哈士奇的大金毛
成像技术在探测人体隐匿物品方面有着重要的应用。通过介绍人体隐匿物品探测成像系统的应用，分析总结了当前主流的几种成像体制，系统全面地阐述了人体隐匿物品探测成像系统的国内外发展状况及最新成果，分析具有代表性的公司及研究院所成像系统外观、成像效果、性能指标，分析了其成像原理。探讨了成像系统的发展趋势， 为未来成像技术的发展提供了基本参考。
近年来，安全问题日益得到世界人民的关注，对安检系统的可靠性与智能化也提出了更高的要求。传统的金属探测器只能对近距离小范围目标进行检测，效率低，已远远不能满足安检的需求。红外线成像技术是靠物体表面温度成像，在有织物遮挡的情况下无法清晰成像。而X 光透视技术、X 光背散技术、毫米波技术应用而成的成像系统则均可以检测出隐藏在织物下体表的金属物体，还可以检测出塑料手枪，炸药等危险品，获得的信息更加详尽，准确，可以大大地降低误警率，而 X 光透视技术的成像系统对体内藏毒等有明显的检测效果。因此，近年来成像技术在人员安检等方面得到了更加广泛的应用。
成像系统具有代表性成果的研究机构主要包括毫米波成像系统以美国 Millivision 公司,L-3 公司为代表，X 光背散式以 AS&E 的smartcheck 为例，X 光透视以启路达公司产品为例。
1、毫米波成像系统
毫米波成像系统一般有主动和被动两种工作模式，在探测人体隐匿物体的应用中，被动工作模式占据了主要地位。一般来说，被动毫米波成像系统由接收天线、毫米波辐射计、扫描机构和信号处理单元组成。系统的温度分辨率和空间分辨率是衡量成像效果的重要参数。室内成像相对于室外成像，需要更高的温度分辨率。
毫米波扫描仪发出的称为毫米波十到一毫米的波长，这些波被视为极高的高频（EHF），产生最高的无线电波频率。范围从 30 到 300千兆赫的频率，这些波也被称为赫兹辐射。
在上世纪90年代中期，美国Miliimetrix公司开始投入财力和物力进行第一代毫米波辐射计成像系统研究。最早采用的单通道扫描辐射计成像系统完成一幅图像需要30min 。为缩短成像时间Miliimetrix（现Millivision）公司研制出了含有8个通道的辐射接收模块，8个模块组成8×8的阵列。但是他们在研制256×256
阵列时碰到了诸多问题，如灵敏度不够，很难保持各通道灵敏度和增益的一致性，不能实现平面扫描来得到足够多的像素以获得完好的图像等，图像像素仅为100×100。
美国L-3公司的成像技术毫米波辐射宽带模式工作、三维成像的特性。单频点工作的成像系统，不具有三维成像能力。只有采用宽频带工作模式，才可产生距离向分辨率，从而得到三维全息图。该成像系统的线阵扫描子系统。左侧为两排介质杆天线，每排64个，分别作为发射天线和接收天线，两排纵向间隔为半个单元间距。天线后方是两级SP8T单刀8掷开关。通过逻辑电路，可以实现在每一个工作时刻，下排相邻的两个天线单元接收来自上排中间位置的发射天线发出的信号。将所得到信息进行全息反演算法即可实现三维全息成像，但对微小物品及体内藏物的鉴别能力上有一定的局限性。
2、X光背散式成像系统
X光背散式是通过入射电子在样品中受到大角度散射后反向射出背散射电子，这些背散射电子随后入射到一定的晶面，当满足衍射条件时，得到 Bragg 衍射花样。当电子束在样品表面做不同角度扫描时, 电子束相对于某晶面的入射角在不断改变，同时由于晶面取向和其Bragg 角的值都不同，X 光背散式需要多次反复照射而获得的衍射信息图像。[!--empirenews.page--]
3、X光透视成像系统
