СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ПУТЕМ ФУНКЦИИ РАЗМЫТИЯ ТОЧКИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ПРОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF EXPERIMENTALLY DETERMINING A POINT SPREAD FUNCTION WHEN PROCESSING IMAGES FORMED USING PROTONIC RADIATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам обработки оптических изображений, сформированных с помощью протонного излучения, и может быть использовано, например, в системах цифровой съемки для определения внутренней структуры объектов или исследования быстропротекающих процессов.
Задачей, стоящей в рассматриваемой области техники, является получение достоверной информации об исследуемых объектах.
Известны способы получения изображений, сформированных с помощью протонного излучения, например, на ускорителе в BNL (Брукхевен, США) ["THE PROTON RADIOGRAPHY CONCEPT" H.-.J. Ziock, K. J. и др. - LA-UR-98-1368], или в LANL (Лос-Аламос, США) ["A narrow-gap ion chamber for beam motion correction in proton radiography experiments"; L.J. Schultza, и др. - Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 508 (2003) 220-226]. Оба способа включают в себя следующие операции: получение цифровых изображений протонного пучка с помощью систем регистрации до области исследования и после прохождения области исследования в плоскости фокусировки магнитооптической системы. Во втором способе цифровые изображения после прохождения области получают с помощью регистрирующей системы, включающей конвертор, преобразующий протонное излучение в видимый свет (сцинтиллятор), зеркало, оптические линзы и цифровые камеры, а до области исследования - с помощью ионной камеры, сегментированной на 4 квадранта, по которым вычисляется положение центра протонного пучка.
Известен еще один способ [«Протонная радиографическая установка на 70 ГэВ -ом ускорителе ГНЦ ИФВЭ» Ю.М Антипов и др. Препринт 2009-14 ИФВЭ, 2009 г.]. Данный способ включает в себя следующие операции: получение цифровых изображений протонного пучка с помощью систем регистрации до области исследования и после прохождения области исследования в плоскости фокусировки магнитооптической системы, при этом каждая из регистрирующих систем включает конвертор, преобразующий протонное излучение в видимый свет (сцинтиллятор), зеркало, оптические линзы и цифровые камеры.
В протонной радиографии, как и в любой другой радиографии, существует размытие конечного изображения, негативно влияющее на качество протонных изображений. Условно данное размытие в протонной радиографии можно разделить на две составляющие. Первая из них характеризует размытие сигнала в пучке, падающем на систему регистрации. Она обусловлена геометрическим смешением протонов, вызванным, в основном, рассеянием протонов в объектах и окнах взрывозащитных камер (ВЗК), применяемых для защиты оборудования при проведении взрывных экспериментов, и хроматическими аберрациями (зависимости фокусного расстояния магнитооптической системы, формирующей изображение, от импульса протонов), зависящими от объекта исследования и настроек магнитооптической системы. Таким образом, данная составляющая зависит от совокупности факторов: исследуемого объекта, ВЗК и параметров установки, и в каждом эксперименте она, вообще говоря, разная.
Вторая составляющая размытия не зависит от объекта, а связана с регистратором. Данное размытие одинаково для всех экспериментов, и, один раз его измерив, можно учитывать результат измерения для всех снимаемых объектов.
Степень размытия изображений может характеризоваться функцией размытия точки (ФРТ), т.е. откликом системы, строящей изображение, на точечное воздействие.
Известен способ обработки изображений, сформированных с помощью нейтронного излучения ["Neutron СТ enhancement by iterative de-blurring of neutron transmission images" Bert Masschaele et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 542 (2005) 361-366], включающий измерение ФРТ по функции размытия края с последующим применением полученной функции для итеративной деконволюции изображения, то есть восстановления исходного неразмытого изображения. Такой способ повышает качество изображений.
К недостаткам такого решения относится то. что в нейтронной радиографии зависимость ФРТ от объекта невелика и в данном решении оно не учитывается. Учитывается только размытие, вызванное геометрическими размерами источника и системой регистрации, которые от эксперимента к эксперименту не меняются. В протонной радиографии величина размытия, вызванного хроматической аберрацией, зависит от толщины объекта, поэтому она разная для разных объектов. Также, для неоднородных по массовой толщине объектов, данные размытия в разных областях изображения отличаются друг от друга. Еще один фактор, влияющий на размытие, - существенное изменение распределения массовой толщины объекта в динамических экспериментах. К тому же. на степень размытия изображений влияет ВЗК, которая также может меняться от эксперимента к эксперименту.
