(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のボクセルによって表される三次元容積中の爆発物の存在を確かめる方法であって、該爆発物が、少なくとも一つの寸法でボクセルの直線寸法よりも小さいところで、該方法が、
（ａ）該三次元容積を放射線走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの密度を測定する段階と、
（ｂ）所与のボクセルに関して、所与のボクセルと同じ平面ならびに所与のボクセルよりも上の平面および下の平面のボクセルの密度と該所与のボクセルの密度との間の差を所定のしきい値と連続性に関して比較する、連続性評価過程を用いて、該密度の類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有する連続するボクセルの群を識別する段階と、
（ｃ）該連続するボクセルの群の質量が所定の値を有するならば、該連続するボクセルの群を、該爆発物を潜在的に含むものとして識別する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
複数のボクセルによって表される三次元容積中の爆発物の存在を確かめる方法であって、該爆発物が、少なくとも一つの寸法でボクセルの直線寸法よりも小さいところで、該方法が、
（ａ）該三次元容積を放射線走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの密度を測定する段階と、
（ｂ）所与のボクセルに関して、所与のボクセルと同じ平面ならびに所与のボクセルよりも上の平面および下の平面のボクセルを、連続性に関して該所与のボクセルと比較する、連続性評価過程を用いて、選択された参照値に対する複数のボクセルのそれぞれの密度の差が所定のしきい値よりも小さいかどうかを決定するために、該複数のボクセルのそれぞれのボクセルをチェックする、該密度の類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有する連続するボクセルの群を識別する段階と、
（ｃ）該連続するボクセルの群の質量が所定の値を有するならば、該連続するボクセルの群を、該爆発物を潜在的に含むものとして識別する段階と、
を含む方法。
【請求項３】
走査がＸ線走査を含む、請求項１および２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４】
三次元容積が荷物の内容物を含む、請求項１および２のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
複数のボクセルによって表される三次元容積中の爆発物の存在を確かめる装置であって、該爆発物が、少なくとも一つの寸法でボクセルの直線寸法よりも小さいところで、該装置が、
（ａ）該爆発物を走査するための走査装置と、
（ｂ）処理装置とを含み、
該処理装置が、
（１）所与のボクセルに関して、所与のボクセルと同じ平面ならびに所与のボクセルよりも上の平面および下の平面のボクセルの密度と、該所与のボクセルの密度との間の差を所定のしきい値と連続性に関して比較する、連続性評価過程を用いて、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの密度を測定し、該密度の類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有する連続するボクセルの群を識別するための連続性識別モジュールと、
（２）該連続するボクセルの群の質量が所定の値を有するならば、該連続するボクセルの群を、該爆発物を潜在的に含むものとして識別するための爆発物識別モジュールとを含む装置。
【請求項６】
複数のボクセルによって表される三次元容積中の爆発物の存在を確かめる装置であって、該爆発物が、少なくとも一つの寸法でボクセルの直線寸法よりも小さいところで、該装置が、
（ａ）該爆発物を走査するための走査装置と、
（ｂ）処理装置とを含み、
該処理装置が、
