RU2722620C1 - Method of obtaining and processing images formed using proton radiation - Google Patents

Method of obtaining and processing images formed using proton radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2722620C1
RU2722620C1 RU2019129220A RU2019129220A RU2722620C1 RU 2722620 C1 RU2722620 C1 RU 2722620C1 RU 2019129220 A RU2019129220 A RU 2019129220A RU 2019129220 A RU2019129220 A RU 2019129220A RU 2722620 C1 RU2722620 C1 RU 2722620C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
images
image
study
proton
coordinates
Prior art date
Application number
RU2019129220A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Леонидович Михайлюков
Татьяна Игоревна Дементьева
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2019129220A priority Critical patent/RU2722620C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2722620C1 publication Critical patent/RU2722620C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T5/00Image enhancement or restoration

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Image Analysis (AREA)

Abstract

FIELD: proton radiography.
SUBSTANCE: invention relates to proton radiography, particularly to methods of processing images formed with the help of proton radiation, and can be used, for example, in digital photography systems to determine the internal structure of objects or to study fast processes. Method involves obtaining digital images of a proton beam using at least two recording systems, the first of which is placed to the field of study, and the second – after, to obtain at least one image to the field of study and at least two images from different views after the field of study by passing a proton beam through the magnetooptical system, an auxiliary object placed before the first recording system, and the study area, processing the obtained images of the auxiliary object by selecting projective transformations, translating images obtained from the first recording system, to the image view from other recording systems, then, performing pixel-by-pixel division of last images on the resulted images from the first registration system, obtaining images of the field of research from different angles, reducing them to one aspect angle. Thereafter, the accuracy of bringing the images to the same angle is evaluated by using the test object in the form of two plates orthogonal to each other, which is placed in the study region, obtaining its image, at that, by turning and changing the plates inclination, their minimum thicknesses on the images are achieved, which indicates orientation of the plate plane strictly along the proton beam, then previously selected additional projective transformations are used to reduce plate images to one view, then, processing said images, constructing intensity profiles of the proton beam perpendicular to the image of plates with subsequent approximation thereof by Gauss function, such a procedure is repeated for images from all cameras of recording systems installed after the object of analysis, and when comparing coordinates of centers of all obtained intensity profiles, average or mean square error of reducing images to one angle is calculated to determine degree of reliability of comparison and analysis.
EFFECT: high accuracy of processing recorded proton images.
4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, и может быть использовано, например, в системах цифровой съемки для определения внутренней структуры объектов или исследования быстропротекающих процессов.The invention relates to the field of proton radiography, in particular to methods for processing images formed using proton radiation, and can be used, for example, in digital shooting systems to determine the internal structure of objects or to study fast processes.

При регистрации протонных изображений существуют геометрические искажения, связанные с магнитной оптикой, с неперпендикулярным расположение сцинтиллятора и пучка, с различными ракурсами, под которыми ведется съемка протонных изображений различными каналами регистрации. При обработке зарегистрированных протонных изображений, полученных разными каналами регистрации, все изображения приводят к одному ракурсу для последующего анализа. Для проведения анализа, то есть сравнения границ, восстановленных по экспериментальным и по расчетным изображениям, необходимо знать, с какой точностью происходит приведение изображений к одному ракурсу.When registering proton images, there are geometric distortions associated with magnetic optics, with a non-perpendicular arrangement of the scintillator and beam, with different angles, under which the proton images are captured by various registration channels. When processing registered proton images obtained by different registration channels, all images lead to the same angle for subsequent analysis. To carry out the analysis, that is, comparing the boundaries reconstructed from the experimental and calculated images, it is necessary to know how accurately the images are brought to one angle.

Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение достоверной информации об исследуемых объектах.The challenge facing the field of technology is to obtain reliable information about the studied objects.