Известен способ определения экспериментальным путем ФРТ при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения, уменьшающий размытие, связанное с регистратором [патент RU 2529454, публик. 27.09.14]. ФРТ была экспериментально измерена и успешно используется при обработке протонограмм, существенно повышая точность восстановления массовой толщины. Этот способ выбран в качестве ближайшего аналога. Способ включает вывод и отклонение из протонного пучка части прогонов путем пропускания их через изогнутый каналирующий кристалл, один из торцов которого располагают навстречу потоку протонов, направляя выведенные протоны па конвертор регистрирующей системы, после чего на экспериментально полученном изображении выделяют область локализации выведенных протонов, зависящую от поперечного размера кристалла и его расположения относительно конвертора, а по яркости пикселей выделяют область, формируемую рассеянными фотонами и вторичными частицами, образовавшимися в результате взаимодействия протонов с веществом конвертора, далее из изображения последней области вычисляют размер изображения восстанавливаемой ФРТ в форме квадрата, а затем, варьируя значения пикселей в области локализации прошедших протонов и квадратной области, подбирают совокупность значений пикселей в квадратной области, при которой результат свертки изображений области локализации и квадратной области максимально соответствует экспериментально полученному изображению, данная совокупность и является восстановленной ФРТ.
Недостатком способа является то, что нет восстановления полной ФРТ, что снижает достоверность информации при получении изображений.
Техническим результатом заявляемых способов является повышение достоверности информации при получении ФРТ за счет восстановления полной ФРТ, включающей в себя как первую составляющую размытия, связанную с геометрическим смещением протонов, так и вторую, связанную с регистрирующей системой, описанные выше.
2
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе определения экспериментальным путем функции размытия точки (ФРТ) при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающем получение изображения восстановленной ФРТ, обусловленного системой регистрации, новым является то, что изображение ФРТ, обусловленного системой регистрации, получают одновременно с изображением ФРТ, обусловленного геометрическим смещением протонов, зависящим от объекта исследования, параметров установки, защитного оборудования, для чего пропускают протонный пучок через ступенчатый тест-объект или набор тест-объектов различной толщины, подобранной в соответствии с геометрией объекта исследования, при этом выбор перепада толщин тест-объекта осуществляют в зависимости от толщины или толщин разных участков объекта исследования и условия изменения размытия изображения при перепаде массовых толщин в пределах 5-30 г/см, по профилям, построенным перпендикулярно ступени, восстанавливают функцию размытия края, функцию размытия линии, полную ФРТ или набор полных ФРТ для разных толщин.
2
Указанный технический результат достигается также за счет того, что в способе определения экспериментальным путем функции размытия точки (ФРТ) при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения, включающем получение изображения восстановленной ФРТ, обусловленного системой регистрации, новым является то, что дополнительно независимо получают изображение ФРТ, обусловленного геометрическим смещением протонов, зависящим от объекта исследования, параметров установки, защитного оборудования, для чего пропускают протонный пучок через ступенчатый тест-объект или набор тест-объектов различной толщины, подобранной в соответствии с геометрией объекта исследования, при этом выбор перепада толщин тест-объекта осуществляют в зависимости от толщины или толщин разных участков объекта исследования и условия изменения размытия изображения при перепаде его массовых толщин в пределах 5-30 г/см, осуществляют деконволюцию полученного цифрового изображения или набора изображений с изображением ФРТ, обусловленного системой регистрации, далее по профилям, построенным перпендикулярно ступени, восстанавливают функцию размытия края, функцию размытия линии, ФРТ или набор ФРТ для разных толщин, после чего осуществляют свертку полученных изображений ФРТ с изображением ФРТ, обусловленного системой регистрации и получают полную ФРТ или набор полных ФРТ для разных толщин.
Использование специального ступенчатого тест-объекта, или набора тест-объектов различной толщины обеспечивает получение восстановленных полных ФРТ для набора толщин объекта исследования для конкретной протонной установки и для конкретных условий съемки (тип и диаметр коллиматора, параметры радиографических окон ВЗК). При съемке в данных условиях для каждой точки протонного изображения можно восстановить массовую толщину, прошедшую протонным излучением, а по этой массовой толщине рассчитать локальную ФРТ, которая вместе с ФРТ, обусловленной системой регистрации, обеспечит достоверность информации при проведении исследований.
2
-3
Выбор условия изменения размытия изображения при перепаде его массовых толщин в пределах 5-30 г/см связан с тем, что при энергии притонов 50 Гэв потери энергии на ионизацию должны быть не выше 50 Мэв, что соответствует точности настройки поля магнитной оптики 10. Выход за эти пределы уменьшает точность настройки магнитооптической системы.
Если исследуемый объект имеет однородную массовую толщину, и величина размытия, вызванного хроматической аберрацией, не сильно меняется по полю обзора, то в этом случае можно ограничиться съемкой всего одного тест-объекта с толщиной, определяемой толщиной объекта, получением одной ФРТ и восстановлением изображения простыми алгоритмами (например. Люси-Ричардсона). Это позволит существенно повысить пространственное разрешение в протонной радиографии.
На фиг. 1 приведена схема объекта исследования. На фиг. 2 - протонная радиограмма объекта исследования без учета ФРТ. На фиг. 3 - профили протонной радиограммы с фиг. 2. На фиг. 4 - схема тест-объекта для получения полной ФРТ.
