核乳胶中质子径迹计算机辅助识别方法研究

阮金陆1，李宏云1，宋纪文1，张建福1，陈 亮1，张忠兵1，刘金良1，2

（1.西北核技术研究所 辐射探测科学研究中心，陕西 西安 710024；2.清华大学 工程物理系，北京 100084）

核乳胶中质子径迹计算机辅助识别方法研究

阮金陆1，李宏云1，宋纪文1，张建福1，陈 亮1，张忠兵1，刘金良1，2

（1.西北核技术研究所 辐射探测科学研究中心，陕西 西安 710024；2.清华大学 工程物理系，北京 100084）

为克服核乳胶质子径迹人工判读的缺点，研究了一种计算机辅助识别的方法。该方法中，对由显微镜系统获取的核乳胶图像序列依次经组合式滤波器滤波、多阈值二值化、径迹点筛选、径迹点去冗余处理后识别出图像序列中的径迹点，经径迹重建从获取的径迹点中重建出反冲质子径迹。利用该方法从经14.9MeV中子束辐照的核乳胶中提取出反冲质子径迹，并将提取的径迹与人工判读方法提取的径迹进行了比较，结果基本一致。该方法将为核乳胶质子径迹自动判读系统的开发和核乳胶应用于脉冲中子束能谱测量实验奠定重要技术基础。

核乳胶；反冲质子径迹；计算机辅助识别；径迹重建

中子能谱是表征脉冲中子源特性的重要参数，对于裂变、聚变反应过程诊断，如ICF聚变研究中离子温度、燃料面密度测量［1］，具有十分重要的意义。脉冲中子能谱可通过磁分析仪和中子飞行时间方法测量，但核乳胶探测器用于测量脉冲中子能谱具有体积小、结构简单、连续灵敏、无死时间等优点，因此有望成为测量脉冲中子束能谱的有效探测器之一［2-3］。

核乳胶用于中子能谱测量的基本原理是：入射的中子与核乳胶中的氢核发生n-p弹性散射，反冲质子会在其经过的路径上形成稳定的“潜影”，“潜影”经化学处理变成显微镜可分辨的径迹点（约1μm）［45］，反冲质子径迹则由一连串的径迹点表示。根据质子径迹长度与能量的对应关系，结合反冲质子的散射角可推断入射中子的能量。通过大量数据的统计结果得出脉冲中子的能谱［6-7］。因此，脉冲中子能谱精确测量的关键在于质子径迹的长度和散射角的精确测量。为保证这两点的精度，准确提取质子径迹是关键环节。

过去核乳胶径迹的提取需依赖人工判读，不仅费时费力，且精度与判读者的经验有关。为克服人工判读的不足，国内外开展了核乳胶径迹判读系统的相关研究，例如，华中科技大学的CCD全自动测量系统等［8］、日本的S-UTS系统［9］、俄罗斯的PAVICOM系统［10］、欧洲的ESS系统［11］等。但这些系统主要用于提取垂直入射薄核乳胶（40～50μm）的高能粒子径迹［1213］，以此确定关键事件发生的空间位置。在脉冲中子能谱测量中，为保证核乳胶中质子径迹的完整性，要求采用厚的核乳胶（400～500μm），并使中子束流平行于核乳胶平面入射。这种厚核乳胶中反冲质子径迹长，且在径迹末端通常会出现弯曲现象，较薄核乳胶中的径迹复杂得多。此外，中子辐射场中存在的伴随γ射线产生的康普顿电子会对质子径迹产生干扰，因此针对薄核乳胶径迹点的自动提取方法无法适用于厚核乳胶探测器中反冲质子径迹的判别。

针对厚核乳胶探测器中质子径迹复杂等特点，本文提出一种基于计算机辅助识别质子径迹的方法。利用该方法对由山西师范大学制作，经中国原子能科学研究院倍加器产生的能量为14.9MeV、粒子注量为1.02×1010cm-2的中子束辐照的核乳胶中的质子径迹进行提取，并将显微镜同一视场下利用该方法提取的质子径迹与人工判读提取的径迹进行比较。

1 核乳胶径迹识别原理

核乳胶质子径迹识别原理如图1所示。首先获取不同深度的核乳胶图像序列：通过等距移动（0.3μm）显微镜上的100倍浸油物镜，利用视场面积为136×102.4μm2的CCD相机（1 360像素×1 024像素）拍摄核乳胶内部的图像，从图像中拾取径迹点。再获取整个核乳胶内部图像：通过载物台在x、y方向上的移动，改变拍摄的图像区域。然后提取图像中的径迹点：利用图像处理的方法从拍摄的图像中提取径迹点。最后径迹重建：将同一条径迹上的径迹点逐一连接，便获得了核乳胶中的质子径迹。因此，核乳胶内部径迹有效提取的关键在于利用图像处理方法从每幅图像中准确高效地提取径迹点，并从获取的径迹点中重建径迹。

