als zweidimensionales Merkmal ausgewählt. Zwar werden der Vorverarbeitungsalgorithmus und der Materialidentifikationsalgorithmus durchgeführt, aber ein Merkmal des vorläufigen Identifikationsergebnisses des Materials wurde hinzugefügt. Das hinzugefügte eindimensionale Merkmal wird basierend auf dem vorangehenden zweidimensionalen Merkmal ohne Erhöhen der Informationsmenge erhalten. Stattdessen wird, da das Rauschen im vorläufigen Identifikationsergebnis des Materials groß ist, was sich auf die Beurteilung für den ähnlichen Punkt auswirken kann, dieses eindimensionale Merkmal nicht ausgewählt.
  • Im Schritt 420 ist es kritisch die Amplitude der statistischen Schwankung für die Durchlässigkeit zu analysieren. Die Amplitude der statistischen Schwankung für die Durchlässigkeit hängt vom Ausgestaltungsniveau des Gesamtsystems ab. Eine Weise zum Erhalten der Amplitude der statistischen Schwankung ist eine Statistik an einer relativen Standardabweichung der Durchlässigkeit innerhalb eines gleichmäßigen Bereiches durchzuführen. Im Allgemeinen beträgt das Rauschen das 2,355-fache der Standardabweichung. Es ist möglich einen Amplitudenunterschied der Durchlässigkeiten zwischen ähnlichen Punkten gemäß dem Rauschpegel einzustellen.
  • Im Schritt 430 wird das Einstellen der Größe der Umgebung mit der Amplitude der statistischen Schwankung im Schritt 420 assoziiert. Die Fläche der Umgebung wird entsprechend größer eingestellt, da die Amplitude der statistischen Schwankung größer wird, so dass die Fläche der Umgebung größer eingestellt werden sollte. Andererseits wird die Betriebsgeschwindigkeit des Algorithmus langsamer, da die Fläche der Umgebung größer eingestellt wird. Um den visuellen Farbeffekt zu gewährleisten, wird die Stärke für die Rauschreduzierung angemessen verbessert und eine Fläche von 11 Pixel·11 Pixel für die Umgebung ausgewählt.
  • Im Schritt 440 ist das Einstellen der Gewichtungskoeffizienten für die ähnlichen Punkte mit unterschiedlichen Abständen vom Mittelpunkt kein kritischer Schritt für diesen Algorithmus. Das System setzt eine Weise zur Gleichgewichtungssummierung zum Durchführen ein.
  • Im Schritt 450 wird ein Suchbereich für den ähnlichen Punkt für das Mittelpixel basierend auf der Fläche der Umgebung bestimmt, welche im Schritt 430 bestimmt wird. Wenn die Unterschiede zwischen der hochenergetischen und niederenergetischen Durchlässigkeit des Mittelpixels bzw. die einiger Pixel in der Umgebung beide kleiner als der Amplitudenunterschied der Durchlässigkeiten zwischen den ähnlichen Punkten sind, welche im Schritt 420 bestimmt werden, gilt das Pixel als ähnlicher Punkt des Mittelpixels.
  • Im Schritt 460 wird eine gewichtete Mittelwertsberechnung an den gewichteten Koeffizienten, welche im Schritt 440 für die hochenergetische und die niederenergetische Durchlässigkeit zwischen ähnlichen Punkten bestimmt wurden, durchgeführt, um einen gewichteten Mittelwert der hochenergetischen und der niederenergetischen Durchlässigkeit zu erhalten.
  • Im Schritt 470 wird der gewichtete Mittelwert des Materialidentifikationsergebnisses, welcher im Schritt 460 erhalten wird, als endgültiges Materialidentifikationsergebnis ausgegeben.
