（物理电子学专业论文）碳纤维数字x射线的图像处理与计算.pdf

硕士论文碳纤维数字x射线图像的处理与计算 p r o c e s s o f c a r b o n 一 fi b re， s d i g i t a l x 一 r a y l m a g e abs tract t h i s p 即e rb e l o n g st ot h ef i e l do fl 哑g e p r o c e s s .t h r o u g ht h e m e t h o d o f 一 d i g i t a ix 一 r a ya n dd i g i t a li m a g ep r o c e s s ，t h es o f t 毗 es y s t em a r eb u i l tt o c o in p l e t et h ef u n c t i o no fc o 1 l e c t i n gt h eu s e f u li n f o r 毗t i o nandc o 叩u t i n g p arame t e r ， t h e nt h ec o n f i g u r a t i o n a n d c h ang e o f c a r b o n 一 f i b r e are ach i e v e d and ana l y z e d. thes o f t w ares y s t e mb a s e son 贾 i n d 佣so p e r a t i n gs y s t 朗 a n dy i s u a 1c + + .t h e s y s t e mi n c 1 u d e sc o 1 1 e c t i n gt h ec h ara c t e ro fi mag e ，p r e t r e a t m e n to fi m a g e ， d e t e c t i n gt he e d g e so fi 帕g ea n dc o 叩u t i n gt h et h i c k n e s so fi m a g e . 贾 e s t u d i e d s o m e ari t h m e t i cs u c h a s c h a n g i n g 2 4 b i t s b i t m a p t o 8 b i t s b i t 田 a p ， c h a n g i n g 蒯l t i c o l o ri . 日 g et o g r sy i m 昭e ，i m sge e n h a n c e a n d d e t e c t i n gt h e e d g e s i ln a g e . t h i s ari t hme t i ci su s e di np r o g r a 口 . l i n gt oa c h i e v et h ep r e t r e a t m e n t 1 帕g eandd e t e c t i n gt h ee d g e so fi m 昭e . 十几f占 oo k e y， o r d p ara . e t e r : d i g i t a 1 x-r a y c o 田 p u t i n g l m a g e c arb o n 一 f i b r e、i mag ep r o c e s s 、 声明 本学位论文是我在导师的 指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学 位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研 。名 : 二缚一 200 7 年 、 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的 部分或全部内容， 可以向有关部门 或机构送 交并 授权其保存、 借阅 或上网 公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 、业 盛 卞z do 7年 7 月 乙 日 硕士论文 碳纤维数字x射线图像的处理与计算 1绪论 1 . 1 课题背景 该课题是属于图像处理研究领域， 课题源于与 某单位合作的一个项目 ， 其目 标是 针对碳纤维材料在拉制后的结构和形态， 用数字x 射线和数字图像处理的方式实现图 像有用信息提取， 数值采集， 计算为一体的检测系统软件， 来分析和获取碳纤维的结 构以 及形态的变化以 及特点， 并为实 现在线的测量和检测， 提供基础。 碳纤维是一种纤维状碳材料。 它是一种强度比 钢的大、 密度比铝的小、比不锈钢 还耐腐蚀、 比耐热钢还耐高 温、 又能像铜那样导电， 具有许多宝贵的电 学、 热学和力 学性能的新型材料。碳纤维有极好的纤度 ( 纤度的 表示法之一是9 0 00米长的纤维的 克 数 ) ， 一 般 仅 约 为19克 ; 拉 力 高 达30 o k g/ m m z ; 还 有 耐 高 温 、 耐 腐 蚀 、 导电 、 传 热 、 膨胀系数小等一系列优异性能。 