Nghiên cứu máy soi chiếu hành lý bằng tia x quang loại có băng tải để ứng dụng trong công tác kiểm tra an ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU MÁY SOI CHIẾU HÀNH LÝ BẰNG TIA X-QUANG CÓ BĂNG TẢI ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TÁC KIỂM TRA AN NINH HỌ VÀ TÊN TÁC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU MÁY SOI CHIẾU HÀNH LÝ BẰNG TIA X-QUANG CÓ BĂNG TẢI ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG TÁC KIỂM TRA AN NINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU MÁY SOI CHIẾU HÀNH LÝ BẰNG TIA X-QUANG CÓ BĂNG TẢI ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG

TÁC KIỂM TRA AN NINH

HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN : TRẦN MẠNH HÀ

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 8520203

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS NGUYỄN ĐỨC THUẬN

HÀ NỘI - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sỹ này là do tự bản thân thực hiện có sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn và không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác Các dữ liệu thông tin thứ cấp sử dụng trong Luận văn là có nguồn gốc và được trích dẫn rõ ràng

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về lời cam đoan này!

Học viên

Trần Mạnh Hà

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy GS.TS Nguyễn Đức Thuận

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Công nghệ điện tử - viện Đại học mở Hà nội đã tạo điều kiện trong việc cung cấp tài liệu cho em tham khảo Sau cùng em xin cảm ơn tất cả thầy cô, bạn bè đã đóng góp ý kiến cho đề tài của em được tốt hơn

Học viên thực hiện: Trần Mạnh Hà

TÓM TẮT LUẬN VĂN

1 Đối tượng nghiên cứu:

Máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang loại có băng tải

2 Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu đề tài áp dụng cho sân bay nội bài và tại khu vực lăng bác

3 Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang loại có băng tải

4 Phương pháp nghiên cứu:

Sưu tầm, phân tích các tài liệu, sách báo và trên Internet, tổng hợp các kiến thức có được để viết luận văn

5 Kết quả nghiên cứu của luận văn

Đưa ra giải pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng Máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang loại có băng tải trong công tác đảm bảo an ninh

6 Cấu trúc của luận văn:

• Chương 1: Những khái niệm cơ bản

• Chương 2: Nguyên lý hoạt động của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền qua

• Chương 3: Ứng dụng máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền qua trong công tác kiểm tra an ninh

• Kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC Trang

Lời cam đoan

Lời cảm ơn

Tóm tắt luận văn

Mục lục

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 Những khái niệm cơ bản 2

1.1 Giới thiệu 2

1.2 Khái niệm tia X-quang 2

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bóng phát tia X-quang: 7

1.3.1 Bóng phát tia X 7

1.3.2 Ống phát tia X 8

1.4 Khả năng tương tác của bức xạ với vật chất 9

1.4.1 Hiện tượng hấp thụ 9

1.4.2.Hiện tượng ion hóa 10

1.5 Nguyên lý ghi nhận tia X 10

1.5.1 Ghi nhận bằng phim 10

1.5.2 Ghi nhận bằng các chất phát huỳnh quang 11

1.5.3 Ghi nhận bằng đầu dò điện tử 11

1.6 Lịch sử phát triển và các thành tựu 12

1.7 Kết luận chương 1 16

Chương 2 Nguyên lý hoạt động của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền qua 18

2.1 Công nghệ soi chiếu tia X truyền qua 18

2.2.Cấu tạo của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền qua 18

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy soi chiếu hành lý bằng tia X -quang công nghệ truyền qua 18

3.2.2 Mô tả hệ thống 19

2.3 Kết luận chương 2 21

Chương 3: Ứng dụng máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền quatrong công tác kiểm tra an ninh 23

3.1 Trong công tác kiểm tra an ninh hành lý 23

3.1.1 Mục đích 23

3.1.2 Đặc điểm 23

3.1.3 Biện pháp 24

3.2 Trong công tác kiểm tra an ninh địa điểm 24

3.2.1 Mục đích 24

3.2.2 Đặc điểm 24

3.2.3 Biện pháp 25

3.3 Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng soi chiếu bằng công nghệ tia X-quang truyền qua 25

3.4 Một số nghiên cứu nâng cao khả năng phát hiện hình ảnh của máy soi chiếu tia X-quang truyền qua 25

3.4.1 Cơ sở về xử lý và nhận dạng ảnh 25

3.4.1.1 Hệ thống xử lý ảnh 25

3.4.1.2 Thu nhận ảnh 28

3.4.1.3 Phân tích ảnh 30

3.4.1.4 Nhận dạng ảnh 41

3.4.1 Phân tích hình ảnh thu được qua máy soi tia X- quang có băng tải bằng màu sắc 43

3.4.2 Phân tích hình ảnh ở các góc độ soi chiếu khác nhau 53

3.4.3 Phân tích hình ảnh X-quang từ quá trình kiểm tra thực tế 72

3.5.Đề xuất theo dõi ảnh chụp tia X-quang từ xa cho người giám sát 74

3.5.1 Mục đích 74

3.5.2 Nguyên lý vận hành 74

3.6 Kết luận chương 3 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

MỞ ĐẦU

Trong bối cảnh tình hình an ninh trên thế giới và khu vực diễn biến rất phức tạp Các hoạt động khủng bố đã diễn ra tại nhiều nước trong khu vực:Inđôneexxia, Philippin, Thái Lan, và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của nhiều quốc gia, nhất là sau sự kiện 11/09/2001 xảy ra tại Mỹ

Ở Việt nam, an ninh chính trị cơ bản được giữ vững, ổn định Song lợi dụng bối cảnh quốc tế và khu vực xuất hiện nhiều yếu tố bất ổn, có những tác động nhất định đến tình hình trong nước, các thế lực thù địch chế độ, bọn phản động, các phần

tử bất mãn được sự hậu thuẫn và kích động từ bên ngoài luôn có âm mưu và hoạt động chống phá Nhà nước ta, tổ quốc ta, nhằm gây mất ổn định chính trị, phá hoại môi trường phát triển kinh tế, phá hoại chính sách đối ngoại rộng mở của đất nước và là một thách thức nói chung của lực lượng An ninh

Mặt khác, quá trình ứng dụng mạnh mẽ các thành tựu khoa học kỹ thuật và công nghệ vào lĩnh vực bảo vệ an ninh đã tăng thêm rất nhiều khả năng phòng ngừa, ngăn chặn các hoạt động phá hoại, khủng bố tại nhiều khu vực khác nhau Việc nghiên cứu, khai thác các thiết bị có công nghệ mới là yêu cầu đặt ra, đòi hỏi mang tính cấp thiết đối với lực lượng An ninh

Đề tài "Nghiên cứu máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang có băng tải để ứng dụng trong công tác kiểm tra an ninh" được xây dựng trong bối cảnh với mục

tiêu trên nhằm giữ vững an ninh và sự phát triển ổn định cho đất nước

CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Giới thiệu:

Xã hội ngày càng phát triển, đời sống con người dần tiến bộ và hiện đại, kéo theo đó là sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật Các công trình nghiên cứu khoa học mới lần lượt ra đời nhằm phục vụ tốt cho nhu cầu của con người Thời đại ngày nay - thời đại của tầm cao trí tuệ, mọi sản phẩm sinh hoạt của con người đều là những ứng dụng tinh tế của các phát minh khoa học Mỗi ngành khoa học đều có những ứng dụng cụ thể trong một số lĩnh vực nhất định Vật lý học là ngành

đã cống hiến cho nhân loại những phát minh mà tác dụng của nó đối với đời sống quả là không nhỏ

Được biết đến là một trong những phát hiện quan trọng trong lịch sử, việc phát minh ra tia X và phương pháp chụp X-quang, đã mang lại những ứng dụng tuyệt vời giúp phát hiện và hỗ trợ chẩn đoán, điều trị bệnh đạt hiệu quả và độ chính xác cao Không chỉ mang lại giá trị ứng dụng lớn trong y học, tia X còn được sử dụng trong việc kiểm tra an ninh tại các sân bay Tại Mỹ, trong nhiều năm trở lại đây, thiết bị quét X-quang được sử dụng nhằm phát hiện vũ khí và những đồ vật nguy hiểm không được phép mang lên máy bay Tia X có thể cho kết quả phát hiện các đồ vật bằng kim loại chính xác Bằng cách sử dụng thiết bị gia tốc phân tử làm tăng tốc độ chuyển động của các electron đạt mức tốc độ của ánh sáng cho tới khi chúng phát ra các tia phóng xạ Cũng bằng cách chiếu tia X này, các nhà khoa học

có thể sử dụng để kiểm tra cấu trúc nguyên tử của các loại vật liệu, kể cả chất liệu nhân tạo và vật liệu tự nhiên

1.2 Khái niệm tia X-quang

1.2.1 Khái niệm tia X- quang

1 Định nghĩa:

Tia X hay X-quang hay tia Rơntgen là một dạng của sóng điện từ Nó

có bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nanômét tương ứng với dãy tần số từ

30 Petahertz đến 30 Exahertz và năng lượng từ 120eV đến 120 keV (Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma)

2.Tính chất của tia x:

- Tia X không nhìn thấy được Chúng lan truyền theo đường thẳng, bị khúc

xạ, phân cực và nhiễu xạ như ánh sáng thường (ánh sáng nhìn thấy được) Hệ số khúc xạ của tia X đối với kim loại.− 10≈ δ , trong đó δ − 1 = η gần bằng 1

- Tia X xuất hiện khi các điện tử (hoặc các hạt mang điện khác như proton)

bị hãm với vật chất bởi một vật chắn và trong quá trình tương tác giữa các bức xạ

- Tia X chính là bức xạ điện từ với bước sóng từ 0,1 đến 102 A Người ta quy ước chia bức xạ tia X ra thành loại sóng ngắn (bức xạ cứng) và loại sóng dài (bức xạ mềm)

- Khả năng đâm xuyên của tia X tăng theo tốc độ của các điện tử bị hãm + Tia X đi xuyên qua được giấy, vải, gỗ, thậm chí cả kim loại nữa Tia X dễ dàng đi xuyên qua tấm nhôm dày vài xentimét, nhưng lại bị lớp chì dày vài milimét chặn lại Do đó, người ta thường dùng chì để làm các màn chắn tia X Tia X có bước sóng càng ngắn thì càng xuyên sâu, tức là càng “cứng”

+ Tia X có thể xuyên qua các tạng của cơ thể theo nguyên lý: Hiệu điện thế càng cao thì khả năng đâm xuyên càng mạnh Khi xuyên qua vật chất, nếu chiều dày và tỷ trọng của vật chất càng cao thì chùm tia X bị suy giảm càng nhiều Trong

cơ thể con người, xương đặc cản tia X mạnh, nhu mô phổi chứa không khí nên tia X

dễ xuyên qua Số lượng tia X tạo ra tỷ lệ thuận với cường độ của dòng điện đi qua bóng X- quang: cường độ dòng điện càng cao thì số lượng tia X càng nhiều

- Tác động của tia X làm đen phim và giấy ảnh Bức xạ cứng (sóng ngắn) bị hấp thụ trong lớp cảm quang ít hơn so với bức xạ mềm (sóng dài) vì vậy tác động lên phim ảnh cũng yếu hơn Làm ion hóa không khí

+ Đo mức độ ion hóa của không khí có thể suy ra được liều lượng tia X Rọi vào các vật chất, đặc biệt là kim loại, tia X cũng bứt được electron ra khỏi vật + Khi đi qua cơ thể, tùy thuộc năng lượng còn lại mạnh hay yếu, tia X sẽ làm biến đổi muối bạc trên phim nhiều hay ít khác nhau để tạo nên hình ảnh Đặc tính này được ứng dụng trong chụp phim X quang

+ Người ta có thể phân tích bức xạ tia X thành phổ khi đi qua các tinh thể Tinh thể bao gồm các nguyên tử sắp xếp trong không gian theo một trật tự hoàn toàn xác định Do ảnh hưởng của điện trường của tia X điện tử của nguyên tử trở thành các tâm phát sóng cầu với bước sóng bằng với bước sóng của tia sơ cấp Các sóng cầu do các nguyên tử phát ra giao thoa nhau: chúng triệt tiêu nhau theo hướng này nhưng lại tăng cường nhau theo hướng khác

- Tia X có tác dụng làm phát quang nhiều chất Tia X làm phát sáng chất huỳnh quang đặt trong buồng tối Người ta ứng dụng đặc tính này để chế tạo máy chiếu X quang: tùy mức độ cản tia X khác nhau của từng bộ phận, năng lượng của tia X còn lại sau khi đi qua cơ thể sẽ tác động lên màn huỳnh quang (đặt trong buồng tối) với mức độ khác nhau để tạo nên hình ảnh

Hình 1.1: Chụp ảnh X-quang tay người đeo nhẫn

Năm 1917, phòng thí nghiệm chụp ảnh bức xạ tia X đầu tiên được xây dựng tại Royal Arsenal, ở phía đông nam thủ đô Luân đôn của nước Anh

Năm 1930, Hải quân Mỹ đã áp dụng phương pháp chụp ảnh phóng xạ vào việc kiểm tra các mối hàn, vật đúc bằng kim loại bằng phương pháp chụp ảnh phóng xạ đã được áp dụng rộng rãi hơn Đây thực sự là một công cụ hữu hiệu trong việc kiểm tra khuyết tật ngày càng phát triển, đối tượng kiểm tra càng được mở rộng

ảnh giải phẫu mạch máu cũng như các can thiệp y tế qua hệ thống động mạch đều dựa vào các máy soi X quang để định vị các thương tổn tiềm tàng và có thể chữa trị

Xạ trị tia X, là một can thiệp y tế, hiện nay dùng chuyên biệt cho ung thư, dùng các tia X có năng lượng mạnh Tuy nhiên tia X có khả năng gây ion hóa hoặc các phản ứng có thể nguy hiểm cho sức khỏe con người, do đó bước sóng, cường độ và thời gian chụp ảnh y tế luôn được điều chỉnh cẩn thận để tránh tác hại cho sức khỏe