Известен способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения (D. Varentsov, O. Antonov, A. Bakhmutova, C.W. Barnes, A. Bogdanov, C.R. Danly, S. Efimov, M. Tndres, A. Fertman, A.A. Golubev, D.H.H Hoffmann, B. Lonita, A. Kantsyrev, Ya.E. Krasik, P.M. Lang, I. Lomonosov, F.G. Mariam, N. Markov, F.E. Merrill, V.B. Mintsev, D. Nikolaev, V. Panyuishkm, M. Rodionova, M. Schanz, K. Schoenberg, A. Semennikov, L. Shestov, V.S. Skachkov, V. Turtikov, S. Udrea, O. Vasylyev, K. Weyrich, C. Wilde, A. Zubareva, Commissioning of the PRIOR proton microscope, arxiv: 1512.05644v2 [physics.ms-det] 19 jan 2016). Способ включает получение изображений протонного пучка с помощью системы регистрации путем пропускания его через магнитооптическую систему (МОС) и область исследования, в которой сначала устанавливают тест-объект, а затем его заменяют исследуемым объектом и последующую обработку полученных изображений. Тест-объект представляет собой медную квадратную подложку с отверстиями в узлах ортогональной сетки, нанесенной на площадь 9×9 мм. Тест-объект устанавливают встречно потоку протонов. При пропускании протонного пучка через тест-объект получают изображение, по которому устанавливают соответствие между размерами тест-объекта на полученном изображении и его фактическими геометрическими размерами путем пространственной калибровки (учитывая расстояние между крайними элементами по горизонтальному и вертикальному направлениям), которое применяют при обработке изображения объекта исследования.A known method of obtaining and processing images formed using proton radiation (D. Varentsov, O. Antonov, A. Bakhmutova, CW Barnes, A. Bogdanov, CR Danly, S. Efimov, M. Tndres, A. Fertman, AA Golubev, DHH Hoffmann, B. Lonita, A. Kantsyrev, Ya.E. Krasik, PM Lang, I. Lomonosov, FG Mariam, N. Markov, FE Merrill, VB Mintsev, D. Nikolaev, V. Panyuishkm, M. Rodionova, M Schanz, K. Schoenberg, A. Semennikov, L. Shestov, VS Skachkov, V. Turtikov, S. Udrea, O. Vasylyev, K. Weyrich, C. Wilde, A. Zubareva, Commissioning of the PRIOR proton microscope, arxiv : 1512.05644v2 [physics.ms-det] Jan 19, 2016). The method includes obtaining images of the proton beam using a registration system by passing it through a magneto-optical system (MOS) and the study area, in which the test object is first installed, and then it is replaced by the studied object and the subsequent processing of the obtained images. The test object is a copper square substrate with holes in the nodes of the orthogonal mesh, applied to an area of 9 × 9 mm. The test object is installed counter to the flow of protons. When a proton beam is passed through a test object, an image is obtained that establishes the correspondence between the dimensions of the test object in the resulting image and its actual geometric dimensions by spatial calibration (taking into account the distance between the extreme elements in the horizontal and vertical directions), which is used when processing the image of the object research.

Недостаток способа состоит в том, что данный тест-объект невозможно выставить строго перпендикулярно оси МОС, что не позволяет полностью исключить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании объекта исследования по углу относительно этой оси и приводит к снижению точности обработки изображений.The disadvantage of this method is that this test object cannot be set strictly perpendicular to the axis of the MOS, which does not completely eliminate the effect on the proton image of inaccuracies in the positioning of the object of study in the angle relative to this axis and reduces the accuracy of image processing.

Известен способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения (Physics Division Progress Report 1999-2000 Proton Radiography, D.A. Clarc et al, pp 156-168), включающий получение двух цифровых изображений протонного пучка до прохождения им области исследования с помощью первой и второй систем регистрации и цифрового изображения протонного пучка после прохождения им области исследования в плоскости фокусировки МОС с помощью третьей системы регистрации. Каждая из систем регистрации включает конвертор, преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые ПЗС-матрицей. Первое изображение протонного пучка получают непосредственно перед диффузором, наличие которого необходимо для дальнейшей обработки изображения и который размещают в магнитооптическом канале. Второе изображение получают на значительном удалении от диффузора - 6 м. Далее осуществляют обработку полученных цифровых изображений и расчетным путем получают изображение области исследования. При этом осуществляют следующие операции. С помощью первых двух изображений расчетным путем получают изображение протонного пучка в области исследования/плоскости объекта исследования, далее осуществляют попиксельное деление третьего изображения на полученное расчетным путем с получением изображения области исследования. Данный способ выбран в качестве ближайшего аналога.A known method for obtaining and processing images generated using proton radiation (Physics Division Progress Report 1999-2000 Proton Radiography, DA Clarc et al, pp 156-168), including obtaining two digital images of the proton beam before passing through the study area using the first and the second registration systems and digital images of the proton beam after passing through the research area in the focus plane of the MOS using the third registration system. Each of the registration systems includes a converter that converts proton radiation into photons recorded by the CCD. The first image of the proton beam is obtained directly in front of the diffuser, the presence of which is necessary for further image processing and which is placed in the magneto-optical channel. The second image is obtained at a considerable distance from the diffuser - 6 m. Next, the obtained digital images are processed and the image of the study area is obtained by calculation. In this case, the following operations are carried out. Using the first two images, the image of the proton beam in the study area / plane of the object of study is obtained by calculation, then the pixel-by-pixel division of the third image by the calculation obtained to obtain the image of the study area is performed. This method is selected as the closest analogue.

Недостатком данного аналога является то, что применение диффузора усложняет способ из-за необходимости его размещения в определенном месте, с соответствующей настройкой магнитооптического канала. Кроме того, способ основан на получении расчетным путем изображения протонного пучка в области исследования /плоскости объекта исследования по двум изображениям протонного пучка, полученным до прохождения им области исследования, исходя из линейности преобразования пучка.The disadvantage of this analogue is that the use of a diffuser complicates the method due to the need to place it in a certain place, with the appropriate setting of the magneto-optical channel. In addition, the method is based on obtaining by calculation the image of the proton beam in the field of study / plane of the object of study from two images of the proton beam obtained before passing through the field of study, based on the linearity of the beam transformation.

