СТАЦИОНАРНЫЙ ИНСПЕКЦИОННО-ДОСМОТРОВЫЙ КОМПЛЕКС
STATIONARY INSPECTION AND EXAMINATION COMPLEX

Изобретение относится к области технических средств бесконтактного неразрушающего контроля крупногабаритных объектов (КГО) с использованием рентгеновского излучения и может применяться для обнаружения в них незаконных скрытых вложений, например, наркотических средств, взрывчатых веществ, оружия, боеприпасов и др., на таможенных, полицейских и иных пунктах пропуска и контроля.
Известны два вида инспекционно-досмотровых комплексов (ИДК): стационарные (СИДК) и мобильные (МИДК) [1]. Независимо от вида все ИДК имеют типовой набор оборудования, входящего в их состав, и единый принцип работы [2].
Основными элементами оборудования являются источник рентгеновского излучения (ИРИ) и система приема рентгеновского излучения, прошедшего сквозь контролируемый КГО, включающая в себя детекторную линейку.
Принцип работы ИДК заключается в:
- формировании из исходного излучения в форме конуса с большим радиусом основания узкого веерообразного пучка рентгеновских лучей с помощью щелевой диафрагмы (коллиматора);
- расположении коллиматора строго напротив детекторной линейки и в одной плоскости с нею;
- равномерном перемещении КГО относительно неподвижного ИРИ (или наоборот: КГО неподвижен, а ИРИ перемещается с постоянной скоростью относительно неподвижного КГО);
- сканировании (просвечивании) веерообразным пучком лучей всего перемещаемого объекта контроля, который располагается между коллиматором и детекторной линейкой;
- регистрации детекторами прошедшего сквозь КГО рентгеновского излучения, интенсивность которого обратно пропорциональна плотности находящихся в КГО предметов;
- преобразовании аналоговых выходных сигналов (напряжения) детекторов в соответствующие цифровые коды;
- преобразовании цифровых кодов в видеосигналы и представлении цельного изображения КГО на экране монитора.
Наиболее распространенными являются МИДК, оборудование которых располагается на соответствующих автомобильных шасси [3]. Эти комплексы удобны в работе из-за своей мобильности, но они имеют и некоторые недостатки:
- ограничения по значению энергии рентгеновского излучения (не более 6 МэВ, в СИДК - порядка 9 МэВ), а от значения энергии зависят разрешающая способность, контрастность и проникающая способность по стали комплекса;
- развернутые в рабочем положении П-образные «ворота», в створе которых находится КГО, при движении МИДК по неровностям или сильной ветровой нагрузке совершают случайные раскачивания, которые могут привести к «смазыванию» отдельных фрагментов рентгеновского изображения КГО.
Стационарные ИДК имеют лучшие эксплуатационно-технические характеристики по сравнению с МИДК. Однако подавляющее большинство всех известных ИДК, в том числе и СИДК, позволяют получать только одно двухмерное (плоское) рентгеновское изображение, полученное под одним ракурсом по отношению к КГО. Очевидно, что полученное изображение объекта контроля не несет в себе достаточной информации, необходимой для проведения качественного его анализа оператором комплекса.
Известен стационарный ИДК [4], включающий в себя два ИРИ с соответствующими детекторными линейками. Источники излучения для наибольшего эффекта располагаются друг относительно друга под углом 90°.
Такая компоновка источников излучения и детекторных линеек позволяет получать два рентгеновских изображения одного и того же объекта, что заметно повышает информативность получаемых изображений и вероятность распознавания оператором предметов, находящихся в КГО.
Главным недостатком такого двухпроекционного СИДК является сложность технического решения комплекса и существенные экономические затраты на его изготовление, так как ИРИ имеют весьма высокую стоимость.