  • 8 führt einen Kontrast der Effektdiagramme für unterschiedliche Verarbeitungsparameter im Materialunterscheidungsmodul auf. Wie bei (A) der 8 gezeigt, ist das Rauschen im Materialidentifikationsergebnis sehr groß und die Materialunterscheidungsgenauigkeit wird erheblich beeinträchtigt, wenn keine Vorverarbeitung durchgeführt wird. Wie bei (B) der 8 gezeigt, wird das Rauschen etwas verringert, wenn eine kleinere Umgebung (3·3) zum Durchführen der Vorverarbeitung ausgewählt wird, aber das Ausmaß der Rauschreduzierung sehr beschränkt. Wie bei (C) der 8 gezeigt, wird das Rauschen im Bild erheblich verringert, wenn eine größere Umgebung (11·11) zum Durchführen der Vorverarbeitung ohne Durchführen einer Beurteilung eines ähnlichen Punktes ausgewählt wird, jedoch ist im Kantenbereich des Gegenstands das Materialunterscheidungsergebnis offensichtlich falsch, da die Daten von zwei Materialarten zur Statistik miteinander vermischt sind. Wie bei (D) der 8 gezeigt, ist es möglich als Rauschverringerung ohne Beeinträchtigen des Kantenbereiches zu fungieren bzw. zu dienen, wenn eine größere Umgebung von 11·11 zum Durchführen der Vorverarbeitung und Beurteilung des ähnlichen Punktes ausgewählt wird.
  • Die Grundidee des Graustufen-Fusionsmoduls liegt darin, dass das Bild der Abbildung mit einem niederenergetischen Niveau in dem Bereich vorherrscht, welcher eine massearme Stärke durchdringt, und dass das Bild der Abbildung mit einem hochenergetischen Niveau in dem Bereich vorherrscht, welcher eine massereiche Stärke durchdringt. Die bestimmten Gewichtungsfaktoren können abhängig von den Merkmalen des Ist-Systems flexibel eingestellt werden. Basierend auf dieser Idee kann die folgende Formel wie folgt eingesetzt werden: resultGray = nIl·dFactor + nIh·(1 – dFactor), wobei nIl, nIh und resultGray Daten eines niederenergetischen Niveaus, Daten eines hochenergetischen Niveaus bzw. Fusion-Graustufe sind und dFactor ein Gewichtungsfaktor ist, welcher nIl/max(nIl) oder nIh/max(nIh) betragen kann.
  • Beim Koloriermodul sind die Schlüsselpunkte eine Ausgestaltung für das entsprechende Verhältnis zwischen den Materialinformationen und dem Farbton und eine Ausgestaltung für die Farbtabelle.
  • Es gibt internationale Normen zur Farbanzeige beim System mit niederenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien, wobei eine organische Substanz in Orange, Leichtmetalle in Grün und eine anorganische Substanz in Blau angezeigt wird. Eine Farbnorm für das System mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien wurde noch nicht entwickelt. Unter Berücksichtigung der visuellen Gewohnheiten des Benutzers ist es möglich damit fortzufahren die Farbanzeigenorm des Systems mit niederenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien zu verwenden, welche organische Substanzen noch immer in Orange, Leichtmetalle in Grün und anorganische Substanzen in Blau anzeigt. Zusätzlich zu den obigen drei Kategorien, d. h. organische Substanz, Leichtmetalle und anorganische Substanz, kann das System mit hochenergetischen Röntgenstrahlen mit zwei Energien zudem die Kategorie der Schwermetalle unterscheiden, deren Anzeige keine verfügbare Norm hat und basierend auf dem Vorzug des Designers eingestellt werden kann. Unter Berücksichtigung der Kontinuität der Verwendung des Farbtons, kann das System Schwermetalle in Lila anzeigen.
  • Die Schlüsselpunkte des Kolorieralgorithmus liegen in einer Ausgestaltung der Farbtabelle sowie Abbildungsverhältnissen zwischen der Ordnungszahl und Fusions-Graustufe sowie Farbinformationen. Der Kolorierungsablauf wird in 9 gezeigt. In den Schritten 510∼550, wird ein Ausgestaltungsprinzip für die Farbtabelle erläutert. In den Schritten 610∼650 werden ein Abbildungsprinzip zwischen der Ordnungszahl und Fusions-Graustufe und die Farbinformationen erläutert.