（１）所与のボクセルに関して、所与のボクセルと同じ平面ならびに所与のボクセルよりも上の平面および下の平面のボクセルを、連続性に関して該所与のボクセルと比較する、連続性評価過程を用いて、選択された参照値に対する複数のボクセルのそれぞれの密度の差が所定のしきい値よりも小さいかどうかを決定するために、該複数のボクセルのそれぞれのボクセルをチェックする、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの密度を測定し、該密度の類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有する連続するボクセルの群を識別するための連続性識別モジュールと、
（２）該連続するボクセルの群の質量が所定の値を有するならば、該連続するボクセルの群を、該爆発物を潜在的に含むものとして識別するための爆発物識別モジュールとを含む装置。
【請求項７】
走査装置がＸ線走査装置である、請求項５および６のいずれか１項記載の装置。
【請求項８】
三次元容積が荷物の内容物を含む、請求項５および６のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
（ａ）三次元容積を走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの密度を測定する段階と、
（ｂ）所与のボクセルに関して、所与のボクセルと同じ平面ならびに所与のボクセルよりも上の平面および下の平面のボクセルの密度と、該所与のボクセルの密度との差を所定のしきい値と連続性に関して比較する、連続性評価過程を用いて、該複数のボクセルのうち、類似した密度を有するボクセルどうしを連結し、標識する段階と、
（ｃ）類似した密度を有する連続するボクセルの領域それぞれの質量を測定する段階と、
（ｄ）類似した密度を有する連続する領域それぞれの質量を所定のしきい値に比較し、しきい値を超える領域それぞれを、潜在的に爆発物を含む領域として識別する段階と、
を含む、爆発物を検出する方法。
【請求項１０】
（ａ）三次元容積を走査して、該三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの密度を測定する段階と、
（ｂ）所与のボクセルに関して、所与のボクセルと同じ平面ならびに所与のボクセルよりも上の平面および下の平面のボクセルを、連続性に関して該所与のボクセルと比較する、連続性評価過程を用いて、選択された参照値に対する複数のボクセルのそれぞれの密度の差が所定のしきい値よりも小さいかどうかを決定するために、該複数のボクセルのそれぞれのボクセルをチェックする、該密度の類似した値を有するボクセルを識別して、該類似した値を有する連続するボクセルの群を識別する段階と、
（ｃ）類似した密度を有する連続するボクセルの領域それぞれの質量を測定する段階と、
（ｄ）類似した密度を有する連続する領域それぞれの質量を所定のしきい値に比較し、しきい値を超える領域それぞれを、潜在的に爆発物を含む領域として識別する段階と、
を含む、爆発物を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
発明の背景
本発明は、薄い物体、たとえば荷物の壁に沿って配設された爆発物を検出するための改良された技術に関する。より具体的には、本発明は、Ｘ線コンピュータ化トモグラフィー（ＣＴ）を使用して、薄い物体、たとえば爆発物を検出するための改良された技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
壊滅的な損害をもたらすのに必要な爆薬の量は比較的少なく、プラスチック爆薬はほぼいかなる所望の形にも形成することができるため、荷物の中の爆発物の検出はきわめて困難な問題である。おそらく、検出するのに最も困難な形態は、材料を、一方向には非常に小さな物理的広がりしか持たない薄い板状物に変形させた板状爆発物である。
【０００３】
爆発物を検出する一つの従来方法は、Ｘ線ＣＴの使用によるものである。Ｘ線ＣＴとは、Ｘ線を物体に通し、その物体を透過するＸ線の減衰を計測することによって物体の内部構造を測定する技術である。この技術では、物体が多数のボクセルに細分される。ボクセルとは、画像処理に用いるための容積測定の基本単位である。爆発物は、荷物の中の他の物体に比べて、特定の密度範囲、たとえば１．２〜１．８gm/ccの密度を有し、したがって、爆発物以外の場合とは異なってＸ線を減衰させる。
