（机械电子工程专业论文）超声c扫描图像处理技术的研究.pdf

论文题目：超声c 扫描图像处理技术的研究 专业：机械电子工程 硕士生：谢道平( 签名 指导老师：马宏伟( 签名 摘要 为了提高超声检测的效率、可靠性，本文在超声c 扫描成像系统基础上，将数字图 像处理理论与算法应用到超声c 扫描图像中，并进行了处理，提高了图像的质量，为准确、 可靠地识别缺陷奠定了基础。 超声c 扫描成像系统是由硬件和软件系统组成，应用软件运用虚拟仪器技术，利用 l a b w i n d o w s c v i 基于w i n d o w s - x p 操作平台开发的，可对扫描得到的数据进行各种 处理和运算，实现对原始扫描信号进行a 、c 扫描成像。 为了提高超声c 扫描图像质量和进行缺陷识别，必须对形成的图像进行处理。处理 分为前处理阶段和后处理阶段。图像的前处理包括图像的滤波、图像的阈值分割、图像 的边缘检测和轮廓跟踪。针对超声实际扫查图像特点，采用了中值滤波等滤波方法，应 用最大方差法和迭代法进行了图像的阈值分割，采用r o b e r t s 等算子对图像进行了边缘 检测，最后应用轮廓跟踪方法对图像进行了轮廓提取和缺陷标记。 图像的后处理包括特征提取和图像识别，根据图像的相似性和非连续性理论对超声 c 扫描图像进行了缺陷的特征分析；定义了二值图像的面积、周长、灰度方差等缺陷特 征。最后对基于模型匹配的模式识别进行了深入的研究。 运用v c + + 语言进行了图像处理程序设计，并介绍了在v c + + 环境下调用m a t l a b 的方法。 实验证明，本文采用的图像处理方法和策略，以及开发的软件系统，对提高超声c 扫描图像的信噪比、特征提取和缺陷识别的准确性具有较好的适应性。 关键词：超声c 扫描；中值滤波；边缘检测；图像处理 研究类型：应用研究 s u b j e c t lr e s e a r c ho np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cc - s c a n n i n g i m a g e s s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i e se n g i n e e r i n g n a m e：x i ed a o p i n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：m ah o n g w e i ( s i g n a t u r e i no r d e rt 0i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dr e f i a b i l i t yo ft h el l l 仃；l n i c - 钯s t i n g ，b a s e do nt h e u l t r a s o n i cc - 孤n i n gi n l a g i n gs y s t e m , t h ea r t i c l eh a v ea l r e a d yp r o c e s s e du l t r a s o n i cc 锄i i gi n l a g 鹤a p p l y i n gw i t ht h e o r ya n dm e t h o d so fd i g i t a li m a g ep l _ o c e 鹦i n g s oq u a l i t y o ft h ei m a g d 3i si m p r o v e d t h ef o u n d a t i o ni se s t a b l i s h e dt or e c o g n i z ed e f e c t sa c c u r a t e l ya n d r e l i a b l y u l t r a s o n i cc - s c a n n i n n gi m a g i n gs y s t e mi sm a d eu po f h a r d w a r ea n d f h 阻ms y s t e m t h e a p p l i a n c es o f t w a r eb a s e do n 砌m d o w s - x po p c t l 越o ns y s t e mi sd e v e l o p e db yt h es o f t w a r e e n v i r o n m e n to f i a b w m d o w s c v i , w h i c h p r o c e s s e sa n do p e r a t e st h ec o l l e c t e ds c a n n i n gd a t e i th a sr e a l i z e dt h eas c 蛐a n dc s c a m l i n gi m a g i n g i no r d e rt oi m p r o v eq u a l i t yo fu l u a s o n i cc 锄l n i n gi m a g e sa n di