  • In den Schritten 510 und 520 wird die Ordnungszahl mit einem Farbton H (H im HLS-Farbmodell) korreliert, wobei unterschiedliche Ordnungszahlen mit unterschiedlichen Farbtönen angezeigt sind und die Anzahl an Kategorien zur Materialunterscheidung mit der der Farbtöne identisch ist. Für die Koordination der Farbbilder ist es möglich die Kategorien während des Materialunterscheidungsprozesses zu verfeinern, d. h. die Substanz nicht nur in vier Kategorien zu unterteilen, d. h. organische Substanz, Leichtmetalle, anorganische Substanz und Schwermetalle, sondern auch die Substanz weiter in mehrere Untergruppen basierend auf der Ordnungszahl innerhalb jeder Kategorie zu verfeinern. Die Ausgestaltung der Farbtöne kann einen Kompromiss zwischen den Hauptprinzipien des Folgens der Farbanzeigenorm und den Farbtonübergängen von Orange zu Orangegelb, von Gelbgrün zu Blaugrün, von Zyanin bis Marineblau und von Violettblau bis Purpurrot schließen.
  • Im Schritt 530 wird ein angemessener Sättigungswert für jeden Farbton gemäß der visuellen Theorie eingestellt. Das menschliche Auge weist eine höhere Empfindlichkeit gegen einen grünen Farbton, eine gewöhnliche Empfindlichkeit gegen einen orangen Farbton und eine geringere Empfindlichkeit gegen einen blauen Farbton auf. Daher kann dem grünen Farbton ein geringeres Sättigungsgrad, dem orangen Farbton ein Sättigungsgrad, welches mehr als das Mittlere beträgt, und blau ein höheres Sättigungsgrad zugeordnet werden. Basierend auf diesem Prinzip wird eine entsprechende Regelung zwischen dem Sättigungsgrad und dem Farbton ausgestaltet.
  • Im Schritt 540 ist es kritisch ein Abbildungsverhältnis zwischen der Fusions-Graustufe und dem L-Wert (L-Wert im HLS-Farbmodell) auszugestalten. Um die Koordination der Farbtöne zu gewährleisten, sollte in einer Farbtabelle mit unterschiedlichen Farbtönen eine Helligkeit, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, für Farben mit dem gleichen Helligkeitsniveau äquivalent sein, während die Fusions-Graustufe nicht einfach als mit dem L-Wert identisch gelten sollte.
    • • Dieser Schritt muss auf einem Y-Wert in einem YUV-Farbmodell beruhen. Der Y-Wert im YUV-Farbmodell stellt eine Helligkeit dar, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, und der L-Wert im HLS-Farbmodell kann keine Helligkeit darstellen, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Wenn die Farbtabelle einfach basierend auf der Entsprechung zwischen der Fusions-Graustufe und dem L-Wert ausgestaltet ist, sind die Farben der unterschiedlichen Farbtöne nicht koordiniert. Daher ist es notwendig ein Abbildungsverhältnis zwischen der Fusions-Graustufe und dem L-Wert durch Integrieren von Umwandlungsverhältnissen zwischen dem YUV-Modell, RGB-Modell und HLS-Modell basierend auf einem Prinzip auszugestalten, in welchem die Fusions-Graustufe mit dem Y-Wert identisch ist, um eine HLS-Farbtabelle zu erhalten.
    • • Da eine Helligkeit, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, durch einen Y-Wert im YUV-Farbmodell angezeigt sein kann, sollten die Y-Werte des gleichen Helligkeitsniveaus identisch sein. Folglich kann das Problem in ein sehr einfaches mathematisches Problem umgewandelt werden, bei welchem erfordert wird einen L-Wert der Helligkeit im HLS-Farbmodell zu bestimmen, wenn ein Farbton H im HLS-Farbmodell und der Sättigungsgrad S desselben und ein Y-Wert im YUV-Modell bereits bekannt sind. Da es kein direktes Umwandlungsverhältnis zwischen dem YUV-Farbmodell und HLS-Farbmodell gibt, kann sie durchgeführt werden, indem das RGB-Modell als Zwischenstück genommen wird.