图1 核乳胶质子径迹识别原理示意图Fig.1 Diagram of recognition principle of proton tracks in nuclear emulsions

2 径迹点提取方法

为了从图像中提取径迹点，需经4步图像处理过程：滤波处理、多阈值二值化、径迹点筛选和径迹点去冗余。

2.1 滤波处理

宇宙射线、中子辐射场中的伴随γ射线和环境辐射等会在核乳胶中产生可疑径迹，核乳胶本身的缺陷和表面划痕，以及显影引起的随机噪声（称为雾点）给径迹点识别带来干扰。因此，为了抑制噪声等的影响，对所获得的图片（图2a）进行滤波处理。为了避免经滤波处理后的图像过多丢失原图像的真实信息，利用带通滤波器是一个很好的折中［14］。文中采用的带通滤波器由截止频率为40Hz的二阶低通巴特沃斯滤波器和截止频率为100Hz的二阶高通巴特沃斯滤波器组合而成，如式（1）所示，其中D0和D1分别为带通滤波器的低通截止频率和高通截止频率。图2b为通过带通滤波器处理后的图像。从图像中可看出，径迹得到增强，背景噪声等得到较好的抑制。

图2 原始图像经滤波、二值化和径迹点筛选处理后的结果Fig.2 Results of original image processed through image convolution with filter，binarization and track grains clustering

2.2 多阈值二值化

径迹点处存在银原子团，使得该处的灰度值较其他部分的偏低。利用灰度值存在差异这一点，可通过设定灰度值阈值的方法将滤波后的图像进行二值化，将大于阈值的像素点的灰度值设为1，而小于等于阈值的像素点的灰度值设为0。由于每幅图像在核乳胶内部的深度不同以及显微镜光照系统的变化，每幅图像的明暗程度有所不同，因此阈值的选择不能设定为常数，而应根据每幅图像的明暗程度设定。为了克服这一问题，利用式（2）将滤波后的图像归一化，其中：f（x，y）、f1（x，y）分别为滤波后图像中像素点（x，y）的灰度值和归一化图像中像素点（x，y）的灰度值；fmin、fmax分别为滤波后图像的最小灰度值和最大灰度值。经归一化处理得到的图像，虽可设置相同的阈值，但由于核乳胶显影处理不均匀而导致不同深度的径迹点的灰度值又存在一定的差异，因此对同一图像采用多个阈值分别进行二值化的方法克服这一问题。本文将深度小于等于6μm的图像的阈值设定为0.2、0.4和0.6，而其他深度的图像的阈值设定为0.2和0.4。图2c中的黑色区域即代表提取的径迹点。

2.3 径迹点筛选

核乳胶中的径迹点尺寸约为1μm，径迹点在某一方向上最多占据10个像素点。因此，对于径迹点占据的像素点个数，即径迹点的面积需设定合适的下限和上限，以避免提取的径迹点不符合实际条件。根据对所用核乳胶的观察，将下限值设定为3、上限值设定为64较为合理。保留面积落入这一区间的径迹点，剔除其他径迹点。理论上核乳胶中的径迹点应是圆形的，径迹点的近圆度R越高，确信度越高。R是包含径迹点所有像素的最小椭圆的长轴与短轴的比值。本文保留近圆度R满足1≤R＜2条件的径迹点进行进一步处理，剔除其他径迹点。

根据上述径迹点的面积和近圆度两个判断条件可从不同阈值下提取的径迹点中删除不符合条件的径迹点。如图2d中右侧放大区域所示，其中存在3个径迹点由于不能同时满足上述两个条件而被删除。由于文中取了多阈值进行二值化，使得同一径迹点可能从不同阈值下获得的二值图中均被提取出来。因此，为了克服同一径迹点被多次提取的缺点，利用式（3）中的判断准则对获得的多幅二值图进行处理。当阈值有3个时，a、b、c分别取0.2、0.4和0.6；当阈值有2个时，a、b、c分别取0.2、0.4和0.4。

其中：Pai为二值图（阈值为a）中构成径迹点的坐标集合｛（xaim，yaim）｝；Pbi为二值图（阈值为b）中构成径迹点的坐标集合｛（xbim，ybim）｝；Pcj为二值图（阈值为c）中构成径迹点的坐标集合｛（xcjm，ycjm）｝；Pbcj为二值图fbc中构成径迹点的坐标集合｛（xbcjm，ybcjm）｝；fa、fb、fc分别为以a、b、c为阈值获得的二值图。

最后根据式（4）以每个像素点的灰度值作为权重，计算组成某一径迹点的所有像素点坐标的平均值，计算的值即为该径迹点的坐标值（x，y），而物镜所处位置即为该径迹点的z坐标。