Для вычисления этого преобразования необходимо вычислить параметры пучка (координаты центра, его ширину) на двух изображениях, что с достаточной точностью выполнить проблематично, и это существенно усложняет способ. При обработке изображений не происходит автоматической "сшивки" изображений пучков, регистрируемых до и после прохождения им области исследования. Кроме того, в динамических экспериментах получают изображения с одного ракурса, а для увеличения информативности необходимо получать изображения с разных ракурсов.To calculate this transformation, it is necessary to calculate the beam parameters (center coordinates, its width) on two images, which is problematic with sufficient accuracy, and this significantly complicates the method. When processing images, there is no automatic “stitching” of images of beams recorded before and after passing through the study area. In addition, in dynamic experiments, images are obtained from one angle, and to increase informational content, it is necessary to obtain images from different angles.

Известен способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения по патенту RU 2604723 (публик. 10.12.2016), частично устраняющий недостатки описанного выше способа и выбранный в качестве ближайшего аналога. Способ включает получение цифровых изображений протонного пучка с помощью, по крайней мере, двух систем регистрации, первую из которых размещают до области исследования, вторую - после, для получения не менее одного изображения до области исследования и не менее двух изображений с разных ракурсов после области исследования путем пропускания пучка протонов через МОС, вспомогательный объект, размещенный перед первой системой регистрации, и область исследования. Каждая система регистрации включают конвертор, преобразующий протонное излучение в фотоны, регистрируемые камерой (ПЗС-матрицей). Система регистрации может включать несколько камер с разных ракурсов. Вспомогательный объект выполнен в виде металлических реперных элементов, размещенных в одной плоскости. Далее осуществляют обработку полученных изображений вспомогательного объекта путем подбора проективных преобразований, переводящих изображения, полученные с первой системы регистрации К ракурсу изображений с других систем регистрации, затем, осуществляя попиксельное деление последних изображений на приведенные изображения с первой системы регистрации, получают изображения области исследования с разных ракурсов, сводя их к одному ракурсу, подбирая дополнительные проективные преобразования,A known method of obtaining and processing images formed using proton radiation according to patent RU 2604723 (publ. 10.12.2016), partially eliminating the disadvantages of the above method and selected as the closest analogue. The method includes obtaining digital images of the proton beam using at least two recording systems, the first of which is placed before the study area, the second after, to obtain at least one image to the study area and at least two images from different angles after the study area by passing a proton beam through the MOS, an auxiliary object located in front of the first registration system, and the study area. Each registration system includes a converter that converts proton radiation into photons recorded by a camera (CCD). The registration system may include several cameras from different angles. The auxiliary object is made in the form of metal reference elements placed in one plane. Next, they process the obtained images of the auxiliary object by selecting projective transformations that translate the images obtained from the first registration system. To view the images from other registration systems, then, performing pixel-by-pixel division of the last images into the above images from the first registration system, the images of the study area are obtained from different angles. , reducing them to one angle, selecting additional projective transformations,

Недостатком ближайшего аналога является то, что в рамках данного способа не осуществляют определение точности сведения протонограмм к одному ракурсу, то есть точности «сшивки» изображений, полученных с разных ракурсов. Тем временем, при сравнении границ, восстановленных по изображениям, данную точность необходимо знать для определения степени достоверности сравнения и анализа.The disadvantage of the closest analogue is that in the framework of this method they do not determine the accuracy of reducing protonograms to one angle, that is, the accuracy of the “stitching” of images obtained from different angles. Meanwhile, when comparing the boundaries reconstructed from images, this accuracy must be known to determine the degree of reliability of the comparison and analysis.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности обработки зарегистрированных протонных изображений.The technical result of the proposed method is to increase the accuracy of processing registered proton images.

Указанный технический результата достигается за счет того, что в способе получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающем получение цифровых изображений протонного пучка с помощью, по крайней мере, двух систем регистрации, первую из которых размещают до области исследования, вторую - после, для получения не менее одного изображения до области исследования и не менее двух изображений с разных ракурсов после области исследования путем пропускания пучка протонов через магнитооптическую систему, вспомогательный объект, размещенный перед первой системой регистрации, и область исследования, обработку полученных изображений вспомогательного объекта путем подбора проективных преобразований, переводящих изображения, полученные с первой системы регистрации к ракурсу изображений с других систем регистрации, затем, осуществляя попиксельное деление последних изображений на приведенные изображения с первой системы регистрации, получают изображения области исследования с разных ракурсов, сводя их к одному ракурсу, подбирая дополнительные проективные преобразования, новым является то, что после сведения изображений, полученных с разных ракурсов, к одному ракурсу, осуществляют оценку точности приведения изображений к одному ракурсу, для чего, используя тест-объект в виде двух пластин, установленных ортогонально друг другу, который помещают в область исследования, получают его изображение, при этом вращением и изменением наклона пластин добиваются их минимальных толщин на изображениях, что говорит об ориентации плоскости пластин строго по протонному пучку, затем ранее подобранные дополнительные проективные преобразования используют для сведения изображений пластин к одному ракурсу, далее, обрабатывая эти изображения, строят профили интенсивности пучка протонов перпендикулярно изображению пластин с последующей аппроксимацией их функцией Гаусса, такую процедуру повторяют для изображений со всех камер систем регистрации, установленных после объекта исследования, и при сопоставлении координат центров всех полученных профилей интенсивности вычисляют среднюю или среднеквадратическую ошибку сведения изображений к одному ракурсу для определения степени достоверности сравнения и анализа.The specified technical result is achieved due to the fact that in the method of obtaining and processing images generated using proton radiation, which includes obtaining digital images of the proton beam using at least two registration systems, the first of which is placed before the study area, the second after , to obtain at least one image to the study area and at least two images from different angles after the study area by passing a proton beam through a magneto-optical system, an auxiliary object located in front of the first registration system, and the study area, processing the obtained images of the auxiliary object by selecting projective transformations that transfer the images obtained from the first registration system to the perspective of images from other registration systems, then, performing pixel-by-pixel division of the last images into reduced images from the first registration system, images of the region are obtained studies from different angles, reducing them to one angle, selecting additional projective transformations, it is new that after reducing the images obtained from different angles to one angle, they evaluate the accuracy of bringing the images to one angle, for which, using a test object in the form of two plates mounted orthogonally to each other, which is placed in the study area, an image is obtained, while rotating and changing the slope of the plates achieve their minimum thicknesses in the images, which indicates the orientation of the plane of the plates strictly along the proton beam, then additional projective projections selected previously the transformations are used to reduce the images of the plates to one angle, then, processing these images, build the intensity profiles of the proton beam perpendicular to the image of the plates with subsequent approximation by their Gaussian function, this procedure is repeated for images from all cameras of registration systems installed after the object of the study, and when comparing the coordinates of the centers of all the obtained intensity profiles, the average or standard error of reducing the images to one angle is calculated to determine the degree of reliability of the comparison and analysis.

