基于雙能X射線(xiàn)的液體危險(xiǎn)品識(shí)別分類(lèi)方法

胡紫薇，項(xiàng) 安，陳奕杰

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 上海 201804)

近年來(lái)，機(jī)場(chǎng)、地鐵、車(chē)站等區(qū)域?qū)τ谝后w危險(xiǎn)品的安全檢查越來(lái)越重視，由于這些區(qū)域人口密集，一旦被不法分子利用將產(chǎn)生難以預(yù)料的后果。然而，實(shí)際的液體一般是多種液體的混合物，混合物的配比不同，容器的形狀、材料、在安檢機(jī)中的位置不同均會(huì)導(dǎo)致識(shí)別結(jié)果精度偏低，誤報(bào)率和漏報(bào)率較高。

現(xiàn)階段利用X射線(xiàn)安檢技術(shù)對(duì)固體爆炸物的識(shí)別技術(shù)取得了極大的突破。SAMET等[1]提出了利用X射線(xiàn)安檢設(shè)備，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)行李的X射線(xiàn)圖像進(jìn)行特征提取后實(shí)現(xiàn)分類(lèi)，成功檢測(cè)出手槍、管制刀具等危險(xiǎn)物品；ANDRE等[2]提出了利用雙能量CT安檢設(shè)備，基于三維模型重構(gòu)計(jì)算行李中任何區(qū)域的原子序數(shù)和密度信息，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分類(lèi)，識(shí)別諸如金屬、毒品、爆炸物等危險(xiǎn)品。

對(duì)于固體危險(xiǎn)品的檢測(cè)方法已日漸完善，識(shí)別準(zhǔn)確率非常高，但是在液體危險(xiǎn)品檢測(cè)方向上還存在著諸多問(wèn)題。Optosecurity公司提出了通過(guò)知識(shí)庫(kù)去除傳送帶和玻璃壁的影響，基于數(shù)學(xué)模型計(jì)算有效路徑對(duì)液體進(jìn)行識(shí)別[3]，但是由于容器形狀不一，在行李中的位置難確定，容器材料與厚度對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響，檢測(cè)結(jié)果并不精確。李文博[4]提出在靜態(tài)條件下對(duì)危險(xiǎn)液體進(jìn)行區(qū)分，該方法僅針對(duì)靜態(tài)放置被檢品，且未提出去除容器影響的方案；王宇石等[5]提出MMA算法可對(duì)圓形或橢圓形容器盛放的高密度危險(xiǎn)液體實(shí)現(xiàn)識(shí)別，但需要多個(gè)光源來(lái)實(shí)現(xiàn)高識(shí)別率；查艷麗[6]在此基礎(chǔ)上提出對(duì)液體容器材料的識(shí)別算法，為實(shí)現(xiàn)液體檢測(cè)去除容器影響提供了一定的借鑒。

筆者利用現(xiàn)有雙能X射線(xiàn)安檢機(jī)，基于圖像深度學(xué)習(xí)，提出了一種去除容器壁厚的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算容器吸收系數(shù)，并利用圖像處理方法獲得精準(zhǔn)的容器定位，采用支持向量機(jī)和邏輯回歸模型實(shí)現(xiàn)R值分類(lèi)，完成對(duì)液體危險(xiǎn)品的識(shí)別，此方法能夠提升安檢效率與識(shí)別精度。

1 雙能X射線(xiàn)危險(xiǎn)液體識(shí)別方法原理

1.1 X射線(xiàn)安檢機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

雙能X射線(xiàn)安檢機(jī)主要由射線(xiàn)源和陣列探測(cè)器組成。由一列探測(cè)器收集線(xiàn)性的扇形X射線(xiàn)穿透物體后的衰減信號(hào)組成單個(gè)列陣，經(jīng)由傳送帶及采集率匹配得到行程矩陣數(shù)據(jù)信息，處理后由灰度信息形成偽圖像。由于被檢測(cè)物體的密度與厚度不同，形成圖像的灰度值也不同。對(duì)于單能系統(tǒng)，只能通過(guò)圖像中物體形狀來(lái)判斷。而對(duì)于雙能系統(tǒng)，則可以利用高低能數(shù)據(jù)圖像得到R值，從而計(jì)算得到物質(zhì)的有效原子序數(shù)Zeff的信息，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)鑒別。