其中：xi为构成某一径迹点的像素点的水平坐标；yi为构成某一径迹点的像素点的垂直坐标；f（xi，yi）为像素点（xi，yi）的灰度值；SArea为径迹点的面积。

2.4 径迹点去冗余

将在同一视场下拍摄的全厚度纵深的核乳胶径迹图像序列均利用上述3个步骤进行处理，即可获得每幅图像中的径迹点，最终获得该视场下所有径迹点的三维图像，径迹点的尺寸约为1μm，而每幅图像的间隔为0.3μm，因此同一径迹点可能在相邻的4幅图像中均被提取出来，从而造成冗余。虽增大每幅图像的间隔可避免冗余，但会导致较多的径迹点由于不在焦平面上无法提取出来，使得一条径迹上的径迹点很少，不利于后期的径迹重建。冗余的径迹点最大的特点是在相邻的4幅图像中的坐标很接近。因此首先根据相邻4幅图像中的径迹点的坐标进行判断是否存在冗余。径迹点最特殊的特点是灰度值较其他位置的灰度值低，因此将径迹点的灰度值平均值fAver作为去冗余的第1个准则；径迹点的近圆度R是径迹点又一典型特征，因此如果灰度值平均值相同，则利用径迹点的近圆度R作为去冗余的第2个准则；当这两个准则均相同时，认为面积较小的径迹点的可信度更高，因此将径迹点的面积SArea作为第3个准则。去冗余的详细原则如图3所示。去冗余后的径迹点3D图像如图4所示。

图3 径迹点去冗余原则Fig.3 Principle of removing redundant track points

图4 去冗余后的径迹点3D图像Fig.4 3Dillustration of processed result of all track grains by removing redundancies

3 径迹重建

从图4可看到，提取的径迹点中存在许多的伪径迹点。但由于真径迹点之间在空间上存在较大的相关性，而伪径迹点多为随机分布。因此可利用这一特点，从伪径迹点中提取真径迹点，从而重建质子径迹。首先逐一遍历径迹点，找寻与遍历到的径迹点Pi（xi，yi，zi）满足式（5）所示条件的径迹点Pj（xj，yj，zj）。用径迹点Pj（xj，yj，zj）作为新的起始点，寻找坐标满足式（5）所示条件的径迹点，利用式（6）从符合条件的径迹点中找到使得cosθ取得最大正值的径迹点Pm（xm，ym，zm），因cosθ越大表示Pi、Pj、Pm这3个点越接近在一条直线上，越可能是同一条径迹上的点。用径迹点Pj和Pm分别更新径迹点Pi和Pj，按照上述过程继续遍历，直到无符合条件的径迹点为止，如果构成径迹的径迹点数大于10，则记录这些径迹点。由于重建过程中第1步中满足式（5）所示条件的径迹点Pj不是唯一的，因此以Pi为起始点重建的径迹也不是唯一的，文中将具有最多径迹点的径迹作为重建的径迹，并标记这些构成径迹的径迹点，以免后续的径迹重建重复利用这些径迹点。利用这种重建方法从同一视场下全厚度纵深的核乳胶中重建的径迹如图5所示。

图5 同一视场下所有径迹重建结果Fig.5 Reconstruction results of all tracks under the same field

4 结果比较

利用人工提取质子径迹方法对同一视场下拍摄的图像序列中的质子径迹进行提取，将提取的结果与利用计算机辅助识别方法提取的径迹进行比较，结果如图6所示。从图6可看出，计算机辅助识别方法提取的径迹与人工识别方法提取的径迹基本一致，对于同一径迹点的坐标x、y、z，偏差均在0.5μm范围内。这表明，计算机辅助判读方法提取的径迹能较好地反映质子在核乳胶中的运动路线。

图6 辅助识别方法提取的径迹与人工判读提取的径迹对比Fig.6 Comparison of track reconstruction results obtained by manual identification method and computer-aided recognition method

5 结论

本文研究了核乳胶中质子径迹计算机辅助提取方法，对获取的核乳胶径迹图像依次进行带通滤波器滤波、多阈值二值化、径迹筛选和去冗余处理后获得图像中的径迹点，并利用重建算法从提取的径迹点中重建出反冲质子在核乳胶中的径迹。将本文方法提取的径迹与人工判读提取的径迹进行比较，两种方法的结果基本一致，表明利用计算机辅助方法提取的质子径迹是可靠有效的。下一步开展的工作是在此技术的基础上开发出一套核乳胶质子径迹自动识别系统，克服人工判读费时费力、精度不高的缺点，实现自动识别重建核乳胶内所有质子径迹和获取质子径迹参数的功能，为将来核乳胶应用于脉冲中子束能谱测量提供重要的技术和软、硬件基础。

中国原子能科学研究院倍加器实验室为核乳胶中子辐照提供了良好的实验条件，山西师范大学张东海教授提供核乳胶和后期显影处理方面的帮助，在此一并表示感谢。

参考文献：

［1］ MURPHY T J，LERCHE R A.Development of ageometry-compensated neutron time of flight detector for ICF applications with approximately 200ps time response［J］.Review of Scientific Instruments，1992，63（10）：4 883-4 885.