2 Phục vụ kiểm tra an ninh tại cửa khẩu, sân bay, các dịa điểm đông người:

Chiếu X quang để thu được hình ảnh các đồ vật bên trong hành lý gói kín hay trong quần áo trên thân người, được thực hiện tại các cửa khẩu có yêu cầu an ninh cao, như cửa lên máy bay, cửa khẩu sang nước khác, các địa điểm diễn ra hội nghị quan trọng có đông người tham gia và một số nhà giam đặc biệt

Hệ thống quét an ninh thường tích hợp chiếu X quang với quét dò kim loại,

để thu được thông tin tin cậy hơn về đối tượng được quét

3 Thiên văn học tia x:

Thiên văn học tia X nghiên cứu các vật thể vũ trụ ở các bước sóng tia X Nó xác định ra các đối tượng phát xạ nhiệt có nhiệt độ trên 107 độ Kelvin, là các sao hay vùng khí dày (được gọi là phát xạ vật đen tuyệt đối)

Vì tia X bị khí quyển Trái Đất hấp thụ mạnh, việc quan sát phải được thực hiện trên khí cầu ở độ cao lớn, các tên lửa, hay trên tàu vũ trụ

4 Tia X có thể gây ảnh hưởng tới DNA:

Do bản thân tia X là một loại tia điện từ sóng ngắn có mang năng lượng Do

đó khi hấp thụ vào cơ thể con người, chúng phát ra các phóng xạ ion hoá làm thay đổi cấu tạo các phân tử trong các tế bào sống của cơ thể, cụ thể là làm thay đổi các DNA trong các tế bào sống, kết quả là làm gia tăng nguy cơ tế bào đột biến dẫn tới bệnh ung thư

Tại Mỹ, các nhà khoa học nước này đo được mức độ phóng xạ khi tiếp xúc với tia X vào khoảng vài millisieverts (msv) Trung bình khi chụp Xquang toàn bộ vùng ngực, bệnh nhân sẽ tiếp xúc với tia X có mức phóng xạ là 0,1msv Mức độ

phóng xạ trung bình một người có thể tiếp xúc trong một năm có thể vào khoảng 3msv từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó có cả các phóng xạ tự do trong tự nhiên Tuy nhiên, theo so sánh của Hiệp hội Chuyên ngành Xquang Bắc Mỹ, thì một lần chụp Xquang vùng ngực sẽ khiến cho một người bị nhiễm một mức phóng xạ tương đương với 10 ngày tiếp nhận phóng xạ tự do từ môi trường tự nhiên Như vậy, nếu chụp Xquang nhiều lần trong một năm, nguy cơ bị nhiễm phóng xạ nồng độ cao rất

có thể xảy ra

1.2.3 Cách ngăn chặn sự ảnh hưởng phóng xạ từ tia X

Tiếp xúc nhiều với năng lượng phóng xạ từ tia X có thể làm gia tăng nguy cơ mắc ung thư, tuy nhiên chúng ta hoàn toàn có thể hạn chế sự ảnh hưởng này của tia

X Các nghiên cứu khoa học đã tìm ra cách hạn chế ảnh hưởng từ năng lượng phóng

1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bóng phát tia X-quang:

1.3.1.Bóng phát tia X:

Bóng X-Quang có thể xem như dạng đặc biệt của điốt chỉnh lưu chân không, bóng X-quang gồm các bộ phận chủ yếu sau:

+ Nguồn bức xạ điện tử - cathode (âm cực);

+ Nguồn bức xạ tia X – Anode (dương cực)

+ Vỏ thủy tinh (vỏ trong) bao quanh anode và cathode, đã được hút chân không để loại trừ các phân tử khí cản trở trên đường đi chùm tia điện tử

+ Vỏ bóng (vỏ ngoài) thường làm bằng hợp kim nhôm phủ chì để ngăn ngừa tia X bức xạ theo những hướng không mong muốn ra môi trường xung quanh và

còn có tác dụng tản nhiệt Ngoài ra trên vỏ còn bố trí cửa sổ tia X nơi ghép nối với hộp chuẩn trực và vị trí các đầu nối

Hiện nay, có hai loại bóng được ứng dụng phổ biến trong thiết bị X-Quang là bóng sử dụng Anode quay và bóng sử dụng Anode cố định

1.3.2 Ống phát tia X :

a Cấu tạo:

- Là ống tia cathode ở áp suất cỡ 10 -3 mmHg có 3 cực

- Cathode C hình chỏm cầu electron được cung cấp bằng dây kim loại (wolfram, constantan ) nung nóng với bộ nguồn riêng

- Đối âm cực nằm giữa anode A và cathode C bằng kim loại có nguyên tử lượng lớn và khó nóng chảy (platin, wolfram ) để chắn dòng tia cathode Đối âm cực thường được nối với anode A

- Anode

b Nguyên lý hoạt động:

Trong một bóng chân không, thường làm bằng thủy tinh, có hai điện cực Cathode có sợi đốt giống như trong bóng đèn điện Khi sợi đốt bị đốt nóng thì đám mây electron xuất hiện Anodethường được làm bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt, ví

dụ như đồng Ở trênanode có một điểm để hội tụ và nhận tương tác của chùm

electron đến từ Cathode, thường là Vonfram được gọi là bia

Khi đặt một điện áp cao thế, thường trong khoảng từ 25.000 V (25 kV) đến 150.000 V (150 kV), lên cathode và anode thì electron từ sợi đốt sẽ được gia tốc hướng về bia Diện tích của bia ở đó các electron bắn phá vào và tia X phát ra gọi

là tiêu điểm hay điểm tiêu cự Cao áp đặt lên hai điện cực thường được đặc trưng bằng giá trị cực đại hay giá trị đỉnh vì điện áp đặt vào là biến đổi Vì vậy mà chúng

ta sử dụng ký hiệu kVp (giá trị điện áp cực đại – kilovolt peak) và chất lượng tia X phát ra thường được xác định thông qua kVp

Dòng điện chạy qua bóng phát tia X, tính bằng miliampe (mA) được điều khiển bằng dòng qua sợi đốt Suất liều tính bằng miliampe-giây (mAs) phụ thuộc

vào tích số dòng qua bóng phát và thời gian chiếu Chất lượng của tia X trực tiếp phụ thuộc vào giá trị mAs

Hình 1.3: Cấu tạo của bóng phát tia X

Có hai dạng tia X được tạo ra – Bremsstrahlung (tiếng Đức có nghĩa là ‘bức

xạ hãm’) và tia X đặc trưng Bức xạ hãm sinh ra do tương tác giữa các điện tử và hạt nhân nguyên tử vật liệu làm bia Tia X tạo ra sau mỗi tương tác có năng lượng nằm trong khoảng từ không cho tới giá trị năng lượng xác định bởi cao áp đặt lên anode và cathode Ví dụ một bóng phát có điện áp 100 kVp sẽ tạo ra tia X có năng lượng trải dài từ 0 cho đến 100 keV