X光透视成像系统指X 射线通过物质时不被吸收的能力，穿透一般可见光所不能透过的物质。可见光因其波长较长，光子其有的能量很小，当射到物体上时，一部分被反射，大部分为物质所吸收，不能透过物体；而X射线可以把密度不同的物质区分开来。通过发射X射线的装置发射端和接收端组成，发射端发射X光射线，穿透物体后，由接收端接收X射线，并且处理成图像，X光透视成像系统可以通过一次透视，区别出体表所藏匿物品，通过不同深浅颜色的物体，一般密度越高的区域颜色越深。通过X光的透视成像原理可以区别出体内藏毒等。
百科旸
介绍一下近些年在安检领域比较热门的双能（能谱）CT技术和基于深度学习的图像识别技术。
安检CT
近十几年来，随着科学技术的发展和制造水平的提升，以通道式 X 光机为主的安全检查设备在机场、海关、车站、公检法机构、大型活动现场等场所得到了广泛的应用，对预防和制止爆炸、枪击、行凶等案件发生，具有重要的意义。
车站安检：
通道式 X 光机的透视成像图为物体在垂直于 X 射线平面的投影图，投影图中像素点表征射线衰减情况，难以穿透的区域（射线衰减大）以深色显示，容易穿透的区域（射线衰减小）以浅色显示。在通道式 X 光机的透视成像图中，刀具、棍棒、枪支等金属危险品具有较为明显的轮廓和颜色，容易被识别出。
而易燃易爆的液体、固体爆炸物和毒品的透视成像图与生活中常见的饮料、化肥、洗衣粉、奶粉等相似，难以被有效识别。通道式 X 光机进行安全检查时，还存在空间分辨率有限、无法分辨出复杂背景中叠放的物质、无法测定物质的真实密度、也无法准确测定物质的有效原子序数等问题。
上世纪 90 年代，美国的 Invision 公司和 L-3Comm 研发出了基于 X 射线的计算机断层成像安检设备，并相继通过美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）的认证，开启了基于 X 射线的计算机断层成像技术 在 安 检 领 域 的 应 用。2018 年 12 月， 国 家 标 准 GB/T 37128-2018《X 射线计算机断层成像安全检查系统技术要求》正式发布，从功能、性能、电气安全、电磁兼容适应性和环境适应性等多个角度规范了 X 射线的计算机断层成像设备，使得安检计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）设备的设计、制造、验收和使用有据可查，也为安检 CT 设备的广泛应用奠定了基础。在安检领域的检测手段中，CT 技术是比较成熟并逐渐成为重要的技术手段。由于 CT 技术能够使得安检无需开箱，实现行李的快速、三维成像检查，有效地识别隐藏的物体，其漏报率和误报率远低于其他准实时成像检测系统，因此，该技术具有独特的技术优势。
与医疗CT和工业 CT 相比，安检CT的主要特点是：
1）被检物种类复杂，多为体积较小的物品，采用低能量的 X 射线源；
2）以成像为主，同时关注空间分辨、图象质量及密度识别；
3）在结构上，采用被检物平移、射线源和探测器旋转的扫描方式，扫描速度要求高；
4）系统具有智能分析及报警功能，辅以人工分析。
与传统的 X 光机相比，安检 CT 的主要特点是：
1）检测时无需开箱，实现行李的快速、三维成像检查；
2）显示内容丰富，可以显示被检测物的三维图像，能够确定物质厚度，有效地识别隐藏和叠压的物体；
3）可准确计算被检测物质的密度以及有效原子序数，识别爆炸物和毒品；
4）可精确定位爆炸物 / 毒品在行李中的位置，降低了人为因素的影响；
5）漏报率和误报率极低。
双能（能谱）CT
CT系统常以X光机作为射线源，假设其发出的射线是单一能量的，则根据比尔定律可得单色能量射线穿过物体衰减投影公式：
