（测试计量技术及仪器专业论文）x射线底片图像处理系统.pdf

硕士学位论文 摘要 x 射线无损检测数字化技术是近年来研究的一个热点，其应用提高了工业自 动化和检测智能化的程度，具有十分重要的实践意义。本文论述了数字图像处理 技术在核压力容器无损检测底片图像处理中的理论和应用。常规方法是检测人员 是在观片灯下直接用肉眼识别底片上缺陷，由于人的视觉局限性和底片灰度过于 集中，限制了检测人员从核压力容器底片获得更多的信息。本文针对在核压力容 器缺陷检测过程中形成的x 射线底片图像为实例，首先讨论了x 射线底片图像处 理系统的组成原理及系统的工作过程，然后主要研究了图像变换、图像增强、图 像压缩、文字识别等方法在底片图像中的理论和具体应用。根据人的视觉局限性 和核压力容器底片图像的特点，通过选择不同的图像算法来获得适合于人观察、 检测和识别的图像。图像数据量大且含有较多的冗余信息，图像保存和传输耗费 的空间、时间多，选择有效图像的压缩方法也是本文研究的重点之一。对于图像 中存在的文字信息，本文提出了采用模板匹配和神经网络相结合的方法进行了识 别和分类，字符的识别率能满足实践的需要。在v c 编程环境下开发和建立了相 应的图像处理系统，完成了底片图像处理、存贮和管理，并介绍了该系统软件开 发、设计和用户运行软件所需要的软硬件环境。最后，指出了本文研究之不足和 待完善之处，探讨了x 射线无损检测数字化技术发展的方向。 关键字：无损检测；x 射线底片：图像处理；神经网络；文字识别 x 射线底片图像处理系统 a b s t r a c t x r a y n o n d e s t r u c t i v et e s t d i g i t i z e dt e c h n o l o g yi s o n eo fh o tr e s e a r c hf i e l d si n r e c e n t y e a r s i t sd e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n e n h a n c et h el e v e lo fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n tt e s ta n dh a v ev e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e t h e o r ya n da p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yu s e di nt h en u c l e a r p r e s s u r ev e s s e ln o n d e s t r u c t i v et e s tn e g a t i v ei m a g ep r o c e s sa r ed i s c u s s e d i nt h i sp a p e r w h e n i n s p e c t o r sl o o ku pt h e f a u l t si nt h e n e g a t i v ei m a g ei nl i g h t ，t a k e n f r o mt h e n u c l e a ri n d u s t r y ，t h e ym a ym e e ts h o r t a g eo fi n f o r m a t i o nb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no f e y e s a n do ft h e h i g hd e n s i t y o ft h e n e g a t i v eg r a y f i r s t l y ，t h e w h o l e c o m p o s e d p r i n c i p a la n ds y s t e mp r o c e s s i n gf l o wo f t h ei m a g ec h e c k i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e di n t h ep a p e r s e c o n d l yw em a i n l ys t u d yt h em a t e r i a la p p l i c a t i o no fi m a g e t r a n s f o r m i n g ， i m a g es t r e n g t h e n ，i m a g ec o m p r e s s i n ga n dt h e l e t t e rr e c o g n i t i o n a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e ro fh u m a n b e i n ga n d t h en e g a t i v ei m a g e ，t h ep r