d e n 的d e f e c t s ，t h e f o r m e di m a g e sm u s tb ep r o c e s s e d , i th a sb e e nd i v i d e df o r m e rp r o c e s s i n gc o u r s ea n da f t e r p r o c e s s i n gc o t u 鬻f o r m e rp r o c e s s i n go f i m a g ei n c l u d e sf i l t e r i n go f i m a g e , d i v i s i o no f t h r e s h o l d v a l u e ，e d g et e s t i n go fi 功a g ea n dp r o f i l et r a c k b a s e do l lt h eu r m s o n i cf e a t u r et h ea c t u a l 籼i n gi m a g e , m e d i a nf i l t e ra n do t h e rm e t h o d sa u s e dt or e m o v en o i s e t h e n , u l u a s o n i c i m a g e si sd i v i d e db a s e do nb o t ht h el a g ee q u a t i o nm e t h o da n dt h ei t e r a f i v em e t h o d a t l a s t , p r o f i l ep i c k u pa n dt a g g e df l a wo f t h ei m a g 船i sb a s e do np r o f i l et r a c ka r i t h m e t i c a f t e rp r o c e s s i n gc o u r s eo f i m a g e si n c l u d e st h ef e a t u r ed i s t i l t m ga n di m a g er e c o g n i t i o n , a c c o d i n gt oi m a g et h e r o yo f t h ec o m p a r a b i l i t ya n dt h ed i s c o n t i n u i t y , t h ec h a m a e r i a i e so f t h e f l a wi sa n a l y s e d0 1 1u l t r a s o n i cc 柚i l i n gi m a g e t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef l a w , s u c h 勰t h e a e a , g i n h ，g r a y h o u n de q u a t i o ne t c 。a r cd e f m e di nt h eb i n a r yi m a g e s a n dt h e y s e l e c t e db y s y s t e m a t i cc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l y , t h ep a t t e r nr e c o g n i t i o nb a s e d0 1 1p a t t e r nm a t c h i n gh a sb e e n t h o r o u g h l yr e s e a r c h e d u s i n gv c + + l a n g u a g ep u t su pp r o g r a md e s i g no fi m a g e sp r o c e s s i n ga n di n 仰o d u c i n gt h e m e t h o dw h i c hi sa p p l i e dw i t hu a n s f e r i n gm a t l a b l a n g u a g ei nv c * e n v i r o m e n l i ti sp r o v e db yt h ee x p e r i m e n tt h a ti th a sv e r ya d a p t a b i f i t yf o ri m p r o v i n gs i g n a l - t o - n o i s e o f u l t r a s o n i cc - s c a n n i n gi m a g e s ，v e r a c t i t i e so f d i s t i l l e df e a t u r ea n df l a wr e c o g n i t i o nt oa p p l y w i t hm e t h o d sa n d s t r a t e g i e so f i m a g e