2
В качестве примера конкретной реализации устройства, позволяющего осуществить заявляемый способ, может служить радиографический комплекс, который выполнен 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 магнитооптическую систему, состоящую из магнитных линз и коллиматора. Система регистрации состоит из сцинтилляционного конвертера, зеркала и цифровых камер. На фиг. 1 представлена схема разнотолщинного объекта исследования. Для проведения измерений использовались свинцовые тест-объекты, схематично каждый из которых представлен на фиг. 4. Толщина Н тест-объекта составляет, например, 10, 30, 50, 70, 90 и 110% от толщины исследуемого объекта. Перепад по толщине ΔН выбирается из тех соображений, чтобы величина размытия, обусловленного хроматической аберрацией, не сильно менялась при перепаде массовых толщин в пределах 5-30 г/см (например, для свинца ~20 мм). Минимальная ширина данных объектов L выбирается исходя из условия того, чтобы она была существенно больше характерных размеров размытия (например L>20 мм).
Для пояснения способа определения экспериментальным путем ФРТ при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения, приводим результат радиографирования объекта исследования на фоне пластин из капролона и алюминия. Результат экспериментального протонного радиографирования представлен на фиг. 2, а на фиг. 3 изображены профили данной радиограммы вдоль отрезков 1, 2 и 3. По этим профилям видно, что совокупное размытие изображения составляет от 1.5 до 3 мм, причем размытие для каждой пары граней отличается друг от друга, что препятствует восстановлению исходного неразмытого изображения стандартными методами.
Способ определения экспериментальным путем ФРТ при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения, по первому варианту.
Для того, чтобы восстановить исходное неразмытое изображение объекта исследования, можно экспериментально восстановить полную ФРТ или набор полных ФРТ для разных толщин, а затем методом решения обратных задач провести деконволюцию с учетом того, что в каждой точке ФРТ меняется. Для получения изображение ФРТ, обусловленного системой регистрации, одновременно с изображением ФРТ, обусловленного геометрическим смешением протонов, зависящим от объекта исследования, параметров установки, защитного оборудования, тест-объекты радиографируют в тех же условиях, что и исследуемый объект (с теми же пластинами капролона и алюминия). Затем по профилям, построенным перпендикулярно ступени (фиг. 4), восстанавливают функцию размытия края, функцию размытия линии, по которым восстанавливают полную ФРТ для данной массовой толщины вещества тест-объекта. Таким образом получают набор полных ФРТ для всех толщин тест-объектов. ФРТ для промежуточных значений толщины объекта исследования получают, например, путем линейной интерполяции из набора восстановленных ФРТ. Затем, методами решения обратных задач, как, например, в [Saima Ben Hadj, Laure Blanc-Feraud. ''Restoration Method for Spatially Variant Blurred Images". [Research Report] RR-7654, INRIA. 2011.], или в ["Spatially Variant Deconvolution in Low Dose X-Ray Imaging" MASTER'S THESIS of Johannes Lotz - November 2011, Institute of Mathematics and Image Computing University of  and Department of Mathematics and Computer Science Emory University], или используя более универсальные методы решения обратных задач (такие, как алгебраическая реконструкция) можно восстановить исходное неразмытое протонное изображение объекта исследования.
Способ определения экспериментальным путем ФРТ при обработке изображений, сформированных с помощью протонного излучения, по второму варианту.
При восстановлении полной ФРТ, описывающей совокупность размытия, вызванного системой регистрации с одной стороны и хроматическими аберрациями и радиографическими окнами с другой, можно идти поэтапно. Так как оба данных размытия независимы, то сначала можно устранить размытие, вызванное системой регистрации (например, по методу, описанному в ближайшем аналоге [патент №2529454. приоритет от 30.04.13]). Далее получают изображения ФРТ, обусловленного геометрическим смещением протонов, зависящим от объекта исследования, параметров установки, защитного оборудования, для чего пропускают протонный пучок через набор тест-объектов различной толщины (фиг. 4). Далее осуществляют деконволюцию полученного набора изображений с изображением ФРТ, обусловленного системой регистрации. По профилям, построенным перпендикулярно ступени, восстанавливают функцию размытия края, функцию размытия линии, ФРТ, таким образом получают изображения ФРТ или набор изображений ФРТ для разных толщин тест-объектов, после чего осуществляют свертку этих изображений с изображением ФРГ, обусловленного системой регистрации и получают полные ФРТ для разных толщин. Далее для каждой точки изображения восстанавливают массовую толщину исследуемого объекта, прошедшую протонным излучением, а по этой массовой толщине рассчитывают локальную ФРТ для каждой толшины объекта исследования, например, линейной интерполяцией ФРТ из полученного набора аналогично описанному в первом варианте.
Т.о. заявляемый способ позволяет повысить качество и точность обработки зарегистрированных протонных изображений.