  • Im Schritt 540 kann eine Umwandlung von der HLS-Farbtabelle zur RGB-Farbtabelle vollendet werden. Da die Umwandlung vom HLS-Farbmodell zum RGB-Farbmodell zeitaufwendig ist, sollte ein Verhältnis zwischen denselben im Voraus berechnet und in einer Tabelle gespeichert werden, damit es möglich ist einen RGB-Wert durch direktes Nachschlagen in der Tabelle zu erhalten. Eine zweidimensionale Abbildungstabelle von HLS zu RGB ist gebildet, in welcher RGB-Werte gespeichert sind. Eine erste Dimension der zwei Dimensionen ist ein Materialinformationsindex und eine zweite Dimension derselben ist ein Fusions-Graustufenindex. Folglich kann ein RGB-Wert jedes Punktes durch Nachschlagen in der Tabelle nach dem Erhalten von Informationen eines der Substanzidentifikation unterzogenen Materials und einer fusionierten Graustufe für die Farbbildanzeige erhalten werden.
  • Nach der Ausgestaltung der Farbtabelle ist ein Echtzeit-Farbprozess ein einfacher Tabellennachschlageprozess, in welchem in der zweidimensionale RGB-Farbtabelle unter Verwendung der Materialinformationen, welche aus dem Materialunterscheidungsmodul ausgegeben werden, und der Fusions-Graustufeninformationen nachgeschlagen wird, welche aus dem Graustufen-Fusionsmodul ausgegeben werden, um ein Farbbild zu erhalten.
  • Im Schritt 610 werden die aus dem Materialunterscheidungsmodul ausgegeben Materialinformationen und die aus dem Graustufen-Fusionsmodul ausgegeben Fusions-Graustufeninformationen als Eingabeinformationen für den Kolorierungsalgorithmus erhalten.
  • Im Schritt 620 wird ein Wert des Index der ersten Dimension der zweidimensionalen RGB-Abbildungstabelle basierend auf den Materialinformationen (welche den Farbtönen entsprechen) bestimmt.
  • Im Schritt 630 wird ein Wert des Index der zweiten Dimension der zweidimensionalen RGB-Abbildungstabelle basierend auf den Fusions-Graustufeninformationen (Farbhelligkeitsniveau) bestimmt.
  • Im Schritt 640 wird ein RGB-Wert durch Nachschlagen in der zweidimensionalen RGB-Farbtabelle basierend auf den zwei Indizes erhalten, welche in den Schritten 620 bzw. 630 erhalten werden.
  • Im Schritt 650, werden die Schritte 610∼640 wiederholt, die RGB-Werte punktweise bestimmt und dann ein Farbbild ausgegeben.
  • Die Effekte der Gaustufenanzeige und der Farbanzeige nach der Materialunterscheidung sind in 10 veranschaulicht.
  • Die vorliegende Erfindung wurde voranstehend in Kombination mit den bevorzugten Ausführungsformen beschrieben. Fachmänner sollten einsehen, dass andere Veränderungen, Ergänzungen und Zusätze vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung abzuweichen. Daher soll der Bereich der vorliegenden Erfindung nicht auf die obigen bestimmten Ausführungsformen beschränkt sein und soll durch die beiliegenden Ansprüche definiert sein.