【０００４】
一般に、ＣＴシステムは、ボクセルサイズが画像中の最小の対象物にほぼ相当するように設計されている。高いコントラスト感度が求められる場合、この手法は明らかに正当化される。実際には、対象の空間的寸法よりもいくらか小さいボクセルサイズがしばしば使用される。しかし、この手法は、画像を取得し、再構成するのに多数の検出素子、視角位置およびボクセルを要するため、システムのコストおよび複雑さが大幅に増す。Ｘ線光源充填量もまた、より小さいボクセル寸法に対してほぼ同じ数のＸ線、ひいては同じ信号対雑音比を維持する必要性により、有意に増大する。
【０００５】
板状爆発物の薄い寸法がＣＴ画像中の直線ボクセル寸法よりも小さいならば、そのボクセルが爆発物によって完全には満たされないという事実により、対象のボクセルの測定密度は低下する。図１および２は、爆発物密度ρが１．５gm/ccである構造の場合のこの問題を示す。図１は、爆発物で完全に満たされた、平均密度が１．５gm/ccであるボクセルＶ1を示す。図２は、板状爆発物の一部を含む、板状物の厚さがボクセルの直線寸法の２０％であるボクセルＶ2を示す。ボクセルＶ2の平均密度ρは０．３gm/ccに減少している。従来のＣＴシステムならば、ボクセルＶ2に関して、爆発物に予想される密度よりも低い密度で計算してしまい、したがって、ボクセルＶ2を、爆発物を含有しないものとして識別するであろう。
【０００６】
課題は、スーツケース中の背景物質からそのような板状爆発物を区別することである。
【０００７】
発明の概要
したがって、本発明の目的は、物体が一つの寸法において薄いとき、三次元空間中の物体の存在または不在を決定することである。
【０００８】
発明のもう一つの目的は、爆発物を検出するための改良された技術を提供することである。
【０００９】
本発明のもう一つの目的は、処理しなければならないボクセルの数を最小限にしながらも、同時に、たとえば荷物の壁に沿って配設された板状爆発物の検出を提供する、爆発物を検出する技術を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、爆発物検出のための費用の低いＸ線コンピュータ化トモグラフィーシステムを提供することである。
【００１１】
本発明による技術は、三次元容積中の物体、たとえば荷物の中の爆発物の存在または不在を確かめる。本発明による技術は、三次元容積の放射線走査を利用して、三次元容積を表す複数のボクセルそれぞれの性質（たとえば密度）を測定し、その性質の類似した値を有するボクセルを識別して、類似した値を有する連続するボクセルの群を識別する。そして、連続するボクセルの群の特徴が所定の値を有するならば、その連続するボクセルの群を、物体を含むものとして識別する。
【００１２】
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下に述べる本発明の詳細な説明によって明らかになろう。
【００１３】
好ましい態様の詳細な説明
本発明は、爆発物が、荷物の中の他の物品、たとえば衣類に比較して、特定の範囲の密度を有するという事実および多くの爆発物が、正しく爆燃するには、物体的に一体、すなわち連続していなければならないという事実に基づく。本発明によると、画像処理装置は、連結している成分を識別および標識して、特定の密度範囲の領域を識別し、それらの領域を一つの容積に合わせる。そして、その一つの容積が爆発物を含むとすれば、有意な損害をもたらすのに十分大きいかどうかを決定するために、その一つの容積のサイズを計算する。
【００１４】
本発明は従来のＣＴシステムよりも安価であるため、これは、たとえば、初期的な選抜に使用することができる。疑わしい領域が本当に爆発物であることを確認するために、たとえば中性子または手作業による二次的な検査を用いることができる。
【００１５】
本発明によるこの新規な技術では、事前知識を画像処理および解析と組み合わせて、より大きなボクセルサイズを有するシステム構造を提供する。たとえば、１．５gm/ccの密度を有する厚さ２mmの板状爆発物を考えてみる。従来のＣＴシステムでは、１ｍの視野をカバーするのに２mmのボクセルサイズが必要であり、５００個の検出素子が必要であろう。システムの空間解像度を維持するのに必要な５００×５００の画像を再構成するには、約１０００の視野が必要であろう。そのようなシステムは、より大きなボクセルサイズの使用を許す本発明に比べ、きわめて複雑かつ高価である。