目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优 异性能。 碳纤维材料在拉制后，以 及在加载荷后， 其纤维结构将发生变化， 密度会发生变 化， 形态会变化， 在拉力变大时， 碳纤维将会断裂， 这将是影响其应用的一个重要因 素。 本课题是通过对纤维材料进行数字x 射线的分析， 获得在拉力作用后碳纤维的纤 维、裂纹、形态的变化特征. 图 像 是 人 们 对 客 观世 界中 的 景 物的 一 种 描 述 和 记 录 l1 ， 包 含 很多 信 息， 它是 人 们 传递信息的一种方式。 图像处理一般分为 模拟处理和数字处理. 数字处理是计算机对 离散化了的数字图像进行处理， 所以 又叫计算机图像处理. 图像处理是指对图像进行 交换， 传送， 存储， 增强， 复原， 编码， 显示， 重建等各种操作。 本课题采用的就是 计算机图像处理的方法。 其优点是精度高， 灵活性强， 处理内容丰富以及可做非线形 处理等，缺点是速度太慢. 图 像处 理 是 人 类视 觉延 续的 重 要 手 段 21 。 人 眼 可以 直 接看 到 的 是 可 见 光部 分， 即 可见图像。 但可见光只占电磁波的一小部分， 很大一部分是人眼不能直接看到的， 只 有经过处理才能看到的。 图像处理对于军事， 经济和医学都具 有很重要的 意义。 例如， 利用红外线遥感或微波遥感可以 透过植被侦察到隐藏的武器; 利用资 源卫星可以 遂 鱼. 地下水和矿床等; 利用x 射线脑断层成像技术可以 获得脑内部成像。 图像处理技术的 应用是相当 广泛的， 它在国家安全， 经济发展， 日 常生活中 充当着越来越重要的角色， 对 旦 兰民 生 有着不 可忽略的 作 用。 数 字图 像处 理是一 个多 学 科交叉的 领域， 涉及光学， 电 子学，数学， 摄影技术，计算机技术等众多学科，是一个高度综合的技术学科。 数字x 射线图像， 比 起一般的模拟方式的x 射线图 像有比 较明显的 优势， 特别是 硕士论文 碳纤维数字x射线图像的处理与计算 在检测材料、 以 及集成电路等较小体积的 应用方面， 实 现了 检测的 在线、 高 质量、 高 效率、 低成本， 具有高清晰度、 高灵敏度、 视频成像功能， 是x 射线检测手段的一 个 明显的进步。 1 . 2 国内外发展状况和趋势 数 字图 像 是当 今人们多 姿多 彩的 生 活不 可或 缺的 一部分 13 . 网 络，电 视， 传真， 数码相机， ct， 导航等， 都离不开数字图 像。 没有数字图像， 人们的生活就会变的 黯 然失色，国 家的安全也会受到严重威胁。数字图 像处理最早出 现于20世纪50年代， 当时的电子计算机已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图形和图像信 息. 数字图像处理作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。 早期的图像处理的 目的是改善图像的质量， 它以人为对象，以改善人的视觉效果为目 的。图 像处理中， 输入的 是质量低的图 像， 输出的是改善质量后的图 像， 常用的图 像处理方法有图像增 强、复原、编码、压缩等。首次获得实际成功应用的是美国 喷气推进实验室 (jp l)。 他们对航天探测器徘徊者7 号在1 9 64年发回的几千张月 球照片使用了图像处理技术， 如几何校正、 灰度变换、 去除噪声 等方法进行处理， 并考虑了 太阳位置和月球环境的 影响， 由 计算机成功地绘制出月球表面地图， 获得了巨大的成功。 随后又对探测飞船 发回的近十万张照片进行更为复杂的图 像处理， 以致获得了月球的地形图、 彩色图及 全景镶嵌图， 获得了 非凡的成果， 为 人类登月 创举奠定了 坚实的基础， 也推动了 数字 图像处理这门学科的诞生。 在以后的宇航空间技术， 如对火星、 土星等星球的探测研 究中， 数字图 像处理技术都发挥了巨 大的作用。 数字图像处理取得的另一个巨 大成 就是在医学上获得的成果。 1 972 年英国即1 公司工程师h ousfi e l d 发明了 用于头颅诊断的x 射线计算机断 层摄影 装置， 也就是我们通常所说的口 ( c o m p u t ert omogr 即h)。 cr的 基本方法是根 据人的头部截面的投影， 经计算机处理来重建截面图 像， 称为图 像重建。 1975年e m i 公司又成功研制出全身用的ct装置， 获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。 1 9 79 年， 这项无损伤诊断技术获得了 诺贝尔奖，说明它对人类做出了 划时代的贡献。 与 此同时， 图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就， 属 于这些领域的有航空航天、 生物医学工程、 工业检测、 机器人视觉、 公安司法、 军事 制导、 文化艺术等， 使图像处理成为一门引人注目、 前景远大的新型学科。 