本發(fā)明涉及智能安防監(jiān)控技術領域，尤其涉及X射線安檢機自動檢測報警、基于圖像的危險品自動識別研究領域，具體涉及一種基于三維X射線成像的危險品自動識別裝置及方法。

背景技術：

目前在機場、車站、政府大樓、監(jiān)獄等需要進行安全檢查的地方大多都配備有X射線安檢機，通過X射線對行李物品進行成像，然后由操作人員觀察顯示器上的行李X射線圖像快速判斷行李內(nèi)是否有違禁物品。操作人員通過訓練需要能夠快速、準確的對行李圖像進行判斷，盡可能的減少開包檢查次數(shù)，保證人員快速通行。在行李檢查過程中，完全依靠人眼進行觀察，要求操作人員必須對違禁品的形狀、顏色等圖像特征相當熟悉，并且需要積累大量經(jīng)驗。操作人員需要長時間集中注意力進行安全檢查，工作量巨大；由操作人員值守判斷準確率較高，但是易受各種外界因素影響，難以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為了輔助安檢儀操作人員進行行包違禁品檢查，有些安檢儀已經(jīng)帶有危險品識別功能，但是只能作為初級輔助檢測手段，誤報率和漏報率都較高，無法達到自動識別報警的要求。專利申請公布的“醫(yī)用和工業(yè)用X射線實時立體成像裝置(201010271777.3)”，它通過X射線源和X射線圖像探測器在一定距離內(nèi)產(chǎn)生移動或轉(zhuǎn)動實現(xiàn)X射線的三維成像，可以顯示被檢對象的X射線三維圖像和內(nèi)中部件的三維定位。但該設備并不具備自動數(shù)據(jù)分析、被檢物自動識別等功能。

專利申請公布的“基于層析成像的X光機與探測器幾何位置關系的標定方法(201410517688.0)”，提出典型的層析成像系統(tǒng)中，X射線探測儀由機械裝置固定在特定軌道上移動，但是往往光機和探測器之間的相對位置并不固定，會導致在成像過程中人們無法準確的知道每次曝光時探測器和X射線探測儀之間的相對位置關系，而這種不確定關系也會直接導致人們無法得到理想的重建圖像。它提出了一種基于層析成像的X光機與探測器幾何位置關系的標定方法。但該發(fā)明也不涉及成像結(jié)果的分析和識別，無法實現(xiàn)危險品的自動識別。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有X射線安檢儀在自動危險品識別方面存在的不足，提供一種三維的X射線成像的危險品自動識別裝置及方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：基于三維X射線成像的危險品自動識別裝置，包括X射線發(fā)射管、電源、運動臺架、控制電路、電動滾筒、皮帶、計算機和顯示器，該裝置能夠輸出被檢行李的三維偽彩圖像，圖像的顏色分布代表被檢行李物品的物質(zhì)屬性，還包括數(shù)字信號處理單元和探測器，其中，

所述數(shù)字信號處理單元的信號輸入接口部分包括數(shù)個數(shù)據(jù)串行接口，一個有效數(shù)據(jù)率為2GB/s的第三代總線PCIE(PCI Express)接口，以保證圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸；

所述數(shù)字信號處理單元的信號處理部分包括一個數(shù)字信號處理器，可以實時處理多路輸入數(shù)據(jù)，能夠進行實時的圖像預處理、三維圖像重建、分割和識別，有多路串口數(shù)據(jù)輸出；

所述數(shù)字信號處理單元的信號輸出部分包括一個用于傳輸圖像檢測結(jié)果的VGA接口，多路串口輸出，一個蜂鳴器，一個LED燈報警模塊；

所述探測器的輸出是顯示在液晶屏上的處理后帶有危險品標注的圖像，可以設置三維結(jié)果顯示，也可以選擇二維圖像顯示，包括單幀顯示和序列圖像顯示；還可以選擇聲音、LED燈和串行數(shù)據(jù)報警，以哪種形式顯示可以通過觸摸屏進行設置。

