Метод автоматизированного анализа эмульсионных данных для измерения спектра ПКИ Эмульсионная пленка • Область применения: обнаружение и регистрация заряженных частиц в экспериментах ядерной физики космических лучах. • Преимущества: высокое пространственное разрешение, используется для изучения траекторий частиц, измерения импульса, заряда. • Недостатки: большое время обработки, трудоемкость. Огромный прогресс в развитии сканирующих и измерительных систем позволяют преодолеть главный недостаток эмульсии – чрезвычайно большое время ее обработки. Актуальность темы • В настоящее время идет множество экспериментов использующих эмульсионную технику, благодаря чрезвычайно высокому пространственному разрешению при регистрации ядер и элементарных частиц. • В каждом эксперименте используются большие объемы эмульсии, потому очень важно быстро и в автоматическом режиме проводить обработку. Эксперимент RUNJOB • 10 полетов на высоте 33 км (10 г/см2 атмосферы) • Суммарная экспозиция: 575 м2час • Энергетический диапазон: 20-1000 ТэВ/частицу • Площадь камеры: 0.8×0.4 м2 • Средняя жесткость R=3 ГВ Структура камеры Расположение пленок SXF в камере RUNJOB Первичный (Primary) и мишенный (Target) блоки содержат 10 рядов SXF. Взаимодействие ядра в камере Спектр всех частиц Всех частиц 277 Протоны358 Гелий 78 Углеродкислород50 Неон-кремний 22 Железо-8 Новизна работы • впервые разработан автоматизированный метод для плёнок экранного типа • в условиях высокого фона решена проблема выделения пятен и поиск вершин взаимодействия. • впервые для регистрации частиц применяется вершинный триггер. Пленка SXF Структура рентгеновской пленки в поперечном сечении, без экранов-сцинтилляторов. Изображение пленки в микроскопе, размер поля зрения 3.89 × 2.96 мм2 Измерительная система Image board Monitor CCD camera Micos Z Y step motors X power supply microcontroller • Механически стол MICOS • Оптическая система • Система ввода изображения • Персональный компьютер • Программное обеспечение Параметры измерительной системы • Прецизионный стол MICOS – – – – диапазон перемещений по осям: 800мм × 400мм × 200мм точность измерения координат: 0.5 мкм габариты установки: 2.5×1.2×2.4 м3 вес:1000 кг • Система ввода изображения – – – – – пространственное разрешение матрицы: 1360×1024 пикселя разрядность АЦП: 10 бит (1024 градации яркости) кадровая частота: 7.5 Гц время накопления экспозиции: 43 мс -114 сек размер пикселя: 4.65x4.65 мкм2 • Микроскоп – Оптическое увеличение системы от 200 до 1000 крат (участок 400×300 мкм2 выводится на экран 40×30 см), пространственное разрешение при максимальном увеличении - 1 пиксель = 1 мкм Внешний вид установки Чистая комната контроллер Оптическая система джойстик Алгоритм вершинного триггера • • • • • • • поиск опорных треков, (найдено вручную 12 треков) «сшивка» камеры, восстановление общей системы координат, (специальная программа сшивки, точность сшивки – 40 мкм для 10 пленок площадью 40×50 см2). сканирование всех пленок поиск и определение координат пятен в пленках SXF восстановление траекторий по следам в пленках SXF предсказание координат вершин в эмульсии верификация вершин в полуавтоматическом режиме Опорные треки Количество треков: 8 Точность сшивки камеры: 40 мкм Интерфейс программы Pl. Расположение опорных треков по площади пленки Опорные треки Программа сканирования Интерфейс программы Scan. • Управление режимами работы Micos • Перемещение стола в заданную точку по 3 осям координат (X,Y,Z), ±0.001 мм • Калибровка стола • Вывод изображения на экран • Запись изображения в файл в форматах BMP и JPG • Управление режимами работы CCD-камеры • Автоматическое выделение пятен Параметры сканирования Soling WAT-902A Sony ICX205IL Поле зрения, мм2 3.89 × 2.96 10.130 × 7.620 Размер изображения, пикс2 384 × 288 1360 × 1024 Шаг сканирования, мм 3.282 × 2.342=7.686 9.683 × 7.173=69.45 Полезное поле кадра, пикс2 324 × 288 1300 × 964 Количество шагов сканирования 162 × 146 = 23652 49 × 52 = 2548 Время сканирования, часов ~ 8 часов 1 час 45 минут Анализ изображения Online Offline Отступ от края пленки, мм 10000 10000 Скорость, мкм/с 10000 10000 Ускорение, мкм/с2 12800 12800 Изображение SXF пленки Пример кадра изображения пленки SXF, полученный в ходе сканирования с помощью камеры Soling WAT-902A. Размер кадра 3.890×2.960 мм2. Пленка SXF '97 Пример кадра изображения пленки SXF, полученный в ходе сканирования с помощью камеры Sony ICX205IL. Размер кадра 3.890×2.960 мм2. Пленка SXF '96. 