DE19812055A1

DE19812055A1 - Bildverarbeitung zur Materialerkennung mittels Röntgenstrahlungen

Info

Publication number: DE19812055A1
Application number: DE19812055A
Authority: DE
Inventors: Dirk Naumann; Kurt Beneke; Rainer Henkel
Original assignee: Heimann Systems GmbH; Heimann Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Smiths Heimann GmbH
Priority date: 1998-03-19
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: DE19812055C2; US6198795B1; GB2335487A; GB2335487B; IT1310312B1; ITMI990482A1; GB9904677D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungsverfahren zur Materialerkennung mittels Röntgenstrahlungen. DOLLAR A Bekannte Verfahren weisen zwei Röntgenstrahlungen (FX1, FX2) mit unterschiedlichen Energiebereichen auf, die zur Detektierung von zu durchleuchtenden Gepäckmaterialien (9.1-9.4) notwendig sind. Die detektierten Signale werden dann kontinuierlich in einen Rechner (4) eingelesen und nach vollständiger Gepäckdurchleuchtung als ganzes Bild durch ein elektronisches Bildverarbeitungssystem aufgebaut, ausgewertet und visuell angezeigt. DOLLAR A Demgegenüber werden bei der vorgeschlagenen Bildverarbeitung während einer Teildurchleuchtung des Gegenstandes (3) mit Materialien (9.1-9.4) die detektierten Signale als Bilddaten in Bildstreifen (B1, B2, B3) unterteilt, eingelesen und kurzzeitig in einem Bilddatenspeicher (5) gespeichert. Aus diesen Bildstreifen (B1, B2, B3) werden die darin befindlichen Materialien (9.1-9.4) detektiert und ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bildverarbeitungsverfahren zur Materialerkennung mittels Röntgenstrahlungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit Hilfe der Röntgenstrahlungen werden Gegenstände für das Klassifizieren von Materialien durchleuchtet, um zu verhindern, daß unzulässige Reisegepäckgegenstände, beispielsweise Sprengstoff, durch die Sicherheitskontrollen gelangen.

Eine Vorrichtung zum Durchleuchten von Koffern mit Röntgenstrahlungen offenbart die DE-31 42 759 A1. Der Koffer wird dabei visuell in lokale, schmale Streifen aufgeteilt, die mit zwei Energiequellen durchleuchtet werden. Die Abschwächung der Röntgenstrahlungen wird zumindest mit einer Zeile bzw. Spalte von Detektoren gemessen und einem Bildspeicher zugeführt. Um ein Gesamtbild des geprüften Koffers zu erhalten, werden die getrennt gespeicherten Meßwerte aus den verschiedenen Röntgenstrahlungsquellen durch ein elektronisches Bildverarbeitungssystem nach Durchlauf des Koffers zu einem einzigen Bild wiedervereinigt.

Ein Verfahren zum Detektieren von unzulässigen Reisegepäckgegenständen offenbart die DE-44 06 956 C2. Hierbei wird das Gepäck in einer mehrstufigen Detektionsanordnung geprüft, wo bei einer niedrigen Verfahrensstufe eine Unterteilung des Prüfgutes in ein mindestens 2- dimensionales Koordinatensystem erfolgt und in einer höheren Stufe ausschließlich die lokale Untersuchung der nicht eindeutig geklärten Gepäckgegenstände stattfindet.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß diese Verfahren zu zeitaufwending sind, da die Ergebnisse erst nach vollständigem Material- bzw. Objektdurchlauf und damit erst nach dem Bildaufbau vorliegen

Hieraus ergibt sich die Aufgabe, ein Bildverarbeitungsverfahren aufzuzeigen, bei dem bereits beim Einlauf des zu prüfenden Gegenstandes Ergebnisse, insbesondere über darin befindliche Materialien, erhalten werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die bei einer Durchleuchtung des Gegenstandes detektierten Bilddaten in Bildstreifen bzw. -zeilen zu unterteilen und diese eingelesenen Bildzeilen kurzzeitig in einem Speicher als Bildstreifen zwischenzuspeichern, um die notwendigen Informationen zeilenweise auszulesen. Dazu liefern Detektoren kontinuierliche Bildzeilen, die dem Bildspeicher zugeführt, gespeichert und somit regional ausgewertet bzw. bearbeitetet werden. Bei einem On- Line Vergleich zwischen dem aus den Bildzeilen ermitteltem Material und den im Speicher hinterlegten Materialkenngrößen kann noch vor Zusammensetzung des Bildes festgestellt werden, ob das Material einen unzulässigen Gepäckgegenstand darstellt, d. h. bereits bei einer Teildurchleuchtung des Gegenstandes.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