其中，I表示探测器工作通道接收到的被物质衰减后的辐射强度，I0表示探测器通道接收的未衰减的辐射强度，μ表示线性衰减系数。p(s)为函数沿着路径s的线积分投影值。
但是，通常只有使用同步辐射X光源或放射源作为射线源时，射线才具有单一能量，此时单色投影公式才是准确适用的。而CT系统的射线源多为X光机，其发出的射线是具有连续多色能量分布的射线能谱，物质对射线的衰减值是与能量密切相关的，不能简单利用单色投影公式作为投影数据的数学表达。
在实际系统中，多色投影的连续能谱分布不光由X射线能谱S(E)决定，还会受到探测器能量响应函数μ(E)的影响，所以投影数据对应的能谱是一个综合射线能谱。为了表述简洁，这里将综合射线能谱称为系统能谱，用D(E)表示：
综合以上描述，将多色能量X射线衰减规律表示为：
式（3）也称宽能谱射线条件下的Beer定律，以此为依据得到能谱射线投影公式：
式(4)较单色投影式(1)增加了对系统中能谱信息的表达，理论上是一种更加精确的投影表达式。正是由于传统CT成像无法处理能谱信息，只能将多色投影数据简化近似为单色投影，所以才会在重建图像中引入大量伪影信息。使用相应的双能CT重建算法，则可获得被检物的物质信息。
双能CT重建算法的简单思路与计算流程：
X光双能CT成像利用物质对不同能量X光的衰减效应不同的物理性质，采集两套不同能量(谱)下的CT数据，通过特殊的重建方法，以获取比传统单一能量得到的CT图像更丰富的物质分布信息。双能CT可以近似重建任意单能下的衰减系数图像或电子密度和等效原子序数分布图像对等。一方面，双能CT对于区分密度相似而原子序数有差异的物质具有特殊优势；另一方面，双能CT可以很好地解决由传统CT的多色谱造成的同种材料不同图像和不同材料同样CT值的问题。由于双能CT数据给出一系列单一能量衰减系数图像(无硬化伪影)，这样的系统也被称之为能谱CT。双能CT技术在安检领域得到了广泛的研究和应用。该技术能够准确地重建物质的有效原子序数和密度信息，进而达到分辨物质种类的目的，有效地降低误报率。
包裹实物图：
基于深度学习的图像特征识别
为了保证公共交通运输的安全性，X 光包裹安检显示系统已经被广泛地运用到各个机场和车站。但是，人为识别的效率和准确率还是不够高，因为人为观察大量的包裹图像是一个枯燥的工作，安检员会在长时间的工作中分心，很难保证危险违禁物品在人为安检过程中被漏掉，因此催生了自动化智能安检机的出现。当前 X 光行包检测主要依靠颜色分析法和形状分析法，这两种方法都是靠安检员人工看图和人工判图，其准确性依赖于安检员的自身经验，速度受限于安检员的工作负荷，两者效率都不易进一步提高。因此，面向高通量场景下，对行包中枪支、管制刀具和打火机等典型违禁品进行高速自动识别的需要，针对当前人工看图和判图效率不足的问题，研究并突破典型违禁品的图像自动识别匹配和原子序数特性分析等关键技术，实现对行包中典型违禁品的自动识别和匹配的能力，达到对典型违禁品较好的自动识别，从而较大地提高安检效率。
深度学习是通过逐层构建多层网络，使设备获得更细节的特征且计算效率较高，因而近年来受到广大科研工作者的热捧。深度学习技术在智能装备领域产生了巨大影响。