Claims (26)

  1. Verfahren zur Substanzidentifikation, welches die Folgenden Schritte aufweist: Übertragen eines Untersuchungsgegenstands unter Verwendung von hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen, um ein hochenergetisches und ein niederenergetisches Übertragungsbild für den Gegenstand zu erhalten, wobei ein Wert jedes Pixels im hochenergetischen Bild eine hochenergetische Durchlässigkeit der hochenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt und ein Wert jedes Pixels im niederenergetischen Bild eine niederenergetische Durchlässigkeit der niederenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt; Berechnen eines Wertes einer ersten Funktion für die hochenergetische Durchlässigkeit und eines Wertes einer zweiten Funktion für die hochenergetische Durchlässigkeit und niederenergetische Durchlässigkeit für jedes Pixel; und Klassifizieren der Orte, welche durch den Wert der ersten Funktion und den Wert der zweiten Funktion unter Verwendung einer im Voraus erzeugten Klassifikationskurve bestimmt werden, um die Art der Substanz eines Teil des Gegenstands zu identifizieren, welcher jedem Pixel entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches zudem die Folgenden Schritte aufweist: Einstellen einer Umgebung mit einer voreingestellten Größe; und Durchführen der Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in der Umgebung jedes Pixels.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt zum Durchführen der Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in der Umgebung jedes Pixels die Folgenden Schritte aufweist: Suchen eines Pixels, welches dem Mittelpixel in der Umgebung ähnelt, als ähnliches Pixel; und Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung am ähnlichen Pixel in der Umgebung.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Unterschiede zwischen der hochenergetischen und der niederenergetischen Durchlässigkeit des ähnlichen Pixels bzw. der hochenergetischen und der niederenergetischen Durchlässigkeit des Mittelpixels beide geringer als ein voreingestellter Wert sind.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Gegenstand als organische Substanz, Leichtmetalle, anorganische Substanz oder Schwermetalle identifiziert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, welches zudem einen Schritt zum Durchführen einer Kolorierungsanzeige an einem Identifikationsergebnis aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt zum Durchführen einer Kolorierungsanzeige Folgendes aufweist: Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung an der hochenergetischen Durchlässigkeit und der niederenergetischen Durchlässigkeit jedes Pixels als Fusions-Graustufen-Wert; Bestimmen eines Farbtons gemäß der Art des Materials eines Teils des Gegenstands, welcher dem Pixel entspricht; Bestimmen eines Helligkeitsniveaus des Pixels gemäß dem Fusions-Graustufenwert des Pixels; und Erhalten eines R-Wertes, G-Wertes und B-Wertes des Pixels aus einer im Voraus erzeugten Nachschlagetabelle durch Nehmen des Farbtons und des Helligkeitsniveaus als Indizes.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt zum Bestimmen eines Farbtons nach der Art des Materials eines Teils des Gegenstands, welcher dem Pixel entspricht, die Folgenden Schritte aufweist: Zuweisen von Orange einer organischen Substanz, Zuweisen von Grün den Leichtmetallen, Zuweisen von Blau einer anorganischen Substanz und Zuweisen von Lila den Schwermetallen.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, welches zudem einen Schritt zum Durchführen einer Spektrumformung an Strahlen aufweist, welche von einer Strahlenquelle emittiert werden, um einen Energiespektrumunterschied zwischen den hochenergetischen und den niederenergetischen Strahlen zu vergrößern.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klassifikationskurve für jede Art an Kalibriermaterial durch die folgenden Schritte erzeugt wird: Erhalten einer entsprechenden hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchlässigkeit durch Bestrahlen der Kalibriermaterialien mit verschiedenen Stärken unter Verwendung der hochenergetischen und der niederenergetischen Strahlen; Bilden von Punkten auf den Kalibriermaterialien mit unterschiedlichen Stärken durch Nehmen der ersten Funktion der hochenergetischen Durchlässigkeit als Abszisse und der zweiten Funktion der niederenergetischen Durchlässigkeit und der hochenergetischen Durchlässigkeit als Ordinate; und Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt zum Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten das Einsetzens eines Verfahrens der kleinsten Quadrate zur Kurvenanpassung aufweist, um die Kurvenanpassung an den Punkten durchzuführen.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Schritt zum Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten Folgendes aufweist: Einsetzen des optimalen Anpassungspolynoms nach Tschebyscheff zum Durchführen der Kurvenanpassung an den Punkten.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, welches zudem einen Schritt zur Diskretisierung an der Klassifikationskurve aufweist.