o c e s s e di m a g et h a ta r es u i tt o b ec h e c k e da n dr e c o g n i z e dc a nb eg o tb yt h eu s eo fd i f f e r e n ta l g o r i t h m s h o wt o c h o o s ea ne f f i c i e n t a l g o r i t h mt oc o m p r e s st h ei m a g ei s o n eo fm a i nr e s e a r c hi nt h e p a p e r ，b e c a u s ei t t a k e sal o to ft i m ea n d s p a c et os a v ea n dt r a n s m i tt h ei m a g ed a t aa t a t i m e t h eu n i t e dm e t h o do f t e m p l a t em a t c ha n d n e u r a ln e t w o r ki sd e m o n s t r a t e di nt h e p a p e ra n db yt h ew a y t h el e t t e rc h a r a c t e ri n f o r m a t i o ni nt h ei m a g ec a nb er e c o g n i z e d a n dc l a s s i f i e d t h ec o r r e c tr a t i oa n dt h er e c o g n i z e de f f e c ta r es a t i s f i e dt ot h ep r a c t i c a l n e e d t h el e v e lo fi n t e l l i g e n c ea n di n f o r m a t i o ni sl i f t e du p t h ep r o c e s s i n gs y s t e mi s s t u d i e da n db u i l tu pw i t hv c + + t o p r o c e s st h ei n f o r m a t i o na n d t os a v ea n dm a n a g et h e i m a g e t h ew h o l es y s t e mp r o c e s s i sp r e s e n t e di nt h ep a p e r ，s u c ha ss o f t w a r ea l g o r i t h m s y s t e md e s i g na n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n to f t h es y s t e m a tl a s tt h e s h o r t a g ei sp u tf o r w a r d a n dt h ew a yt og e tb e t t e ri sf o r e c a s t e d k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t ；x - r a yn e g a t i v e ；i m a g ep r o c e s s i n g ；n e u r a l n e t w o r k ；l e t t e r i d e n t i f i c a t i o n 1 i - 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：磨夺夸 日期：炒乒年4 月珈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：矽街、 导师签名：；7 i 黼 日期：川年中月罗d 日 日期：升牛年f 月莎日 硕士学位论文 1 1 数字图像处理技术 第1 章绪论 随着信息技术的飞速发展，人类已经进入一个高速发展的信息社会。在人类 获取的信息中，视觉信息约占6 0 ，听觉约占2 0 ，其它约占2 0 。由此可见， 视觉信息对人类的重要性，而图像是人类获取视觉信息的主要途径。所谓图像处 理就是对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或应用需求的行为。图像处理技 术也成为科技领域中必不可少的手段。已经广泛应用于遥感技术，生物医学，工 业应用，军事安全和文化艺术等方面。随着电子技术和计算机软、硬件技术发展， 图像处理技术也在不断发展和完善。 图像处理分为两大类：模拟图像处理和数字图像处理。 模拟图像处理( a n a l o gi m a g ep r o c e s s i n g ) 利用光学原理和物理学原理在物 体成像的过程中进行图像处理。例如：利用高分辨率的透镜观察物体或调整透镜 的焦距得到物体更清晰的像。