本發(fā)明還提供一種基于三維X射線成像的危險品自動識別方法，該方法利用上述的基于三維X射線成像的危險品自動識別裝置，該方法包括以下步驟：

步驟(1)X射線探測儀對被檢物進行移動掃描以獲得對象的完整容積數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，X射線探測儀與計算機之間通過PCIE(PCI Express)接口相連；

步驟(2)在計算機上基于獲取的片層圖像進行三維目標重建，通過多幅等間隔的片層圖像重建三維目標，實現(xiàn)被檢查物體的三維分析、操作和顯示，在此使用基于匹配的圖像插值方法形成等分辨率的數(shù)據(jù)解決掃描獲取的圖像在三個正交方向的空間分辨率不一致的問題，基于匹配的插值方法考慮到被檢測物體在三維空間中的幾何形狀的不規(guī)則性，可產(chǎn)生較好的中間切片圖像，在此主要使用邊緣輪廓信息進行匹配，此外也使用幾何結(jié)構、灰度、顏色等信息來改善匹配效果，得到疑似危險品目標之后進行內(nèi)插，以產(chǎn)生連續(xù)變化的中間物體輪廓，完成插值后，進行目標的三維重建，由于安檢需要具有實時性，在此使用基于輪廓的表面模型法進行三維重建，先從二維片層中抽取輪廓，然后確定相鄰斷層上輪廓的對應關系，并構造一組對應輪廓的表面；

步驟(3)三維目標識別過程主要包括三維目標預分割、目標特征提取和目標識別三步，使用高斯曲率分割法進行目標預分割，通過區(qū)域增長、設置閾值、迭代操作將曲面分割成互不相交的區(qū)域，然后提取各個目標的三維目標特征，包括長寬高、面積、連通性幾何特征和Hu矩等代數(shù)特征，通過實驗獲得大量危險品的正負樣本圖像，并使用這些已知圖像數(shù)據(jù)進行分類器建模，最終使用模型進行危險品識別；

步驟(4)安檢儀工作時，利用三維圖像分析方法檢測行李中是否有危險品，當行李通過X射線安檢通道時，計算機對X射線成像數(shù)據(jù)進行插值、三維重建、處理和分析，通過圖像濾波、增強、分割、特征提取和分析，如果發(fā)現(xiàn)有管制刀具、槍支和/或液體危險品，則將危險品在圖像中圈出并將圖像數(shù)據(jù)通過PCIE接口傳輸?shù)接嬎銠C并將其顯示在液晶顯示器上，并顯示相應危險品報警提示語和危險品名稱預測，可以選擇設置發(fā)出聲音和LED燈的閃爍報警。

進一步的，將目前的完全依靠安檢人員監(jiān)測X射線圖像來發(fā)現(xiàn)危險品的方法改進為依靠計算機圖像分析來輔助安檢人員進行安全檢查的方法，只有當計算機發(fā)出危險品報警時安檢人員才需要進行查看，通過對屏幕上顯示的危險品進行放大來確認是否真有危險品存在，如果計算機不進行報警則無需安檢人員查看，旅客均可快速通過安檢通道。

進一步的，通過接口進行連接，各個功能模塊相對獨立，便于產(chǎn)品集成和設備改造升級，能夠通過計算機圖像處理方法迅速發(fā)現(xiàn)行包內(nèi)的危險品并通過圖像、聲音、燈光進行報警，而且報警方式可選，這種使用圖像進行危險品探測的方法節(jié)省了大量人力、物力，提高了安檢的智能化水平，縮短了旅客的安檢通過時間。

進一步的，使用三維圖像數(shù)據(jù)進行目標檢測，得到的信息更多，能夠較好的解決目前二維X射線圖像目標識別中較難解決的多目標重疊問題。

本發(fā)明的具體方案還在于：

一種三維的X射線成像的危險品自動識別裝置及方法，包括三維X射線安檢機、信號輸入接口、數(shù)字信號處理單元、報警單元、信號輸出接口五部分。X射線安檢機捕獲生成的彩色圖像通過數(shù)字信號傳輸接口輸入到本系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器，由數(shù)字信號處理器對圖像信號進行分析處理，處理后的報警信息可以以聲音、串行數(shù)據(jù)、圖像的形式進行輸出。