8×8 кадров Участок пленки SXF размером 7.75 × 5.74 см2 Измерение поля зрения (2.1) Первое положении: (X1,Y1) [мм] в системе стола; (a1,b1) [px -] координаты на картинке. Второе положение положение: (X2,Y2) [мм] и (a2,b2) [px] соответсвенно. Не трудно посчитать размер 1 пикселя в мм: Измерение центра пятна при 2 положениях камеры над плёнкой. 1 [ px] ( x1 x2 ) [ ìì ] (a1 a2 ) Система координат абсолютные координаты точки в сиcтеме координат MICOS (X,Y): X X cam (W a) ViewX W Y Ycam ( H b) ViewX H (Xcam,Ycam) – положение камеры над столом, Абсолютные координаты пятна в системе координат стола Micos. (W,H) – размеры картинки в пикселях (1360×1280) (ViewX, ViewY) – реальные размеры кадра в микронах (a,b) – положение точки в кадре, в пикселях Пошаговое сканирование Положение системы координат пленки и системы координат стола Micos. Показаны отступы при сканировании от начала координат в системе Мicos – Xdeadband, Ydeadband. Edge1, Edge2 – правый нижний и левый нижний углы пленки, через них проходит ось абсцисс системы координат пленки. Проблема распознавания образов • • • • поиск и измерения пятен на пленках SXF - ключевой этап в автоматической обработке вершинного триггера. Выделения образа пятна над фоном в SXF есть частная задача в общей проблеме распознавания образов. Основным назначением системы распознаванием образов является разбиение множества предъявляемых ей образов на классы (категории) по определенному критерию, иначе классификация. Так как форма объекта является тривиальной, достаточно воспользоваться стандартными методами обработки изображения, такими как: – пороговая обработка (бинаризация), – выделения контуров, – морфологические операции. Обработка изображения Исходное изображение Closing 3 Порог 100 по яркости медианный фильтр Выделение пятен Исходное изображение, Результат выделения пятен. 640×480 пикселей Найдено 42 пятна и их центры алгоритм GLT Определение порога B Бинаризация B Line Cluster Фильтрация Поиск "черных" сегметов Объединение сегментов в кластеры Поиск кластеров (пятен) G оцифровка кадра Вычисление центров масс Spot данные Процедура перемещение стола Следущий кадр? старт конец Запись в файл Блок схема работы алгоритма распознавания пятен. Иллюстрация этапов обработки 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Бинаризация – разделение пикселей на черные(1) и белые(1) по порогу После фильтрации – удалении тонких перешейков, длиной менее 2 пикселей. C[2][0] 2 2 2 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 4 2 2 2 2 2 4 4 4 4 4 2 2 2 2 7 7 7 7 7 7 7 Кластеризация – объединение конгломератов пикселей в кластеры end C[2][1] begin end C[2][2] begin end C[2][3] begin end C[2][4] begin end C[2][5] begin end C[2][6] 7 begin begin end Организация хранения кластеров в памяти Результат при разных параметрах порог K=7/20. Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения). Количество найденных пятен – 9 штук. Исходный участок изображения порог K=12/20. Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения). Количество найденных пятен – 39 штук Гистограмма яркости пикселей кадра Плавающий порог В данной работе используется набор из нескольких порогов (3-5), каждый из которых дает свою картину кластеров. Результаты работы алгоритма с каждым из порогов потом сопоставляются между собой, так чтоб выявить истинные пятна Выбор порога Теоретически, применяя неограниченный набор порогов бинаризации, т.