sp r o c e s s i n g , a n dd e v e l o ps o f t w a r es y s t e m k e y w o r d s ：u l 咖n i cc - 8 4 7 , a n m e d i a nf i l t e r i n g e d g ed e t e c t i o n i m a g ep r o c e s s i n g 娄拜技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 帮造宇日期：夕叩绎才伺加弓 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名谗妞彳 指导教师签名：一b 象6 7 劲叼年开月加日 1 绪论 l 绪论 1 1 超声成像技术的现状和发展 超声成像技术能直观再现工件内部缺陷的大小、形状等，是实现缺陷定性、定位、 定量及无损评价的关键技术之一，在无损检测领域有着广泛应用。随着计算机技术和电 子技术的发展，数字化超声检测仪器得到长足发展，为超声成像检测和缺陷的智能识别 奠定了良好的基础“1 。 1 1 1 超声成像原理 声波同光波一样可用于成像。声学性质不均匀的物体可使声波产生聚焦或产生干 涉，形成图像。参与声成像的声波可以是纵波、横波及表面波等不同类型的波。但是， 一般应避免几种同时参与成像，以免造成叠影或伪像。脉冲声波和连续声波都可用于成 像。由声波直接形成的图像称为声像。由于声像人眼不能直接感知，必须采用光学或电 子学或其它的方法转化为肉眼可见的图像或图形。这种肉眼可见的像称为声学像。声学 像反映了物体内部某个或几个声学参量的分布或差异。反过来，对于同一物体，利用不 同的声学参量，例如声阻抗率、声速和声衰减等，可以生成不同的声学像。 传统的声成像技术通常涉及三个过程：( 1 ) 形成声像。( 2 ) 将声像转化为声学像。( 3 ) 对声学像作出正确的判读与解释。人们尝试了许多将声像转换为声学像的技术。然而， 迄今尚未发现或发明像感光胶片那样的具有高分辨率、高灵敏度的面积型的。感声片”。 为接收声波一般使用高灵敏度的压电转换器。原则上讲，它是一种点接收器，必须用大 量的压电换能器组成阵列来接收图像。为减少换能器的数量，常使用扫描接收方法。但 是，随着压电换能器集成制造技术的不断发展，适用于工业无损检测的线阵和面阵换能 器将是数字超声成像系统接收器发展的必然趋势，它可以使检测效率得到极大的提高。 另外，声波是相干性很好的波，且探头产生的电磁波与被接收的声波有着相同的频率和 确定的相位关系，即它们是相干的，因此，产生声像的一部分物理过程可以用电子线路 来模拟和代替，进一步将电子信号数字化以后，声像的形成过程还可以有计算机来取代。 根据上述理论，我们在基于p c 的超声检测系统的研究中，利用点换能器发射接收 超声波，直接对被检测的物体作扫描，将声目标逐点转换成点信号。然后，用高增益的 电子线路对信号放大、处理，再进一步利用模数转换器将模拟信号转换成数字信号，并 加以存储，再利用现代信号处理技术和声学理论来组织和处理这些信号，最终逐点的构 造出声学像，并在显示器上显示出来。声学像是由离散的有限个单元，即像素或像元组 成。所以，最后的过程通常是对图像进行重建或重构，并对声目标进行自动评价“1 西安科技大学硕士学位论文 1 1 2 超声成像方法简介 ( 1 ) a 、b 、c 扫描成像圆啪伽。传统的a 扫描图像实际上是超声脉冲回波图形，横坐 标代表超声传播时间，纵坐标代表回波高度即超声波的振幅，在同一均匀介质中，传播 时间与深度成正比，故由纵坐标的回波位置可确定缺陷深度。但这种回波波形却不能直 观地显示缺陷形态、大小等特征。 数字化超声扫描成像的原理是利用脉冲回波法对工件进行扫查，探头接收采集每个 位置深度方向上的超声回波能量将它转化为电压信号，然后通过超声图像采集卡对电压 信号的幅值进行2 5 6 级数字化处理，转化成的数字量按特定的存储顺序保存在计算机中， 通过软件编程以b 扫描、c 扫描图像的形式显示出探伤图形，从而对工件内部缺陷的形 状、空间位置有一个直观地了解。 b 扫描显示是与声束传播方向平行且与样品的测量表面垂直的剖面图像。c 扫描显 示是样品横截面的图像。b 扫描成像时，探头沿物体表面上的一条直线扫描，对应于探 头的每一个位置，在显示屏上得到一个点；c 扫描成像时，探头需要作二维运动，为了 采集从样品中某一深度回来的超声信号，在电路上需要一个较窄的电子阀门，改变阀门 的延迟时间，就能探测到物体不同深度的横截面图像。 * ( 2 ) a l o k 成像技术“】a l o k ( 德文) 是“振动传播时间位置曲线”的缩写。在数 据采集时不加时间闸门，控制系统记下探头在各测量点得到的回波串中所有的正峰值及 其出现的时间。a l o k 允许3 2 个不同的探头同时在线收集数据。成像和数据分析事后在 3 2 位中型计算机上进行。a l o i ( 成像系统还能对存储数据做a 、b 、c 扫描显示。 ，( 3 ) 合成孔径聚焦成像技术( s a f t ) “1 合成孔径聚焦成像象是用换能器阵列的各 阵元接收来自同一物点的声信号，对所得到的相应的电信号引入适当的时间延迟，使它 们同时到达输出端作叠加输出，就实现了对该物点发出的声波的聚焦接收，这种聚焦方 式称为时延聚焦。