【００１６】
図３および４は、本発明の好ましい態様に使用するのに適したハードウェアを示す。図３は、検査を受けようとしているバッグＢを示す斜視図である。バッグＢは、コンベヤ３００に沿ってＤ方向にガントリー１００に向かって運ばれる。ガントリー１００には、バッグがガントリー１００を通過するとき、バッグの中にＸ線を発するＸ線光源が含まれる。ガントリー１００にはまた、Ｘ線検出器のセットが含まれる。検出器は、バッグＢを透過したＸ線を検出する。検出器からの情報が処理装置２００に送られて、Ｘ線がバッグを透過したときの減衰が測定される。処理装置２００には、いずれも以下でさらに詳細に説明する連続性識別モジュール２１０および物体識別モジュール２２０が含まれる。減衰情報は処理装置２００によって使用されて、バッグの三次元画像における各ボクセルの密度が計算される。
【００１７】
バッグの三次元密度マップを再構成するには、バッグを種々の角度で見ることが必要である。したがって、ガントリー１００をバッグを中心に回転させるか、バッグを回転させるかのいずれかを行わなければならない。図３および４に示す構成では、バッグを回転させたならばバッグの内容物が移動するため、ガントリー１００を回転させる。
【００１８】
図４はガントリー１００の端面図である。図４に示す本発明の具現態様において、ガントリー１００は、１００cm×５０cmの最大バッグサイズを収容する大きさである。ガントリー１００には、Ｘ線光源１０および検出器アレイ２０が含まれる。光源１０は１４０kVpで１〜５kW光源であり、３０°の扇角を有している。検出器アレイ２０は、１２８０個の検出素子を８×１６０の配列で有している。各検出素子には、フォトダイオードに結合されたシンチレータおよび関連の電流積分電子部品が含まれる。この態様におけるボクセルサイズは０．６２５×０．６２５×１．２５cmである。標準的なバッグ（７５cm×５０cm×２０cm）の場合のスライスの回数は６０である。標準的なバッグの場合の総検査時間は、２５０回の検視を基準として８秒間である。
【００１９】
ＣＴ走査、ハードウェアおよび信号処理に関する一般的な背景情報は、「「コンピュータ化トモグラフィ第１部：概論および産業上の適用（Computed Tomography Part I: Introduction and Industrial Applications）」、The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, David C. Copley、Jeffrey W. EberhardおよびGregory A. Mohr、第46巻、その1、1994年1月、14〜26頁」「コンピュータ化トモグラフィー画像の原理（Principles of Computerized Tomographic Imaging）、Avinash C. KakおよびMalcolm Slaney（IEEE Press 1988）」および「投影による画像再構成（Image Reconstruction From Projections）、Gabor T. Herman（Academic Press 1980）」に見いだすことができる。これらの出版物の全内容は参照として本明細書に含まれる。
【００２０】
本発明によるこの新規な技術においては、約１cmの大きなボクセルサイズを用いることができる。所与のボクセルを通過する大きな板状爆発物は、ボクセル容積の２０％を満たし、その結果、０．３gm/ccのボクセルの平均密度をもたらすであろう。さらに、この密度は、０．２gm/ccのバッグの背景密度に対して区別するのにも十分な大きさである。したがって、選択した密度範囲、たとえば０．２５〜１．８gm/ccの密度のボクセルは、潜在的に爆発物を含むものとして識別される。このような特定範囲内の密度を有する領域を、領域Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3およびＲ4として図５および６に示す。以下、図５および６をさらに詳細に論じる。
【００２１】