Tia X đặc trưng tạo ra khi các electron bắn phá bia làm bật electron trên các quỹ đạo bên trong ra khỏi nguyên tử vật liệu làm bia Tia X này được gọi là tia X đặc trưng vì nó đặc trưng riêng cho từng loại nguyên tố làm bia

1.4 Khả năng tương tác của bức xạ với vật chất:

1.4.1 Hiện tượng hấp thụ:

Chùm tia X tới là chùm song song, có cường độ lớn Io, đồng năng lượng, lớp vật chất có bề dày d

Hình 1.4: Hiện tượng hấp thụ

Chùm tia thoát ra khỏi lớp vật chất d là chùm có cường độ yếu hơn I, năng lượng không đồng nhất, có một lượng tia bị lệch hướng so với hướng ban đầu Chùm tia X truyền qua bị suy giảm về cường độ và năng lượng Sự không đồng nhất về bề dày và mật độ vật chất d sẽ gây ra sự suy giảm năng lượng và cường độ tia x khác nhau Phim, màn huỳnh quang hoặc thiết bị gi nhận tia X đặt sau khối vật chất để ghi nhận chùm tia truyền qua phản ánh mức độ không đồng nhất hoặc khuyết tật bên trong của khối vật chất d

1.4.2 Hiện tượng ion hóa

Nguyên tử hoặc phân tử của bất kỳ chất nào bản thân chúng cũng đều trung hòa về điện Bức xạ tia X và tia gamma, cũng như nhiều loại bức xạ điện từ khác, khi đi vào môi trường vật chất có thể gây ra sự ion hóa các nguyên tử, phân tử của môi trường, làm cho chúng từ các hạt trung hòa về điện chuyển thành các hạt mang điện tích trái dấu Hạt mang điện tích âm là các electron, hạt mang điện tích dương

Thực chất, khi bức xạ X đến phim sẽ tạo ra một ảnh nhưng ảnh này không thể nhìn thấy bằng mắt thường, được gọi là ảnh ẩn Lớp nhũ tương chụp ảnh của phim có chứa các tinh thể bạc bromua (AgBr) Dưới tác dụng của bức xạ, Br- sẽ chuyển hóa thành Br+ e- và Ag+ sẽ kết hợp lại thành phân tử bromua Br2và thoát khỏi tinh thể bạc bromua còn nguyên tử Ag tự do lắng xuống Các hiện tượng này diễn ra trong quá trình tráng rửa phim, nên sau khi tráng rửa phim thì ảnh ẩn sẽ hiện lên

1.5.2 Ghi nhận bằng các chất phát huỳnh quang

Một số chất như cadmium sulphate, barium platinocyanide, calcium sulphate có thể phát ra ánh sáng nhìn thấy hoặc tia tử ngoại khi bị chiếu bởi bức xạ tia X Hiện tượng phát huỳnh quang được ứng dụng trong việc soi ảnh trên màn huỳnh quang và trong chụp ảnh bức xạ

Trong chụp ảnh bức xạ, các màn tăng cường huỳnh quang được sử dụng để làm tăng hiệu ứng quang hóa trên phim, đồng thời làm giảm thời gian kiểm tra mẫu vật

Trong y học, việc sử dụng màn tăng cường huỳnh quang có ý nghĩa quan trọng là làm giảm bớt liều bức xạ mà bệnh nhân phải nhận để tránh gây ảnh hưởng tới sức khỏe của bệnh nhân mà vẫn thu được chụp X-quang tốt phục vụ việc chuẩn đoán bệnh

Phương pháp soi ảnh trên màn huỳnh quang tuy nhanh nhưng lại có nhược điểm là chất lượng ảnh thấp, độ tương phản kém

1.5.3 Ghi nhận bằng đầu dò điện tử ( detector)

Phần lớn các detector được sử dụng là các detector nhấp nháy Các detector nhấp nháy hoạt động dựa trên nguyên lý giống nguyên lý ghi nhận huỳnh quang mở rộng

Về cấu tạo, một detecor nhấp nháy gồm một bản tinh thể nhấp nháy và một ống nhân quang điện Chất nhấp nháy có nhiều loại khác nhau và trong một bản tinh thể nhấp nháy cũng có thể có nhiều chất nhấp nháy khác nhau Bản tinh thể nhấp nháy thường được phủ một lớp beryllium mỏng, bên dưới là một lớp nhôm

Berryllium có tính chất ngăn ánh sáng nhưng cho tia X truyền qua Nhôm có chức năng làm phản xạ ánh sáng

Bức xạ tia X đến tương tác với bản tinh thể nhấp nháy natri iode (NaI) hoặc lithium iode (LiI), đã được làm tăng hoạt tính bằng chất thallium hoặc germanium, thì bức xạ mất đi một phần hoặc toàn bộ do quá trình hấp thụ và lám phát ra ánh sáng bên trong bản tinh thể nhấp nháy Cường độ ánh sáng phát ra tỉ lệ với năng lượng bức xạ đi đến tương tác với bản tinh thể nhấp nháy

Giữa bản tinh thể nhấp nháy và ống nhân quang điện là lớp chất silicon, là chất có hiệu suất phát sáng nhấp nháy cao

Ống nhân quang điện có vai trò chuyển đổi từ tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu xung điện Cấu tạo của một ống nhân quang điện gồm các các phần cơ bản sau: photocatode, các dynode và anode

Khi tín hiệu ánh sáng đập vào photocatode sẽ làm bật ra các điện tử Nhờ các dynode mà các điện tử riêng lẻ được nhân lên hàng nghìn lần Dòng điện tử cường

độ lớn từ dynode cuối cùng đập vào anode và tạo ra ở đầu ra của ống nhân quang điện một tín hiệu điện dạng xung Xung điện này được đưa qua khuếch đại, phân tích và cuối cùng đưa vào bộ đếm xung Như vậy, số xung đếm được sẽ tỉ lệ với số chớp sáng được tạo ra từ detector nhấp nháy

1.6 Lịch sử phát triển và các thành tựu

Wilhelm Conrad Roentgen (Rơnghen) (27 tháng 3 năm 1845 - 10 tháng 2 năm 1923) sinh ra tại Lennep, Cộng Hòa Liên Bang Đức, là một nhà vật lý học, giám đốc Viện Vật lý trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg

Thế kỉ XIX là thời đại của ông Thời đó, động cơ hơi nước được coi là phát minh kiệt xuất của nhân loại, kế đó là những sáng chế như: xe đạp, máy quay đĩa, điện thoại…

Những môn khoa học cơ bản như: Toán, Lý, Hóa, Sinh… vẫn còn biệt lập nhau và cách nhau rất xa Những kiến thức lý thuyết còn phát triển chậm, cho nên nhà nghiên cứu trước hết là nhà thực nghiệm giỏi.Ở vào thời kỳ này, nhất là vào những năm 1890, các nhà vật lý tên tuổi đổ xô vào tìm hiểu phát minh mới của

Faraday và Hittorf và “Hiện tượng phóng điện trong không khí loãng” Tia điện khi

đó là đề tài hấp dẫn, là “mốt” theo đuổi của nhiều nhà khoa học, trong đó có Rơnghen