Известен рентгеновский досмотровый комплекс, выполненный по способу получения объемного изображения в рентгеновских досмотровых комплексах [5]. В комплексе вместо двух используется один ИРИ, перемещающийся по жесткой дуге с переменным фиксированным шагом от 0° до 90° относительно КГО. Аппаратура управления комплексом позволяет получать серии из К плоских рентгеновских изображений, сделанных под разными ракурсами расположения источника излучения относительно объекта через любой выбранный оператором шаг. Получение К изображений объекта под разными углами существенно повышает информативность получаемых изображений. Кроме того, по нескольким двухмерным изображениям несложно получить и трехмерное (объемное) изображение всего объекта или его части.
Недостатком данного комплекса является также непростое техническое решение и заметное увеличение времени проведения полного контроля КГО, так как для получения К изображений необходимо провести такое же количество сканирований КГО. Увеличение же времени проведения контроля вызовет появление очередей, например, из автотранспорта на таможенных и пограничных пунктах пропуска.
Наиболее близким техническим решением является отечественный СИДК СТ-6035 производства ООО «Скантроник Системе» (г. Санкт-Петербург) [6], который имеет конструкцию существенно проще аналогов, рассмотренных выше, и широкие функциональные возможности. На фиг. 1 представлен внешний вид прототипа.
Прототип имеет в своем составе: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - коллиматор (щелевую диафрагму); 3 - систему приема рентгеновского излучения, конструктивно выполненную в форме части окружности и включающую в себя детекторную линейку для преобразования рентгеновского излучения в аналоговый сигнал (напряжение); 4 - контролируемый КГО; 5 - направляющие для постановки КГО для сканирования; 6 - рельсовый путь для перемещения ИРИ, коллиматора и системы приема рентгеновского излучения относительно неподвижного КГО.
В прототипе, благодаря детекторной линейке в форме части окружности, получаются рентгеновские изображение высокого качества. Данное изображение анализируется оператором, применяя такие опции как: изменение яркости, резкости и контрастности, регулирование увеличения изображения, выделение подозрительных областей в КГО, представление изображения в обратном свете (негативное изображение), улучшение визуализации темных областей, уменьшение ряби на изображении с распознаванием материалов по четырем группам, изменение цветового представления изображения. По результатам анализа оператор должен принять решение: есть ли в КГО запрещенные предметы или нет. Данный процесс очень сложный и требует от оператора максимум опыта и навыков.
Однако все известные ИДК, в том числе, и СИДК, принятый за прототип, не позволяют получать на экране монитора четкие контуры различных предметов, находящихся внутри контролируемого КГО. А зачастую именно по контурам можно определить, что за предмет находится в контролируемом объекте. В этом заключается недостаток прототипа.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей предлагаемого стационарного ИДК, заключающееся в приобретении дополнительной опции - возможности получения четких контуров предметов, находящихся в контролируемом крупногабаритном объекте. Это, в свою очередь, позволит повысить вероятность качественного и эффективного проведения анализа рентгеновских изображений.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемый стационарный СИДК, содержащий источник рентгеновского излучения, коллиматор и систему приема рентгеновского излучения в форме части окружности, расположенные в железобетонном досмотровом тоннеле и составляющие единую конструкцию, перемещаемую по рельсам относительно неподвижного крупногабаритный объект контроля, который устанавливается для сканирования между коллиматором и системой приема рентгеновского излучения на площадке с соответствующими направляющими, а система приема рентгеновского излучения включает в себя детекторную линейку той же формы, на которую попадает узкий веерообразный пучок рентгеновских лучей, выходящий из коллиматора, причем, сигналы со всех N детекторов линейки поступают для преобразования на первый вход блока обработки информации (БОИ), с которым связан монитор оператора, дополнительно включены блок выделения контуров (БВК) и вторая аналогичная линейка с (N+1) детекторами, которая размещается также в системе приема рентгеновского излучения рядом с первой детекторной линейкой так, чтобы веерообразный пучок рентгеновских лучей перекрывал и ее, причем, сигналы со всех детекторов обеих линеек поступают на два соответствующих входа БВК, выход которого связан со вторым входом БОИ.