е. делая множество срезов на «местности» рельефа яркости пикселей, можно выделить все пятна потемнения. Исходный кадр Результат работы алгоритма выделения пятен, порог K=7/20. Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения). Количество найденных пятен – 9 штук. Результат работы алгоритма выделения пятен, порог K=12/20. Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения). Количество найденных пятен – 39 штук. Результат работы алгоритма выделения пятен, плавающий порог K=7/20-12/20. Масштаб изображения 5.065×3.81 мм2 (1/4 изображения). Количество найденных пятен – 42. Процедура трекинга – объединение пятен в треки Остановившая частица Провзаимодействовав шая частица Проскочившая частица Исходные данные Всего пятен После выборки< 2000 1 365743 365588 (-155) 2 361345 361178 (-167) 3 348555 348485 (-70) 4 371009 370928 (-81) 5 367828 367743 (-85) 6 364532 364429 (-103) 7 358111 358033 (-78) 8 369987 369861 (-126) 9 355997 355866 (-131) 10 341865 341755 (-110) 11 323605 12 214615 Всего кадров 49×52 2 548 Ширина кадра StepX, мм 9.683 Высота кадра, StepY, мм 7.174 Площадь кадра, мм S=9.683×7.173 69.46 Площадь сканированной пленки, мм2 1769.74 Sскан=2548×0.6946 Площадь всей пленки 50×40 мм2 2 000 Количество пятен на одной пленке 350 000 Блок схема программы трекинг. Сдвиги слоев по опорным трекам Банк данных координат точек по рядам GrowTrack Объединение точек в пары SearchPairs() Находим base и direction StraightLineFit Предсказание в первый слой GrowFirst FindNext Продлеваем трек в очередной слой GrowTrack Вычисляем предсказание Находим все пары в круге поиска GetCloseSpots Сортируем точки по chi Сортировка треков по chi Находим с наименьшим chi Банк данных треков TrackPart[] Плотность и размер пятен 600 120000 пятна в 1 пленке всего 365743 пятен всего 2548 кадров 500 100000 80000 N, пятен N, кадров 400 300 200 пятна всего 365743 60000 40000 20000 100 0 0 0 50 100 150 200 250 300 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 S, площадь пятна [пикс] FN, количество пятен в кадре Количество зарегистрированных пятен в кадре 9.683×7.174, пленка №1 Размер пятна в пикселях, 1 пиксель=0.0075 мм, пленка №1 Плотность пятен составляет ~200 см-2. S N êàäðîâ Stepx Step y 2548 9.683ìì 7.173ìì 1770 ìì 2 Расстояние между пятнами 3000 2500 расстояние между случайными пятнами N 2000 1500 1000 500 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Distance, mkm Rrand S N 1 ñì 2 0.71 ìì 200 øò . - среднее расстояние между пятнами при случайном распределении Вывод: 1) Максимум распределения 250 мкм 2) максимум меньше среднего значения -> пятна коррелированны 3) Ограничение на максимальный угол – tan(θ) = 710/270=2.6, - cos(θ)min=0.36 3000 Предсказание в следующий слой pos( x, y, z) dir dir - трехмерный - уравнение трека, где: единичный вектор направления base - вектор в плоскости XY0, λ – скалярная величина Выбор двойного пятна Двойное пятно лучший кандидат Предсказание в следующий слой | ( DirSpot ) | Dist (r r ) max Dist ( ) max Основные этапы трекинга 1. 2. 3. 4. 5. Объединяем точки в пары. Вычисляем начальное направления трека для каждой из пары, делаем предсказание в следующий слой. Выбираем в радиусе предсказания наилучшее двойное пятно, как кандидат для продления трека. Если кандидат найден, идем к пункту 4. Обновляем параметры вектора трека, рассчитываем предсказание в следующий слой. Возврат к пункту 3. Интерфейс программы На этой вкладке задаются параметры работы программы (Параметры трекинга) Параметры Размер ячейки для объединения точек в двойные пятна 10×10 мм2 Максимальное расстояние между пятнами в паре 0.85 мм Эффективная толщина SXF пленки 0.27 мм Ошибка измерения координат пятен (используется в расчете предсказания трека в следующий ряд) 0.15 мм Максимальное относительное изменение длины вектора двойного пятна от среднего по треку 40.0% Максимальное отклонение вектора двойного пятна от направления трека 22,5° Максимальное расстояние нового пятна от предсказания 0.5 мм Размер ячейки для сортировки треков по координатам входа трека в камеру 20×20 мм Развитие программы трекинга Чтобы минимизировать потери треков, в алгоритм вводятся следующие пункты: 1. 