随着图像处理技术的深入发展，从70年代中期开始，随着计算机技术和人工智 能 思 维科学研究的 迅速发展， 数字图 像处理向 更高、 更深层次发展. 人们己开始研 究如何 用计算机系统解释图 像， 实现类似人类视觉系统理解外部世界， 这被称为图 像 理解或计算机视觉。很多国家， 特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究， 取得了 不少重要的 研究成果。 其中 代表性的 成果是70年代末m it的m arr 提出的视觉 2 硕士论文 碳纤维数字x射线图像的 处理与计算 计算理 论， 这个 理论成为 计算 机视觉领 域其后十多 年的 主导思 想. 图 像理 解虽 然 在理 论方法研究上已 取得不小的 进展， 但它本身是一个比 较难的 研究领域， 存在不少困 难， 因人类本身对自己的视觉过程还了 解甚少， 因 此计算机视觉是一个有待人们进一步探 索的新领域。 碳纤维的 用途主要是利用其 轻而强 和 轻而硬 的 力学特性， 广泛应用于航空、 航天、 军工、 体育休闲等结构材料; 利用其尺寸稳定性， 应用于宇宙机械、 电 波望远 镜和各种成型品; 利用其耐疲劳性， 应用于直升飞机的叶片; 利用其振动衰减性， 应 用于音响器材;利用其耐高温性，应用于飞机刹车片和绝热材料;利用其耐药品性， 应用于密封填料和滤材; 利用其电 气特性， 应用于电 极材料、电 磁波屏蔽材料、 防静 电材料; 利用其生体适应性， 应用于人工骨、 韧带; 利用其 x 一 光透过性， 应用于 x - 光床板等。 此外， 还可以 活化成活性碳纤维， 应用于各种吸附领域。 具体应用例如: 钓鱼 杆; 高尔夫球杆随着轻量化和长尺寸化的要求， 现己占 碳纤维体育用品 用途的 50 %， : 网 球拍; 飞机方面， 小型商务机和直升飞机的复合材料用量已占70%一80 %， 军用机30% 一4 0 %， 大型客机巧%一20%; 人造卫星结构体、 太阳能电 池板 和天线要用高模碳纤维，先进的运载火箭和导弹壳体、发射筒等要用 800h 和 t 3 00 碳纤维等; 土木建筑领域， 已 用于补修加工用片材、 建筑部件、 代钢筋材料、 屋顶 构架材料等; 能 源领域，已 用于汽车的 压缩天然气罐和风车叶片( 长达 3 0 一 4 0 m ) 、 海底油田 管道、 升降机等; 交通运输方面， 已 应用于赛车、 汽车传动轴、 大型卡车 车体等; 电 子电器领域， 已 应用于增强热塑性树脂的挤出 成型品， 如抗静电 ic盘、 笔记本电 脑的 筐体， 具有电 磁波屏蔽效果; 其它， 还有 x-射线盒、医用床板、印 刷、制膜、 造纸等用的各种滚轴、空气或氧气呼吸用压力容器等等。 碳纤维产业是由原丝 ( p an)生产再到预浸料再到具体的终端产家这么一个产业 链. 目 前，原丝的售价是40元一50元/ 公斤， 碳纤维为2 00元/ 公斤， 预浸料为5 00元 / 公斤， 每一级的深加工都有高幅度的增值。 我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段，国内 碳纤维生产能力仅占世界高性 能 碳纤维总产量的0 . 4 % 左右， 国内 用量的90%以 上靠进口。 而p an 原丝质量一直是 制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。 另外， 碳纤维长期以 来被视为战略物资， 发达 国家一直对外实 行封锁。 因此， 有关专家认为， 强化基础研究是创新之本，是发展国内 碳纤维工业的根本出路. 美国 联合碳化物公司(uc c) 于1 9 59年开始最早生产粘胶基碳纤维， 五六十年代 是粘胶基碳纤维的 鼎盛时期， 虽然时期已开始衰退， 但是它作为耐烧蚀材料至今仍占 有一席之地。1 9 59年，日 本研究人员发明了用聚丙烯睛 ( p an) 原丝制造碳纤维的新 方法。 在此基础上， 英国 皇家航空 研究院 研制出了制造高性能p an基碳纤维的 技术流 3 硕士论文碳纤维数字x射线图像的 处理与计算 程， 使其发展驶入了快车道， p a n 基碳纤维成为当前碳纤维工业的主流，产量占世界 总产量的9 0%左右. 1 9 74年， 美国 联合碳 化 物公 司开 妈了 高 性能中 间 相沥青 基 碳纤维 t h o r nel 一 3 5 的 研制，并取得成功.目 前t h 叮nel 一 p 系列高性能沥青碳纤维仍是最好 的产品，这样就形成了p an基、沥青基和粘胶基碳纤维的三大原料体系. 世界碳纤维的主要生产商为日 本的东 丽、 东邦人造丝、 三菱人造丝三大集团 和美 国的卓尔泰克 (zolt ek) 、 阿克苏 ( a k z o ) 、 阿尔迪拉 ( a l d 工 l l) 和德国的sgl 公司等。 其中日 本三大集团占 世界生产能力的75 % 。 世界ct型碳纤维总生产能力为221 00吨 / 年，lt型碳纤维总生产能力为9 5 50吨/ 年;实际生产量约为7 000 吨/ 年. 