В свою очередь, БВК включает в себя по N штук сумматоров с одним инвертирующим входом в первой и второй группах, квадраторов в первой и второй группах, арифметических устройств, пороговых устройств, а также одно устройство задания порога, причем, выходы всех N детекторов первой линейки соединены с соответствующими инвертирующими входами всех сумматоров первой группы, выход нулевого детектора второй линейки соединен с инвертирующим входом первого сумматора второй группы, выходы детекторов второй линейки с первого по (N-1)-й соединены с соответствующими прямыми входами сумматоров обеих групп и с инвертирующими входами (i+1)-х сумматоров второй группы, а выход N-го детектора второй линейки связан только с прямыми входами N-x сумматоров обеих групп, причем, выходы всех N сумматоров каждой группы связаны с соответствующими входами N квадраторов своей группы, выходы которых соединены с соответствующими первым и вторым входами арифметических устройств, выходы которых соединены с первыми входами N пороговых устройств, а выход устройства задания порога соединен со всеми вторыми входами пороговых устройств, выходы которых, в свою очередь, являются выходами блока выделения контуров.
Функциональная схема стационарного ИДК представлена на фиг. 2. Теоретическое обоснование возможности получения контуров предметов представлено ниже, а на фиг. 3 представлена структурная схема вводимого блока выделения контуров и его связи с системой приема рентгеновского излучения.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
0
N
На фиг. 2 и 3 приняты следующие буквенные и цифровые обозначения: 1 - источник рентгеновского излучения, 2 - коллиматор, 3 - система приема рентгеновского излучения, 4 - контролируемый КГО, 5 - направляющие для постановки КГО для сканирования, 6 - рельсовый путь для перемещения ИРИ, коллиматора и системы приема рентгеновского излучения относительно неподвижного КГО, 7 - первая детекторная линейка, 8 - вторая детекторная линейка, 9 - блок обработки информации, 10 - блок выделения контуров, 11 - монитор, 12 - оператор анализа информации, 13 - железобетонный досмотровый тоннель, в котором расположено рентгеновское оборудование стационарного ИДК, 14-14 - сумматоры с одним инвертирующим входом первой группы, 15-15 - сумматоры с одним инвертирующим входом второй группы, 16-16 - квадраторы первой группы, 17-17 - квадраторы второй группы, 18-18 - арифметические устройства, 19-19 - пороговые устройства, 20 - устройство задания порога, N - количество детекторов на первой (основной) линейке 7 (7-7). Из фиг. 3 видно, что на второй (дополнительной) линейке 8 будет (N+1) детекторов (8-8).
Рассмотрим рентгеновское изображение как функцию двух координат: S(x,y). Тогда частные производные рентгеновского изображения dS(x,y)/dx и dS(x,y)/dy по x и у соответственно, могут быть вычислены в следующем виде:
Для выделения контуров изображения используют градиент [7]. Градиент представляет собой вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (скалярного поля), а по величине (модулю) равный скорости роста этой величины в этом направлении. Другими словами, градиент - это производная по пространству, но в отличие от производной по одномерному времени, градиент является не скаляром, а векторной величиной. Модуль градиента изображения можно вычислить в соответствии с выражением:
В предлагаемом изобретении для вычисления модуля градиента рентгеновского изображения введена вторая линейка детекторов 8. Тогда для двух линеек детекторов при х=1 будет иметь место следующее равенство:
В данном случае координата х=0 соответствует первой линейке детекторов 7, координата х=1 соответствует второй линейке детекторов 8.
Для получения сигналов, пропорциональных разности выходных сигналов первой и второй детекторных линеек в плоскостях х и у в предлагаемом изобретении используются сумматоры первой и второй группы с инвертирующими входами. Далее в квадраторах и арифметическом устройстве вычисляется модуль градиента (2).
Получаемое на основе градиентной обработки изображение используют для определения контуров рентгеновского изображения. Получаемое при этом изображение контуров бинарное, где одни пиксели соответствуют уровню черного цвета (0), а другие - уровню белого цвета (255) (при восьми-бтном, например, кодировании цвета). Для такого преобразования необходимо пороговое устройство. Пороговое устройство 20 в предлагаемом блоке выделения контуров 10 работает по следующему алгоритму.