所述三維X射線安檢機，包括X射線發(fā)射管、電源、運動臺架、控制電路、電動滾筒、皮帶、計算機、顯示器等，能夠輸出被檢行李的三維偽彩圖像，圖像的顏色分布代表被檢行李物品的物質(zhì)屬性，如黃色代表有機物、藍色代表金屬等；

所述數(shù)字信號處理單元的信號輸入接口部分包括數(shù)個數(shù)據(jù)串行接口，一個有效數(shù)據(jù)率為2GB/s的第三代總線PCIE(PCI Express)接口(保證圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸)；

所述數(shù)字信號處理單元的信號處理部分包括一個數(shù)字信號處理器，可以實時處理多路輸入數(shù)據(jù)，能夠進行實時的圖像預處理(包括去噪、增強等)、三維圖像重建、分割和識別，有多路串口數(shù)據(jù)輸出；

所述數(shù)字信號處理單元的信號輸出部分包括一個用于傳輸圖像檢測結(jié)果的VGA接口，多路串口輸出，一個蜂鳴器，一個LED燈報警模塊；

探測器的輸出是顯示在液晶屏上的處理后帶有危險品標注的圖像，可以設置三維結(jié)果顯示，也可以選擇二維圖像顯示，包括單幀顯示和序列圖像顯示；還可以選擇聲音、LED燈和串行數(shù)據(jù)報警，以哪種形式可以通過觸摸屏進行設置。

本發(fā)明基于上述裝置的危險品自動檢測報警方法，系統(tǒng)進行以下步驟：

利用三維X射線探測儀獲取片層圖像信息。此處在X射線探測儀對被檢物進行移動掃描以獲得對象的完整容積數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，X射線探測儀與計算機之間通過PCIE(PCI Express)接口相連。

在計算機上基于獲取的片層圖像進行三維目標重建，方法是通過多幅等間隔的片層圖像重建三維目標，實現(xiàn)被檢查物體的三維分析、操作和顯示。為了解決掃描獲取的圖像在三個正交方向的空間分辨率不一致的問題，在此使用基于匹配的圖像插值方法形成等分辨率的數(shù)據(jù)?；谄ヅ涞牟逯捣椒紤]到被檢測物體在三維空間中的幾何形狀的不規(guī)則性，可產(chǎn)生較好的中間切片圖像。在此主要使用邊緣輪廓信息進行匹配，此外也使用幾何結(jié)構、灰度、顏色等信息來改善匹配效果。得到疑似危險品目標之后進行內(nèi)插，以產(chǎn)生連續(xù)變化的中間物體輪廓。完成插值后，進行目標的三維重建。由于安檢需要具有實時性，在此使用基于輪廓的表面模型法進行三維重建。先從二維片層中抽取輪廓，然后確定相鄰斷層上輪廓的對應關系，并構造一組對應輪廓的表面。

三維目標識別過程主要包括三維目標預分割、目標特征提取和目標識別三步。在本發(fā)明中使用高斯曲率分割法進行目標預分割，通過區(qū)域增長、設置閾值、迭代等操作將曲面分割成互不相交的區(qū)域。然后提取各個目標的三維目標特征，主要包括長寬高、面積、連通性等幾何特征和Hu矩等代數(shù)特征。通過實驗獲得大量危險品的正負樣本圖像，并使用這些已知圖像數(shù)據(jù)進行分類器建模，最終使用模型進行危險品識別。

安檢儀工作時，利用三維圖像分析方法檢測行李中是否有危險品。其特征在于，當行李通過X射線安檢通道時，計算機對X射線成像數(shù)據(jù)進行插值、三維重建、處理和分析，通過圖像濾波、增強、分割、特征提取和分析，如果發(fā)現(xiàn)有管制刀具、槍支、液體等危險品，則將危險品在圖像中圈出并將圖像數(shù)據(jù)通過PCIE接口傳輸?shù)接嬎銠C并將其顯示在液晶顯示器上，并顯示相應危險品報警提示語和危險品名稱預測，可以選擇設置發(fā)出聲音和LED燈的閃爍報警。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