也可以采用相位延迟的方式来聚焦，称作相延聚焦。 ( 4 ) 其它超声成像方法嘲。超声成像方法还有许多，诸如超声显微技术，p 、d 扫描， 工业c t ，扫描声全息，相控阵成像，电子线路空间滤波成像和各种逆散成像等。 1 1 3 超声c 扫描成像系统的确定 超声成像的方法有很多。在该超声检测系统中，采用哪一种成像技术是整个系统设 计的理论基础。由于本系统的要求，在选择成像方法时，主要考虑从工业角度给出的综 合评价指标和系统成本。 ，a l o k 超声系统重建图像需要复杂的重建算法。运算量非常大，在普通微机上计算时 间太长，不能在线检测。另外，零件内部缺陷可能是裂缝型缺陷，这种缺陷以镜面反射 为主，从a l o k 成像原理可知，此时对缺陷部分图像的重建是非常困难的。s a f t 虽然成 2 1 绪论 像的分辨率高，能在近场区工作并能实现三维成像，但是s a f t 需用比a l o k 更多的数据， 对每一个孔径点，s a f t 都需全波采样，图象重建理论也相当复杂。因此，s a f r 成像系 统对硬件和软件要求都很高。从本课题的需要来看，本方法不是很适用。 经过各种成像方法的综合分析，超声c 扫描图像能较好地将工件截面图像重建，并 通过信号处理后，可以较准确地计算出缺陷的面积。该成像方法组成的系统检测效率较 高，能满足在线检测的要求，检测结果的可靠性和重现性好，操作简单，易于实现自动 化。同时，系统也能方便地实现a 、b 显示，大大拓宽了系统的应用范围。因此，本课 题最终确定的超声检测系统是超声c 扫描成像系统。 1 2 数字图像处理技术概述 1 2 1 数字图像处理方法和目的 ( 1 ) 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嘲。 空域法。这种方法把图像看作是平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一二 维函数进行相应的处理。空域处理法主要有下面两大类：领域处理法和点处理法其中 领域处理法包括：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 ) 。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 na l g o r i t h m ) 。 点处理法包括：灰度处理( g r a yp r o c e s s i n g ) ，面积、周长、体积、重心运算等等。 变换域法。又叫频率域法，数字图像处理的变换域处理方法是首先对图像进行正 交变换，得到变换域系数阵列，然后再实施各种处理，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。 ( 2 ) 一般而言，对图像进行加工和分析主要有如下三个方面的目的： 提高图像的视感质量，以达到赏心悦目的目的。如去除图像中的噪声，改变图像 的亮度、颜色，增强图像中的某些成份、抑制某些成份，对图像进行几何变换等，从而 改善图像的质量。 提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，以便于计算机分析。 对图像数据进行变换、编码和压缩，以便于图像的存储和传输。 1 2 2 数字图像处理的主要内容 不管图像处理是何种目的，都需要用计算机图像处理系统对图像数据进行输入、加 工和输出，因此数字图像处理研究的内容主要包括图像的数字化、图像增强、图像编码 和传输、平滑、边缘检测、图像分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处 理后，输出图像的质量得到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机 对图像进行分析、处理和识别 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 图像获取、表示、和表现。该过程主要是把模拟图像信号转换为计算机所能接 受的数字形式，以及把数字图像显示和表现出来( 如打印) 。这一过程主要包括摄取图 像、光电转换及数字化等几个步骤。 ( 2 ) 图像增强。图像增强主要是突出图像中感兴趣的信息，即突出图像中的重要细 节，改善视觉质量。衰减或去除不需要的信息，从而使有用的信息得到增强，便于目标 区分或对象理解。图像增强的主要方法有直方图增强、空域增强、频域增强、伪彩色增 强等技术。 ( 3 ) 图像的平滑。图像的平滑处理技术即图像的去除噪声处理，主要是为了去除实 际成像过程中，因成像设备和环境所造成的图像失真，提取有用信息。众所周知，实际 获得的图像在形成、传输、接收和处理的过程中，不可避免地存在着外部干扰和内部干 扰，如光电转换过程中敏感元件灵敏度的不均匀性、数字化过程的量化噪声、传输过程 中的误差以及人为因素等，均会使图像变质。因此，去除噪声，恢复原始图像是图像处 理中的一个重要内容。 ( 4 ) 边缘检测。