  14. Vorrichtung zur Substanzidentifikation, aufweisend: eine Bilderzeugungseinrichtung zum Übertragen eines Untersuchungsgegenstands unter Verwendung von hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen, um ein hochenergetisches Übertragungsbild und niederenergetisches Übertragungsbild für den Gegenstand zu erhalten, wobei ein Wert jedes Pixels im hochenergetischen Bild eine hochenergetische Durchlässigkeit der hochenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt und ein Wert jedes Pixels im niederenergetischen Bild eine niederenergetische Durchlässigkeit der niederenergetischen Strahlen in Bezug auf entsprechende Teile des Gegenstands anzeigt; eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen eines Wertes einer ersten Funktion für die hochenergetische Durchlässigkeit und ei nes Wertes einer zweiten Funktion für die hochenergetische und die niederenergetische Durchlässigkeit für jedes Pixel; und eine Klassifizierungseinrichtung zum Klassifizieren von Orten, welche durch den Wert der ersten Funktion und den Wert der zweiten Funktion unter Verwendung einer im Voraus erzeugten Klassifikationskurve bestimmt werden, um die Art der Substanz eines Teils des Gegenstands zu identifizieren, welcher jedem Pixel entspricht.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, zudem aufweisend: eine Einrichtung zum Einstellen einer Umgebung mit einer voreingestellten Größe; und eine Einrichtung zum Durchführen einer Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in einer Umgebung jedes Pixels.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Einrichtung zum Durchführen einer Rauschreduzierung am hochenergetischen Bild und niederenergetischen Übertragungsbild in der Umgebung jedes Pixels Folgendes aufweist: eine Einrichtung zum Suchen eines Pixels, welches dem Mittelpixel in der Umgebung ähnelt, als ähnliches Pixel; und eine Einrichtung zum Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung am ähnlichen Pixel in der Umgebung.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Unterschiede zwischen der hochenergetischen Durchlässigkeit und der niederenergetischen Durchlässigkeit des ähnlichen Pixels bzw. der hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchläs sigkeit des Mittelpixels beide geringer als ein voreingestellter Wert sind.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Gegenstand als organische Substanz, Leichtmetalle, anorganische Substanz oder Schwermetalle identifiziert wird.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, welche zudem eine Einrichtung zum Durchführen einer Kolorierungsanzeige an einem Identifikationsergebnis aufweist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Einrichtung zum Durchführen einer Kolorierungsanzeige Folgendes aufweist: eine Einrichtung zum Durchführen einer gewichteten Mittelwertsberechnung an der hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchlässigkeit jedes Pixels als Fusions-Graustufenwert; eine Einrichtung zum Bestimmen eines Farbtons gemäß der Art des Materials eines Teils des Gegenstands, welcher dem Pixel entspricht; eine Einrichtung zum Bestimmen eines Helligkeitsniveaus des Pixels gemäß dem Fusions-Graustufenwert des Pixels; und eine Einrichtung zum Erhalten eines R-Wertes, G-Wertes und B-Wertes des Pixels aus einer im Voraus erzeugten Nachschlagetabelle durch Nehmen des Farbtons und des Helligkeitsniveaus als Indizes.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei der organischen Substanz Orange, den Leichtmetallen Grün, der anorganischen Substanz Blau und den Schwermetallen Lila zugeordnet wird.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 14, welche zudem eine Einrichtung zum Durchführen einer Spektrumformung an Strahlen aufweist, welche aus einer Strahlenquelle emittiert werden, um einen Energiespektrumunterschied zwischen den hochenergetischen und den niederenergetischen Strahlen zu vergrößern.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Klassifikationskurve für jede Art an Kalibriermaterial durch die folgenden Schritte erzeugt wird: Erhalten einer entsprechenden hochenergetischen Durchlässigkeit und niederenergetischen Durchlässigkeit durch Bestrahlen der Kalibriermaterialien mit verschiedenen Stärken unter Verwendung der hochenergetischen und niederenergetischen Strahlen; Bilden von Punkten der Kalibriermaterialien mit unterschiedlichen Stärken durch Nehmen der ersten Funktion der hochenergetischen Durchlässigkeit als Abszisse und der zweiten Funktion der niederenergetischen Durchlässigkeit und der hochenergetischen Durchlässigkeit als Ordinate; und Bilden der Klassifikationskurve basierend auf den Punkten.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei ein Verfahren der kleinsten Quadrate zur Kurvenanpassung zum Durchführen der Kurvenanpassung an den Punkten eingesetzt wird.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei ein optimales Anpassungspolynom nach Tschebyscheff eingesetzt wird, um die Kurvenanpassung an den Punkten durchzuführen.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei eine Diskretisierung an der Klassifikationskurve durchgeführt wird.
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