上述の背景領域を識別したのち、三次元グレースケール連結成分識別および標識処理により、選択された密度範囲にある、物理的に連続するすべてのボクセルが結合される。成分識別および標識技術は、「Berthold Klaus Paul Hornによる自動装置視野（Robot Vision）（MIT Press 1986）の第４章」に記載されている。この出版物は参照として本明細書に含まれる。
【００２２】
この本文に記載されている手法を、本発明に使用するため、本発明が二次元バイナリー手法ではなく三次元グレースケール手法を用いるという点において改変する。ボクセルが１であるかどうかを決定するためにチェックするのではなく、チェックは、選択された参照値に対するその差△が所定のしきい値よりも小さいかどうかを決定するために実施される。所定のしきい値よりも小さいならば、そのボクセルは、ちょうどバイナリーの場合の１のように処理される。三次元では、面積の代わりに容積を使用する。所与のボクセルについて、連続するボクセルを、対象のボクセルよりも上の平面、それと同じ平面およびそれよりも下の平面に分割する。三次元ラスタ走査を上から下に実行し、その間、平面の中の走査は２次元ラスタ走査である。二次元の場合と同様に、連続する要素のサブセットを標識機構において使用する。上の平面のすべてのボクセルを評価する。上の平面のいずれかのボクセルが目標ボクセルのしきい値差△の範囲にあるならば、それは、そのボクセルの標識を割り当てられる。対象のボクセルの平面では、二次元の場合と同じボクセルを用いる。二次元の場合と同様に、二つの異なる標識を一つの成分の部分部分に用いることが可能である。実際、これは、対象の中央のボクセルに標識を与える二つのボクセルが点だけ（面または辺ではなく）でその中央のボクセルに連結しているときに当てはまる。このような場合、二つの標識が等しいことに留意し、それらのいずれかを中央のボクセルに使用する必要がある。二回目の画像走査を用いる再標識が必要であるかもしれない。
【００２３】
三次元では物理的に連続し、所定のしきい値未満の密度変動を有する指定の密度範囲にあるボクセルを分類し、識別のための標識を割り当てる。この連続性のチェックは三次元で実行されるため、いかなる方向のいかなる形状の薄い領域でも容易に識別される。
【００２４】
次に、各領域中のボクセル数を決定し、しきい値と比較する。小さな領域、すなわち、少数のボクセルしか含まない領域は、「無害」であるとして除外される。この状況を図５に示す。図５は、指定の密度範囲にある、連結していない小さな領域Ｒ1、Ｒ2およびＲ3を有する「無害な」バッグＢ1を示す。大きな連続領域、すなわち、所定のしきい値よりも多い数のボクセルを含む領域は、疑わしいものとして識別される。この状況を図６に示す。図６は、指定の密度範囲にある物質の大きな連続領域Ｒ4を有する疑わしいバッグＢ2を示す。そして、その領域中の各ボクセルの容積にその密度を掛けることにより、疑わしい領域に含まれる質量を計算する。得られた質量が所定のしきい値、たとえば１０００gmよりも大きいならば、その領域を仮に爆発物として識別する。そして、パルス高速中性子解析のような第二の検査技術を用いるか、バッグを開けるかのいずれかにより、立証することができる。
【００２５】
以下、図７を参照しながら上述の技術の詳細な実施例を説明する。図７に示す段階の大部分は、処理装置２００の連続性識別モジュール２１０および物体識別モジュール２２０で実行される。手近な特定の用途に応じて、これらのモジュールは、ソフトウェア、ハードウェアまたはそれらの組み合わせによって具現化することができる。
【００２６】
図７に示す技術は、本発明の原理を応用した一例にすぎないということを留意すべきである。当業者は、図７の技術の数多くの変形および変更が可能であることを理解するであろう。
【００２７】
図７の実施例は、以下の事前情報に基づくものである。
（１）爆発物密度は１．２〜１．８gm/ccの範囲である。
（２）スーツケース中の背景密度は約０．２gm/ccである。
（３）少量、たとえば１００ccまたは１５０gmの爆発物の検出は望まない。
（４）部分的な容積人工物は、ボクセルの充填の欠如に正比例して、密度コントラストを減らす。
【００２８】
手近な検出問題の詳細に基づいて、この事前情報に対して適切な変更を加えることができる。図７の実施例では、０．３〜１．８gm/ccを対象の密度範囲として選択している。