So ergibt sich durch dieses Bildverarbeitungsverfahren außerdem die Möglichkeit, mehrere nebeneinander und übereinander liegende Materialien automatisch voneinander zu unterscheiden und zu bestimmen. Dazu werden bei der Detektion des Gegenstandes die kontinuierlich eingehenden Bilddaten (Bildpunkte) zu kürzeren Bildstücken zusammengefaßt und beispielsweise nacheinander in einem Speicher abgelegt. Mit Hilfe der verschiedenen Energiebereiche wird das erste Material ermittelt. Dies erfolgt bekanntlich durch die Einbeziehung der abgeschwächten Röntgenstrahlungen, da das Material und die Materialdicke die Absorption von Röntgenstrahlungen beeinflussen. Befindet sich in diesem Bildstück ein weiteres unbekanntes Material, so wird das bereits ermittelte Material aus dem Bildstück herausgefiltert, so daß bei der Bildverarbeitung nur noch das zweite unbekannte Material zu ermitteln ist. Dies bedeutet, daß aus ursprünglich vier unbekannten Größen zur Ermittlung der Materialien durch die bereits zwei bekannten Größen sich die Ermittlung des zweiten Materials nur noch auf zwei Unbekannte konzentrieren muß. Die Ermittlung dieser zwei Unbekannten erfolgt in bekannter Art und Weise. Befindet sich in dem ausgewählten Bildstück ein weiteres Material, so werden die beiden bereits ermittelten Materialien aus der jetzt notwendigen Ermittlung herausgerechnet bzw. herausgefiltert. Um zu vermeiden, daß die Bildverarbeitung sogenannte Verwässerungsbereiche besitzt, da typischerweise regionalbasierte Bildverarbeitungsfunktionen nicht bis zum Rand eines Bildes korrekt arbeiten, werden die Bildstreifen überlappend angelegt, so daß keine Bilddaten von den Randeffekten betroffen sind und bei der Auswertung verloren gehen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfacht dargestellte Meßanordnung.

Fig. 2 eine Darstellung eines Bilddatenstromes mit einem detektierten Material.

Fig. 3 eine Darstellung eines Bilddatenstromes mit mehreren detektierten Materialien.

In Fig. 1 ist eine Meßanordnung mit zwei Röntgenstrahlungserzeugern, hier in einer Vorrichtung 1 dargestellt, und mit einer Detektorvorrichtung 2 in vereinfachter Form aufgezeigt. Zwischen der Detektorvorrichtung 2 und der Strahlungsvorrichtung 1 befindet sich ein zu bestimmender Gegenstand 3. Dieser Gegenstand 3 kann ein Koffer sein, in dem verschiedene Materialien 9.1-9.4 ineinander übergreifend, angeordnet sind. Mit der Detektorvorrichtung 2 ist ein Rechnersystem 4 mit einem Speicher 5 verbunden. Dieser Speicher 5, ein Bildspeicher, greift dabei auf einen weiteren Speicher 6, in dem Kenndaten hinterlegt sind, zurück. Über ein Anzeigegerät, beispielsweise über einen Monitor 7 bzw. einen Drucker 8, werden die Meßergebnisse visualisiert.

Das Bildverarbeitungsverfahren arbeitet dabei wie folgt:
Von der Strahlungsvorrichtung 1 werden zwei Röntgenstrahlungen als Röntgenstrahlungsbündel FX1 und FX2 auf den zu durchleuchtenden Gegenstand 3 gebracht. Diese Röntgenstrahlungen FX1 und FX2 besitzen unterschiedliche Energiebereiche und werden durch das jeweilige Absoptionsverhalten der verschiedenen Materialien 9.1, 9.2, 9.3, 9.4 im Gegenstand 3 sowie durch das Gehäusematerial des Gegenstandes 3 abgeschwächt und von der Detektorvorrichtung 2 aufgenommen. Die Detektorvorrichtung 2, beispielsweise eine Zeilenkamera bestehend aus mehreren Fotodioden, liefert aus den nicht absorbierten Röntgenstrahlen Signale, die als Bilddateninformationen über den durchleuchteten Gegenstand 3 für die Bildverarbeitung in das Rechnersystem 4 eingespeist werden. Diese Einspeisung erfolgt zeilenweise und kontinuierlich, d. h. ein paar Millisekunden lang für eine Bildzeile. Diese kontinuierlichen Bilddaten werden im Bilddatenspeicher 5 zur regionalen Bildverarbeitung zwischengespeichert. Dazu wird der Bilddatenspeicher 5 so programmiert, daß im Datenspeicher 5 eine definierte Anzahl von Bildzeilen als Bildstreifen B1, Bildstreifen B2, Bildstreifen B3 usw. abgespeichert werden. Der jeweilige Bildstreifen B1 bis B3 besteht dabei vorzugsweise aus 100 Bildzeilen je Bildstreifenbreite n_B. Bedingt durch die Tatsache, daß eine regional basierte Bearbeitungsfunktion nicht bis zum Rand eines Bildes korrekt arbeitet, werden die Bildstreifen B1 bis B3 vorzugsweise überlappend angelegt (Fig. 2), so daß keine Bilddaten von diesen Randeffekten betroffen sind. Die Randbreite n_R wird dabei vorzugsweise mit 10 Bildzeilen definiert, so daß sich bei der Be- bzw. Verarbeitung zwischen den Bildstreifen B1, B2, B3 usw. zwar eine Überlappung n_Ü von 20 Bildzeilen ergibt, die doppelt bearbeitet werden, aber verhindert, daß Daten verloren gehen.