1.2 雙能X射線(xiàn)物質(zhì)的分類(lèi)原理

假定入射X射線(xiàn)束能量為I0，通過(guò)厚度為H的物質(zhì)后其衰減為I。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后，其關(guān)系表現(xiàn)為Beer-Lambert定律[7]

(1)

式中：μm()為坐標(biāo)為處物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)；ρ()為物質(zhì)的密度。

對(duì)式(1)進(jìn)行變換得到X射線(xiàn)透視成像公式為

(2)

式中:L為射線(xiàn)穿透的有效長(zhǎng)度。

將X射線(xiàn)透過(guò)混合物等效為通過(guò)N份均勻的不同物質(zhì)(見(jiàn)圖1)，那么式(2)可以表示為

圖1 雙能X射線(xiàn)安檢機(jī)結(jié)構(gòu)示意

(3)

根據(jù)式(3)可以發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)穿透物質(zhì)的吸收強(qiáng)度由物體長(zhǎng)度和透射厚度決定。

X射線(xiàn)穿透物質(zhì)等效示意如圖2所示，高低能圖像的物質(zhì)厚度相抵消。可以得到R值計(jì)算公式如式(4)所示。

圖2 X射線(xiàn)穿透物質(zhì)的等效示意

(4)

這種方法即目前安檢機(jī)區(qū)分有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和混合物的方法[8]。

通過(guò)高低能數(shù)據(jù)得到被檢液體等效的R值之后，根據(jù)式(5)得到有效原子序數(shù)Zeff,從而完成對(duì)液體的識(shí)別。

Zeff=a·exp(α·R)+b·exp(β·R)

(5)

式中：a=-6.596X105,b=4.685,α=-9.815,β=0.678 3。這4個(gè)常數(shù)的取值為經(jīng)驗(yàn)值。

1.3 去除容器壁厚的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)式(4)和式(5),可以得到X射線(xiàn)安檢機(jī)檢測(cè)危險(xiǎn)品是通過(guò)高低能數(shù)據(jù)得到等效的R值,或者通過(guò)擬合曲線(xiàn)得到有效原子序數(shù)Zeff，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分類(lèi)的[9-13]。但是，這種方法在檢測(cè)液體危險(xiǎn)品時(shí)需要經(jīng)過(guò)一定的改進(jìn)。因?yàn)橐后w一般被盛放于容器中，容器的材料、壁厚等對(duì)高低能數(shù)據(jù)的影響將會(huì)直接影響到對(duì)液體物質(zhì)的分類(lèi)。所以，提出如下的一種理想狀態(tài)下的算法模型，盡可能剔除容器的干擾，得到液體的高低能數(shù)據(jù)與R值。

假定不考慮空氣、傳動(dòng)帶等因素的影響，將容器壁假定為均一、厚度相等的材料，將容器中的待檢測(cè)液體也視為均勻的。基于以上的理想化假設(shè)，可以將整個(gè)待檢測(cè)物體的吸收強(qiáng)度等效為

A=μbottleLbottle+μliquidLliquid

(6)

式中：A為吸收強(qiáng)度；μbottle為容器的吸收系數(shù)；Lbottle為射線(xiàn)穿過(guò)容器的有效長(zhǎng)度；μliquid為液體的吸收系數(shù)；Lliquid為射線(xiàn)穿過(guò)液體的有效長(zhǎng)度。

只要能夠求得μbottle，Lbottle的值，即可得到液體的相關(guān)參數(shù)并實(shí)現(xiàn)識(shí)別。

對(duì)于X射線(xiàn)源發(fā)出的一條X射線(xiàn)，其在穿過(guò)容器壁后，通過(guò)待檢測(cè)液體，再穿過(guò)容器壁到達(dá)直線(xiàn)上的陣列探測(cè)器接收點(diǎn)。此種理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖3 理想狀態(tài)下的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于射線(xiàn)源發(fā)出的兩條射線(xiàn)S1與S2，在分別經(jīng)過(guò)有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)1與L2的物質(zhì)吸收后被探測(cè)器接收。通過(guò)分析最終的成像信息，可以推算得到S1與S2對(duì)應(yīng)的探測(cè)的實(shí)際位置(x1，y1)，(x2，y2)。

假定X射線(xiàn)源處正上方的傳送帶為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，那么對(duì)于S1和S2分別有

(7)

(8)

(9)

(10)