在20世纪90年代中期以前， 军事工业、 航天与航空工业与体育休闲业一直是cr 型碳纤维的主要市场。自1 9 96年美国成功地将lt型碳纤维工为化以后， ct 型碳纤 维与lt型碳纤维竞争十分激烈。 当前世界上以n 基炭纤维正处于迅速增长的发展期:产品性能趋向于高性能化， t 7 0 o s 加快取代t 3 00作通用级炭纤维;产量增加较快，1 9 %_ 2 0 00年增长了48. 1 % ; 航天航空和体育用品用量增加稳定， 民用工业用量增幅较大，已超过前两者， 特别是 随着大丝束炭纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。 1 . 3数字x 射线图 像检测碳纤维的意义 碳纤维材料在拉制以 及在加载荷后， 其纤维内部结构将发生变化， 密度会发生变 化， 形态也会变化， 在拉力变大时， 碳纤维甚至将会断裂， 这将是影响其应用的一个 重要因素。 因此我们在选择对碳纤维进行图像采集的方式的时候， 必须充分考虑这些 特别的因素。用普通的c cd成像分析，由 于只能获得表面反射光的图像，不能获得材 料结构体内的信息，因此不适合于对碳纤维内部结构和形态进行有效的分析。 而数字x 射线成像技术具有一些重要的 优点: 检测速度快， 相对于胶片成像可 成 倍 提 高 检 测 速 度; 检 测 步 骤 简 便， 相 对 于 胶 片 成 像 而 言 ， 它 没 有 暗 室 工 作 的 环 节， 简化了资料归档; 不需要使用胶片， 大批量的工件检测可节约生产成本; 可 实时观察零件内部质量， 可对所关心的部位进行图像的角度变换; 可对所关心的部 位进行适当放大，从而有利于检测该细节部位. 数字x 射线成像具有的这些优点正好有利于检测碳纤维细节部位的变化，可以在 碳纤维被拉伸的过程中及拉伸以后及时、有效并且准确的获取碳纤维的内部条纹结 构，密度，形态变化以 及断裂的信息。 数字x 射线成像直接获得数字的 x 射线的图片以 及视频信号， 它与一般成像技术的 差别 在于传感器部分的差别， 而其信号采集与处理方法都是 相同的. 但是由 于x 射线 的 特性， 其图片 和视频信号有许多不同 于一般成像技术的 特点， 有许多新的信息， 值 得进行深入的研究。 4 硕士论文碳纤维数字x射线图像的处理与计算 1 . 4本文主要研究内容及安排 在该 课题中， 本人开发设计了图像处理与检测系统软件， 进行了图 像处理算法的 研究。 检测处理平台 部分的主要功能 是通过对图 像进行一系列的处理， 获得图像 碳纤 维变化特征， 检测出图 像的 边缘， 并通过计算机测量出 待检测物体的宽度或者长度。 其中 待处理的图像是通过 x射线的成像器件获取的。整个平台的开发建立 v is ual c + + 6 . 0 开发环境基础上的。 由 于该检测系统较为复杂， .开发程序代码较长， 因 此不能把源代码在此一一列出， 只能就主要的 编程算法和编程思想叙述成文。 本文的组织结构为: 第一部分介绍了 课题背景，国内 外发展情况以 及系统的概况。 第二部分论述了x 射线成像器件分 类， 性能以 及发展状况。 第三部分介绍了 检测软件平台的 设计， 计算机读取， 存储图像的基本知识和编程 实现， 并 详细论述了图 像预处理的 理论研究和编程实 现， 其中包括图 像颜色处理和图 像增强。 第四 部分详细论述了图像边缘检测的 几种方法和编程实现， 并通过比 较研究这几 种方法的不同之处， 并研究了图像边缘提取和数据测量的方法， 并通过编程实现， 同 时进行了误差分析以 及减小误差的方法的理论研究。 硕士论文碳纤维数字x射线图像的 处理与计算 2 数字x 射线成像器件及其特点 x 射线是由高速带电粒子与物质原子的内层电 子作用而发出的， 它的波长短， 光 子能量大， 其本质与可见光、 红外光、 紫外光以 及宇宙射线完全相同， 均属于电磁辐 射， 具有 波粒 二象性。 它的 波长范 围 在1 0 七 10 伽， 短 波方向 与丫 射线相接， 长波方 向与紫外光相接，一般称波长在0 . 1 一 10 nm的为软x 射线，波长在0 . 0 0 1 一 0 ， 1 枷的 为硬x 射线。x 射线在医学透视、无损探伤、x 射线衍射、天文学、材料学等方面有 着广泛的应用。 在1 8 9 5 年， 德国 物理学家威廉伦琴发现了x 射线， 被认为是19世纪的重大发现。 经过了 她几个月的技术突破， 这种， 新光线， 被应用于检查骨折和确定枪伤中子弹的 位 置。 尽管x 射线最初被医学目 的使用，但该新技术的理论也被应用到无损检测领域。 例如， 早期锌板的x 射线， 暗示了 焊接质量控制的 可能性， 20世纪初期， x 射线被应 用于锅炉检测。 在20世纪的下半个世纪， x 射线技术一 尽管长期不变一没有发生巨大的变化， 由射线源发射的x 射线穿过物体， 然后通过胶片或荧光屏接受。 胶片的对比度和空间 分辨率， 随胶片的 速度和x 射线源的控制，使用带胶片的荧光增感屏，在低能量下， 得到了 较好的图像效果。 