Выходной сигнал порогового устройства Z формируется в соответствии с выражениями [7]:
Здесь R - сигнал на входе порогового устройства (соответственно с выхода арифметических устройств 18), Н - порог принятия решения между белым и черным цветом. Порог может быть фиксированным, например равен математическому ожиданию, вычисленному из всех значений изображения, или, что очень важно, произвольно задаваться оператором для повышения информативности анализируемого рентгеновского изображения.
Авторами проведено математическое моделирование работы предлагаемого блока выделения контуров. Результаты моделирования приведены в таблице.
При этом в процессе моделирования намеренно выбрана небольшая разница между градациями черно-белого изображения, которую оператор визуально мог бы не заметить (первые два столбца таблицы). Как следует из таблицы, незначительный перепад яркости (сигналы на выходе детекторов линеек 7, 8) преобразуется в четко различимую границу белого цвета на черном фоне на экране монитора оператора в соответствии с сигналами на выходе пороговых устройств 19.
Таким образом, для вычисления модуля градиента необходимо провести операции вычитания, возведения в квадрат, суммирования, извлечения квадратного корня и сравнения с выбранным порогом (см. (1) и (2)).
Стационарный ИДК работает следующим образом.
При сканировании объект контроля 4 по направляющим 5 устанавливается на специальной бетонной площадке между коллиматором 2 и системой приема рентгеновского излучения 3. Коллиматор (или щелевая диафрагма) формирует из исходного конусообразного рентгеновского пучка от источника рентгеновского излучения 1 узкий веерообразные пучок рентгеновских лучей шириной порядка 5 мм. Импульсный веерообразный пучок лучей пронизывает КГО и попадает на детекторные линейки 7 и 8 системы приема излучения 3. Так как рентгеновское излучение от ИРИ имеет неизбежную конусность, то ширина веерообразного пучка лучей при попадании на систему приема излучения 3 будет иметь ширину порядка 20 мм, что позволяет перекрывать детекторы на обеих линейках. В случае необходимости ширину пучка несложно увеличить, увеличив несколько ширину щели в коллиматоре.
Во время сканирования ИРИ, коллиматор и система приема рентгеновского излучения равномерно перемещаются по рельсам 6 относительно неподвижного КГО, облучая его последовательностью коротких импульсов рентгеновского излучения. При каждом импульсе излучения происходит считывание выходного напряжения, величина которого пропорциональна интенсивности падающего излучения, со всех детекторов обеих линеек.
В обычном режиме работы, без выделения контуров находящихся в КГО предметов, напряжение с детекторов линейки 7 поступает в блок обработки информации БОИ 9, соответствующим образом в нем преобразуется в видеосигнал и узкая полоска рентгеновского изображении КГО, соответствующая одному импульсу рентгеновского излучения, запоминается в памяти БОИ. Таким образом, в памяти сохраняются узкие полоски изображения всего КГО. После окончания сканирования всего объекта, полоски «соединяются» вместе и на экране появляется цельное рентгеновское изображение всего КГО, которое должен проанализировать на предмет нарушений законодательства (наличие в КГО наркотиков, оружия, взрывчатых веществ и др.) оператор СИДК, используя для этого соответствующие кнопки управления рабочей станции анализа изображения.
Если оператору понадобится воспользоваться опцией выделения контура объекта контроля, то при нажатии соответствующей кнопки на панели управления к работе подключается блок БВК 10. При этом выходные сигналы детекторов линеек 7 и 8 начинают поступать на блок БВК 10.
0
1
N
N
Сигналы с выходов всех N детекторов первой линейки 7 соответственно поступают на инвертирующие входы сумматоров первой группы 14. Сигналы с выхода нулевого детектора второй линейки 8 поступают на инвертирующий вход первого сумматора второй группы 15[. Сигналы с выходов N детекторов второй линейки 8, с первого по (N-)-ый, поступают соответственно на прямые входы сумматоров первой и второй групп 14 и 15, и соответственно на инвертирующие входы всех (i+1)-ых сумматоров второй группы. Сигналы с выхода N-ого детектора второй линейки 8 поступают на прямые входы N-ых сумматоров первой и второй группы 14, 15, сигналы с выходов N сумматоров первой и второй группы поступают, соответственно на входы N квадраторов первой и второй группы 16 и 17.