將式(9)與式(10)代入式(7)與式(8)，化簡(jiǎn)得到

AS1cosα1=2dμbottle+μliquidHliquid,S1

(11)

AS2cosα2=2dμbottle+μliquidHliquid,S2

(12)

式中：Hliquid,S1，Hliquid,S2為射線(xiàn)穿過(guò)液體的有效長(zhǎng)度在垂直方向上的投影。

由于傳送帶的運(yùn)動(dòng)與慣性的存在，一般情況下，Hliquid,S1≠Hliquid,S2。

對(duì)式(11)與式(12)進(jìn)行差分得到

AS1cosα1-AS2cosα2=μliquidΔHliquid

(13)

由式(13)可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)差分可以消除容器壁對(duì)液體R值的影響。對(duì)高低能圖像同時(shí)進(jìn)行差分處理，后通過(guò)高低能數(shù)據(jù)相除可以得到理想狀態(tài)下液體R值的求解方法為

(14)

根據(jù)式(14)即可得到液體R值，再根據(jù)式(5)可得到液體的有效原子序數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)液體的識(shí)別分類(lèi)。

2 液體容器的X射線(xiàn)數(shù)學(xué)圖像定位方法

2.1 基本圖像處理

2.1.1 圖像噪聲分析與平滑處理

在X射線(xiàn)穿透被檢測(cè)液體的過(guò)程中，會(huì)存在暗電流產(chǎn)生的噪聲、探測(cè)器之間相互接收產(chǎn)生的噪聲、系統(tǒng)的噪聲等干擾。若不對(duì)噪聲進(jìn)行前期處理，會(huì)影響容器定位的效果。

對(duì)于暗電流產(chǎn)生的噪聲，采集射線(xiàn)源關(guān)閉時(shí)的圖像，對(duì)其進(jìn)行列均值處理，得到的值可以近似認(rèn)為是每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的暗電流數(shù)據(jù)。在通過(guò)被檢測(cè)液體時(shí)，將得到的雙能圖像減去暗電流數(shù)據(jù)，即可排除暗電流噪聲的干擾[14]。對(duì)于其他噪聲，可采用中值濾波的方法濾除。

2.1.2 圖像二值化處理

圖像二值化處理是為了減少圖像的冗余信息，對(duì)圖像進(jìn)行輪廓清晰化處理而進(jìn)行的步驟。二值化處理的基本原理是設(shè)定一個(gè)閾值，將高于該閾值的像素點(diǎn)設(shè)為1，小于該閾值的像素點(diǎn)設(shè)為0，從而達(dá)到過(guò)濾不相干信息，突出所需被檢物輪廓的目的。

在危險(xiǎn)液體檢測(cè)中，一般方法的處理結(jié)果顯示仍有較多的不相干背景殘留，無(wú)法得到較好的容器輪廓。在上述理論基礎(chǔ)上，筆者提出一種基于R值的圖像二值化處理方法，以盡可能多地濾除背景的影響。

基于R值的二值化處理方法為：首先，在不放置任何待檢測(cè)物的狀態(tài)下，得到“亮場(chǎng)圖片”數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行列均值處理后，以得到的數(shù)值作為每個(gè)探測(cè)點(diǎn)的滿(mǎn)載數(shù)據(jù)。然后，通過(guò)盛有被測(cè)液體的容器，得到被測(cè)物的高低能圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)式(4)將其分別除以對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)載數(shù)據(jù)后，進(jìn)行對(duì)數(shù)變換再相除可以得到R值圖像。通過(guò)選取合適的R值可以突出液體容器的信息，剔除其他不相關(guān)信息。

基于R值的二值化處理結(jié)果如圖4所示，通過(guò)對(duì)圖4的分析可以發(fā)現(xiàn)，基于R值的二值化算法能夠有效地濾除與液體容器無(wú)關(guān)的信息(如尺子等)，保留所需物體信息。

圖4 基于R值的二值化處理結(jié)果

2.1.3 圖像形態(tài)學(xué)處理

基于R值的二值化處理雖然能夠有效地剔除無(wú)關(guān)信息,得到液體容器信息，但是也導(dǎo)致了圖像出現(xiàn)缺失和存在多余點(diǎn)，甚至部分圖像未能連接在一起。為了更好地實(shí)現(xiàn)容器定位，在圖像二值化后進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，以減小空隙和去除多余信息點(diǎn)。對(duì)二值化處理后的圖像迭代4次腐蝕操作，再迭代4次膨脹操作，最后進(jìn)行融合操作，能夠保留較多的有用信息，并去除不必要的信息。