Для подбора дополнительных проективных преобразований может быть использован тот же вспомогательный объект, размещенный перед первой системой регистрации, который использовали ранее.To select additional projective transformations, the same auxiliary object placed in front of the first registration system that was used earlier can be used.

Для подбора дополнительных проективных преобразований может быть использован вспомогательный объект, размещенный в области исследования и представляющий собой подложку с одинаковыми элементами в узлах ортогональной решетки, по полученному изображению элементов подложки устанавливают соответствие между координатами элементов на изображении с фактическими известными координатами путем определения пиксельных координат проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты в плоскости тест-объекта.To select additional projective transformations, an auxiliary object located in the study area and representing a substrate with the same elements in the nodes of the orthogonal lattice can be used; according to the obtained image of the substrate elements, a correspondence is established between the coordinates of the elements in the image with the actual known coordinates by determining the pixel coordinates of the projective transformation, allowing you to translate the established pixel coordinates into known coordinates in the plane of the test object.

Для подбора дополнительных проективных преобразований может быть использован вспомогательный объект, размещенный в области исследования и представляющий собой совокупность полос, расположенных ортогонально друг другу, по полученному изображению полос устанавливают соответствие между координатами узлов пересечения полос на изображении с фактическими известными координатами путем определения пиксельных координат проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты в плоскости тест-объекта.To select additional projective transformations, an auxiliary object located in the study area and representing a set of bands located orthogonally to each other can be used, the correspondence between the coordinates of the strip intersection nodes in the image with the actual known coordinates is established by determining the pixel coordinates of the projective transformation, allowing you to translate the established pixel coordinates into known coordinates in the plane of the test object.

Оценка точности приведения изображений к одному ракурсу в разных направлениях позволит определить степень достоверности сравнения и анализа.Assessing the accuracy of bringing images to the same angle in different directions will determine the degree of reliability of comparison and analysis.

Использование тест-объекта, который представляет собой две пластины, установленные ортогонально друг другу, позволяет по изображению, представляющему собой тонкую линию каждой пластины, в дальнейшем при обработке изображений на профиле интенсивности пучка протонов перпендикулярно данной линии получить четко выраженный минимум, что повышает точность обработки. Для того, чтобы измерять погрешность совмещения изображений в разных направлениях, предлагается устанавливать две металлические пластины перпендикулярно друг другу.Using a test object, which is two plates mounted orthogonally to each other, allows using an image representing a thin line of each plate to obtain a clearly defined minimum when processing images on the proton beam intensity profile perpendicular to this line, which increases the accuracy of processing. In order to measure the error of combining images in different directions, it is proposed to install two metal plates perpendicular to each other.

Осуществляя вращение и изменение наклона тест-объекта для получения минимальных толщин пластин на изображении, что говорит об ориентации плоскости пластин строго по протонному пучку, упрощает обработку информации, причем экспресс-анализ можно проводить даже без использования специальных программ. По изменению положения данного минимума можно судить о точности совмещения изображений в направлении, перпендикулярном соответствующей пластине.By rotating and changing the inclination of the test object to obtain minimum plate thicknesses in the image, which indicates the orientation of the plane of the plates strictly along the proton beam, it simplifies information processing, and express analysis can be carried out even without using special programs. By changing the position of this minimum, one can judge the accuracy of image alignment in the direction perpendicular to the corresponding plate.

Установление соответствия между размерами тест-объекта на полученном изображении и его фактическими геометрическими размерами путем определения пиксельных координат всех элементов подложки и подбором проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты элементов в плоскости тест-объекта позволяет более точно определить координаты найденных элементов в плоскости тест-объекта.Establishing a correspondence between the dimensions of the test object in the resulting image and its actual geometric dimensions by determining the pixel coordinates of all elements of the substrate and selecting a projective transformation that allows you to translate the established pixel coordinates into known coordinates of the elements in the plane of the test object allows you to more accurately determine the coordinates of the elements found in the plane test object.