2. 3. 4. Продление трека возможно через слой, т.е. допускаются пропуски (Gaps) в некоторых рядах камеры. Базовый (начальный) слой для продления выбирается отличным от первого. Для «затравки» трека используются 1,2,3 ряды камеры. Прослеживание трека ведется сначала в прямом, а потом и в обратном направлении в слои, где еще не найдены пятна. Пример: 23467(поворачиваем назад)51. проводится сопоставление треков между собой, одинаковые траектории – объединяются, двойники – удаляются. Выбор параметров алгоритма • Сравнение результатов трекинга при различных параметрах. – Влияние размера ячейки для объединения в пары. – Какова величина потерь при переходе от слоя к слою? • Нужно ли начинать прослеживание треков с разных рядов? – С каких слоев начинать прослеживать треки? • Правильно ли работает отсев треков-двойников? – Влияние размера ячейки для сортировки треков. Количество треков 10 5 4 N 10 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 10 3 10 2 2 4 6 8 10 Ряд 0.05 0.1 2 173823 370712 3 24631 99977 4 21026 72026 5 16044 32309 6 11984 23078 7 9110 18419 8 6930 14889 9 5401 12069 10 4427 9967 11 3763 8298 12 2948 6182 12 Layer, # Количество треков, прослеженных до определенного ряда. Разными значками обозначены треки с разными значениями χ в мм. Gap=1, start={1}. Количество треков 10 5 4 N 10 Gap=1 0.025 0.050 0.075 0.100 0.150 0.200 10 3 10 2 Ря 0.05 д 0.1 2 183783 445709 3 35166 175600 4 29230 121099 5 20801 46422 6 15295 31118 7 11520 24359 8 8738 19551 9 6766 15780 10 5576 13004 11 4738 10836 12 3702 8028 tracking 1-->12 {1,2,3} 2 4 6 8 10 12 Номер ряда Количество треков, прослеженных до определенного ряда. Разными значками обозначены треки с разными значениями χ в мм. Gap=1, start={1,2,3} Как тестировали • • • • Прямой и обратный трекинг Визуальная проверка Сравнение с расчетами Проверка по эмульсии Прямой и обратный трекинг N, число треков 10 5 10 4 10 3 2 4 6 Gap=0-1 0.025 0.050 0.100 0.150 8 10 номер ряда трекинг 1-->12 {1,2} 12 б) 10 N, число треков а) 5 10 4 10 3 2 4 Gap=0-1 0.025 0.050 0.100 0.150 6 8 10 12 номер ряда трекинг 12-->1 {1,2} Вывод: Потери треков при прослеживании из ряда в ряд - 6%. Проверка по эмульсии • Во всех 100% случаях были найдены следы в эмульсии по трекам в SXF Моделирование прохождение тяжелых ядер через камеру • Постановка задачи • На границу камеры падает спектр протонов, альфачастиц, CNO, Sub Fe + Fe (от 3 ГВ по жесткости) • Распределение по энергиям: степенной закон (показатель спектра разный для разных групп ядер). • Угловое распределение по θ изотропно (или соответствует прохождению 10 г/см2 атмосферы). • Угловое распределение по φ изотропно. • Равномерное распределение по поверхности камеры. • Структура камеры, - слои экранной пленки на определенной глубине Геомагнитное обрезание Rgeo(GV) 10 Долгота o 60 o 100 o 140 Ш ирота полета уменьшается от 60 до 50 при из менении д ол готы от 140 до 60 градусов 1 40 45 50 55 60 65 70 Широта Зависимость порога геомагнитного обрезания от широты и долготы полета баллона Жесткость, R Средняя жесткость R=3 ГВ Пробег взаимодействия Группа I/IFe <Z> <A> λin(air) г/см2 λin(камера) г/см2 26 1.0 26 56 15 25 17-25 0.7 20 40 17 29 10-16 4. 12 24 21 36 5-9 25. 7 14 28 45 2 300. 