一種集裝箱檢查系統輻射圖像的偽彩色變換方法

郭肖靜，吳志芳，苗積臣

(清華大學核能與新能源技術研究院 核檢測技術北京市重點實驗室，北京 100084)

鈷-60大型集裝箱檢查系統利用不同密度的物質對γ射線的吸收不同，對集裝箱內的物體進行透射成像，安檢人員通過查看圖像來實現不開箱的快速檢查。因此，獲取的圖像質量是關鍵[1]。通用計算機的顯示系統能顯示的灰度變化一般只有8 位256 級，對于212～216級的灰度變化無法表現[2]。但人眼對彩色變化的分辨能力遠高于對灰度變化的分辨能力，因此將灰度圖像轉換成彩色圖像顯示,可以提高人眼辨別圖像細微變化的能力,提高圖像的可分辨性[3]。傳統的偽彩色變換方法通常是對所有圖像進行統一的變換，沒有考慮圖像本身的灰度分布特性。另外，偽彩色圖像顏色的選擇和搭配也會對顯示效果產生直接的影響。本研究提供一種基于圖像直方圖的自適應的偽彩色變換方法，并基于色彩調和理論設置顏色查找表，從而獲得更好的視覺效果。

1 偽彩色變換的原理和方法

偽彩色變換技術是針對灰度圖像提出的，該技術可將灰度圖像變換為具有多種顏色漸變的連續彩色圖像，其宗旨是把離散灰度圖像F(x,y)的不同灰度級按照線性或非線性的方法映射成不同色彩，來提高原圖像的可辨識度，改善視覺效果。偽彩色變換的方法主要有密度分割法、空間域變換合成法和頻率域變換法。

1.1 密度分割法

密度分割法原理簡單、操作簡便，將灰度圖像F(x,y)看成一個具有二維強度的函數，然后用m個平行于水平面的切割平面作切割，得到m個不同的灰度區間L1,L2,L3,…,Lm，這是一種均勻分配過程，也可以是非等間隔分層，即對關心的灰度級區間分得密一些，其他區間稀疏一些。該方法比較簡單、直觀，但是變換出的彩色數目有限。

1.2 空間域變換合成法

圖1 偽彩色變換合成法原理Fig.1 The principle of a pseudo color transforming and integrating method

該方法是把灰度圖像F(x,y)同時送入具有不同變換特征的紅、綠、藍三個變換器，如圖1所示，從而產生三基色分量IR(j,k),IG(j,k),IB(j,k)，分別控制彩色顯像管的紅、綠、藍電子槍，從而在彩色顯像管里合成一副彩色圖像。

1.3 頻率域變換法

該方法是把灰度圖像經傅立葉變換到頻率域，在頻率域內用三個不同傳遞特性的濾波器分離成三個獨立分量，然后進行逆傅立葉變換，便得到三幅代表不同頻率分量的單色圖像，對三幅圖像作進一步的處理(如直方圖均衡化)，作為三基色分量分別加到彩色顯示器的紅、綠、藍顯示通道，得到一幅彩色圖像。

2 實現方法

所謂偽彩色變換就是為灰度圖像中的灰度級賦予不同的色彩，獲得彩色分層的圖像，使得人眼能夠提取更多的信息。偽彩色處理結果可以是連續的彩色，也可以是由集中純彩色單獨構成[4]。集裝箱檢測圖像灰度分布范圍廣(0～65 535)，背景區域較大，其偽彩色變換要求能夠清楚地顯示集裝箱中所裝物品的輪廓，以便于判斷是否與報關內容一致以及是否藏有違禁品。

2.1 輻射圖像的預處理

集裝箱檢查系統利用射線衰減來形成最終的輻射圖像，因此對于集裝箱內沒有物體的位置，其衰減最小。在最終的輻射圖像上，該位置就是灰度最小的位置，稱該灰度值為本底灰度(Base)。對輻射圖像上的任何一點(x,y)，設其灰度為G(x,y)，那么必有G(x,y)≥Base。設圖像中灰度最大點的灰度值為Gmax，對原輻射圖像進行如式(1)的預處理變換：