На фиг. 1 показан вспомогательный объект, представляющий собой металлические реперные объекты, размещенные в одной плоскости. На фиг. 2 - тест-объект «решетка», по которому дополнительно вычисляют проективное преобразование. На фиг. 3, 4 - варианты тест-объектов для проведения Измерений точности. На фиг. 5 - протонограммы тест-объекта с фиг. 3. На фиг. 6 - профиль интенсивности пучка протонов, перпендикулярно пластинам. На фиг. 7 - профиль интенсивности пучка протонов с изображений, полученных со всех камер.In FIG. 1 shows an auxiliary object, which is a metal reference objects placed in one plane. In FIG. 2 - test object "lattice", which additionally calculate the projective transformation. In FIG. 3, 4 - variants of test objects for conducting accuracy measurements. In FIG. 5 is a protonogram of the test object of FIG. 3. In FIG. 6 - intensity profile of the proton beam, perpendicular to the plates. In FIG. 7 is an intensity profile of a proton beam from images obtained from all cameras.

В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить устройство, которое выполнено на основе действующего синхрофазотрона У-70, построенного в г. Протвино [Новости и проблемы фундаментальной физики, №1(5), 2009 г., с. 32-42], и включает камеру для размещения объекта исследования, систему формирования и регистрации протонного изображения. Система формирования представляет собой МОС из магнитных линз и коллиматора. Система регистрации включает три канала регистрации, состоящих из сцинтилляционного конвертера, зеркала и цифровых камер. Аппаратуру первой системы регистрации устанавливали непосредственно перед зоной размещения объекта исследования (область исследования), при этом непосредственно перед конвертором первой системы регистрации был установлен вспомогательный объект - металлические реперные объекты (фиг. 1), размещенные в одной плоскости. После зоны размещения объекта исследования размещали МОС, магнитные квадрупольные линзы которой настроены на расчетную энергию протонного пучка и обеспечивают фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость регистрации изображения. Две других системы регистрации устанавливали после зоны размещения объекта. Для проведения дополнительных измерений использовался тест-объект (фиг. 2), который представляет собой набор 110 высокоточных стальных шаров диаметром 9 мм, закрепленных на подложке из органического стекла в узлах ортогональной решетки со строгим интервалом (20 мм) между собой. Посадочные места для крепления шаров выполнены на станке с ЧПУ с точностью ± 10 мкм. В центре подложке, перпендикулярно ей, закреплена трубка. Для проведения измерений точности сведения изображений к одному ракурсу использовался тест-объект (фиг. 3), в качестве которого можно использовать тонкие металлические пластины, толщиной десятки или сотни микрон, например, бритвенное лезвие. Для того, чтобы измерять погрешность совмещения изображений, предлагается устанавливать две металлические пластины перпендикулярно друг другу. Выбранный тест-объект представляет собой два лезвия, которые склеены ортогонально друг другу и установлены на подложке.As an example of a specific implementation of a device that allows the implementation of the inventive method, a device that is based on the current U-70 synchrophasotron built in Protvino [News and Problems of Fundamental Physics, No. 1 (5), 2009, p. 32-42], and includes a camera for placing the object of study, a system for the formation and registration of a proton image. The formation system is an MOS of magnetic lenses and a collimator. The registration system includes three registration channels, consisting of a scintillation converter, a mirror and digital cameras. The equipment of the first registration system was installed directly in front of the zone of placement of the object of study (research area), while an auxiliary object, metal reference objects (Fig. 1), placed in one plane, was installed directly in front of the converter of the first registration system. After the zone of placement of the object of study, a MOS was placed, the magnetic quadrupole lenses of which are tuned to the calculated energy of the proton beam and provide focusing of protons from the plane of the object to the image registration plane. Two other registration systems were installed after the area of the facility. For additional measurements, a test object was used (Fig. 2), which is a set of 110 high-precision steel balls with a diameter of 9 mm mounted on an organic glass substrate in nodes of an orthogonal lattice with a strict interval (20 mm) between each other. The seats for mounting the balls are made on a CNC machine with an accuracy of ± 10 microns. In the center of the substrate, perpendicular to it, a tube is fixed. To take measurements of the accuracy of reducing the images to one angle, a test object was used (Fig. 3), which can be used as thin metal plates with a thickness of tens or hundreds of microns, for example, a razor blade. In order to measure the error of image alignment, it is proposed to install two metal plates perpendicular to each other. The selected test object is two blades that are glued orthogonally to each other and mounted on a substrate.

Примером конкретного выполнения заявляемого способа может служить способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающий следующие операции.An example of a specific implementation of the proposed method can be a method of obtaining and processing images formed using proton radiation, including the following operations.