x
y
y
x
v
2
2
Таким образом, на выходах сумматоров первой и второй групп 14 и 15 формируются сигналы, пропорциональные частным производным по координатам х и у, то есть соответственно g(x,y) и g(x,y). При этом во второй линейке 8 используется (N+1) штук детекторов для возможности формирования N сигналов, пропорциональных частным производным по координате у - g(x,y). Сигналы с выходов первых и вторых квадраторов 16, 17 g(x,y) и g(x,y) соответственно поступают на входы N арифметических устройств 18, в которых производится операция сложения и извлечения квадратного корня, то есть вычисляются сигналы, пропорциональные модулю градиента
Сигналы с выхода арифметических устройств 18, пропорциональные модулю градиента рентгеновского изображения, поступают на входы пороговых устройств 19, на второй вход которых с выхода блока задания порога 20 поступает сигнал, пропорциональный величине заданного порога Н, который может быть фиксированным или выбираться оператором (см. (4)). Таким образом, формируется четкое черно-белое изображение, соответствующее контурам исходного рентгеновского изображения.
В качестве элементов 14-20 рассмотренного устройства обработки изображений могут быть использованы описанные в [8, 9], а также любые аналогичные известные из уровня техники элементы (программируемые и непрограммируемые процессоры цифровой обработки сигналов и изображений), реализующие соответствующие математические функции сложения, вычитания, возведения в квадрат, извлечения квадратного корня и нахождения порога.
Приведенные выше материалы подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость» предложенного технического решения.
Таким образом, достоинствами предлагаемого стационарного инспекционно-досмотрового комплекса являются: повышенная информативность, так как наряду с обычным рентгеновским изображением, предлагаемое изобретение может производить определение контуров предметов в объектах контроля, что существенно облегчит оператору поиск незаконных вложений.
Источники информации
1. Башлы П.Н., Вербов В.Ф. Новая классификация инспекционно-досмотровых комплексов как средство повышения эффективности их применения // Вестник Российской таможенной академии, 2017, №4.
2. Башлы П.Н., Вербов В.Ф. и др. Таможенное дело: практика и теория применения инспекционно-досмотровых комплексов: учебник. - Ростов н/Д: Ростовский филиал Российской таможенной академии, 2019. - 360 с.
3. Башлы П.Н., Вербов В.Ф. и др. Таможенное дело: инспекционно-досмотровые комплексы России и зарубежных государств: учебное наглядное пособие. - Ростов н/Д: Ростовский филиал Российской таможенной академии, 2015. - 147 с.
4. Кошелев В.Е. Рентгеновские методы и технические средства таможенного контроля: учебное пособие. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2003.
5. Вербов В.Ф. и др. Способ получения объемного рентгеновского изображения в рентгеновских досмотровых комплексах. Патент РФ на изобретение №2426101, 2011.
6. Вербов В.Ф., Огородников С.А., Симочко СВ. Стационарный ин-спекционно-досмотровый комплекс СТ-6035: сборник документов. - Ростов н/Д: Ростовский филиал Российской таможенной академии; СПб: ООО «Скантроник Системе», 2018. - 98 с. (прототип).
7. Мартьянова А.В., Мухаматнуров В.Э. Анализ алгоритмов выделения контуров, основанных на градиентных и агрегационных операторах. Часть 2. Пороговая обработка и математическая морфология. В сборнике: Компьютерный анализ изображений: интеллектуальные решения в промышленных сетях. Сборник научных трудов по материалам I Международной конференции Уральского федерального университета им. первого Президента России Б.Н. Ельцина; Под общей ред. А.Г. Тягунова, 2016. С. 78-84.
8. Айфичер Э.С., Джервис Б.У. Цифровая обработка сигналов: практический подход. 2-е изд. - М.: Вильяме, 2004. - 992 с.
9. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Л. Техническое обеспечение цифровой обработки сигналов: справочник. - М: Наука и техника, 2000. - 752 с.