［2］ ALEKSANDROV A，GONCHAROVA L，DAVYDOV D，et al.Automated method of processing video data from track detectors［J］.Russian Physics Journal，2007，50（10）：1 026-1 031.

［3］ GOLD R，ROBERTS J H，PRESTON C C，et al.Interactive system for scanning tracks in nuclear research emulsions［J］.Review of Scientific Instruments，1983，54（2）：183-192.

［4］ ALEKSANDROV A B，AZARENKOVA I Y，FEINBERG E L，et al.Automated system for processing nuclear emulsion data on nuclear-nuclear interactions for EMU-15CERN experiment［C］∥4th Conference on Nuclear and Particle Physics.Fayoum，Egypt：［s.n.］，2003.

［5］ ARIGA A.Recent emulsion technologies［C］∥12th International Workshop on Neutrino Factories，Superbeams，and Betabeams.Mumbai，India：American Institute of Physics，2011.

［6］ WANG Y L，GUO S L，TU C Q，et al.Investigation of neutron spectrum emitted from 44GeV12C＋Cu interactions with nuclear emulsion［J］.Radiation Measurements，1997，28（1-6）：269-272.

［7］ HAMIDKHAN M A，CHOWDHURY M S.Studies on recoil proton tracks in NTA films with the T（d，n）4He reaction［J］.Radiation Measurements，2003，37（6）：589-594.

［8］ 钱琬燕，王晓荣，蔡勖，等.新型的核乳胶探测技术［J］.核技术，1999，22（7）：392-394.

QIAN Wanyan，WANG Xiaorong，CAI Xu，et al.New techniques for nuclear emulsion measurement［J］.Nuclear Techniques，1999，22（7）：392-394（in Chinese）.

［9］ MORISHIMA K，NAKANO T.Development of a new automatic nuclear emulsion scanning system，S-UTS，with continuous 3Dtomographic image read-out［J］.Journal of Instrumentation，2010，5（4）：1-16.

［10］ALEKSANDROV A B，APACHEVA I Y，FEINBERG E L，et al.Completely automated measurement facility（PAVICOM）for track-detector data processing［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2004，535（1-2）：542-545.

［11］IEVA M.The European Scanning System for the measurement and analysis of OPERA neutrino interactions with nuclear emulsions［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2009，617（1-3）：275-279.

［12］GANSSAUGE E，TAWFIK A M.MIRACLE Lab：A fast automatic system to perform the analysis of high-multiplicity events in nuclear emulsion chambers［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，1998，416（1）：136-147.

［13］ANTONIO D B.SYSAL：A new fully automatic system for emulsion scanning［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，1998，409（1-3）：471-476.

［14］KOKKAS P，KOKKINIDIS P，PAVLOPOULOS P，et al.An image processing system for track-etch detectors［J］.Radiation Measurements，1996，26（2）：187-191.

Computer-aided Method for Recognition of Proton Track in Nuclear Emulsion

RUAN Jin-lu1，LI Hong-yun1，SONG Ji-wen1，ZHANG Jian-fu1，CHEN Liang1，ZHANG Zhong-bing1，LIU Jin-liang1，2
（1.Radiation Detector Research Center，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China；2.Department of Engineering Physics，Tsinghua University，Beijing100084，China）

In order to overcome the shortcomings of the manual method for proton-recoil track recognition in nuclear emulsions，a computer-aided track recognition method was studied.In this method，image sequences captured by a microscope system were processed through image convolution with composite filters，binarization by multi thresholds，track grains clustering and redundant grains removing to recognize the track grains in the image sequences.Then the proton-recoil tracks were reconstructed from the recognized track grains through track reconstruction.The proton-recoil tracks in the nuclear emulsion irradiated by the neutron beam at energy of 14.9MeV were recognized by the computer-aided method.The results show that proton-recoil tracks reconstructed by this method consist well with those reconstructed by the manual method.This computer-aided track recognition method lays an important technical foundation of developments of a proton-recoil track automatic recognition system and applications ofnuclear emulsions in pulsed neutron spectrum measurement.

nuclear emulsion；proton-recoil track；computer-aided recognition；track reconstruction

TL815

A

1000-6931（2014）02-0362-06

10.7538／yzk.2014.48.02.0362

2012-12-03；

2013-02-26

国家自然科学基金资助项目（11175141）

阮金陆（1987—），男，吉林农安人，硕士研究生，核技术及应用专业