Настраивают систему получения протонных изображений объекта исследования с тремя системами регистрации и МОС, обеспечивающей фокусировку протонов из плоскости объекта в плоскость изображения. Перед конвертором первой системы регистрации размещают 4-е реперных объекта (фиг. 1). Системы регистрации включают по три камеры. Сформированный пучок протонов пропускают через объект исследования. Получают три цифровых изображения вспомогательного объекта до зоны размещения объекта исследования и шесть изображений с объектом исследования, зарегистрированные в месте фокусировки протонного пучка с помощью второй и третьей систем регистрации после пропускания пучка через объект исследования. Осуществляют обработку полученных изображений вспомогательного объекта, для чего определяют координаты реперных объектов на изображениях до зоны установки объекта исследования и после (поиск центров всех четырех реперных объектов на изображениях или вычисляют координаты, используя математические методы компенсации) и подбирают проективные преобразования, используя которые осуществляют приведение попарно цифровых изображений к одному ракурсу, после чего получают приведенные изображения до зоны размещения объекта исследования и после. Затем, осуществляя попиксельное деление последних изображений на приведенные изображения с первой системы регистрации, получают изображения области исследования с разных ракурсов, сводя их к одному ракурсу, подбирая дополнительные проективные преобразования.Set up a system for obtaining proton images of the object of study with three registration systems and MOS, providing focusing of protons from the plane of the object to the image plane. In front of the converter of the first registration system, 4 reference objects are placed (Fig. 1). Registration systems include three cameras. The formed proton beam is passed through the object of study. Three digital images of the auxiliary object to the area of the object of study and six images with the object of study recorded at the focusing site of the proton beam using the second and third registration systems after passing the beam through the study object are obtained. They process the obtained images of the auxiliary object, for which they determine the coordinates of the reference objects in the images before the installation area of the object of study and after (search for the centers of all four reference objects in the images or calculate the coordinates using mathematical methods of compensation) and select the projective transformations using which they are reduced in pairs digital images to one angle, after which the reduced images are received before the zone of placement of the object of study and after. Then, performing pixel-by-pixel division of the last images into the images from the first registration system, images of the study area are obtained from different angles, reducing them to one angle, selecting additional projective transformations.

Для устранения геометрических искажений, связанных с различными ракурсами, под которыми ведется съемка протонных изображений различными системами регистрации, и приведения, полученных цифровых изображений к правильному ракурсу, в камеру для размещения объекта исследования помещают тест-объект (фиг. 2). Осуществляя юстировку тест-объекта перпендикулярно оси МОС, можно практически полностью исключить влияние на протонное изображение неточности в позиционировании тест-объекта по углу относительно оси МОС. Перпендикулярность подложки оси МОС проверяют по цифровому изображению протонного пучка, который пропускают через МОС и камеру с тест-объектом путем углового перемещения тест-объекта, пока сквозное отверстие трубки на изображении не будет соответствовать фактическому геометрическому размеру. Полученное таким образом изображение тест-объекта используют для определения соответствия между размерами тест-объекта на полученном изображений и его фактическими геометрическими размерами. Соответствие между размерами тест-объекта при сквозной калибровке масштабного коэффициента переноса изображения в тракте формирования и регистрации изображений устанавливают путем определения пиксельных координат центров всех стальных шаров и подбором проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты центров стальных шаров в плоскости тест-объекта. Определив проективное преобразование, применяют его при обработке изображений исследуемых объектов, для чего заменяют тест-объект на исследуемый объект и получают цифровое изображение протонного пучка, пропуская его через МОС и камеру с объектом. Затем подобранное при использовании изображения тест-объекта проективное преобразование применяют при обработке изображений объекта исследования. Таким образом, все протонные изображения, получаемые при регистрации объекта исследования, сводятся к одному ракурсу с четко известным масштабом.To eliminate geometric distortions associated with different angles, under which proton images are shot by various registration systems, and to bring the received digital images to the correct angle, a test object is placed in the camera to place the object of study (Fig. 2). By adjusting the test object perpendicular to the axis of the MOS, we can almost completely eliminate the influence on the proton image of inaccuracies in the positioning of the test object in an angle relative to the axis of the MOS. The perpendicularity of the substrate of the axis of the MOS is checked by a digital image of the proton beam, which is passed through the MOS and the camera with the test object by angular movement of the test object, until the through hole of the tube in the image corresponds to the actual geometric size. The thus obtained image of the test object is used to determine the correspondence between the dimensions of the test object in the resulting images and its actual geometric dimensions. The correspondence between the dimensions of the test object during end-to-end calibration of the scaled transfer coefficient of the image in the image formation and registration path is established by determining the pixel coordinates of the centers of all steel balls and selecting a projective transformation that allows you to translate the established pixel coordinates to the known coordinates of the centers of steel balls in the plane of the test object. Having determined the projective transformation, they use it when processing images of the studied objects, for which they replace the test object with the studied object and obtain a digital image of the proton beam, passing it through the MOS and the camera with the object. Then, the projective transformation selected when using the image of the test object is used when processing images of the object of study. Thus, all proton images obtained upon registration of the object of study are reduced to one angle with a clearly known scale.