在20世纪50年代， 随着图象增强器的出现， 发生了巨大的 变化， 第一次得到了实时的 清晰的图 像. 通过图 像放大器， 从荧光屏上采集x 射线， 聚焦在另 外一个屏上， 可以 直接观察或通过高质量的tv 或c cd摄像机观察。 对于实 时成像， 虽然图象增强器具有强大的性能， 直到最近之前仍然选择胶片保存大的图像、 高质量的空间分辨率及对比度。 然而， 这里的每一项技术都有其自 己 的缺点。 化学处理x 射线胶片， 从图 像的 采 集到技术人员的检测， 通常需要20分钟的滞后时间。如果胶片曝光量不够或透照角 度错误， 必须重新进行所有的程序， 那么仍然需要20分钟时间。 如果照射许多的 胶 片， 将需要几个小时。 此外， 公司必须配备存放地点和经过培训的员工， 以保证安全 操作、 存储和处理胶片冲洗药液。 虽然胶片的空间分辨率较好， 但是， 胶片线性不好 和对比 度范围狭窄， 再加上人的眼睛的局限性，辨别能力不能超过1 0 0 的灰度级别， 己经不可能从一个范围宽广的胶片密度来检测和获得更精确的数据。 对于图象增强器， 其应用范围又受其防护体积庞大和视域的限制， 而且图像的边 沿出 现扭曲， 只有中心位置的图像对于某些应用才有用。 另外， 图像增强器的对比 度 和空间分辨率也不能和其他的技术相提并论。 无论胶片还是图像增强器， 存档和分发 多少也有些不便， 对于图像增强器的图像存档， 需要将转化为视频格式; 对于x 胶片 则通过扫描。 自 从20世纪80年代引入了 计算机化的x 射线技术(cr)， x 射线成像发生了巨 大 的 变化。 直到此时， 才实现了 真正的自 动化检验、 缺陷识别、 存储以 及依赖人工对图 6 硕士论文碳纤维数字x射线图像的 处理与计算 像或胶片的解释。 cr 提供了 有益的计算机辅助和图像辨别、存储和数字化传输， 剔 除了 胶片的处理过程和节省了由此产生的费用。 c r作用类似胶片，但是取代了 胶片， 通过照射存储荧光屏，将图像存储在其内 部. 在许多情况下， 该技术很容易的被翻新成胶片基的系统， 但不需要胶片、 化学药 品、 暗室、 相关 设备及 胶片 存储。 cr 比 其 他数 字 技术的 优点是: 在大多 数情况下， 在整 个实验室中只需要一个屏幕读取器， 该读取器与图像采集部分是独立的， 用户可 以分别购买， 这一点就区别于其它的 采集和读取一体的数字技术。 c r的 缺点是: 类 似胶片， 不能实时。 尽管比 胶片速度快， 但是必须将屏幕从x 射线站移走， 然后将其 放入读取器中。cr 使得无胶片x 射线技术前进了 一大步，但是却不能提供x 射线数 字技术的所有的优势。 近年来，由于微电子和计算机技术及材料科学的发展， x 射线数字成像技术取得 了长足的进步。成像方法和设备种类越来越多，应用领域越来越广阔. 2 . i x 射线数字成像系统的 分类 x 射线数字成像技术与胶片照相技术一样，都能提供物质内部结构的可见影像， 这种图像一般都是在计算机屏幕或视频监视器上显示出 来。 依据被检测物体的运动方 式和计算机软件的不同， 显示的图像可能是透视的二维图像， 也可能是断层扫描图像， 或者是两种功能同时兼备 141 . 在通常情况下， 产生二维透视图 像的系统， 断层扫描系统( 通常称为ct成像系统) 设备的组成基本一样，都是由x 射线源、射线接收转换器、计算机及软件、机械扫查 系统等四大部分构成， 但断 层扫描对被检测物体的 运动方式、 运动精度和软件功能要 求更高。目 前，国内外通常是按照射线接收转换装置来对x 射线数字成像技术和设备 进行分类。 因为射线接收转换装置决定了成像系统的技术标、 性能、 功能和应用范围。 2 . 1 . 1基于图像增强器的x eet v 电视成像系统 x 射线图像增强器诞生于20世纪 40年代， 直到90年代末一直是 x 射线数字成像的最 主要器件，通常用于对一些质量要求不高的产品生产进行质量监控。 由 于受器件本身的结构原理限 制， 这种成像系统具有图 像噪声较大、 对比度较差 疲劳等缺点 、图像易变形、 使用寿命短、 不能对复杂零件进行有效检测、 灵敏度低、 操作人员易 。 为了部分弥补这些缺陷， 人们提出了许多改进措施， 同时对配套设备也 提出了 苛 刻的 要求， 如: 使用小 焦 点 x 射线 源， 利用几何投 影放大改善灵 敏度和分 辨 力; 使用 计算机后 续图 像处理系统 降 低图 像噪声; 使 用光 栅弥补设 备动态范围 不 足和 避免因 为 射 线直接 照射而导 致增强 器 损坏等。 采用这些方 法有积极的 效果， 但负 面 影 7 硕士论文碳纤维数字x射线图像的处理与计算 响却是 x 射线源效率降 低、 静态图 像处 理时 被检测物体不能 运动使系统丧失了 实时 成 像的功能、 设备检测范围减小和配置更加繁杂等， 不但没有彻底解决问题. 却使系统 设备配置变得更加复杂。 2 . 1 . 2 基于探侧器阵列的dr直接x 射线数字成像系统 20世纪90年代末期新一代基于探测器阵列的dr直接x 射线数字成像系统成功面 市。 