Tối ngày 8/11/1895, phòng thí nghiệm Viện Vật lý thuộc trường Đại học Tổng hợp Wurtzbourg (cách Berlin 300 km về phía tây nam), Giám đốc Rơnghen

“chong đèn” thâu đêm mải mê nghiên cứu dòng điện vận chuyển trong ống chân không, còn gọi là ống Crookes – Hittorf, (đó là tên của nhà vật lý kiêm Chủ tịch Hội đồng Hoàng Gia Anh và sáng chế của Crookes đã ra đời cách ngày ấy 40 năm) Rơnghen có ý định làm lại các bước thí nghiệm với ống chân không này

Một trong những thiết bị mà Rơnghen rất chú ý đến là ống tia âm cực Đó là một ống thuỷ tinh chân không có hai điện cực ở hai đầu, được cung cấp điện áp cao thế từ cuộn dây Ruhmkorff và nếu áp suất trong ống thấp, chúng sẽ tạo ra sự phát sáng huỳnh quang (phosphorescence) khi tác động bởi một chùm electron phát sinh

từ âm cực

Ông đặt một màn chắn giữa ống và tia âm cực với bản thủy tinh (trong đó có tráng một lớp hỗn hợp phát quang) Khi bật công tắc điện thì màn chắn có chứa barium plation - cyamit (ta thường gọi là Xyanuabari) đặt trước ống chân không bỗng phát ra thứ ánh sáng xanh nhè nhẹ, nhưng sao nó lại có vẻ khác lạ so với tia điện chúng ta thường biết đến? Khi rút phích điện ra khỏi ổ cắm, ánh sáng kỳ lạ kia biến mất Ông kiểm tra lại nơi phát sáng, tình cờ ông thấy tấm bìa tẩm platinocyanure de baryum ở đó Ông suy đoán: có thể từ chính cái ống crookes kia

đã phát ra một cái gì đó, rồi chính nó lại kích thích chất huỳnh quang trên màn hình Rơnghen tự hỏi: Hay tấm bìa phát sáng? Hoặc một khúc xạ nào đó của tia điện? Hay ống nghiệm phát sáng? Ông làm lại thí nghiệm đó bằng cách thử dùng giấy đen bịt kín ống nghiệm lại xem sao Rơnghen thốt lên: Lạ thật! Kết quả vẫn như cũ Ông

dự đoán: có thể đây là một tia rất mới Nó xuyên qua cả giấy đen

Bà Bertha - người vợ thân yêu của ông thấy chồng có vẻ đăm chiêu hơn mọi ngày Ngồi ăn cơm bên nhau mà bà không dám hỏi, e ngại dòng suy nghĩ của chồng

bị ngắt quãng Cả đêm hôm đó ông không thể chợp mắt được Ông muốn lao sang

phòng thí nghiệm ngay tức khắc Ông suy đoán miên man không sao ngủ được Rồi đột nhiên, ông thốt lên thành lời Phải rồi! May ra chỉ có giấy ảnh mới kiểm chứng được khả năng xuyên qua giấy đen của thứ tia mới lạ đó

Trời vừa mới sáng, ông sang phòng thí nghiệm ngay, lấy từ trong ngăn kéo

ra tập giấy ảnh mới mua Ông bắt tay vào thí nghiệm với giấy ảnh Rồi giao cho Marstaller – nhân viên của phòng mang đi in thành ảnh Chỉ ít phút sau đã thấy Marstaller quay trở lại, anh tỏ ra ấp úng: “Tôi…tôi… trót mở tung gói giấy ra làm cho chúng đen lại” Nhưng Rơnghen nhìn kỹ lại và thấy nó không đen đều Ông quan sát kỹ hơn thì thấy: có in hình chữ nhật và ở giữa là hình tròn tựa như chiếc nhẫn Nhìn vào trong ngăn kéo, ông thấy có một tấm bìa cứng kích thước bằng đúng hình chữ nhật kia và trên đó đặt chiếc nhẫn của ông Ông chợt nhớ lại: Hai nhà khoa học Kelvin và Gabriel (người Anh) 15 năm về trước có lần nói đến một số tia lẫn trong tia điện Phải chăng nó là đây? Nhưng sao suốt 15 năm qua không ai tìm ra nó? Ông ngồi nhìn lại tấm hình trên giấy ảnh Rồi lại đặt lên bàn, tập trung đến cao

độ để giải thích hiện tượng này Bà Bertha kể lại rằng: Trong suốt thời gian chung sống với nhau, khoảng gần 25 năm bà chưa bao giờ thấy ông ấy vui vẻ, rạng rỡ đến như thế Gần đến ngày lễ Giáng Sinh rồi, nhưng ông vẫn quyết định thử nghiệm lại một lần nữa Lần này, Rơnghen đưa thiết bị sang phòng bên cạnh, kéo các rèm cửa lại để làm phòng tối Gần ống nghiệm có một màn huỳnh quang Khi công tắc bật lên, tia lửa điện xuất hiện ngay trong ống và màn huỳnh quang lại phát sáng Rơnghen bịt ống nghiệm bằng ống giấy, rồi chuyển màn hình quay trở lại phòng thí nghiệm cũ Ngăn cách hẳn một cánh cửa gỗ, nhưng màn huỳnh quang vẫn sáng, tuy

có yếu hơn trước đôi chút Lần này thì ông bỏ ống giấy ra, nhưng đặt thêm một quyển sách khá dày trước màn hình Ông thận trọng bật công tắc Chà! Kết quả vẫn không thay đổi Ông mừng rỡ thật sự Suy tính trong giây lát, một tay ông nâng màn hình lên, tay kia đưa ngay vào tầm của màn huỳnh quang Thật là sửng sốt! Ông nhìn thấy những đốt xương bàn tay của chính mình, cả đường gân và mạch máu Thú vị thay là bộ xương ấy đang sống, nó chuyển động theo sự điều khiển của ông Rơnghen lại tiếp tục đưa vào những vật cản khác, bằng nhiều chất liệu, cuối cùng

ông rút ra kết luận: “Tia đặc biệt này có khả năng xuyên qua giấy, gỗ, vải, cao su, phần mềm của cơ thể Nhưng không đi qua được kim loại, nhất là những kim loại

có tỷ trọng lớn, không đi qua được một số bộ phận cơ thể, nhất là những bộ phận có chứa nguyên tố nặng như xương Mặt khác, nó không bị ảnh hưởng bởi từ trường, hay điện trường, nó làm cho không khí trở nên dẫn điện hiện lên phim ảnh” Nhà phát minh bỗng cảm thấy cần phải chia sẻ với người vợ thân yêu của mình Ông đặt bàn tay bà lên trên tấm kính ảnh Ống nghiệm của ông thì để ở dưới gầm bàn Ông dặn vợ: đừng có động đậy bàn tay đang đặt ở trên bàn Thế là pô ảnh đầu tiên bằng tia mới chưa kịp đặt tên đã được ông chụp cho chính bàn tay mềm mại của người vợ thân yêu Tấm ảnh chưa kịp khô, Rơnghen đã lấy ra cho vợ xem Những đốt xương tay của bà Bertha hiện lên thật rõ nét, cả chiếc nhẫn mà bà đeo trên ngón tay trỏ nữa, chúng đều hiện lên rõ mồn một Hôm đó là ngày 22/12/1895 Về sau này, người ta ca ngợi tấm hình “là bản chụp hình xương người đầu tiên trong lịch sử y học” Từ đây, nó giúp cho con người có thể thấy được cơ quan nội tạng của mình