从简单的光学滤波到现在的激光全息技术，模拟图 像理论也日趋完善。最明显的特点是处理速度快，信息量小。模拟图像处理的缺 点是精度较差，灵活性差和稳定性差。 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 利用数字计算机或其它的数字处 理硬件，完成由模拟图像信息转换而得到的数字电信号的某种数学处理。其处理过 程主要包括图像采集、图像变换、图像增强、图像存储及图像分析和理解等几方 面的内容。数字图像处理与其它传统的模拟处理方法相比较，具有灵活性好、精 度高、可定量分析、再现和适应性好等特点。其缺点是因为数据量庞大，处理速 度还是一个问题，特别是进行复杂的处理更是如此。它涉及的领域十分广泛，是 建立在数学、光学、生理学、信息学、计算机技术和电子技术等学科上的一门综 合性跨学科的新兴学科。 数字图像信息有以下四个特点： ( 1 ) 信息量大。例如一帧黑白电视图像有5 1 2 x 5 1 2 个像素，若像素用8 b i t 度 级的二进制来表示，则有2 8 = 2 5 6 个灰度级，那么一帧黑白电视图像的信息量为 5 1 2 + 5 1 2 4 8 b i t = 20 9 71 5 2 b i t 。 ( 2 ) 数字图像占用的频带较宽。与语音信息相比，其占用的频带要大几个数量 级。如电视视频图像的带宽为5 8 m h z ，两语音带宽仅为4 k h z 。 ( 3 ) 数字图像中各个像素间的相关性大。例如电视视频画面中，相邻两像素 的相关系数高达0 9 ，而相邻两帧之间的相关系数比帧内相关性还要大，因此图像 信息的具有很大压缩潜力。 ( 4 ) 在一般情况下，观察人员是图像效果的最终评价者。观察的效果是评价 x 射线底片图像处理系统 图像处理后的图像标准，故图像处理要考虑人的生理和心理因素的影响。因此， 要求系统与人的具有良好配合性。 1 2 数字图像处理方法 模拟图像经过采样、量化后成为数字图像，数字图像特别适合用计算机处理。 数字图像处理方法大致可分为两大类，即：空域法和变换域法。 1 2 1 空域法 数字图像看作是平面中各个像素组成的二维数组，可直接对这个二维数组进 行相应的图像处理。空域处理法主要有下面两大类： ( 1 ) 邻域处理法 其中包括：梯度运算( g r a d i e n ta l g o r i t h m ) ，拉普拉斯算子运算( l a p l a c i a n o p e r a t o r l ，平滑算子运算( s m o o t h i n go p e r a t o r ) 和卷积运算( c o n v o l u t i o n a l g o r i t h m ) 。 f 2 1 点处理法 灰度处理( g r e yp r o c e s s i n g ) 、二值运算、四则运算等。 1 2 2 变换域法 数字图像处理的变换域方法是对图像进行变换，得到变换域系数阵列，然后 在变换域中进行图像处理，处理后再反变换到空间域，得到处理结果。这类处理 包括：滤波、数据压缩、特征提取等处理。数字图像中的主要变换有：离散傅立 叶变换( d f t ) 、离散余弦变换( d c t ) ，r a n d o n 变换，小波( w a v e l e t ) 变换等。 1 3 课题的来源和研究意义 本课题属于国家核能开发“核电站在役检查结果分析评定技术研究”项目( 编 号为：b 0 3 0 2 0 6 ) 的子项目。 在我国能源短缺的背景下，本世纪头2 0 年，核电将成为中国解决能源短缺和 环境问题的重要途径之一，中国未来的核电市场发展前景广阔。我国大陆从2 0 世 纪7 0 年代开始筹建核电站，现有2 座核电站在运行：秦山核电站和大亚湾核电站。 在建的核电站有四座：秦山二期核电站、岭澳核电站、秦山三期核电站、连云港 核电站。近几年来，我国的核工业有了较大发展。目前，我国大陆有8 台核电机组 投入商业运行，在建的3 台机组也将在两年内投入运行，届时，我国核电装机总容 量将达8 7 0 万千瓦。随着核工业在国民经济的地位日益提高，核电站的安全生产检 测的重要地位也日益突出。目前，我国主要是采用无损检测的方法( 包括x 射线成 像、超声波) 来对核工业设备的运行进行检测。 x 射线检测是工业无损检测的一个重要专业门类。x 射线检测最主要的应用是 硕士学位论文 探测设备内部的缺陷( 探伤) 。x 射线在穿透物体过程中，会与物质发生相互作 用，因吸收和散射而使其强度减弱。强度减弱程度取决于物质的衰减系数和射线 在物质中穿越的厚度。如果被透照的物体的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的 衰减系数又不同于其他部分，该局部区域的透过射线的强度就会与周围产生差异。 把胶片放在适当的位置，使其在透过射线的作用下感光，经过暗室处理后得到底 片。底片上各点的黑度取决于射线照射量( 射线强度照射时间) ，由于缺陷部 位和完好部位的透过射线的强度不同，底片上相应部位就会出现黑度差异。底片 上相邻区域的黑度差定义为“对比度”。