它以 探测器阵列为核心， 彻底改变了射线成像设备的设计思想， 降低了对配套设 备的要求， 大大拓展了 x 射线数字成像技术的应用范围. 基于探测器阵列的d r 直接数字成像系统产生的图像质量完全可与胶片照相媲美， 在绝大多数领域可以 代替胶片照相。 这种技术将引起射线检测技术的一次革命， 实现 了 射线检测高 质量、 高效率、 低成本。 根据探测单元的排列方式不同， 该成像系统可 以细分为线阵和面阵两种， 分别简称为线性探测器和成像面板。由 于排列不同， 虽然 二者的基本功能和电 气特性完全一致， 但在检测图像的质量和配套设备的选择方面仍 有差别. 线性探测器可以 在其接收端口 安装射线准直窗口，屏蔽周围散射线的影响， 所以图像的本底噪声非常低， 几何清晰度影响减小， 因此可以使用大焦点射线源。 基 于线性探测器的 d r 直接x 射线数字成像系统体积、重量小，价格低，图 像质量好， 应 用范围也较宽。 2 . 1 . 3基于柔性潜影感光板的cr 间接x 射线数字成像系统 基于柔性潜影感光板的c r 间接x 射线数字成像系统研究的主要着眼点是纯粹的降 低检测成本. cr间 接x 射线数字成像技术的核心是研制了 一种可反复曝光和擦清的影 像板， 它收集以“ 电子捕捉” 过程而形成的目 标物潜影， 然后使用激光扫描仪进行光 电激发测量影像板上各点的密度， 通过计算机合成透视图像。 这种技术也可以 产生高 质量的探伤图像，可以将影像板看作一张可反复曝光的电子胶片( 一般使用寿命不超 过5 0 00次) ，因此，从节约胶片的角度出发， 其作用是明显的，能有效地降低检测成 本， 无须进行暗室处理， 适用于野外作业或缺水的 场合。 但它相对胶片成像技术而言， 检测效率的提高并不明显，从原理上讲它和胶片成像技术没有太大差别，因 此这种x 射线数字成像系统的实际应用不多. 2 . zx 射线数字成像系统性能评价指标 x 射线数字成像技术有衡量性能指标的一系列参数， 而且这些性能指标通常是影 响 其 使 用的 关 键 5l 。 国 内 外 有 关 x 射 线 数 字 成 像 技 术 的 标 准 基 本 上 都 是 一 种方 法 的 标 8 硕士论文 碳纤维数字x射线图像的 处理与计算 准， 对设 备、 人员、 关 键技术 指标等都有明 确 规定. 这些指标的 制定 依 据是 力争 使 x 射线数字成像技术产生的 透照图 像接近或达到普通胶片成像的影像质量， 虽然在细节 上有许多不同， 但涉及图 像质量的主要技术指标要求的内 容是一致的。 2 . 2 . 1相对灵敏度 检测灵敏度决定设备对物体中 缺陷的检出能力， 一般用百分比 表示。 百分比 越低， 灵敏度越高。在国外一般使用阶梯孔型像质计测定，国内 使用线性像质计进行测量。 二者的测试结果不能完全等效， 似乎国外的测量方法更加科学。 成像设备的灵敏度指标非常重要， 它直接决定了 设备的 使用范围和检测结果在国 内外的认可程度。 用户应该依据各自 行业产品质量验收的相关标准并制作专门的试样 进行测试。 2 . 2 . 2系统分辨力 系统分辨力决定了 设备产生的透照图像的清晰程度和对细节图像的识别能力， 分 辨力越高，图像越清晰。分辨力也是使用专门的分辨力测试卡进行测量的。 目 前，国内外标准规定的指标是30 lp/ cm (3 . olp/ 枷) 以上。 分辨力测试卡有 扇型和栅型两种， 测试结果完全相同。 2 . 2 . 3x 射线透过和吸收特性 x 射线照射到物体表面后，一部分穿过物体，另一部分要被物体所吸收。实验证 明， 强度为1 的x 射线在均匀物质内部通过时强度的衰减率与在物质内 通过的距离成 正比，用公式可表示为: d l / 1 二 一“ d t( 2 . 1 ) 式中比 例系数 p称为物质的线性吸收系数， 它的 物理意义是指在x 射线传播方向 上 单位长度内x 射线强度的 衰减程度。 协与物质种类、 密度、 x 射线的 波长等因素有关。 物质对x 射线的 透射和吸收 特性是x 射线像增强器设计的 重要理论依据之一。 物 质对x 射线的透射特性服从指数衰减规律。 对( 2 一 1)两边进行积分有 (2. 2 ) 声一p /浏认 - xp 0e i=i 硕士 碳纤维数字x射线图像的处理与计算 论文 1 一x 射线输入强度( k ev/ 耐5 或x 光子数/ c 扩 5) 1 -x 射线输出强度( k ev/ c 肩 或x 光子数/ c 扩 5) p 材料的质量密度( 9 / cm ) t 样品厚度( c m)l 林 一 线性吸收系数( 1 / c 司 已 材料 质量吸收系数( 耐 / 9 ) pt _ ， ，该物质对x 射线的透射系数( 率) 为: 中以 式所 下 一 1 / 工 ， 。 x p 卜 淤、 1( 2 . 3 ) l p j j 则该物质的x 射线的吸收系数 ( 率) 为: a= 卜 : 二 1 一 ， 。 _ 蔽 丝 习(2 . 4 ) l又 p 月 三的 物 理 意 义 是 该 材 料 单 位 密 度 的 吸 收 系 数 。 