图像边缘检测处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整 的物体边界，达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目 的。它是早期视觉理论和算法中的基木问题，也是中期和后期视觉成败的重要因素之一。 ( 5 ) 图像的分割。图像分割是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面， 在进行分割时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度度量。其本质是将像素进行 分类。分类的依据是像素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特性或纹理特性等。图像分 割是图像处理技术的基木方法之一，应用于诸如染色体分类、景物理解系统、机器视觉 等方面。 ( 6 ) 图像分析。图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得所 需的客观信息。通过边缘检测、区域分割、特征提取等手段将原来以像素描述的图像变 成比较简洁的对目标的描述。从而有利于计算机进行分类、识别和理解。 ” ( 7 ) 图像的识别。模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 是基于对象模式的目标识别及分 类技术，是研究图像或各种物理对象与过程的分类和描述的学科，在视觉领域中称为图 像识别。模式识别在7 0 - 8 0 年代获得了很大地成功，并得到了广泛地应用，目前模式识 别理论和技术己成功地应用于工业、农业、国防、科研、公安、生物医学、气象、天文 学等许多领域u m 1 3 数字图像处理技术的发展和应用 图像处理就是利用计算机及其它有关数字技术，对图像施加某种运算和处理，从而 达到某种特定目的。而所谓特定的目的，可以是使图像更清晰，也可以是从图像中提取 某种特定的信息，如提取图像的边缘或骨架等。图像处理技术是随着计算机技术的发展 4 1 绪论 而开拓出来的一个新的计算机应用领域，就是把图像转换成一个数据矩阵存入计算机并 对之进行处理。它是从7 0 年代初期在卫星遥感图片和生物医学图片分析两项应用技术 取得卓有成效的成果以后开始崭露头角的。近年来随着超大规模集成电路技术与计算机 结构、算法的发展，数字图像处理技术取得了惊人的进步。数字图像处理有再现性好、 精度高、适用面宽、可压缩性好以及评价图像质量的主观性强等特点。 数字图像处理技术在近2 0 多年的时间里发展迅速，已经深入到各领域，诸如完成 各种工业或军事任务的机器人视觉，进行资源勘探、天气预报、军事侦察的航空或卫星 照片的自动分析，如遥感图像处理；医用图像处理，如医学上器宫异常的诊断及病理、 细胞、染色体的分析等等。目前，图像处理的应用领域主要有：文字及图纸的读取； 计算机数字图像技术在工业检测领域中的应用一般是工业产品的无损探伤，表面和 外观的自动检查和识别。经过多年理论与实践的探索与研究，无损检测领域中的应用研 究取得了很大的进展。例如：外观检查与筛选、表面缺陷的自动检查、装配与生产自动 化、工业材料的质量检验等：其它方面的应用，如指纹、笔迹、印鉴的鉴定等。 在超声检测中，数字图像技术是随着超声成像技术的发展而被应用到该领域的。在 众多的无损检测方法中，超声成像技术是一种令人瞩目的新技术。物体或材料的超声图 像可提供直观和大量的关于材料内部的组织结构、缺陷的分布状况等信息，直接反映物 体的声学和力学性能，作为材料评价的依据。但是，由于检测系统各种因素的影响，由 各种超声成像方法直接得到的材料超声图像还不能完全满足对缺陷进行进一步分析识 别的要求，因此，计算机数字图像技术被应用到超声领域中“叭。 1 4 本课题的研究背景、意义和主要工作 1 4 1 本课题的研究背景和意义 在超声c 扫描成像检测系统中，超声波的能量信号经过换能器转化为电信号，然后 经过a d 转化为数字信号，再用设计合适的调色板加以配色就被转化为c 扫描彩色图像。 另一方面，将数字信号根据波形高低转化为灰度值，则可以将超声采样的数据转化为灰 度图。由于检测系统分辨率、灵敏度和信噪比的限制及被检材料本身的影响，系统接收 的超声波反射信号中不同程度地存在噪声，例如材料不均匀引起的噪声、边界回波噪声 等。尽管在图像数据重建过程中已考虑到去噪，但所得到的超声波图像仍保留部分噪声。 通常所得的超声图像表现为图像模糊难以将背景和缺陷区分开。因此不仅影响了图像的 直观性，而且对图像中缺陷的识别带来困难。 因此，开展超声c 扫描图像处理技术研究十分必要，它是把数字图像处理技术和超 声成像技术、信号处理技术、计算机技术结合起来并应用到超声波检测的工程需要上去， 是一项具有现实意义的课题。 5 西安科技大学项士学位论文 1 4 2 泰课题的主要工作 如图1 1 所示，本课题研究的是建立在超声c 扫描成像系统基础上，设计一个超声 c 扫描图像处理软件，利用该软件对超声c 扫描图像进行处理，为检测与分析缺陷以及 识别缺陷提供依据。 