Die in das Rechnersystem 4 kontinuierlich einlaufenden Bildzeilen 0-99, werden nach Einlauf der 99igsten Bildzeile als vollständiger Bildstreifen B1 in den Bilddatenspeicher 5 übergeben und von diesem verarbeitet. Die Bildverarbeitung liefert dabei die Ergebnisse für die Bildzeilen 10 bis 89, d. h. diese Ergebnisse sind 10 bis 90 Bildzeilen alt. Mit Einlauf der Bildzeilen 80-179 als Bildstreifen B2 wird im Bilddatenspeicher 5 dieser Bildstreifen B2 temporär eingelesen und der Bildstreifen B1 nach der 99-igsten Bildzeile überschrieben. Bereits während der Speicherung des Bildstreifens B1 wird von der Bildverarbeitungsfunktion ein Ergebnis zwischen den Zeilen 60 und 100 gefunden, in dem sich das Material 9.1 befindet. Im Bildstreifen B2 befindet sich das Ergebnis, d. h. das Material 9.1 zwischen den Bildzeilen 80 und 140. Diese beiden Ergebnisse werden zu einem Ergebnis zwischen den Zeilen 60 und 140 zusammengefaßt, in dem sich das ganze Material 9.1 befindet. Mit Hilfe von bekannten Gleichungen wird nun dieses Material 9.1 ermittelt und durch Vergleich mit Kenndaten aus dem Speicher 6 klassifiziert.

Befinden sich, wie in Fig. 3 dargestellt, zwei oder mehrere Materialien 9.1-9.4, in den Bildzeilen B1-B3 ist es mit dieser Methode auch möglich, alle Materialien 9.1-9.4 zu klassifizieren. Dazu werden die Ergebnisse, wie bereits beschrieben, aus den Bildstreifen B1, B2 und B3 ermittelt. Das Ergebnis für das Material 9.1 liegt im Bildstreifen B1 und B2 wieder zwischen den Zeilen 60 und 140, das Ergebnis für das Material 9.2 im Bildstreifen B1 und B2 zwischen den Zeilen 95 und 135. Aus dem Ergebnis zwischen den Zeilen 60 und 140 wird das erste Material 9.1 klassifiziert und bei der Ermittlung des Materials 9.2 berücksichtigt. Dazu werden die bereits ermittelten Energien zwischen den Zeilen 60 und 140 im Bereich der Zeilen 95 bis 135 herausgefiltert, so daß nur noch die zwei unbekannten Energien aus den Zeilen 95 bis 135 berücksichtigt und ermittelt werden müssen. Auch hier erfolgt dann die Material klassifizierung des Materials 9.2 in bekannter Art und Weise. Das Material 9.3, das sich zwischen den Zeilen 135 bis 225 in den Bildstreifen B2 und B3 befindet, wird äquivalent ermittelt. Ebenso das Material 9.4 zwischen den Zeilen 205 bis 260 im Bildstreifen B3, wobei ein weiterer Bildstreifen B4 (nicht dargestellt) benötigt wird, damit das Materialende des Materials 9.4 detektiert werden kann.

Durch die Benutzung von überlappenden Bildstreifen B1, B2, B3, usw. ist es möglich, jede Art von Bildverarbeitungsfunktionen, auch solche, die regionbasiert arbeiten, auf einem kontinuierlichen Bilddatenstrom zu verwenden. Die Ergebnisse benachbarter Bildstreifen werden miteinander verbunden, wenn die Ergebnisse der Bildverarbeitungsfunktion größer als die Bildstreifen B1, B2 und B3 sind, oder wenn diese über die Überlappungsbereiche n_Ü hinausragen. Die Ergebnisse der benachbarten Bildstreifen B1, B2, B3 werden verknüpft, um daraus ein Gesamtergebnis zu bilden. Der Bilddatenstrom wird in Bildstreifen B1, B2 und B3 unterteilt, die jeweils groß genug sind, um von den Bildverarbeitungsfunktionen verarbeitet zu werden. Die vorgeschlagene Bildstreifenbreite n_B ergibt sich aus der Aufgabe, zu einem schnellstmöglichen Zeitpunkt bereits Ergebnisse zu finden und diese zu sammeln. Das bedeutet, daß je kleiner die Bildstreifen B1, B2, B3 gewählt werden, desto größer ist der Prozentbereich der Überlappungen n_Ü bezogen auf die Bildstreifenbreite n_B, was eine erhöhte Verarbeitung von Doppelinformationen im Rechnersystem 4 bedingt, wodurch dieses langsamer wird, d. h. sich die Reaktionszeit erhöht. Werden die Bildstreifen B1, B2, B3 breiter gewählt, werden zwar die Bildzeilen weniger oft mehrfach bearbeitet, es erhöht sich aber die mittlere Reaktionszeit des Rechnersystems.