隨著技術的快速發(fā)展，很多城市都在新建地鐵、高鐵，對安檢儀的需求也非常大，而目前我國的人工費用也逐年升高，使用這種有更高識別率的三維X射線安檢機提供基于圖像識別的危險品檢測技術，能夠減少安檢人員的需求量，降低安檢人員的工作強度，提高安檢效率。另外，本裝置還預留其他信息輸入接口，可將其他探測手段獲取的數(shù)據(jù)，如金屬探測、拉曼探測、中子探測的數(shù)據(jù)匯集到處理單元內(nèi)，進行多種數(shù)據(jù)的融合處理，得到魯棒性更高、探測準確率更高的結(jié)果。由于本發(fā)明的多接口、功能模塊獨立耦合的設計，提高了裝置的實用性，利于后期設備改造。在信號處理部分，將使用智能圖像信息分析方法進行行包危險品探測，促進安檢設備的智能化。

附圖說明

圖1是三維X射線安檢機行李危險品自動檢測報警裝置系統(tǒng)結(jié)構圖。

圖2是信號處理單元外觀示意圖。

圖3是設備的安裝布局及連接方式示意圖。

圖4是三維X射線安檢機行李危險品自動檢測報警裝置的運行流程圖。

圖5是三維X射線安檢機行李危險品自動檢測算法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

參見圖1本裝置的具體結(jié)構如下：

基于三維X射線立體成像系統(tǒng)的危險品檢測自動報警裝置，由三維X射線安檢機和數(shù)據(jù)處理單元兩大部分組成。三維X射線安檢機由X射線發(fā)射管、運動機構、電源、控制電路、電動滾筒、皮帶、計算機、顯示器等構成；數(shù)據(jù)處理部分包括信號輸入接口101、圖形處理單元(GPU)102、信號輸出接口103、報警單元104和供電系統(tǒng)105。信號輸入接口包括用于接收三維X射線圖像信號的PCIE接口、為接收其他探測設備數(shù)據(jù)的預留串行接口等；圖形處理單元是用于對三維X射線圖像信號和其他探測信號進行分析的GPU；信號輸出接口包括返回處理后三維圖像使用的VGA接口、輸出報警信號的串行接口；報警單元包括LED燈、蜂鳴器及顯示器。供電系統(tǒng)用于為圖形處理單元、報警單元供電。

圖形處理部分集成在一塊電路板上實現(xiàn)，包括一個電源接口、若干個串行接口、兩個PCIE接口。電源接口與電源連接；輸入串行接口作為預留口和其他探測器連接，輸入PCIE接口用于連接三維X射線安檢機和圖形處理單元，將原始圖像數(shù)據(jù)輸入到信號處理器中；蜂鳴器和LED燈通過串行接口與數(shù)字信號處理器連接；處理后的圖像通過網(wǎng)絡接口連接至X射線安檢機并將結(jié)果顯示在LCD液晶屏上。圖2是數(shù)據(jù)處理單元外觀。201是GPU芯片；202預留的是串行信號輸入接口；203是數(shù)據(jù)處理單元電源接口，用于給整個數(shù)據(jù)處理單元供電；204是PCIE接口，用于傳輸三維X射線圖片；205是信號輸出串口，輸出系統(tǒng)狀態(tài)、故障信息、報警信息等數(shù)據(jù)；208是觸摸屏，可進行輸出選擇，可以選擇聲音報警、燈光報警、圖像報警，三種模式為復選式；209是主機開關按鍵；210是信號處理單元面板，所有組件都集成在該面板上。

圖3是設備的安裝(連接)方式示意圖。301為置物臺，302為三維X射線探測儀，303為液晶顯示器，304為數(shù)據(jù)處理單元，其中包含輸入輸出接口、蜂鳴器和LED燈，305為電源，306是數(shù)據(jù)處理單元與顯示器的連接，307為數(shù)據(jù)處理單元與主機連接的通道，包括供電系統(tǒng)的連接和信號連接。旅客通過安檢機時將行包置于301上，當行包通過302時，探測器探測到的信號(包括X射線圖像和后期擴展之后得到的如金屬探測信號等)通過307的PCIE接口和串行接口發(fā)送到信號處理單元。處理之后的結(jié)果(包括帶有標記的三維X射線圖像、聲音和燈光報警信號)發(fā)送到液晶顯示器303和蜂鳴器及LED燈。