图1 1 超声c 扫描软件和硬件结构示意图 整个课题划分为五大部分： 第一部分：c 扫描图像预处理，包括c 扫描图像的滤波与增强技术； 第二部分：c 扫描图像的分割，包括阈值分割和边缘检测； 第三部分：c 扫描图像的轮廓跟踪； 第四部分：c 扫描图像的特征提取和模式识别； 第五部分：c 扫描图像处理的程序设计 整个c 扫描图像软件处理和识别过程如图1 2 所示：， 图1 2 超声c 扫描图像处理过程 6 2 超声c 扫描成像系统 2 超声c 扫描成像系统 2 1 超声c 扫描成像原理 超声c 扫描成像是利用超声探伤原理提取垂直于声束指定截面( 即横向截面像) 的回 波信息而形成二维图像的技术，其原理简单，可获取不同截面的信息，因此应用广泛， 但由于扫描时一般采用逐点逐行扫描，故成像效率较低“”“1 。具体过程如下：如图2 1 所示在水浸法脉冲反射式c 扫描成像中，超声换能器( 即探头) 不但要沿x 方向扫描， 而且还要沿z 方向扫描，即面扫描( 二维扫描) ，而不是线扫描( 一维扫描) 为获得某一 与声束轴线垂直的断面在y = y o 的图像，扫描声束应聚焦与该平面，并从换能器接收到 的散射信号中选取对应于y = y o 处的信号幅度，调制图像中与物体坐标( x ，z ) 相应像素的 亮度，以获得】r ：y 0 截面的图像。改变扫描声束聚焦的平面，即可获得物体不同深度的 c 扫描截面图像。 ( a ) 立体图示扫描截面图 图2 1c 扫描原理示意图 2 2 超声c 扫描成像系统硬件构成 如图2 2 所示，超声c 扫描成像系统硬件由高速采集卡、高分辨率水浸扫描装置、 扫描控制( 多轴步进电机驱动卡) 、c t s - 2 3 a 型脉冲反射式超声探伤仪、超声水浸聚焦探 头、微型计算机、打印机等部分组成州”龇。 7 西安科技大学项士学位论文 图2 2 超声c 扫描成像硬件系统构成示意图 2 2 1 高速数据采集卡 本系统所用高速数据采集卡是基于i s a 总线，其最大数据采样频率为4 0 m s p s ，转换 精度为8 位，板载缓存1 2 8 k 字节，能满足工业中一般超声检测的数据量化和检测精度 要求。它是连接超声波探伤仪与计算机之间的纽带，是保证超声信号被正确采集的关键 部件。其结构框图如图2 3 所示，其中，回波信号( n a l e c h o ) 、同步信号( s y n c t r i g ) 是从前端超声波探伤仪所引出的信号。采集卡上的高速a d 为a d 公司生产的a d 9 0 5 8 ， 其片内集成了两个独立的高性能8 位模数转换器，每个转换器的最高转换速率为 5 0 m s p s ，模拟带宽可达1 7 5 m t t z 。地址发生器由4 片7 4 f 1 6 1 计数器级联而成，扫描控制 电路主要是以8 2 5 4 可编程计数器来实现的，通过两个记数通道的级联，实现采集位置 和采集长度控制，地址切换和数据切换由6 片7 4 f 2 4 5 总线缓冲器实现，i o 端口地址选 3 6 0 - 3 6 f 段，其译码电路由1 片g a l 可编程逻辑器件完成，板载高速缓存采用了c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 9 9 ，它是一种静态r a m 。其最大存取时间是1 5 n s ，数据宽度为8 位，采集 卡采用内存映射技术来实现卡内数据与计算机内存之间的交换，其内存空间为 d 0 0 0 0 i t - - d f f f f h ，由于板载缓存共1 2 8 k b ，而这段地址空间才6 4 髓，所以采用自加页面 控制器的方法来解决，通过页面控制器，可以任意地设置当前活动页面，以供计算机读 取“ 3 2 超声c 扫描成像系统 图2 3 高速数据采集卡的结构框图 2 2 2c t s 2 3 a 型脉冲反射式超声探伤仪 c t s - 2 3 a 型超声探伤仪是由我国汕头超声仪器研究所研制的，能够进行a 型超声探 伤。它主要由同步、延时、发射、接收、显示、增辉、报警、电源等电路组成。它能够 较好地满足系统性能指标要求，工作频率在0 5 - 2 0 m h a 灵敏度高，接收系统使用灵敏 度可达1 5 0 u v p p ，阻塞范围小，约为4 咖；脉冲宽度窄，发射脉冲上升时问约为3 0 n s ， 薄板分辨力高，配用1 0 c 6 n 窄脉冲探头，可发现距探测面2 m m 的由2 平底孔，最大探测 深度可达l m ，基本可以满足大多数常见零件的超声检测。 2 2 3 超声水浸聚焦探头 本系统采用超声水浸聚焦探头的频率是1 0 m h z ，它的工作过程：使声束在某一个深 度范围内直径变窄，声强增高，形成点聚焦或线聚焦声束，可提高局部区域的检测灵敏 度与信噪比及横向分辨力，在c 扫描检测中可以提高图像的分辨率 2 2 4 水浸扫描机械装置 由控制x 轴方向和y 轴方向的两个步进电机组成，通过单片机控制步进电机驱动卡 驱动步进电机运动工作原理是：由p c 机发送控制参数给单片机，单片机控制步进电 机驱动卡控制步进电机三相的的通电顺序、脉冲频率、步进方向等，再经过步进电机驱 动器驱动带动探头扫描机构按设置的路径自动扫描。 2 2 5 微型计算机和显示器 计算机是整个超声c 扫描成像系统数据分析、处理和控制的中心。显示器是一种图 像数据的输出方式。一般要求有较高的分辨率，以获得高质量的图像。本系统主要处理 灰度图像，故采用普通的1 7 寸显示器。 