(1)

式(1)中，該變換可以將輻射圖像的本底去除，并根據圖像的最大灰度，將圖像灰度動態地映射到0～256顯示灰度范圍中，以保證獲得最大的對比度。

2.2 灰度到彩色的映射

偽彩色線性變換方法是將顏色表中的所有顏色平均分配到所有灰度上，無論輻射圖像的灰度分布如何，其灰度映射到彩色都是固定的。當灰度分布不連續時，會有顏色表中的顏色無法被用到的情況。采用動態的非線性方法，根據輻射圖像的直方圖，動態地將顏色表中的顏色分配到不同灰度上，具體方法如下：

1) 統計直方圖中有效灰度級數目和有效像素個數；

2) 計算每種顏色對應的平均灰度數目和像素個數；

3) 將顏色表中當前顏色分配給某一灰度，并累計該顏色已分配的灰度數目和像素數目，如果超過2)中計算的均值，則切換到下一顏色；

4) 重復3)直至所有灰度分配完畢。

在1)中，引入有效灰度級的概念，輻射圖像往往在本底灰度上的像素數目非常大，而實際被探測物體對應某灰度級的像素數目相對較小。當執行2)時，每種顏色對應的平均像素個數遠大于被探測物體對應灰度的像素數目。算法處理后，很多灰度都對應到同一顏色上，從而丟失了圖像細節。

利用預處理，保證了本底灰度的像素映射到灰度0附近，然后設置一個門限值(Threshold)，只有當灰度大于門限值，才視為有效灰度，并累計其像素個數，可以有效地避免本底灰度像素點過多對算法的影響。

2.3 基于色彩調和理論的顏色表

本方法顏色表的設置依據奧斯特瓦爾德顏色體系，該體系由24個色相組成[5](見圖2)，基本色相為黃、橙、紅、紫、藍、藍綠、綠、黃，每個基本色相又分為3個部分，組成24個分割的色相環，其中相距180度的兩個色相為互補色，互補色結合的色組，是對比最強的色組。雖然顏色表選用的顏色越多，圖像越細膩，但是輻射圖像用于通過物體輪廓判斷是否包含違禁品，太多的顏色反而會弱化輪廓，甚至形成麻點，不利于判斷，可選用若干對比較強的色相來顯示。集裝箱檢查系統所得輻射圖像通常有大面積的背景，而且背景的灰度值變化較小，用一個顏色來表示；物體的顏色用反色來表示，以增強對比度。例如，選用黑色作為被檢物體以外的背景色，橙色和藍色為兩個互補色相，可用于顯示集裝箱及其內部物品的顏色，形成較強的對比。

圖2 奧斯特瓦爾德顏色體系24色相環Fig.2 24 hues ring of Ostwald Color Order System

3 偽彩色處理結果

對應用于某海關的鈷-60集裝箱檢查系統得到的輻射圖像進行偽彩色變換，得到了較好的效果，如圖3所示。該集裝箱中所裝物品為顯示器，圖像背景選擇了黑色，物品顏色選擇了橙、藍兩個色系，這兩個顏色為相對色，圖中層疊擺放的顯示器輪廓清晰可見，顏色層次感強，獲得了較好的顯示效果。利用傳統線性非配法的一種處理結果示于圖4，可見，圖中顯示器的輪廓沒有圖3清晰，顏色選取較隨機，對比度也較差。

圖3 某海關集裝箱輻射圖像的偽彩色變換結果Fig.3 A pseudo color image of a radiation image obtained by a customs system processed

圖4 用一種傳統線性變換方法處理某海關集裝箱輻射圖像的偽彩色變換結果Fig.4 A pseudo color image of a radiation image obtained by a customs system processed using a traditional method

4 結論

本文提出了一種適用于集裝箱檢查系統輻射圖像的偽彩色變換方法，該方法可根據灰度圖像的直方圖分布特點，為灰度級動態分配顏色，并基于色彩調和理論選取互補色進行顯示，提高了圖像的可識別度，取得了很好的效果。

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