圖4是本自動行包安檢機工作流程圖。設備通電啟動后，302內(nèi)的皮帶開始轉(zhuǎn)動，當有旅客將行包放置在置物臺上時，皮帶加速轉(zhuǎn)動，行包通過302的檢測通道，此時302捕獲通帶內(nèi)的行包三維X射線圖像，圖像會進入數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元中已存有前期訓練好的分類器模型。捕獲的X射線圖像經(jīng)過圖像濾波和非線性增強、片層圖像插值、三維重建、三維圖像分割、特征提取和分類識別，最終會得到是否是危險品的分類結(jié)果。如果是危險品，則將危險品區(qū)域圈出并標注危險品的可能名稱，根據(jù)觸摸屏208上的選擇發(fā)出聲音、燈光報警，提示相關安檢人員進行查看。

系統(tǒng)中信號的具體處理過程如下：

X射線圖像信號：信號進入數(shù)據(jù)處理單元的GPU芯片201中，通過相應的算法判斷視場中是否有危險品出現(xiàn)，如果有，則在圖像上標注相關危險品信息并將圖像通過PCIE接口傳輸?shù)街鳈C并在液晶顯示器中顯示，可以通過觸摸屏選擇聲音報警、燈光報警或圖像報警。

其他探測信號：在系統(tǒng)擴展后，會同時探測金屬、液體等信息，這些信號也會送入數(shù)據(jù)處理單元的芯片201中判斷行包中是否有危險品出現(xiàn)，如果有，則通過融合圖像探測結(jié)果和其他探測結(jié)果，在LCD上顯示最終探測結(jié)果，發(fā)出告警信息，可以選擇聲音報警和燈光報警。

實際應用舉例如下：

本發(fā)明適用于需要安裝安檢機的場所，如火車站、地鐵站、監(jiān)獄、看守所等場所安裝。1.硬件安裝與系統(tǒng)建立：按照圖3所示安裝好X射線安檢機，包括圖3的置物臺301、三維X射線探測儀302、液晶顯示器303、電源305，然后利用信號傳輸線(PCIE線和串口線)將數(shù)據(jù)處理單元接至圖3的三維X射線探測儀302，接通數(shù)據(jù)處理單元電源305，LCD的視頻線亦接至數(shù)據(jù)處理單元的信號VGA接口。本發(fā)明裝置也可與網(wǎng)絡管理系統(tǒng)相連，將報警數(shù)據(jù)上傳，構成智能安檢系統(tǒng)。2.裝置初始化：系統(tǒng)啟動后，對所有部件進行的初始化，系統(tǒng)各設備自檢，若出現(xiàn)故障，在圖3的液晶顯示器303上顯示故障信息。報警形式可通過觸摸屏進行選擇，選擇燈光、聲音報警模式時，不同的選擇會發(fā)出不同的報警信號，由中斷程序控制相應報警串口的通斷；如果自檢正常，監(jiān)控系統(tǒng)開始工作。3.裝置工作過程：當信息處理單元檢測到行包中存在危險品時，發(fā)出報警信息并在LCD上將危險品區(qū)域圈定，報警信息的形式由用戶選擇。當危險品報警器檢測到有危險品攜帶時，發(fā)出報警通知相關人員查看三維X射線探測儀監(jiān)控信息，若確實在行包中出現(xiàn)危險品，可以由安檢人員采取相應的措施。4.危險品檢測算法：X射線安檢機捕獲的圖像信號編碼后發(fā)送至信號處理單元的GPU芯片中，首先用高斯濾波對圖像濾波，用非線性增強方法對圖像進行增強。通過對片層圖像插值、三維重建，得到光滑的三維目標圖像，然后使用高斯曲率分割法進行三維圖像分割，特征各個分割目標的幾何特征、代數(shù)特征等，使用之前訓練好的分類模型進行識別，最終得到是否是危險品的分類結(jié)果。如果有危險品攜帶，將報警信息通過串口發(fā)出，在LCD上顯示紅框圈定危險品區(qū)域。