Далее осуществляют оценку точности приведения изображений к одному ракурсу. Для этого, используя тест-объект (фиг. 3), получают его изображения. Вращением и изменением наклона подставки добиваются минимальных толщин лезвий на изображении, что говорит об ориентации плоскости лезвий строго по протонному пучку (фиг. 5). По подобранному проективному преобразованию все зарегистрированные изображения сводят к одному ракурсу с четко заданным масштабом (например, с размером пикселя 100 мкм). Затем строят профили интенсивности пучка протонов перпендикулярно лезвиям (вдоль пунктирных линий на фиг. 3) и аппроксимируют их функцией гаусса (фиг. 6) с четырьмя параметрами (а, b, σ и d):Next, assess the accuracy of bringing the images to one angle. To do this, using the test object (Fig. 3), get its image. By rotating and changing the tilt of the stand, the minimum thickness of the blades in the image is achieved, which indicates the orientation of the plane of the blades strictly along the proton beam (Fig. 5). According to the selected projective transformation, all registered images are reduced to a single angle with a clearly defined scale (for example, with a pixel size of 100 microns). Then, intensity profiles of the proton beam are built perpendicular to the blades (along the dashed lines in Fig. 3) and approximated by a Gaussian function (Fig. 6) with four parameters (a, b, σ and d):

Figure 00000001
Figure 00000001

Далее проводят такую процедуру для приведенных изображений со всех каналов регистрации (фиг 7), единицами отсчета по оси Ох являются пиксели с размером 100 мкм).Next, carry out such a procedure for the images from all registration channels (Fig. 7), the units of reference along the Ox axis are pixels with a size of 100 μm).

Анализируя параметр b (центр гауссиана) для всех изображений вычисляют среднюю (или среднеквадратическую) ошибку сведения изображений к одному ракурсу.By analyzing the parameter b (Gaussian center) for all images, the average (or root-mean-square) error of reducing the images to one angle is calculated.

Т.о. заявляемый способ позволяет повысить достоверность информации об исследуемых объектах.T.O. The claimed method allows to increase the reliability of information about the studied objects.

Claims (4)

1. Способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающий получение цифровых изображений протонного пучка с помощью по крайней мере двух систем регистрации, первую из которых размещают до области исследования, вторую - после, для получения не менее одного изображения до области исследования и не менее двух изображений с разных ракурсов после области исследования путем пропускания пучка протонов через магнитооптическую систему, вспомогательный объект, размещенный перед первой системой регистрации, и область исследования, обработку полученных изображений вспомогательного объекта путем подбора проективных преобразований, переводящих изображения, полученные с первой системы регистрации, к ракурсу изображений с других систем регистрации, затем, осуществляя попиксельное деление последних изображений на приведенные изображения с первой системы регистрации, получают изображения области исследования с разных ракурсов, сводя их к одному ракурсу, подбирая дополнительные проективные преобразования, отличающийся тем, что после сведения изображений, полученных с разных ракурсов, к одному ракурсу, осуществляют оценку точности приведения изображений к одному ракурсу, для чего, используя тест-объект в виде двух пластин, установленных ортогонально друг другу, который помещают в область исследования, получают его изображение, при этом вращением и изменением наклона пластин добиваются их минимальных толщин на изображениях, что говорит об ориентации плоскости пластин строго по протонному пучку, затем ранее подобранные дополнительные проективные преобразования используют для сведения изображений пластин к одному ракурсу, далее, обрабатывая эти изображения, строят профили интенсивности пучка протонов перпендикулярно изображению пластин с последующей аппроксимацией их функцией Гаусса, такую процедуру повторяют для изображений со всех камер систем регистрации, установленных после объекта исследования, и при сопоставлении координат центров всех полученных профилей интенсивности вычисляют среднюю или среднеквадратическую ошибку сведения изображений к одному ракурсу для определения степени достоверности сравнения и анализа.1. A method of obtaining and processing images generated using proton radiation, including obtaining digital images of the proton beam using at least two recording systems, the first of which is placed before the study area, the second after, to obtain at least one image to the study area and at least two images from different angles after the study area by passing a proton beam through the magneto-optical system, an auxiliary object placed in front of the first registration system, and the study area, processing the obtained images of the auxiliary object by selecting projective transformations that translate images obtained from the first registration system , to the angle of images from other registration systems, then, performing pixel-by-pixel division of the last images into the above images from the first registration system, receive images of the study area from different angles, reducing them to a single angle, Paradise additional projective transformations, characterized in that after reducing the images obtained from different angles to one angle, they evaluate the accuracy of bringing the images to one angle, for which, using a test object in the form of two plates installed orthogonally to each other, which is placed in the study area, get its image, while rotating and changing the slope of the plates achieve their minimum thickness on the images, which indicates the orientation of the plane of the plates strictly along the proton beam, then the previously selected additional projective transformations are used to reduce the images of the plates to one angle, then processing these images, build the intensity profiles of the proton beam perpendicular to the image of the plates with subsequent approximation by their Gaussian function, this procedure is repeated for images from all cameras of the registration systems installed after the object of study, and when comparing the coordinates of the centers of all Radiation intensity profiles calculate the mean or root-mean-square error of reducing the images to a single angle to determine the degree of reliability of comparison and analysis. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для подбора дополнительных проективных преобразований используют тот же вспомогательный объект, размещенный перед первой системой регистрации, который использовали ранее.2. The method according to p. 1, characterized in that for the selection of additional projective transformations use the same auxiliary object located in front of the first registration system that was used previously. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для подбора дополнительных проективных преобразований используют вспомогательный объект, размещенный в области исследования и представляющий собой подложку с одинаковыми элементами в узлах ортогональной решетки, по полученному изображению элементов подложки устанавливают соответствие между координатами элементов на изображении с фактическими известными координатами путем определения пиксельных координат проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты в плоскости тест-объекта.3. The method according to p. 1, characterized in that for the selection of additional projective transformations use an auxiliary object located in the study area and representing a substrate with the same elements in the nodes of the orthogonal lattice, the correspondence between the coordinates of the elements in the image with the actual known coordinates by determining the pixel coordinates of the projective transformation, which allows you to translate the set pixel coordinates to known coordinates in the plane of the test object. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для подбора дополнительных проективных преобразований используют вспомогательный объект, размещенный в области исследования и представляющий собой совокупность полос, расположенных ортогонально друг другу, по полученному изображению полос устанавливают соответствие между координатами узлов пересечения полос на изображении с фактическими известными координатами путем определения пиксельных координат проективного преобразования, позволяющего перевести установленные пиксельные координаты в известные координаты в плоскости тест-объекта.4. The method according to p. 1, characterized in that for the selection of additional projective transformations use an auxiliary object located in the study area and representing a set of bands located orthogonal to each other, according to the received image of the bands, the correspondence between the coordinates of the nodes of the intersection of the bands in the image with the actual known coordinates by determining the pixel coordinates of the projective transformation, which allows you to translate the set pixel coordinates to known coordinates in the plane of the test object.
RU2019129220A 2019-09-16 2019-09-16 Method of obtaining and processing images formed using proton radiation RU2722620C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019129220A RU2722620C1 (en) 2019-09-16 2019-09-16 Method of obtaining and processing images formed using proton radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019129220A RU2722620C1 (en) 2019-09-16 2019-09-16 Method of obtaining and processing images formed using proton radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722620C1 true RU2722620C1 (en) 2020-06-02