2.2 液體容器定位

一般的圖像識(shí)別問(wèn)題中，通常采用如圖5(a)所示的邊界矩形框?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)物體的查找，但是對(duì)于液體識(shí)別來(lái)說(shuō)，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)等厚度截面下的分析，所以采用如圖5(b)所示的最小外接矩形的方法實(shí)現(xiàn)容器定位。

圖5 矩形框方案示意

在簡(jiǎn)單場(chǎng)景下進(jìn)行試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，最小外接矩形的方案對(duì)經(jīng)過(guò)二值化和形態(tài)學(xué)處理后的液體容器的定位準(zhǔn)確性較高(見(jiàn)圖6)。

圖6 簡(jiǎn)單場(chǎng)景下最小外接矩形試驗(yàn)方案

3 液體R值的分類(lèi)算法研究

在基于去除容器壁厚的數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行處理后，不同液體的R值仍存在交叉，需要對(duì)其采用邏輯回歸模型與支持向量機(jī)模型進(jìn)行分類(lèi)。

3.1 分類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)流程

對(duì)于分類(lèi)模型，為了避免參數(shù)在訓(xùn)練過(guò)程中過(guò)擬合的現(xiàn)象，在訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)隨機(jī)選取80%的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，20%的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證集。在訓(xùn)練邏輯回歸模型上，首先在訓(xùn)練集上訓(xùn)練迭代幾次，得到一個(gè)模型參數(shù)，再通過(guò)得到的模型參數(shù)對(duì)驗(yàn)證集進(jìn)行判別，并將判別結(jié)果反饋給模型，模型通過(guò)梯度下降的方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化。執(zhí)行以上步驟多次，得到一個(gè)較為理想的模型參數(shù)作為邏輯回歸的參數(shù)值。對(duì)于支持向量機(jī)，因?yàn)槟Ｐ褪腔跀?shù)學(xué)方法求解的唯一值，因此不需要進(jìn)行梯度下降的方法優(yōu)化。但為了能夠與邏輯回歸模型訓(xùn)練的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，因此在選取數(shù)據(jù)中，選取同等訓(xùn)練數(shù)據(jù)值優(yōu)化支持向量機(jī)。

圖7為邏輯回歸模型、線(xiàn)性SVM(支持向量機(jī))以及非線(xiàn)性SVM在兩個(gè)γ值(支持向量機(jī)選擇高斯核函數(shù)作為內(nèi)核的一個(gè)參數(shù))下，二維數(shù)據(jù)(低能數(shù)據(jù)、R值)的分類(lèi)結(jié)果。由圖7可以直觀(guān)地看出，支持向量機(jī)的分類(lèi)效果在本該試驗(yàn)采集的樣本內(nèi)比邏輯回歸模型的效果更好，且對(duì)于非線(xiàn)性模型進(jìn)行非線(xiàn)性描述有更好的顯示結(jié)果。

圖7 分類(lèi)模型可視化結(jié)果

3.2 分類(lèi)算法評(píng)估

危險(xiǎn)液體識(shí)別事件是一個(gè)二分類(lèi)問(wèn)題，其檢測(cè)結(jié)果存在4種情況，即TP(True Positive)，F(xiàn)P(False Positive)，F(xiàn)N(False Negative)，TN(True Negative)。TP是指將危險(xiǎn)液體正確識(shí)別；FP是指將危險(xiǎn)液體錯(cuò)誤識(shí)別為非危險(xiǎn)液體；FN是將非危險(xiǎn)液體錯(cuò)誤識(shí)別為危險(xiǎn)液體；TN是正確識(shí)別非危險(xiǎn)液體。假定危險(xiǎn)液體判定為1，非危險(xiǎn)液體判定為0，該4種情況如表1所示。

表1 二分類(lèi)問(wèn)題判定情況

表中FN為誤報(bào)情況，F(xiàn)P為漏報(bào)情況。查準(zhǔn)率=TP/(TP+FP)，代表在所有判定為1的樣本中實(shí)際為1的正確率。查全率=TP/(TP+FN)，代表所有實(shí)際為1的樣本中被判定為1的正確率。