把底片放在观片灯上，借助透过光线观察， 可以看到由对比度构成的不同形状的影像，评片人员据此判断缺陷情况并做出评 价。 传统的方法是把底片放在观片灯光屏上，借助透过光线用眼睛观察x 射线底 片，该方法易受设备、环境、底片质量及人的生理条件等因素的影响，容易造成 缺陷的漏检、误判等后果，并且底片随存放时间的推移而逐渐退化模糊，给以后 的设备维护、缺陷溯源和缺陷原因的查询造成不利的影响。 核能源运用的扩大及不断地对核设施的检测，形成了大量的底片，对于如此 众多的x 射线底片进行存贮和管理也会消耗大量的人力和物力。 解决上述问题的有效方法是底片图像通过扫描仪进行数字化。 本课题研究的主要内容是采用数字计算机来处理图像的生成、变换、增强及 存储。减少存档的工作量，提高检测人员对压力容器缺陷的检测成功率，尽量减 少因检测人员的主观生理原因底片灰度而造成缺陷的漏检、误判等问题，标记可 能产生缺陷的部位并分析其原因。 数字图像处理技术在目前底片图像处理中具有的无可比拟的优势，具有广泛 的应用前景。数字图像处理的研究内容概括起来有以下五个方面： n 1 图像变换原先定义在图像空间的信息以某种形式转换到另外的变换 空间，利用空间的特征性质易于变换的优点进行图像处理，然后在转换回原来的 图像空间，以利于后续的图像处理和分析工作。 ( 2 、图像增强增强图像中的有用信息，消减干扰和噪音。以便于观察识 别和进一步地分析处理。 ( 3 ) 图像编码满足一定的保真度要求下，简化图像信息的表示，从而大 大压缩图像的数据量，以便于图像的存储和传输。 ( 4 1 图像恢复和重建把退化、模糊的图像复原或是利用图像数据重建该 图像。 ( 5 ) 图像分析和理解对图像中的不同对象进行分割、分类、识别和描述、 解释，本文主要对图像中的文字进行分类了识别。 在本课题中，重点研究上述后4 个方面的内容，根据在核电站检测中产生的x x 射线底片图像处理系统 底片图像的具体情况，开发出一种较为实用的数字图像处理系统。 1 4 课题需要解决的问题 数字图像在形成过程中常常造成图像信息的某些退化。因此，要求对退化了 的图像加以修正和改善，以提高图像的显示质量。本系统的主要目的之一是获得 优质的底片数字图像。这样就要求应做到两点：一是提高图像的转换质量( 模拟 底片图像转化成数字图象) ，二是增强视觉效果。本课题要求完成的主要技术指 标有： ( 1 、选用适当的数字化底片保存格式，方便归档处理。 ( 2 ) 可以发现底片上存在的直径0 1 2 5 r a m 的孔型影像或线径0 1 的条形影像。 ( 3 1 底片图像的去噪。 ( 4 ) 缺陷图像的浮现处理。 ( 5 1 实时显示观察位置、显示黑度变化。 f 6 1 动态的伪彩色处理。 ( 7 1 定位精度达0 2 m m ( 指影像的长度、位置等) 。 ( 8 ) 完成对图像的拼接。 ( 9 1 底片图像上的编号识别。 根据课题的要求，本人研究的主要内容集中在图像变换、图像增强、压缩编 码和图像的文字识别四个部分。在各部分的研究过程中，根据底片图像的特点， 在理论分析的基础上，结合用户需求，确保所开发的系统的性能指标达到上述要 求。 1 4 1 数字图像处理 最终在显示器或打印纸上的图像清晰与否是衡量本系统是否有效的关键，同 时也是影响本系统能否广泛应用的关键。影响图像效果的因素是多方面的，如信 号采样、量化密度、噪音干扰、处理算法的优劣和压缩编码时的失真等。具体分 析各方面的因素如下： ( 1 ) 信号采样及量化密度：采样及量化的密度大，对原始图像的细节反映好， 图像的显示效果也好。但同时产生的数据量大，所需要的存储空间大，计算速度 慢。 ( 2 ) 噪音干扰：由于噪音的随机性和不确定性，我们很难界定噪音和缺障部 位在频域上的区别。进行降噪处理时不可避免地造成了一些图像细节的退化。 ( 3 ) 增强算法：算法的优劣往往最终决定图像效果的好坏。在决定采用何种 算法时应考虑到计算速度及算法复杂性等问题。 ( 4 ) 编码失真：压缩编码带来的失真度往往与压缩比成反比、压缩量越大， 硕士学位论文 图像失真情况较严重，在保证图像信息尺量不丢失的情况下，选择具有高压缩比 的算法。 以上是单独对影响图像效果因素的分析，实际上图像退化是几种因素共同起 作用的。解决一个方面的问题，往往造成另外一个或几个方面的退化。所以，图 像处理过程中，要综合考虑这此因素，以求图像处理后有一个较佳效果。 1 4 2 处理速度的要求 系统对图像信号处理速度的快慢( 即响应时间的长短) 是限制本系统应用的 另一个难题。考虑系统软件、硬件情况，研究各算法实现的优劣，确定合理的工 作流程，以求达到较好系统的实现。 1 4 3 用户界面的设计 在本系统中，用户( 检测人员) 对计算机知识了解并不深厚，要求在设计界 面时简洁直观，尽量采用鼠标图形操作，避免使用键盘。另外，系统实现时考虑 以下五个方面： ( 1 1 图表与注释文字说明并用。在功能模块化后，对每个模块所实现的功能 以图标的形式显示在界面上。如局部标记、比例缩放、对比度展宽、伪彩色处理 等。图像信息的输入和归类，包括不同地区的压力容器资料的归类，也要符合现 场生产检测的要求来进行。 f 2 1 定位和局部放大缺陷可能产生的部位。 ( 3 1 帮助与反馈信息详尽。尽快地帮助检测人员熟悉并使用本系统软件。 ( 4 1 出错提示及改错信息。错误的归档及打印输出。 ( 5 1 自动识别和检测底片编号，实现对图像的智能分类。 1 5 本系统开发运行的环境 1 5 1 硬件环境 硬件是系统运行的前提条件，本系统要求c p u l 7 g 、内存2 5 6 m 以上的微机， 以提高图像处理的速度。高分辨率扫描仪一台，本课题扫描仪为德国的a r c u s i i 型号，是一种平板式扫描仪，最大分辨率为6 0 0 * 1 2 0 0 d p i ，灰度图像撮大采样位数 为1 2 位，彩色图像最大位数采用3 6 位。最大扫描范围为2 1 0 m m * 3 5 5 m m 。需要存 储大量的缺陷检测影像信息，要求硬盘容量应在8 0 g 以上。微机要求有双u s b 接 口，用来连接扫描仪和图像输出打印机一台。 1 5 2 软件环境 v i s u a lc + + 6 0 是微软公司系列可视化开发工具v i s u a ls t u d i o 中的产品，是 - 5 x 射线底片图像处理系统 创建w i n d o w s 应用程序的最简便、快捷的开发工具之一。v i s u a l c + + 6 0 具有强大的 图形图像处理功能，并广泛地应用于图形设计、图像处理及多媒体技术中。因此， 本系统选择v i s u a lc + + 6 0 ( p r o f e s s i o n a lv i s i o n ) 作为开发工具，软件的运行环 境选择的是w i n d o w s 2 0 0 0 ( 简体中文第二版) 。 1 6 论文结构 本论文的结构安排如下： 第1 章绪论 简要介绍了图像处理的分类、数字图像处理方法及其发展和应用，阐述了课 题研究的背景及现实意义。 第2 章x 射线底片图像处理系统分析 介绍了x 射像底片数字图像处理系统的各模块组成及其工作原理、软件系统 的设计及开发运行环境。 第3 章底片图像中的变换技术 主要介绍了付立叶变换、离散余弦变换和小波变换。 第4 章底片图像增强 讨论研究了图像增强技术在底片图像中的应用，分析了对于底片图像的各种 增强方法。 第5 章底片图像压缩编码 简要介绍图像信息论中的知识，比较了各种压缩方法对于底片图像的优点和 不足，给出了图像压缩的测试结果。 第6 章底片图像上的编号识别 介绍模式识别的基本原理和方法，主要讨论统计模式识别、神经网络模式识 别和模板匹配模式识别的原理，提出神经网络和模板匹配相结合的底片图像编号 字符的识别方法。 结束语 系统的总结了课题研究中所采用的x 光底片图像处理方法，指出研究中的不 足及需进一步完善的地方，探讨了无损检测数字化发展方向及应用前景。 硕士学位论文 第2 章x 射线底片图像处理系统分析 2 1x 射线的检测原理 x 射线成像广泛用于压力容器、舰船、管道等焊接部位无损检测和医院病人 的健康检查，是一种对被检测对象没有损伤的检测方法。射线成像检测有两种方 式：一种是以胶片形式存贮的离线检测，例如：在核压力容器检测中大量使用的 x 光照片。这种方式图像检测系统如图2 1 所示。拍摄好的底片图像放在扫描仪中， 通过图像扫描仪把底片图像扫描数字化成为数字图像，送入到计算机内，由计算 机对数字图像进行调整、滤波、增强、压缩和识别等处理，改善图像的清晰度， 通过人机对话对底片图像缺陷进行评估，最后实现图像信息的输出和共享。目前， 我国的核工业压力容器焊接部位检测、医院的x 射线底片检测中，存有大量的胶 片以待处理，这种离线检测方式具有投资少、操作维护简单，因而仍有广泛的应 用前景和现实意义。 鬲i 7i 底片卜一扫描仪l 一 图2 1 胶片图像处理系统 另一种是非胶片实时在线数字成像检测。特点是实时性强，为今后射线无损 检测的发展趋势。在线方式图像检测系统如图2 2 所示。由射线源、视频摄像机、 图像采集卡和计算机组成的图像检测系统。整个系统包括控制室和射线室两部分。 射线源控制器控制射线源产生x 射线强度，射线透过物体后射线强度分布携带了 被测物体的信息，并在感光屏上形成图像，该图像透过透镜后由c c d 采集，a d 数字化输入计算机进行处理。但是，在线检测方式投入成本高，一些小的医院和 民用的锅炉压力容器等无损检测中并不经济实用。 2 2 数字图像的术语 2 2 1 雷像类型 x 射线底片图像处理系统 r 1 1 像素和分辨率( p i x e la n dr e s o l u t i o n ) 像素是表示屏幕颜色与强度的一个基本单位。分辨率是一幅图像上的采样点 的密度或设备捕捉、显示、输出像素的能力，是衡量图像质量的重要因素。 图像分辨率是指一幅图像中每平方英寸含有多少个像素点，单位为d p i 。在数 字图像中，分辨率的大小直接影响到图像的质量，分辨率越高，图像越清晰，但 是图像所含的数据量也就越大。显示器分辨率是由屏幕能显示的像素决定的。显 示器的分辨率一般为1 0 2 4 7 6 8 、1 2 8 0 1 0 2 4 、1 6 0 0 1 2 0 0 甚至更大。 打印机分辨率是用点数或每平方英寸的点数( d p i ) 决定。大多数打印机都 具有7 2 0 、1 2 0 0 , 1 4 0 0 的分辨率。 