Family

ID=71067395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019129220A RU2722620C1 (en) 2019-09-16 2019-09-16 Method of obtaining and processing images formed using proton radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722620C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796791C1 (en) * 2022-05-16 2023-05-29 Общество с ограниченной ответственностью "Специальное конструкторское бюро "Инновационно-аналитические разработки" Method, sensor device and displacement measurement system based on quantum properties of atomic beams

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3405506B2 (en) * 1997-03-24 2003-05-12 学校法人トヨタ学園 Scanning proton microscope
RU2582205C1 (en) * 2015-01-16 2016-04-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for recording proton images generated using magnetooptical system
WO2018152658A1 (en) * 2017-02-21 2018-08-30 顾士平 Proton microscope, wavelength dispersive spectrometer, energy dispersive spectrometer, and micro-nano processing platform

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3405506B2 (en) * 1997-03-24 2003-05-12 学校法人トヨタ学園 Scanning proton microscope
RU2582205C1 (en) * 2015-01-16 2016-04-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for recording proton images generated using magnetooptical system
WO2018152658A1 (en) * 2017-02-21 2018-08-30 顾士平 Proton microscope, wavelength dispersive spectrometer, energy dispersive spectrometer, and micro-nano processing platform

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796791C1 (en) * 2022-05-16 2023-05-29 Общество с ограниченной ответственностью "Специальное конструкторское бюро "Инновационно-аналитические разработки" Method, sensor device and displacement measurement system based on quantum properties of atomic beams

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107727616B (en) Auxiliary focusing method and device
CN106500965B (en) Lobster eye x-ray imaging optical element focusing performance test device and method based on ccd detector
CN104537656B (en) Optical fiber beam expansion collimates the detection method of lens barrel outgoing eccentric method
JP2000331637A (en) Electron microscopy, and electron microscope, biological sample inspecting method and biological inspecting device using the same
US20060043293A1 (en) Charged particle beam adjustment method and apparatus
CN105953741B (en) System and method for measuring local geometric deformation of steel structure
RU2690713C1 (en) Method of obtaining and processing images formed using proton radiation
RU2722620C1 (en) Method of obtaining and processing images formed using proton radiation
Mottershead et al. Design and operation of a proton microscope for radiography at 800 MeV
RU2604723C1 (en) Method of producing and processing images generated using proton radiation
JP2964137B2 (en) X-ray fluorescence analyzer that can detect the center of a sample
CN109813531A (en) The debugging apparatus and its adjustment method of optical system
JP2000311645A (en) Electron microscope
JP2004081331A (en) Sharpness measuring method in radiographical equipment, radiographic equipment, and computer program
RU2582205C1 (en) Method for recording proton images generated using magnetooptical system
Scandale Ua9 status report for 2018
RU2767592C1 (en) Method for obtaining and processing images formed using proton radiation
Ouellet et al. Developing assistant tools for geometric camera calibration: assessing the quality of input images
Murata et al. Optical alignment system for the PHENIX muon tracking chambers
CN110455797A (en) Metallographic microscope matrix normalization bearing calibration
Freund et al. First undulator commissioning with the K-monochromator
RU2757865C1 (en) Method for obtaining images formed using proton radiation
RU2750693C1 (en) Method for tuning magneto-optical system of protonographic complex
RU2776093C1 (en) Method for measuring the density of a quasi-homogeneous beam of emitted particles registered by a flat solid state detector
JP2000214086A (en) Method for observing gelation process or gel state