通過(guò)查準(zhǔn)率和查全率可以得到PR曲線(xiàn)(查準(zhǔn)率-查全率曲線(xiàn))，查準(zhǔn)率與查全率一般呈負(fù)相關(guān)，即一個(gè)指標(biāo)高時(shí)另一個(gè)指標(biāo)偏低。所以，根據(jù)PR曲線(xiàn)包圍的面積大小可以定性判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。定義該面積為AP，AP越大，表明判定準(zhǔn)確率越高。如圖8所示，邏輯回歸模型的AP值小于支持向量機(jī)。

圖8 不同模型PR曲線(xiàn)對(duì)比

ROC曲線(xiàn)(Receiver Operating Characteristic Curve，接收者操作特征曲線(xiàn))利用混淆矩陣派生假正率和真正率兩個(gè)度量，并用這兩個(gè)度量作為橫縱坐標(biāo)，生成ROC空間。其中，ROC曲線(xiàn)下方面積值為分類(lèi)模型的AUC(ROC曲線(xiàn)下的面積)值。在模型評(píng)比中，通常利用AUC作為衡量分類(lèi)器性能的度量，隨機(jī)效果對(duì)應(yīng)的AUC值為0.5，若數(shù)值小于0.5，需要考慮數(shù)據(jù)之間清洗以及替換其他模型，AUC值越接近1，就表示對(duì)應(yīng)的分類(lèi)模型的效果越好。不同模型和ROC曲線(xiàn)如圖9所示，邏輯回歸模型的AUC值小于支持向量機(jī)模型的。

圖9 不同模型ROC曲線(xiàn)對(duì)比

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

液體識(shí)別算法流程圖如圖10所示，在對(duì)得到的雙能X射線(xiàn)高低能圖像進(jìn)行濾波、二值化、形態(tài)學(xué)處理后，獲取液體容器的最小外接矩形，然后根據(jù)高低能數(shù)據(jù)，利用R值識(shí)別算法，對(duì)無(wú)托盤(pán)等遮擋物場(chǎng)景下的危險(xiǎn)液體進(jìn)行識(shí)別。設(shè)置了兩種場(chǎng)景，其識(shí)別信息如表2所示。

圖10 液體識(shí)別算法流程圖

表2 無(wú)遮擋物場(chǎng)景識(shí)別信息

簡(jiǎn)單場(chǎng)景識(shí)別結(jié)果如圖11所示(自上而下分別為容器1，2，3，4，紅色邊框表示識(shí)別為危險(xiǎn)液體)。

圖11 簡(jiǎn)單場(chǎng)景識(shí)別結(jié)果

對(duì)市面上存在的U型探測(cè)器和L型探測(cè)器分別進(jìn)行779次和740次采樣(總計(jì)1 519次采樣數(shù)據(jù))，采用兩種模型和R值分類(lèi)模型進(jìn)行評(píng)估，得到的評(píng)估結(jié)果如表3所示。

表3 各種分類(lèi)模型評(píng)估結(jié)果

根據(jù)表3，可以發(fā)現(xiàn)支持向量機(jī)模型對(duì)雙能X射線(xiàn)危險(xiǎn)液體的識(shí)別表現(xiàn)較好，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的識(shí)別準(zhǔn)確度，精確度能夠達(dá)到80%以上。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)圖11可以發(fā)現(xiàn)，筆者提出的數(shù)學(xué)模型可以在一定程度上去除容器壁厚對(duì)識(shí)別結(jié)果的影響，經(jīng)過(guò)中值濾波、二值化、形態(tài)學(xué)處理后，根據(jù)高低能圖像能夠利用最小外接矩陣得到液體容器的精確定位，從而得到液體的R值的原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體的識(shí)別。支持向量機(jī)模型和邏輯回歸模型均能夠利用物體的三維信息(高能、低能、R值)對(duì)液體進(jìn)行特征提取后分類(lèi)，而支持向量機(jī)模型對(duì)于文章研究的對(duì)象具有更好的分類(lèi)效果。

然而，去除容器壁厚的方法是在容器壁厚均勻的前提下建立的，對(duì)于不均勻壁厚的容器容易出現(xiàn)誤檢、漏檢，而現(xiàn)實(shí)中極有可能存在壁厚不均勻的情況，在此方面需要進(jìn)一步完善模型。另外，由于現(xiàn)實(shí)中液體容器所處的環(huán)境復(fù)雜，其他物體的遮擋對(duì)于判別結(jié)果的影響也需要作進(jìn)一步考慮。