mà trước đó không có cách gì thấy được Thành công của Rơnghen làm mọi người hết sức kinh ngạc Ngày 28/12/1895, ông mang nộp bản báo cáo học thuật đầu tiên về tia mới này cho Học hội vật lý học và y học Wurtzbourg và cho in bản luận văn tên là “Bản báo cáo sơ bộ về một loại tia mới” Nội dung bài báo cũng được ông trình bày trong một buổi thuyết trình của hội ngày 23/1/1896 Thông tin về khám phá của Rơnghen truyền đi như vũ bão, nhanh chẳng kém gì thời đại Internet, dù rằng đây là chuyện của hơn một thế kỷ trước Tháng 3/1896, những ứng dụng y khoa đầu tiên được công bố Một tấm ảnh tia X cho thấy một viên đạn còn nằm trong một bàn tay bị thương, một tấm khác, vết thương chưa lành

ở chân…

Tháng 6/1896, Thomas Edison (Mỹ) quảng bá một “máy chụp huỳnh quang” với những tia X cực mạnh Người ta chụp đủ thứ bằng máy chụp tia X (cả ngành hải quan cũng vào cuộc rất sớm), và công bố rộng rãi kết quả trên báo chí: chỉ riêng trong năm 1896 có hơn 1.000 bài báo chung quanh chủ đề này Riêng Hàn lâm viện khoa học Pháp có 108 thông báo, trong đó phải kể tới thông báo của Antoine Henri

Becquerel về những tia vô hình từ những vật thể lân quang, mô tả khám phá hiện tượng phóng xạ của ông, được đọc ngày 2/3/1896 (theo một bài viết của J.J Samueli trên trang web BibNum) Về lý thuyết, thế kỷ 20 chứng kiến nhiều công trình quan trọng liên quan tới tia X đáng kể nhất là khám phá ra bản chất sóng điện

từ của các tia này (nhà bác học Max von Laue), cũng như sự hiện diện của chúng trong tự nhiên: tia X cùng bản chất với các tia Gamma, là các sóng điện từ có tần số cực cao, gấp hàng triệu lần tần số của ánh sáng tím Năm 1901, Rơnghen là nhà vật

lý học đầu tiên vinh dự nhận giải thưởng Nôben, với việc tìm ra tia X hay tia Rơnghen làm chấn động cả thế giới, mở ra một thời đại mới cho sự phát triển của khoa học – kĩ thuật

Ngày nay, trên khắp thế giới, người ta không còn lạ gì với những tấm ảnh chụp các bộ phận bên trong cơ thể, nhất là xương của những người bị tai nạn, nhằm tìm hiểu để chữa trị thương tật ấy Những người bị nghi là có bệnh phổi cũng thường được đưa đi chụp phổi xem có bị lao, ung thư v.v… Cả một ngành khoa học mới, ngành ảnh y học (tiếng Anh: medical imaging) ra đời từ những tấm ảnh tia X đầu tiên, được mở rộng sau đó với những kỹ thuật vật lý khác (như ảnh cộng hưởng

từ - Magnetic Resonance Imaging, viết tắt là MRI), kết hợp với những kỹ thuật số hoá các kết quả đo đạc và khả năng xử lý thông tin của toán học sử dụng máy tính điện tử Nhiều ứng dụng khác mở ra, nhưcác ngành tinh thể học tia X, thiên văn học tia X… hoặc trong công nghiệp, ngành chụp ảnh kỹ nghệ tia X để khám phá những cấu trúc vật liệu cực nhỏ, hay những vết rạn vỡ nằm sâu trong lòng máy móc

Phương pháp soi kiểm tra hàng hóa bằng máy soi tia X hiện nay là sự phát triển mang tính chất kế thừa các kỹ thuật chụp ảnh bằng bức xạ tia X đã xuất hiện đầu tiên vào cuối thế kỷ 19 và phát triển mạnh mẽ vào nửa cuối thế kỷ 20

Ngày nay, các kỹ thuật soi, chụp bằng bức xạ tia X đang được ứng dụng rộng rãi và có thể nói là không thể thiếu trong rất nhiều lĩnh vực quan trọng của cuộc sống như y học, khoa học công nghệ, công nghiệp, an ninh

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY SOI CHIẾU HÀNH LÝ BẰNG TIA X - QUANG CÔNG

NGHỆ TRUYỀN QUA 2.1 Công nghệ soi chiếu tia X- quang truyền qua vật

Hình 2.1: Nguồn phát tia x- quang

Hệ thống bao gồm một nguồn phát tia x quang và một hệ thống dò tín hiệu Nguồn phát tia x-quang sau khi được kích hoạt bằng lệnh điều khiển , phát ra chùm tia x đồng nhất về năng lượng và cừơng độ lớn Sau khi đi qua vật chất cần kiểm tra, năng lượng và cường độ của chùm tia sẽ giảm đi, mức độ giảm sẽ không đồng đều ở các điểm khác nhau trong chùm tia Hệ thống dò tín hiệu (detector) được đặt phía sau vật kiểm tra để ghi nhận chùm tia đi ra khỏi vật kiểm tra, hình ảnh xây dựng được từ tín hiệu của detector sẽ phản ánh mức độ hấp thụ tia x trong vật kiểm tra, và từ đó cung cấp các thông tin bên trong đồ vật kiểm tra

2.2 Cấu tạo của máy soi chiếu hành lý bằng tia X-quang công nghệ truyền qua

2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của máy soi chiếu hành lý bằng tia X- quang công nghệ

truyền qua

Nguyên lý hoạt động: Nguồn nuôi biến điện áp lưới thành điện áp một chiều

từ 47KV đến 150KV cấp cho đèn phát tia X Đèn này hoạt động cho một bức xạ tia

x với năng lượng từ 47KV đến 150KV Bức xạ nay xuyên qua vật cần soi, tùy thuộc vật liệu, độ dày mỏng của vật soi mà tia x xuyên qua mạnh hay yếu Tia bắt đầu tới vật soi là tia sơ cấp, tia đi ra khỏi bề mặt của vật soi gọi là tia thứ cấp Với cùng một cường độ của tia sơ cấp ta có tia thứ cấp khác nhau do cản trở của vật soi Các tia thứ cấp này đập lên các vật liệu nhạy sáng ( hệ thống dò tín hiệu detector) cho ta hình ảnh bên trong của vật được soi chiếu

Hình 2.2 : Nguyên lý hoạt động hệ thống máy soi chiếu hành lý bằng tia x quang

công nghệ truyền qua

Hệ thống dò tín

hiệu hình L

Nguồn phát tia X

Máy soi cho phép người vận hành xem hình ảnh dưới nhiều chế độ

Hình 2.3 : Máy soi chiếu hành lý bằng tia x- quang công nghệ truyền qua

a) Đèn phát tia:

Do cấu tạo của buồng chắn và hai phiến hướng xạ bằng chì, chỉ có chùm tia hẹp 2mm hình mặt cắt của nón là được dùng cho soi chiếu vì vậy tránh dò rỉ bức xạ

Màn hình hiển thị

Nút dừng khẩn cấp

Rèm chì

Khoang hành lý

Atomat

Giắc cắm USB

Giắc cắm mạng

Giắc cắm nguồn

có hại, mặt khác vật bị soi chiếu chịu một liều bức xạ nhỏ, không ảnh hưởng chất lượng hàng hóa bên trong

d) Băng chuyền và bảo vệ an toàn:

Băng chuyền chuyển hành lý vào khoang do một mô tơ kéo, tránh cho người kiểm tra tiếp xúc trực tiếp với tia X

e) Màn hình và phím điều khiển:

Giúp cho người kiểm tra có thể ngồi xa nơi đặt máy soi và quan sát hình ảnh một cách rõ nét nhất

2.3 Kết luận chương 2

Tia X là một loại tia vô hình có độ đâm xuyên cao Các đầu dò đặc biệt được

sử dụng để nhận tín hiệu từ tia X và chuyển tín hiệu số để máy tính xử lý Lượng tia

X sử dụng trong soi chiếu hành lý không làm hỏng phim ảnh hoặc các vật liệu từ như băng cassette, video đĩa mềm hoặc ổ đĩa cứng máy tính Tia X của máy soi cũng không làm hỏng các thiết bị điện từ như máy tính xách tay, đầu nghe CD, radio, …Thực phẩm và đồ uống cũng không bị ảnh hưởng

Lưu ý : Chất lỏng đổ ra trong khoang soi hàng có thể làm hỏng máy Không cho các bình chứa chất lỏng không đậy nắp đi vào máy

Nếu tia X xuyên qua cơ thể người, nó có thể gây hại Vì vậy, không đưa tay hoặc thân người vào trong khoang soi hàng khi tia X đang phát

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÁY SOI CHIẾU HÀNH

LÝ BẰNG TIA X-QUANG CÔNG NGHỆ TRUYỀN QUA TRONG CÔNG TÁC KIỂM TRA AN NINH 3.1 Trong công tác kiểm tra an ninh hành lý

3.1.1 Mục đích

Để đảm bảo an ninh tại các cuộc mitting hội nghị, các sự kiện diễn ra tại các sân vận động, quảng trường, các trận bóng đá, kiểm tra an ninh hành khách lên máy bay có số lượng người tham gia đông

3.1.2 Đặc điểm

a Hội trường:

Những vị trí tội phạm có thể đặt mìn hẹn giờ, gài chất nổ, lựu đạn là bàn, ghế

tủ, sân khấu, các hang, hốc, tầng ngầm , trần nhà, bể chứa nước

b Quảng trường, sân vận động:

Các đối tượng có thể để bom, mìn dưới gầm bục diễn thuyết, để lẫn trong đám cỏ, đặt ngụy trang nơi khán giả ngồi,

c Đặt liều chất nổ lớn điều khiển từ xa:

Có thể bọn tội phạm giấu lượng nổ lớn vào những địa điểm lân cận như nhà hoang, bụi cây, nhà kho

d Sân bay;

Các đội tượng phạm có thể giấu vũ khí, bom mìn vào hành lý xách tay hoặc

ký gửi để đưa lên máy bay

Hình 3.1: Kiểm tra an ninh tại sân bay bằng máy soi tia X-quang

3.2.2 Địa điểm

Các địa điểm mà chúng thường tìm cách đánh phá như khách sạn, ga tàu, sân bay, bưu điện, và những địa điểm công cộng khác

3.2.3 Biện pháp

Khi phát hiện những đồ vật vô chủ hoặc những đồ vật không rõ người gửi người nhận, chúng ta phải dùng máy soi tia X- quang có băng tải kiểm tra xem trong các đồ vật đó có những gì bên trong, phân tích từng chi tiết một chứ không tự động mở ra

3.3 Thuận lợi và khó khăn trong việc sử dụng máy soi chiếu bằng công nghệ

tia X- quang truyền qua

Máy soi chiếu tia x quang có băng tải có ưu điểm trong việc phát hiện các đồ vật bằng kim loại, phi kim, ví dụ như các dây dẫn, các cầu chì, các linh kiện điện tử,

từ đó giúp chúng ta nắm được những thông tin nhất định về đồ vật, hành lý, vật lạ, một cách nhanh chóng mà không cần phải mở ra kiểm tra trực quan Tuy nhiên, trong thực tế có nhiều những điều kiện chủ quan và khách quan ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh bằng máy soi tia X- quang có băng tải còn nhiều hạn chế như máy soi không cung cấp thông tin đáng kể gì các đối tượng kiểm tra có vật chất hữu

cơ và các loại thuốc nổ

3.4 Một số nghiên cứu nâng cao khả năng phát hiện hình ảnh của máy soi chiếu tia X- quang công nghệ truyền qua

3.4.1 Cơ sở về xử lý và nhận dạng ảnh

3.4.1.1 Hệ thống xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ Nó là một ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó

Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục năm nay Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức cơ sở khác Đầu tiên phải kể đến Xử lý tín hiệu số là một môn học hết sức cơ bản cho xử lý tín hiệu chung, các khái niệm về tích chập, các biến đổi Fourier, biến đổi Laplace, các

bộ lọc hữu hạn… Thứ hai, các công cụ toán như Đại số tuyến tính, Sác xuất, thống

kê Một số kiến thứ cần thiết như Trí tuệ nhân tao, Mạng nơ ron nhân tạo cũng được

đề cập trong quá trình phân tích và nhận dạng ảnh

Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng ảnh và phân tích ảnh Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được truyền qua cáp từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920 Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm

1955 Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh sô thuận lợi Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử

lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu nhiều kết quả khả quan

Trong mấy thập kỷ gần đây xử lý ảnh được nghiên cứu mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng thực tế Trong y học, xử lý ảnh được dùng để phát hiện và nhận dạng khối u, cải thiện ảnh X quang, nhận dạng đường biên mạch máu từ ảnh chụp bằng tia X Trong truyền thông và trong nghiên cứu vũ trụ, xử lý ảnh được dùng để phân tích ảnh của những hành tinh , thiên hà thu được từ tàu vũ trụ hay kính thiên văn Đặc biệt trong Robot ngày nay không thể thiếu yếu tố xử lý ảnh , nhờ xử lý ảnh robot có thể phát hiện và nhận dạng đối tượng ngoài môi trường Từ đó giải quyết các bài toán tránh vật cản ,tìm đường, nhận dạng đối tượng …

Quá trình xử lý ảnh được chia làm 3 bước chính sau:

• Thu nhận ảnh

• Phân tích ảnh xử lý ảnh

• Hiển thị ảnh và nhận dạng

1 Thu nhận ảnh:

Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng Thường ảnh nhận qua camera là ảnh tương tự (loại camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng), cũng có loại camera đã số hoá (như loại CCD – Change Coupled Device) là loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh

Camera thường dùng là loại quét dòng ; ảnh tạo ra có dạng hai chiều Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh)

Ảnh được xử lý xong sẽ được hiển thị Và chuyển sang nhận dạng

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định ảnh Quá trình này thường thu được bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học (hoặc lưu) từ trước Nội suy là phán đoán theo ý nghĩa trên cơ sở nhận dạng Ví dụ: một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể được nội suy thành mã điện thoại Có nhiều cách phân loai ảnh khác nhau về ảnh Theo lý thuyết về nhận dạng, các mô hình toán học về ảnh được phân theo hai loại nhận dạng ảnh cơ bản:

• Nhận dạng theo tham số

• Nhận dạng theo cấu trúc

Một số đối tượng nhận dạng khá phổ biến hiện nay đang được áp dụng trong khoa học và công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…

Hình 3.2 Một hệ thống xử lý ảnh

3.4.1.2 Thu nhận ảnh

1 Các thiết bị thu nhận ảnh:

Hai thành phần cho công đoạn này là linh kiện nhạy với phổ năng lượng điện

từ trường, loại thứ nhất tạo tín hiệu điện ở đầu ra tỷ lệ với mức năng lượng mà bộ cảm biến (đại diện là camera); loại thứ hai là bộ số hoá

theo một tỷ lệ nào đó Như vậy, mỗi pixel ảnh màu ký hiệu Px, được viết: (T: trong

công thức dướ đây là ký hiệu chuyển vị)

Px = [ red ,green , blue ]T

Người ta dùng hệ tọa độ ba màu R-G-B (tương ứng với hệ tọa độ x-y-z) để biểu diễn màu như sau:

Hình 3.3 Hệ tọa độ RGB

Trong cách biểu diễn này ta có công thức:

đỏ + lục + lơ =1

Công thức này gọi là công thức Maxwell Trong hình trên, tam giác tạo bởi

ba đường đứt đoạn gọi là tam giác Maxwell Màu trắng trong hệ tọa độ này được tính bởi:

trắng CIE = (đỏ CIE + lục CIE + lơ CIE ) = 1

3 Lấy mẫu và lượng tử hóa:

a) Lấy mẫu:

Lấy mẫu là một quá trình trong đó ảnh được tạo nên bởi một vùng liên tục được chuyển thành các giá trị rời rạc nguyên Quá trình này gồm 2 bước là:

• Khoảng lấy mẫu

• Cách thể hiện dạng lấy mẫu

Khoảng lấy mẫu càng nhỏ thì ảnh thu được càng giống với ảnh nguyên gốc Dạng lấy mẫu là cách bài trí các điểm lấy mẫu trong không gian 2 chiều Một số dạng lấy mẫu điểm ảnh được cho là dạng tam giác , chữ nhật , lục giác

b) Lượng tử hóa:

Lượng tử hóa là ánh xạ từ các số thực mô tả giá trị lấy mẫu thành dải các số thực, nói cách khác là quá trình số hóa biên độ

4 Biểu diễn ảnh:

Ảnh thường được biểu diễn bằng một số phương pháp sau đây:

• Biểu diễn mã loạt dài (Run length code)

• Biểu diễn mã xích ( Chain code )

• Biểu diễn mã tứ phân (Quad tree code )

a) Biểu diễn mã loạt dài:

Biểu diễn mã loạt dài thường được dùng để biểu diễn ảnh nhị phân , một vùng ảnh R có thể biểu diễn đơn giản nhờ một ma trận nhị phân :

c) Biểu diễn mã tứ phân:

Trong biểu diễn biểu mã tứ phân, một vùng ảnh coi như bao kín một hình chữ nhật Vùng này được chia làm 4 vùng con nếu một vùng con này gồm toàn điểm đen (1) hoặc điểm trắng (0) thì không cần chia tiếp ngược lại thì lại chia vùng

đó ra làm 4 vùng nhỏ , cứ tiếp tục chia đến khi nào vùng đó đồng nhất chỉ gồm điểm đen hoặc điểm trắng thì thôi Quá trình này tạo thành một cây chia theo 4 phần gọi

1) Cải thiện ảnh xử dụng các toán tử điểm:

Nâng cao chất lượng là bước cần thiết trong xử lý ảnh nhằm hoàn thiện một

số đặc tính của ảnh Nâng cao chất lượng ảnh gồm hai công đoạn khác nhau: tăng cường ảnh và khôi phục ảnh Tăng cường ảnh nhằm hoàn thiện các đặc tính của ảnh như :

• Lọc nhiễu, hay làm trơn ảnh,

• Tăng độ tương phản, điều chỉnh mức xám của ảnh,

• Làm nổi biên ảnh

a) Khái niệm về toán tử điểm:

Xử lý điểm ảnh thực chất là biến đổi giá trị một điểm ảnh dựa vào giá trị của chính nó mà không hề dựa vào các điểm ảnh khác Có hai cách tiệm cận với phương pháp này Cách thứ nhất dùng một hàm biến đổi thích hợp với mục đích hoặc yêu cầu đặt ra để biến đổi giá trị mức xám của điểm ảnh sang một giá trị mức xám khác Cách thứ hai là dùng lược đồ mức xám (GrayHistogram) Về mặt toán học, toán tử

điểm là một ánh xạ từ giá trị cường độ ánh sáng u(m, n) tại toạ độ (m, n) sang giá tri cường độ ánh sáng khác v(m, n) thông qua hàm f(.), tức là:

Nói một cách khác, toán tử điểm là toán tử không bộ nhớ, ở đó một mức xác

u ∈ [ 0 , N ] được ánh xạ sang một mức xám v ∈ [ 0 , N ] : v = f ( u ) Ứng dụng

chính của các toán tử điểm là biến đổi độ tương phản của ảnh Ánh xạ f khác nhau

tùy theo các ứng dụng Các dạng toán tử điểm được giới thiệu cụ thể như sau:

Trong đó a = b = t gọi là phân ngưỡng

Biến đổi âm bản:

Cắt theo mức:

Trích chọn bit:

b) Khái niệm pixel và pixel lân cận :

Pixel là phần tử nhỏ nhất của ảnh cấu tạo nên ảnh Mỗi pixel có tọa độ p(x,y)

và có màu xác định

Hình 3.5 Minh họa Pixel P và các lân cận của P

Một pixel P(x,y) có 4 pixel lân cận theo chiều dọc và chiều ngang là 1,y) ; P4(x,y-1) ; P5(x,y+1) ; P7(x+1,y); chúng ký hiệu là N4(p)

P2(x-Ngoài 4 pixel này còn 4 pixel lân cận chéo góc là P1(x-1,y-1) ; P3(x-1,y+1) ; P6(x+1,y-1) ; P8(x+1,y+1) ; chúng ký hiệu là ND(p)

P1(x-1,y- P2(x-1,y) P3(x-1,y+1)

P4(x,y-1)

P8(x+1,y+1) P7(x+1,y)