Die Anzahl der Bildzeilen zur Bildung der Bildstreifen B1, B2, B3 kann unter Berücksichtigung einer gewollten Reaktionszeit des Rechnersystems 4 vermindert oder erhöht werden, wobei eine minimale Reaktionszeit sich aus der festgelegten Randbreite n_R ergibt und eine maximale Reaktionszeit aus der Differenz zwischen der Bildstreifenbreite n_B und der Randbreite n_R. In der Praxis hat sich gezeigt, daß das Rechnersystem 4 hinreichend schnell eine Bildstreifenbreite n_B von 90-110 Bildzeilen bearbeiten kann. Die im Ausführungsbeispiel angegebenen 100 Bildzeilen sind die optimierte Ausführung. Die Mehrfachbearbeitung, die sich aus n_Ü/(n_B-n_Ü) ermittelt, ist dabei gering.

Es versteht sich von selbst, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen möglich sind. So können die Daten bzw. der Bilddatenstrom auch aus einer Vorverarbeitungsstufe (nicht dargestellt) bezogen werden. Diese Vorverarbeitungsstufe kann dann durch ein Offset bautechnische Probleme der Detektoren ausgleichen, d. h. korrigieren. Dadurch wird die Ergebnisfindung in der Bildverarbeitung konkreter. Auch kann die Speicherung der Bildzeilen B1, B2, B3 auf separaten Speicherplätzen erfolgen, d. h. sie müssen nicht überschrieben werden.

Die Erfindung kann vorrangig zur Ermittlung gefährlicher Güter, z. B. von Sprengstoff, verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Röntgenstrahlungserzeuger

2

Detektorvorrichtung

3

Gegenstand (Koffer)

4

Rechnersystem

5

Speicher

6

Speicher

7

Monitor

8

Drucker

9.1-9.4

Materialien
FX1Röntgenstrahlungsbündel
FX2Röntgenstrahlungsbündel
B1-B3Bildstreifen

Claims

1. Bildverarbeitungsverfahren zur Materialerkennung mittels Röntgenstrahlungen mit verschiedenen Energiespektren, die von einer Strahlungsvorrichtung ausgesendet werden, einen Gegenstand mit Materialien durchleuchten, danach von einer Detektorvorrichtung aufgenommen, in Signale umgewandelt und von einem Rechnersystem ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Signale als kontinuierliche Bilddaten in das Rechnersystem (4) eingelesen werden, wobei die Bilddaten in definierte Bildstreifen (B1, B2, B3) unterteilt und kurzzeitig in einem Bilddatenspeicher (5) gespeichert werden und aus diesen regionalen Bildstreifen (B1, B2, B3) bereits während einer Teildurchleuchtung des Gegenstandes (3) das Material (9.1-9.4) detektiert wird.

2. Bildverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildstreifen (B1, B2, B3) überlappend miteinander verbunden werden, wobei sie in ihren Überlappungsbereichen (n_Ü) doppelt bearbeitet werden.

3. Bildverarbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Bildstreifen (B1, B2, B3) miteinander verknüpft werden, wenn das Material (9.1-9.4) größer als die definierten Bildstreifen (B1, B2, B3) ist.

4. Bildverarbeitungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildstreifen (B1, B2, B3) eine Bildstreifenbreite (n_B) von 90-110 Bildzeilen besitzen.

5. Bildverarbeitungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildstreifen (B1, B2, B3) eine Bildstreifenbreite (n_B) von 100 Bildzeilen besitzen.

6. Bildverarbeitungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Materialien (9.1-9.4) innerhalb eines oder mehrerer Bildstreifen (B1, B2, B3) bestimmt werden, wobei bereits ermittelte Materialien (9.1-9.4) zwischen den Bildzeilen der Bildstreifen (B1, B2, B3) herausgefiltert werden.

7. Bildverarbeitungsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vergleich mit in einem Speicher (6) hinterlegten Kenndaten die Materialart der Materalien (9.1-9.4) bestimmt wird.