q 西安科技大学硕士学位论文 2 3 超声c 扫描成像系统的软件设计 超声c 扫描成像系统的软件包括应用软件和系统软件。应用软件设计是超声c 扫描 成像系统的重要组成部分：与超声c 扫描成像系统的功能与技术要求有关的主要包括数 据采集卡的驱动程序、超声c 扫描图像的生成程序；系统软件是计算机实现其运行的平 台，采用的是目前应用非常广泛的w i n d o w sx p 操作系统。 2 3 1 超声c 扫描成像系统应用软件 ( 1 ) 数据采集卡的驱动程序。数据采集卡的驱动程序采用w i n d r i v e r 软件，在 v c + + 6 0 环境下设计实现的，超声c 扫描成像检测系统通过数据采集卡的驱动程序来设 定采集卡的工作方式，从而完成对采集卡上i 0 端口和共享内存的访问，进而控制超声 检测的整个工作过程，实现对超声波信号的采集。 本系统超声数据采集卡的驱动程序编写使用w m i r i v e r 的d r i v e rw 妇r d ，在d r i v e r w i z a r d 的“c a r di n f o r m a t i o n ”对话框中选择对象卡的类型为i s a 卡，然后在r e s o u r c e 对话框中列举卡所用的硬件资源所用i o 端口地址和共享内存地址，然后再点击 “c , e n e r 疵c o d e ”，选择v c + + 6 0 环境，d r i v e r w i z a r d 自动生成驱动程序框架以及一个 用于测试的w m 3 2 控制台程序，使用测试程序可以测试驱动程序。测试成功后，可在 v c + + 6 0 环境下改写驱动程序生成动态链接库，动态链接库提供导出函数，应用程序通 过包含动态链接库( 将c a r d d r i v e r h ，c a r d d d v e r 1 i b ，c 锄- d d d v e r 删拷贝到应用程序目 录) ，使用其导出函数来实现和驱动程序的接口，从而访问硬件本数据采集卡驱动程 序提供以下几个接口函数。 b o o lu c d r i v e ro p e n ( u c d r i v e r _ h a n d l e * p h u c d r i v e r ) ；打开超声检测卡 v o i du c d r i v e rc l o s c ( u c d r i v e r e r ) ；，关闭超声检测卡_ h a n d l eh u c d r i v b y t eu c d r i v e r _ r e a d b y t e ( u c d r i v e r _ h a n d l eh u c d r i v e i lu c d r i v e r a d d r a d d r s p a c e ，d w o r dd w o f f s e t ) ；，读f o 端d ( a d d r s p a c e = 1 ) 或m e m o r y ( a d d s p a c e = o ) v o i du c d r i v e r _ w r i t e b y t e ( u c d r i v e r _ h a n d l eh u c d r i v e r , u c d r i v e r a d d r a d d r s p a c e 。d w o r dd w o l f s c t , b y t ed a t a ) ；写f o 端1 2 1 ( a d d r s p a c e = 1 ) 或 m e m o r y ( a d d s p a e e = 0 1 【1 4 】 。 ( 2 ) 超声c 扫描图像的生成程序。超声c 扫描图像的生成程序运用虚拟仪器技术， 利用l a b w i n d o w s c v i 基于w i n d o w sx p 操作系统平台，实现对原始扫描信号采集，完成 a 扫描、c 扫描成像。本系统主要应用l a b w i n d o w s c v i 完成三部分功能，即采集卡驱动 程序加载到l a b w i n d o w s c v i 的工程中，实现驱动采集卡的数据采集功能、a 型扫描数据 存储和超声c 扫描图像的实现。从整体上说，超声c 扫描的图像显示方法是，将采集卡 采集到的a 扫描数据以一维数组的形式存储，根据c 扫描显示形式的不同，从该一维数 组中获得需要显示的数据以直角坐标的形式保存在二维数组中。该二维数组对应的行和 1 0 2 超声c 扫描成像系统 列中的数值，即为图像中对应行和列像素的大小，一一对应出的图像即为c 扫描图像， 它们是个强度图，利用色标中规定的颜色值来显示对应的二维数组中值的大小。 2 3 2 伪彩色处理技术 在超声成像过程中，伪彩色处理是其中重要的环节。众所周知，人的视觉系统对彩 色相当敏感，而且人看彩色图像要比黑白图像舒服得多。在前面提到c 扫描成像是对特 征量( 即幅值) 的成像，当以这个特征量进行成像操作时，不一定是采用灰度值的方法， 而可引入伪彩色定义的方法。 伪彩色处理是指将黑白图像转化为彩色图像，或者是将单色图像变换成给定彩色分 布的图像。基本原理是将黑白图像或者单色图像的各个灰度级匹配到彩色空间中的一 点，从而使单色图像映射成彩色图像。