2 4 48 75 пробеги взаимодействия в воздухе и камере для 5 групп ядер, принятые в расчетах (ионизационные потери) 1.E+05 Fe 1.E+04 R, г/см2 1.E+03 CNO 1.E+02 He 1.E+01 1.E+00 0.1 1.0 10.0 100.0 P, ГэВ/с Ионизационные потери различных элементов в зависимости от импульсов Число пятен от частиц легче Z Интенсивность пятен 7x10 5 6x10 5 5x10 5 4x10 5 3x10 5 2x10 5 1x10 5 Ожидаемое число пятен с зарядом z < Z Экспериментальное число частиц на одной пленке 0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Z Число падающих частиц, ξ>3 ГВ P, ГВ Z E, ГэВ Частиц Пятен 26 Fe 78 40,1 90500 163000 25 Mn 75 38,0 6100 11000 24 Cr 72 36,8 5500 10000 23 V 69 34,8 2800 5000 22 Ti 66 33,6 7200 13000 21 Sc 63 32,4 22000 4000 20 Ca 60 32,1 7800 14000 19 K 57 30,0 3900 7000 18 Ar 54 27,2 5500 10000 17 Cl 51 26,66 2800 5000 16 S 48 25,66 16700 30000 15 P 45 23,65 3300 6000 Множественное рассеяние X, мм 1000 cos()= 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 =10 ГВ 100 10 1 2 3 4 5 6 номер ряда 7 8 9 10 Рождение фрагментов Множественность в Fe+Fe взаим. charged, fragments 100 GeV/nuclon 100 10 GeV/nuclon 5 GeV/nuclon 10 N(<R) 1 GeV/nuclon 100 GeV/n 1 0,1 10 GeV/n 5 GeV/n 0,01 0,1 1 1 GeV/n 10 100 1000 10000 100000 1000000 1E7 Число вторичных однозарядных частиц (charged) и фрагментов (fragments) в круге радиуса R, образовавшихся в середине слоя стали над слоем ядерной эмульсии для ядер железа разной энергии от 1 до 100 ГэВ/нуклон R mkm ВЫВОД: отбор вершин взаимодействия в полуавтоматическом режиме может быть проведен только для взаимодействий с энергией на нуклон 5-10 ГэВ, (что означает 300-600 ГэВ на частицу, поскольку только такие события видны в эмульсии как узкая группа вторичных частиц Трэки в 10 ряду Эксперимент Fe (Расчет) 10 5 1000 N(Cos) Число треков Результаты моделирования 10 100 4 10 2 4 6 8 10 Номер ряда треугольники - χ <50 мкм, сплошные кружки - χ <100 мкм, звездочки - χ <150 мкм, пустые кружки – расчетные значения для ядер железа. Cos =0.30.85 ВЫВОД: χ<100 мкм хорошо совпадает с ожидаемой интенсивностью треков от ядер железа 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Cos Угловое распределение ВЫВОД: теряются частицы под малыми углами вследствие слипания двойных пятен, и треки под большими углами с Cos < 0.3. Прослеживание в эмульсию взаимодействие остановившийся Fe Em SXF Fe Em SXF • Мы нашли оборванный трек • Предсказали в эмульсию потерянный Поиск взаимодействий Группа Число % от просмотренных Ложно оборвавшиеся (потерянные программой) 13 6.5% Остановившиеся 8 4% Точное взаимодействие 4 2% Возможно взаимодействие 21 10.5% Грязь в поле зрения 17 8.5% Ложные треки (ошибочно связанные) 1 0.5% Ничего не найдено 136 68% Всего просмотрено 200 100% Остановившаяся частица Потерянный трек Выводы • 1. С участием автора обработано 40% статистики эксперимента RUNJOB и построены спектры ПКИ в интервале энергий 30-1000 ТэВ/частицу. • 2. С участием автора построен Полностью Автоматизированный Измерительный Комплекс (ПАВИКОМ) для обработки микроизображений в фотоматериалах. Система протестирована и сейчас успешно эксплуатируется в лаборатории ФИАН, использовалась для экспериментов RUNJOB, EMU15, СТРАНА, ПЛАТАН, обработка ядерных эмульсий бета спектрометра ОЯИ (Дубна). • 3. Создано ПО для автоматического сканирования и анализа микроизображений в фоточувствительных материалах большой площади (0.5 м2) с высоким пространственным разрешением (7 мкм/пиксель и выше) на большой скорости (16 см2/мин). Выводы • 4. Впервые на базе ПАВИКОМ разработан метод поиска вершин взаимодействий тяжелых ядер, зарегистрированных в SXF пленках эксперимента RUNJOB. • 5. Проведена обработка SXF пленок камеры 1996 г., по ней получены эффективность и ограничения применимости метода в условиях высокого фона ~200 пятен/см2. Показано, что метод может быть применен для получения спектров ядер с зарядом Z>17, E>10 ГэВ/н. • 6. Проведено сравнение экспериментальных результатов с численным моделированием прохождения ядер через атмосферу и учетом условий регистрации в камере, показано, что наблюдается удовлетворительное согласие распределений, полученных экспериментально и на основе расчётов.