v 自 矬湄上斟挫滔掂生i l l与状态显示 i 。 电缆 被佥!勿d 【 _ o o u l 口仃l ，n 厨 网周 计 打 算 印 二u 一 机 + 或 和 显 篓毳一电路h 蠹士i 软 件 不 射线室控制室 图22x 射线实时检测系统 ( 2 1 对比度和亮度( c o n t r a s ta n db r i g h t n e s s ) 亮度是指图像颜色所引起的人眼对明暗程度的感觉。对比度是指图像中明暗 变化或亮度大小的差别。 ( 3 ) 二值图像( b i 1 e v e li m a g e ) 二值图像是只有黑白两级色彩的图像，每个像素的灰度值用o 或1 来表示。 ( 4 ) 伪彩色图像( b o g u s - - c o l o ri m a g e ) 伪彩色图像是指对原来灰度图像中不同灰度值的区域赋予不同的颜色。由于 硕士学位论文 人的眼睛对彩色具有高的灵敏度，因而可更明显地区分不同灰度值区域的一种方 法。 ( 5 ) 真彩色图像( t r u e c o l o ri m a g e ) 现实中存在连续的真彩色图像，它的每个像素点既含有亮度信息，又含有色 度、饱和度信息。任何彩色都可以由红( r ) 绿( g ) 蓝( b ) 三种彩色按一定的 比例混合而成，因而红、绿、蓝称为彩色系统的三原色。 2 2 2 图像文件格式( i m a g ef i l ef o r m a t ) 图像文件格式规定了图像及视频文件的压缩存储模式。其常用的图像文件格 式有以下几种： ( 1 1b m p ( m i c r o s o f tw i n d o w sb i t m a p ) 格式 w i n d o w s 环境中广泛使用的格式，采用非压缩方式存储一些不太大的图像文 件，也有压缩形式的图像文件格式。 ( 2 ) g i f ( g r a p h i c si n t e r c h a n g ef o r m a t ) 格式 g i f 格式对图像使用l z w ( 基于字典的编码) 压缩算法，其具有很强的压缩 比，并且为无损压缩。但是其主要缺点是只支持8 位、即2 5 6 级像素的图像。现在 g i f 图形交互格式被许多i n t e r n e t 用户当作标准的图像文件格式。 ( 3 ) j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ) 格式 j p e g 格式是基于d c t 的有损编码算法，用于高压缩比、高精确度或渐进重建 应用场合和无失真应用场合。目前，j p e g 对静止图像的压缩率一般可达到2 5 ：1 。 ( 4 ) t i f f ( t a g g e di m a g ef i l ef o r m a t ) 格式 t i f f 格式采用无损压缩或者不压缩的方法存储图像。t i f f 格式的好处是大多 数图像处理软件都支持这种格式，其缺点是占用内存较大。 ( 5 ) m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 格式 m p e g 格式是活动图像专家组制定的对音频、视频的压缩标准的图像格式。 2 3 常用的图像采集设备 射线图像的数字化和采集是本系统的基础和前提。原始的图像数据都是通过 图像采集部件进入计算机的，主要作用是采集量化原始的模拟图像数据，并将转 换后的数字图像保存。计算机在接受到图像的数字信息后，将其读入计算机的内 存储区中。常用的图像采集设备有摄像机加上图像采集卡、图像扫描仪、数码相 机等。 2 3 1数码相机 数码相机是近些年来产生并发展起来的一种新兴的数字图像获取设备，将图 x 射线底片图像处理系统 像采集和数字化部件集成在同一机器上，使其输出的信号能直接被计算机所读取。 其携带方便、有相应的存储器，因此更适于现场图像数据采集。 2 3 2 图像扫描仪 图像扫描仪也是一种获取图像、并将之转换成计算机可以显示、编辑、存储、 和输出的数字格式设备，较适于薄片介质，如纸张、照片( 胶片) 、树叶、硬币、 纺织品等。其空间分辨率较高，一般在1 2 0 0 d p i ( 点i n ) 以上。根据灰度分辨 率的不同，可分为黑白6 4 级或2 5 6 级灰度扫描仪、彩色图像扫描仪等：根据幅面大 小的不同，可分为手提式扫描仪、平板式扫描仪、滚筒式扫描仪等；根据扫描功 能的不同，可分为透射式和反射式扫描仪。采用机械部件运动扫描，采集速度不 如c c d 摄像机快。 2 3 3 摄像机和图像采集卡 摄像机分为电子管式和固体器件式摄像机两种，目前普遍采用的是c c d 型固 体器件摄像机。c c d 摄像机是由电荷耦合元件组成的图像探测器，它将景物通过 物镜成像在一块电荷感应板( 电荷耦合探测器) 上，用感应光板上的感应电压模 拟景物的亮度变化。 摄像机的参数有空间分辨率、灰度分辨率或颜色数、快门参数、最低照明度 等。根据传感器的有效工作范围，可分为可见光、近红外、红外、x 射线等；根 据快门速度，可分为静止和实时两种。摄像机需要和图像采集卡配合使用，配合 时要考虑二者的参数优化问题。 