在Hinton科研小组赢得 Image Net比赛半年之后，Google和百度等公司都发布了新的基于图像内容的搜索引擎。它们继承了Hinton在Image Net比赛中采用的深度学习网络架构，并应用在各自领域中，发现图像搜索的准确率得到了较大提升。Facebook 公司于 2013 年 12 月在纽约成立了新的人工智能实验室，聘请了深度学习领域的著名学者，卷积网络的发明人Yann Le Cun作为首席科学家。2014 年 1 月，Google公司花费四亿美金收购了一家深度学习公司Deep Mind，而百度公司在 2012 年就成立了深度学习研究院，2014 年 5月在美国硅谷又成立了新的深度学习实验室，聘请斯坦福大学的吴恩达教授担任首席科学家。鉴于深度学习在学术界和工业界的巨大影响，MIT Technology Review 将其列为世界十大技术突破之首。随着区域性卷积神经网络（RCNN）的出现，深度学习方法在安检违禁物品智能识别中成为一种流行 的 算 法。 基 于YOLO（You Only Look Once） 和SSD（Single Shot Detection）两种算法架构的深度学习算法获得的网络可以直接输出多个目标以及这些目标的位置，它们在训练到算法实施过程更加的高效，这使得它们也成为安检智能识别中的两种主流算法架构。而这两种目标识别算法架构又是可以基于不同的卷积层阶结构的，为了提高识别的效果，在实际的实施过程中研究人员和工程师们首先尝试的是改进卷积层 的 结 构。
Krizhevsky等 人 提 出 的Alex Net结 构、Zeiler和 Fergus提 出 的ZFNET结 构、Simonyan和 Zisserman提 出 的VGGNET结 构 都 在YOLO和SSD目标识别架构中得到了尝试。尽管这些不同卷积层结构采用了不同的方式来表征图像信息然后与全连接层的神经元相连，但是在实际测试效果中，可以总结以下特性：卷积层越深，全连接层的维度越大，训练好的网络识别效果越好，但是训练的时间以及识别算法的运行时间都会增加，收敛的难度也会加大；训练样本越丰富，结果也是越好，但是获取样本的时间人力成本也会增加。
深度卷积神经网络是一种机器学习算法架构，同其他机器学习算法的目的一样，深度卷积神经网络是一种为了获得输入到输出的非线性非显式映射的算法。该架构是通过不同阶层的卷积核参数将原始数据（比如图像）改变维度，然后再与神经元多层链接。学习的过程就是迭代调节卷积核参数和神经元参数的过程。该方法既可以使数据集中含有的先验知识影响到原始数据的输入参数上，同时可以更好地限制模型参数在学习过程中的变化，保证其收敛。
对于采集的双能CT图像，要针对初始化轮廓、生长准则以及方向，考虑包裹中块状结构的特点，现阶段有研究人员采用一种改进的几何形变模型算法对图像进行分割。
图像分割算法框架：
研究人员采用Faster R - CNN进行图像的特征提取。Faster R-CNN 将区域建议和 Fast R-CNN 融合在一个网络模型中（区域生成网络 RPN层），用 RPN 网络代替了 Selective Search，且预测的绝大部分高质量侯选区可以在GPU中完成，使得目标检测的速度大幅度提升，产生建议框的网络和目标检测网络进一步共享卷积特征，实现端到端的检测。
Fast R-CNN 网络结构如下图，整体检测框架大致为：
该方法分为训练和检测两个阶段，如图所示，可以实现被检物体的精确定位以及特征提取。
基于 Faster R-CNN 的燃爆物特征提取：
结语
双能甚至多能的 X 射线扫描机相对单能的 X 射线机器可以具有更多的信息量，可以帮助在复杂的包裹环境下识别不同的物质，对轮廓信息不是很明显的违禁物品可以起到很大的辅助作用。这将会大大提高对不同物质的分类的能力，即使是在好几种物质叠加在一起的时候。
基于深度学习的图像自动检测方法能够自动检测管制物品目标，从而能够有效减少人力资源，提高企业的生产效益。该设备在实际应用中需求迫切，可以帮助维护社会治安、保障公共安全。当前国际、国内反恐局势都非常严峻，管制物品自动检测系统能够提高包裹的检测速度，并且其稳定性相对人工来说更好。