线 性 吸 收 系 数p 与x 射 线 波 长( 或 p 能量) 构成材料的原子序数和样品物理状态 ( 气态、液态、疏松态、致密态、单晶态 和多 晶 态) 有 关 ， 不 同x 射 线 照 射 下 的 丝 值 可 由 文 献 查 出 . p 对于由多种成份构成的物质，则有: 二 全 可 目 p不1、 p少 ( 2 . 5 ) 式中: 叭 第1 个组分元素所占的质量权重因子 丝 第1 个 组 分 元 素 的 质 量 吸 收 系 数 p 很显然，作为像增强器的输入窗， 要求x 射线透过率高:作为x 射线阴极材料要求对x 射 线 吸 收 越 多 越 好 ， 即 材 料 质 量 吸 收 系 数 丝 和 厚 度 越 大 t 越 好 . p 2 . 2 . 4x 射线量的表征 x 射线由 它的质和量来表征。 所谓x 射线的质就是指射线的穿透能力或其强度， 它以x 射线的能量表征， 可通过增大x 射线管电压来增大. x 射线的量以 它产生电离 1 0 硕士论文 碳纤维数字x射线图像的处理与计算 的能力度量。 衡量x 射线最常用的几个单位: 辐射剂量( 尔格/ 克，它是物体从x 射线实际吸收的能量量度) 照射量 x(库仑 / 千克或伦琴 r ，它用来表示 x射线的电离能力 i r = 2 . 5 8 x l 0 闷 c / k g ) : 照 射率( 是照 射量的 变 化率， 即x = dx/ dt) ; 吸收 剂量d(单 位gy即j / k g ): 吸收剂量率( 常用单位g y / 5 ， cy/h) 。 2 . 3直接数字x 射线成像器件 由于本课题中的图像采集工作是通过直接数字x 射线成像器件完成的，因此在此 着重介绍。 直接数字x 射线成像器件是新型的x 射线成像器件。 这种新发展起来的平面探测器 组是一组面积为2 3 *23cm 的二维平面，它由光电 材料 ( 非晶态硒) 和一系列薄膜晶体 管阵列 ( t f t) 组成，该薄膜晶体管上的 探测元的 尺寸为巧o x巧 o p m ，能将x 射线直 接转换为信号和图像。 该探测器阵列能实现高清晰的数字透视和射线照相。 该探测器 能以高 达30幅图像的 速率实现数字透视和射线照相， 并提供有很好的空间分辨率的 数 字动态像和静态像。这种新型的x 一 射线探测器确实能取代已经使用了超过50年的常 规的x 一 射线图像增强管。 2 . 3 . 1动态成像的直接转换探测器的结构 利用直接转换平面探测器来获得动态图像是通过将穿过待测物体的 x 一 射线直 接转换成电 信号以 产生完全的数字动态和静态图 像。 该探测器由四部分组成: 一个x 一 射线转换单元、 一个探测器元阵 列单元、 一个高速信号形成单元和一个数字图 像转 换 单 元 ， 如 图2 . 1 和 图2 . 2 。飞 ( l) x 一 射线转换单元 在该单元中，非晶 态的 硒被用作光电 材料来将x 一 射线转换成电 信号。当x 一 射 线照射到一层非晶态硒上时， 便产生正负电 荷，其数量正比于 x 一 射线的照射量， x 一 射线的照射量又与光子的传导率有关。 接上几千伏的电压， 产生的电荷就会沿着电 场方向 移动并作为光电流被储 存起来， 而不是通过探测器元阵列散射或消失。 (2 ) 探测器元阵列单元 t 叮技术被用来在一块玻璃底面上制作一个有多于两百万探测器元的阵列。 每个 硕士论文碳纤维数字x射线图像的处理与计算 t y p e d e fs t r u c tt a g b i t map i n p ohe ade r d w o ri) b i s i z e : l o n gb i w i d t h ; l o n gb i h e i g h t ; 和rd b i p l ane s : 和rl) b i b i t c o u n t : d w o ri) bco 叩r e s s i o n : dwo r db i s i z e l 阳g e ; l o n gb i x p e l s p e r 挑 e t e r : l o n gb i y p e l s p e r m e t e r ; d w o r db i c l r u s e d : d w o rd b i c l r l 帅o r t ant : j b i t 以p i n f o h e a d e r ， far * l p b i t 袱p i n f o h ead e r ， * pbi n 从 t i n 阳h e a d e r 其中， b isi : e 表示结构长度: bi 形dth 和b i h eig ht分 别表示图 像的 宽 度和高 度， 单位是像 素: b i p l a n e s 必须是1 :b i b i t c o u n t 表示颜色所要用到的位数 ( 即1 ，4 ，8 ，1 6 ， 2 4 ，3 2 ) ; bc0 mpressi on 表示图 像是否被压缩， 0表示未被压缩， 其他值表示被压缩; bisizel 田 a g e 表示位图占 用的 实际 字节 数; b i x p e l s p e r m e t e r和 b i y p e l s p e r m e t e r分别表示目 标设备的水平和垂直分辨 率; bic l r u s e d 表示该位图实际用到的颜色数， 如果该值为0 ，则用到的颜色数为 2 的b i b i t cou n t 次幕: biclrlm por t a nt表示重要的颜色数， 如果为。 ，则表示所有颜色都是重要的. 3 . 1 . 2调色板概述 调色板就是图像每一点r gb值在内 存中 存储的 表， 比 如6 4 o x 4 80像素， 颜色数为16 的彩色图， 每一个像素都用r 、 g 、 b 三个分量表示。因为这是一个1 6 色图，也就是说 这幅图中最多只有1 6 种颜色， 因此可以 用一个表， 表中的每一行记录一种颜色的r 、 g 、 b 值. 这样当 我们表示一个像素的 颜色时， 只需要指出该颜色在表中的索引值即 可。 例如， 假设表的第0 行为红色， rgb 值为( 2 55， 0 ， 0)， 那么当 某个像素为红色时， 只需 要 标明 第 0 行即 可. 这样计算一 下: 16 种 颜色可以 用 4 位二 进制数 表示， 一 个像素只 要 2 0 硕士论文碳纤维数字x射线图像的处理与计算 用半个字节。整个图像要用6 4 0 *480 *0. 5 ， 约1 5 0k字节，再加上表所占 用的 字节为 3 *l6 二 4 8 字节， 整个图像所占内存空间约为前面的1 / 6 . 很明显. 节省了很多 存储空间。 第二种方法就是采用了 所谓的调色板的原理。 许多图 像文件格式如g if j 四， p sd等 也使用了 调色板。对于真彩图像，颜色数为2 5 6 *25 6 *256种，每个像素的颜色要用三 个字节表示，即(r、 g 、 b)3 个分量，即表示一个像素要用24位。 若用调色板方法， 对 于 种颜色，调色板有2 24行，和直接用(r 、 g 、 b)三个分量表示的字节数一样， 还要 加上一个2 56 x2 56火 2 56 x3 个字节的大调色板， 所以真彩色图直接用( r 、 g 、 b)三 个分量表示，而不使用调色板，它又叫做24位色图。 3 . 1 . 3 编程实现位图 信息的读取 在上文的叙述中， 我们知道， 位图的 信息头中包含了说明位图的尺寸等信息的数 据11 01 . 而且信息头这 个结构 体可以 直接以 二 进制的 形式 从位图 文 件中 读出. 为了 直 接 的了 解图 像的信息， 方便后续的图像处理。 我们希望能 够直观的得到这些信息。因此 可以 设计一个对话框，读出待处理图像的有用信息。 具体算法如下: ( 1) 创建一个对话框并建立其对应的 类che adl: ( 2 ) 为 对话框创建几个 cst r i 飞型 变量 几s t r f i l e ， 几s t r l ， 死s t r z ， 处s t r 3 ， 处s t r 4 ， 几s t r s ; (3 )将待处理的位图保存路径读入变量田 s t rfile ; (4 )读取位图的文件头; (5 )将位图信息头读入到系统中， 将所需要知道的图像信息写入对话框。 读取位 图 信息头中的 b i w i d t h ， b i h e i g h t ， b i s i t c o u n t ， b i c o 口 p r e s s i o n 和b i c l r l 帅o r t ant 五个 数据获得图像的高度， 宽度， 每个象素所需的 位数， 压缩类型以 及图像显示所需要的颜 色数 等 信息， 将其值分别 赋给 叱s t r f i l e ， 几s t r l ， 几s t r z ， 此s t r 3 ， 几s t r 4 ， 几s t r s 这五 个变量，并在对话框中显示出来。 图3 . 2 即为获取位图属性的对话框: 硕士论文碳纤维数字x射线图像的处理与计算 3 . 3 图像增强 受数字x 射线成像器件的灵敏度、 分辨率和噪声 特性等限制，以 及待检测物体与 周围 环境存在着辐射作用等原因，使得数字x 射线成像系统所成图像噪声较大，对比 度较低， 边缘模糊， 不利于图 像的边缘检测及有用信息的提取 均。 因 此， 在检测系统 中， 图像增强是必要的处理手段， 增强效果的好坏直接影响后续处理。 图像增强的主 要目 的是处理一幅给定的图 像， 使它的结果对某种特定应用来说比 原始图 像更适用。 所以图 像增强技术是针对具体问 题的， 本课题中 研究的是碳纤维的 x 射线图 像， 这类 图像中对比度增强和清除噪声为主要需求 3 . 3 . 1图 像灰度变换 对比 度增强算法很多。 比 较常用的 是直方图 均衡法、 直方图规定化法和灰度变换 法。 直方图 均衡法的 优点是能自 动地增强整个图 像的对比 度， 但它的具体增强效果不 易控制， 往往在增强目 标的同时， 也增强了背景和噪声。 直方图规定化法是按照需要 变换直方图 使之成为某个特定的形状， 从而有选择的增强目 标所在灰度值范围内的对 比 度， 但是在实际应用中， 往往很难准确提取目 标特征， 并进一步利用这些特征制定 最佳的 特定直方图.因此在本课题中，