【００２９】
段階Ｓ1で、スーツケースを走査して、ボクセルごとの線形減衰係数を決定する。この係数が順に各ボクセルの密度を表す。走査および密度測定に適した技術は、ＣＴ走査に関する上述の参考文献に記載されている。この密度情報は段階Ｓ2〜Ｓ7での処理のためにメモリに記憶される。これらの段階は全部でスーツケースのＣＴ画像中の潜在的な爆破物領域を識別するものである。
【００３０】
段階Ｓ2で、類似した範囲の密度、すなわち、０．３〜１．８gm/ccの類似した密度を有するボクセルどうしを連結し、連続領域として標識する。段階Ｓ3で、各連続領域中のボクセル数を数える。段階Ｓ4で、各連続領域、すなわち、連結され、標識された各領域の容積を、その領域のボクセル数（段階Ｓ3より）にボクセル容積を掛けることによって測定する。段階Ｓ5が、連続領域ごとに、連続領域の容積がしきい値Ｔ1、たとえば７５０ccよりも大きいかどうかを決定する。しきい値Ｔ1よりも大きい容積の領域があるならば、それは疑わしいとみなされ、処理は段階Ｓ6に進む。
【００３１】
段階Ｓ6で、疑わしい連続領域にわたって各ボクセル密度とボクセル容積との積を合計することにより、各疑わしい連続領域の質量を測定する。段階Ｓ7が、各疑わしい連続領域の質量（Ｓ6より）がしきい値Ｔ2、たとえば１０００gmよりも大きいかどうかを判定する。疑わしい連続領域の質量がしきい値Ｔ2よりも大きいならば、その領域は、仮に爆発物として識別され、処理は段階Ｓ8に進む。段階Ｓ7は、警報を作動させることを含む。段階Ｓ8で、さらなる検査方法、たとえばパルス高速中性子解析により、またはバッグを開けることにより、爆発物の存在または不在を立証する。
【００３２】
この新たな技術は、２mmのボクセルの代わりに大きいボクセルを使用することができるため、必要な検出素子の数が減る。たとえば、１cmのボクセルを使用するならば、必要な検出素子の数は１００に減り、視角の数は約２００に減り、画像サイズは１００×１００に縮小する。したがって、検出器の数×視角の数に比例する入力データセットサイズは、２５倍（または、スライス厚を増すことができるため、それ以上）減る。視角の数×画像中のボクセル数に比例する画像再構成時間は、１２５倍短縮される。このような、データおよび計算の負担における徹底的な減少が、荷物検査のための実用的かつ信頼できるＣＴシステムをより簡素にする。
【００３３】
本発明を、その特定の具体的な用途および具現態様に関して上述したが、本発明の範囲は、上述の具体的な用途および具現態様には限定されない。当業者であれば、上記の教示を受けたのち、本発明の真髄および範囲の中での種々の変形、変更および応用を思いつくであろう。たとえば、本発明は、図３および４に示す物理的配置には限定されない。本発明は、荷物の中の板状爆発物を検出するのに特に有用であるが、対象物が、ＣＴ画像中、一つの方向でボクセルの直線寸法よりも小さい場合にはいつでも汎用性であり、たとえば、複合材料における層剥離を検出し、特徴づけるのに使用することもできる。したがって、本発明の範囲は、以下の請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
以下、添付の図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。
【図１】  図１は、１．５gm/ccの平均密度ρを有する完全に満たされたボクセルＶ1を示す。
【図２】  図２は、０．３gm/ccの平均密度ρを有する部分的に満たされたボクセルＶ2を示す。
【図３】  図３は、本発明による適切なハードウェア構成の斜視図である。
【図４】  図４は、本発明に使用するのに適したガントリーの端面図である。
【図５】  図５は、連結していない特定範囲の密度の小さな領域を有する危険のないバッグＢ1を示す図である。
【図６】  図６は、特定範囲の密度を有する、大きな連続する領域を有する疑わしいバッグＢ2を示す図である。
【図７】  図７は、本発明にしたがって爆発物を検出する技術を示す流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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