图像采集卡可以把摄像机摄取的模拟图像信号转换成数字图像信号，使计算 机得到所需的数字图像信号。一般图像采集卡都带有自己缓冲存储器，用来存放 所采集的图像数据。根据图像采集的速度，图像采集卡可分为中速采集卡、实时 单帧采集卡、实时采集卡三种。中速采集卡采集速度大约为l 帧s ，只能用于获取 相对静止图像，能满足一般的科学研究：实时单帧采集卡的采集速度为4 0 帧，s ， 瞬间可采集1 帧图像，因此可用于获取任何活动的目标；实时采集卡的采集速度也 为4 0 帧s ，并能连续采集多帧图像，可获取任何活动目标的运动过程，一般用于 流水线上物品的定时采样和在线检测。 2 4 x 射线图像的采集过程和数字化 目前核压力容器所使用的x 射线离线检测图像设备情况见图2 1 所示：对感光 底片上核工业压力容器缺陷的图像进行检测，传统的方法是检测人员在观片灯下 用肉眼观测底片，判断是否有缺陷及缺陷部位和类型，该方法的质量很大程度上 取决于检测人员的水平和经验及底片的质量，容易造成满检、误断等。因而需要 1 0 硕士学位论文 对底片图像进行数字化处理，以提高检测的正确率。 本系统是利用扫描仪对x 光底片图像进行扫描，从而得到待处理的图像。该 图像的像素点的灰度级为2 5 6 级，扫描仪的最大分辨率为6 0 0 + 1 2 0 0 d p i ，实际分辨 率采用3 0 0 * 6 0 0 可以满足图像处理的要求。扫描仪中图像输出的格式为b m p 格式， 是一种没有压缩的操作系统中通用的格式。 2 5 软件系统设计 本系统的任务是对核工业压力容器x 光底片图像的采集和数字化，图像处理、 图像识别及图像存储等方面进行研究。以下对整个软件系统的工作流程及各模块 功能进行分析。 4 2 5 1系统的工作流程 x 射线图像经过图像扫描仪数字化后，输入计算机内存，经过图像处理后， 在显示器上获得相对满意的核压力容器图像。在此基础上，用户( 检测人员) 利 用系统的查看、编辑模块，仔细观察缺陷的发生部位和类型情况。并利用本模块 的编辑功能对缺陷部位进行相应的标记工作。最后通过系统的报告编辑和存储模 块对该缺陷报告进行编辑及其存储。软件系统工作流程图如图2 3 。 图2 3 软件系统的工作流程 2 5 2 用户界面的设计 在软件的运行过程中，用户( 检测人员) 对计算机知识和图像处理了解并不 深厚，因此要求在系统功能模块化时，设计界面简洁直观。在系统实现时，考虑 以下方面：( 1 ) 图表与注释文字说明并用，基本采用菜单和对话框形式； ( 2 ) 内建常用核工业压力容器术语数据库，包含一般常见的缺陷和缺陷类型建议，以 便于检测人员选择，减少手工输入量；( 3 ) 帮助与反馈出错信息详尽，尽快地帮 助检测人员熟悉并使用本系统软件。 1 1 - x 射线底片图像处理系统 整个系统的功能设计主要是满足用户业务需求而定。根据x 射线底片数字图 像处理系统的业务流程划分软件功能模块。整个系统的功能由“图像处理”、“数 据库管理”、“系统接口”、“窗口”和“帮助”五大模块组成，如图2 4 所示。 2 5 3 图像处理模块 图像处理模块所实现的主要功能是通过一系列的图像处理从而获得相对清晰 的核压力容器x 光底片数字图像，加大缺陷部位与正常部位之间的对比。这部分 是课题研究的重点部分，方法分为空域处理方法和频域处理方法两类。在图2 4 中列出了图像增强的方法和图像特征分析的频域方法。除此功能外，图像模块还 要完成图像的拼接，图像内两点之间的距离的测量等功能。该模块主要功能如下： ( 1 ) 直方图变换：统计图像的灰度情况，给出灰度分布的图形，为下一步处 理打下基础，其后包括图像的伪彩色处理、反向处理、浮雕处理等。 ( 2 1 降噪：针对图像噪声产生的原因提供相应的处理方法，例如，对于原始 影像中存在较大面积的“白噪音”可以用噪音限幅的方法进行消除，也可以用小波 去除高频的图像。 ( 3 ) 锐化和边界提取处理：加强图像中缺陷部位的轮廓和边缘，便于用户( 检 测人员) 定量的确认缺陷的病变情况。 ( 4 、对比度调整：加大图像的明暗对比，进一步提高图像的效果。 f 5 、图像测量：由放大倍数根据图像显示的两个像素之间的距离，算出两部位 之间的距离。 ( 6 1 图像的拼接：扫描仪的最大扫描范围为2 1 0 m m * 3 5 5 m m ，大于此范围的要 分几次才能扫描完，这时要求对输入的图像进行拼接，实现整个图像的输入。 图像处理功能模块在本系统中占有很重要的地位，它是系统对图像处理的基 本要求，也是保证增强人工检测效果的基本功能模块。 2 5 4 数据库功能模块 数据库功能模块在本系统中完成对各种数据的存储和管理。数据库分为：用 户管理数据库、图像数据库、报表生成数据( 或图像信息数据库) 和缺陷类型数 据库。用户管理数据库完成对操作人员的授权和管理，防止数据的非法删除。图 像数据库完成与图像有关数据的处理，包括录入、删除、查询、备份、光盘制作 等。报表生成数据负责报表的生成、人工信息的输入和打印。缺陷类型数据库保 存有典型的缺陷图像和缺陷类型等。在这些功能中包括了对图像文件的组织、分 类、图像和报表存储。