对黑白图像中不同的灰度级赋予不同的彩色。 设， ，y ) 为一幅黑白图像，r j ，) 、g ，力、b ( x ，力为， ，y ) 映射到r g b 空间的 3 个颜色分量，则伪彩色处理可表示为： 胄似y ) = ，足l 厂o ，朋；g o ，力= 厂g i f ( 而朋；b ( x ，力- - f b i f 州式( 2 i ) 其中，足，f g ，厂8 为某种映射函数。给定不同的映射函数就能将灰度图像转化为不 同的伪彩色。伪彩色处理的方法主要有密度分层法，灰度级彩色变换法和频域法。 本论文主要对密度分层法伪彩色处理进行介绍。一般而言，对于一幅灰度图像 ，似力来说，在m - 1 个灰度级，( 毛力= l 1 ，f ( x ，力= l 2 ，f ( x ，力= l 埘一1 设置m - 1 个平 行于x y 平面的切割平面，将图像切割成m 个灰度级不同的区域彳l ，a 2 ，a 3 ，a 珊，则 灰度级到彩色的赋值按下式进行： 八而j ，) = c k厂k y ) a k 式( 2 2 ) 即对每一区域赋以一种颜色，从而将灰度图像变为有m 种颜色的伪彩色图像。图2 4 给 出了灰度级到彩色的阶梯映射形式“”。 c 图2 4 灰度级到彩色的映射 西安科技大学硕士学位论文 2 3 3 超声灰度成像和伪彩色成像 ( 1 ) 灰度成像：为了实现超声信号的二维数字化成像，我们需要以a 扫描回波波形 中的数据信息为基础，从中提取出我们需要的数字量作为图像矩阵的组成元素。将矩阵 中对应的数值转化为图像显示的方式有两种：一种是灰度图像显示方式，即用0 2 5 5 的灰度级表示图像，将经过2 5 6 级处理后的矩阵中的数值与灰度级一一对应得到的图像 【l l 】 o ( 2 ) 伪彩色成像“州1 刀 在超声成像过程中，伪彩色处理采用将不同的灰度值映射为不同的色彩的处理方 式。故超声伪彩色图像特指按某种规则( 线性或非线性) 给图像的各灰度级赋予不同的彩 色，从而有效提高人们识别图像的能力。 采用密度分层法进行伪彩色处理，实现伪彩色变换。须确定的“调色板”参数有伪 彩色级数、各伪彩色级对应的灰度值区域和各伪彩色对应的三原色分量。具体过程：把 图像的灰度值从0 到2 5 5 分成n 个区间，然后给每一个区间指定一种色彩，各个伪彩色 颜色的设定，可以按色度学的原理，在全色空间中选定红，绿、蓝三原色的比例。即将 矩阵相应位置的数值用对应区间的颜色显示成图像。这种方法比较直观，但变换的彩色 有限。对于超声检测来说，一般分8 - 1 0 级，分级太多反而会使得图像变得繁杂，不直 观。而且各级对应的区间大小可以不一致，如当背景色的灰度范围较大时，可以用一个 伪彩色区间进行标识。 在本系统中要实现伪彩色显示首先需要调用图像颜色表，将它以色标的形式显示 出颜色的变化范围。为了实现此功能，在主函数中需调用编写的初始化子函数，此函数 的主要作用是将采样值与图像的颜色值对应起来。 以一元钱硬币、在铝塑板上刻字( x u s t ) 和钢试块横通孔为例运用本系统进行超声c 扫描成像，其结果如图2 5 所示，其中一元钱硬币c 扫描图像是伪彩色，而在铝塑板上 刻字超声图像c 扫描图像和钢试块横通孔c 扫描图像如图2 5 ( b ) 、( d ) 所示，它们是灰 度图。 ( a ) 色标和一元钱硬币超声c 扫描图像( b ) 在铝塑板上刻字超声c 扫描图像 1 2 2 超声c 扫描成像系统 ( c ) 钢试块横通孔平面图( 3 个孔)( d ) 钢试块横通孔缺陷c 扫描图像 图2 5 运用超声c 扫描成像系统扫描的图像结果 2 4 本章小结 超声c 扫描成像系统是图像处理的前提和基础，它把超声模拟信号转换成数字信号， 以便计算机处理。本章首先简要介绍了超声c 扫描成像系统的硬件组成、结构和功能， 特别介绍超声图像采集卡的结构和组成，以及工作过程；然后介绍了超声c 扫描成像系 统的软件系统，主要说明了超声图像采集卡的驱动程序编写和超声c 扫描图像生成的过 程和使用的软件。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 3 。1 引言 3 超声c 扫描图像预处理 改善图像质量的处理称为图像预处理，主要是指按需要进行适当的变换突出某些有 用的信息，去除或削弱无用的信息。在超声信号采集到计算机，进行超声图像重建的过 程中，由于传送和转换器件( 如探头、超声采集卡等) 及周围环境等的影响，造成重建后 超声图像的某些降质。例如，探头分辨率的限制造成图像的失真；在信号传输过程中， 由于受到电磁干扰引起的噪声污染，使得根据信号重建的图像质量有所下降等。为了稳 定地进行特征抽取，提高超声检测的精度等，必须对这些降质的图像进行改善处理“。 通常改善图像质量的方法有两类：一类是不考虑图像降质的原因，只将图像中感兴 趣的特征有选择的突出，而衰减其次要信息；另一类是针对图像降质的原因，设法去补 偿降质因素，从而使改善后的图像尽可能的逼近原始图像。第一类方法能提高图像的可 读性，改善后的图像不一定逼近原始图像，如衰减噪声，突出目标的轮廓等。这类方法 通常被称为图像增强技术。第二类方法能提高图像质量的逼真度，通常需要弄清楚图像 降质的原因，建立相应的数学模型，并沿着图像降