СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF OBTAINING AND PROCESSING IMAGES FORMED USING PROTON RADIATION

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.
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.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение достоверной информации об исследуемых объектах.
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.
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.
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.
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.
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.
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,
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.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности обработки зарегистрированных протонных изображений.
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.
Для подбора дополнительных проективных преобразований может быть использован тот же вспомогательный объект, размещенный перед первой системой регистрации, который использовали ранее.
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.
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.
Оценка точности приведения изображений к одному ракурсу в разных направлениях позволит определить степень достоверности сравнения и анализа.
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.
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.
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.
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.
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.
Примером конкретного выполнения заявляемого способа может служить способ получения и обработки изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающий следующие операции.
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.
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.
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):
Далее проводят такую процедуру для приведенных изображений со всех каналов регистрации (фиг 7), единицами отсчета по оси Ох являются пиксели с размером 100 мкм).
Анализируя параметр b (центр гауссиана) для всех изображений вычисляют среднюю (или среднеквадратическую) ошибку сведения изображений к одному ракурсу.
Т.о. заявляемый способ позволяет повысить достоверность информации об исследуемых объектах.