报告的存储要求按照报告所定义的数据库报表的模式存储， 主要功能为报表生成和查询。建立x 射线图像报告数据库后，可以按照以下几种 方式对图像数据库的查询了解以住缺陷资料。 一1 2 硕士学位论文 | l _ 1系统输出接口 ； 一j 图像距离测量 i i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 i l _ ，面赢订 1 j 1 1兰垦翌堕坌塑 卜_ _ 图像处理h _ 一 一一一付立叶分析 圈2 4 系统总体功能图 1 3 x 射线底片图像处理系统 ( 1 ) 按报告号查询 ( 2 ) 按图像号查询 ( 3 ) 按核电站名查询( 如有多条记录则利用多个查询条件) ( 4 ) 按检测科室进行分类查询 ( 5 ) 按某时间段所做的缺陷检测图像进行查询 在选定查询条件并确定以后，系统就会根据检索条件在数据库中进行查询， 得到一个具体查询结果的报表。另外，在报告的编辑过程中，考虑到系统对用户 ( 检测人员) 的友好性，对一些常见缺陷和类型提供了见意和识别特征，在系统 中建立了常用核工业压力容器术语库，并采用下拉式菜单，以便于检测人员选择， 减少手工输入量，方便检测人员的使用。系统对x 射线底片图像的存储和传输以 两种方式进行。 ( 1 ) 正常存储：即以位图b m p 等非压缩格式进行存储，是扫描仪直接输入到 计算机的格式。 ( 2 1 压缩存储：对x 射线底片图像进行无损压缩存储，以减少图像数据量和传 输时间。 2 5 5 系统接口功能模块 “系统接口”功能模块是完成系统与外部设备正常运行的数据交换。主要完 成图像数据的输入、图像输出和各种报表的输出。例如：在启动扫描仪时，系统 要调动设备的驱动程序，完成扫描范围、图像点数、分辨率的设置。在不同的计 算机上，系统接口还可以实现图像和数据的共享。 2 5 6 窗口模块 “窗口”模块完成窗口的显示方式管理，通过层叠窗口，用户可以看到所有 打开的图像文件的名称，所有打开的窗口可以一次全部关闭掉。为了方便图像的 比较对照，本系统设置平铺窗口功能，可以实现水平、垂直两种平铺。“窗口”功 能可以分为数据窗口功能和图像窗1 2 1 功能。数据窗口功能完成对数据的操作、显 示等相应功能。图像窗口功能除了对图像的显示外，还要调用相应功能处理模块。 各窗口在完成显示功能时，还要调用各自相应的处理菜单，完成对所调用的对象 的处理。 2 5 7 帮助模块 “帮助”功能模块分为系统帮助和检测缺陷分析帮助。“系统帮助”解决用户 在安装和操作过程中遇到的困难，提供解决问题的方法和过程。“检测帮助”解决 用户在检测过程中对于缺陷类型的分类，回答识别中遇到的碰到的疑难问题，提 供图像缺陷类型的实例图像和正常图像的对比情况，并且可以进行修改和补充。 一1 4 硕士学位论文 实现的方法有：通过分类进行检索和通过输入关键字进行索引。 1 5 x 射线底片图像处理系统 第3 章数字图像变换技术 图像变换是图像处理和分析的基础，是图像增强和压缩编码的基本工具。图 像变换分为空间变换和频域变换，空间变换其实质是图像像素空间的一种运算， 主要包括图像点运算、代数运算和几何运算。 频域变换主要有付立叶变换、离散余弦变换和小波变换等。频域变换目的在 于减少图像的数据量，简化处理算法，便于特征的提取和分析。这些方法虽然各 异，但都应满足以下三点要求： f 1 、变换可逆，即保证图像经变换后，可以再变换回来。 ( 2 1 变换必须有利，即能利于特征提取或图像分析。 ( 3 ) 变换算法不复杂，实现简单。 频域变换在图像增强、复原和数据压缩、特征提取等方面都有着十分重要的 应用。其基本思想，是对输入信号f ( x ，y 1 和一个与空间变量“，v 有关的响应函数 日( “，v ) 进行，其的结果作为输出信号g ( u ，v ) 。从而把信号由空间域变换到变换域， 其公式具体如下： g ( u ，v ) 一1 - 1 ( ，v ) 厂( 工，) )( 3 1 ) 数字图像f ( m ，n ) 是具有m 行n 列的一个矩阵。若用g ( m ，n ；s ，f ) 表示变换( 卷积) 核， 则图像从空间域( 即m n 平面) 转换到变换域( 即“平面) 的运算可表达为： f ( 蚋= 薹薹f ( x ，y ) g ( m , n f ) ( 3 2 ) 式中m n 和s t 都是整数，它们的取值范围为： 瞻i m ：1 (33)05n ts n 一1 、 本章将对数字图像中，应用最广泛的点运算、代数运算、几何运算、傅立叶 变换、离散余弦变换方法进行简要的介绍，并且重点介绍了小波变换在图像应用 中的理论和方法。 3 1 点运算 点运算又称为对比度增强或灰度变换。点运算可以看作是“像素到像素”的 复制操作。若输入图像为a ( x ，_ ) ) ，输出图像为8 ( x ，) ，) ，则点运算可表示为： b ( x ，y ) = f a ( x ，y ) 】( 3 4 ) 由上式可以看出，点运算是并不改变图像内像素间空间位置。点运算有线性运算 和非线性运算两种，点运算中的线性运算是图像增强的主要方法。 1 6 ， 硕士学位论文 3 2 代数运算 代数运算是指对两幅图像进行点对点的加、减、乘、除计算