（机械制造及其自动化专业论文）数字图像技术在棒材和锻件超声检测中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 论文依托超声检测系统项目的工程背景，结合相应的理论与研究方法，提出 了硕士学位论文题目“数字图像技术在棒材和锻件中的应用研究”。本文以超声 扫查图像为研究对象，在介绍超声图像来源的基础上，主要研究了超声图像的预 处理、缺陷的分析与识别和根据锻件图像进行缺陷识别的理论、方法及其应用。 全文的研究内容如下： 第一章首先阐述了论文的工程背景，总结了数字图像技术、超声无损检测技 术的国内外发展状况；接着介绍了与论文研究内容相关的理论技术知识；最后给 出了论文的主要研究内容和组织结构。 第二章简要介绍了超声成像方法和超声成像系统的构成：接着对超声成像的 数学原理、成像的算法和超声图像的表示方法做了理论上的概括；然后对作为工 程背景的两个超声检测系统的检测原理进行了说明。 第三章简要阐述了提高超声图像质量的一般方法，接着针对超声检测中实际 扫查图像特点和系统对图像处理的要求，对多种图像预处理算法在超声图像上的 应用做了研究和比较。针对超声实际扫查图像特点提出了保边缘滤波等去噪方 法，应用最大方差法进行了图像的闽值分割，最后采用r o b e r t 等算子对图像进 行了边缘锐化。 第四章简要介绍了图像识别的理论与方法，根据相似性和非连续性对超声图 像进行了缺陷的区域划分；构造了长径、面积、灰度方差等缺陷特征，并选取了 进行缺陷分类的特征；选用二叉树线性分类器进行了简单的缺陷分类，最后应用 上述特征和分类方法对实际图像进行了缺陷的定性定量分析。 第五章首先概述了图像配准，介绍了配准的定义、图像交换类型和图像配准 方法。接着对锻件检测图像进行分析，提出了两种图像配准的方法：基于重心和 特征点的图像配准算法和基于最大互相关的图像配准算法，并对两种算法进行了 比较。然后介绍了根据锻件扫查图像进行缺陷识别与分析的系统流程，阐述了模 板图像和缺陷图像的建立算法。最后给出了锻件图像检测的实例。 第六章对全文工作进行了总结，并对进一步的研究工作提出了一些设想。 关键词：超声图像，图像处理，图像识别，棒材，锻件，点映射，互相关， 图像配准 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i l i sd i s s e r t a t i o nr e l i e so nt h ep r a c t i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c tt h a ti s t y p e p r o j e c t & u l t r a s o n i ct e s t i n gs y s t e mr e s e a r c h ”c o m b i n i n gw i t ht h et h e o r i e ss u c ha s ： i m a g er e c o g n i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g er e g i s t r a t i o n ，t h eo b j e c to f t h ed i s s e r t a t i o n t h a ti s “1 h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f d i g i t a li m a g et e c h n o l o g yi nu l t r a s o n i ct e s t i n g s y s t e m ”i sp u tf o r w a r d t h e np r o p o s e dt h ea p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i ci m a g e ，b a s e do n i n t r o d u c t i o ni nt h eo r i g i no fu l t r a s o n i c i m a g e ，t h e t h e o r i e so fu l t r a s o n i c i m a g e p r o c e s s i n g ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n a n d f o r g i n g d e f e c t s r e c o g n i t i o n a r ed i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y t h ed e t a i l s a r es t u d i e da sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e rt a l k sa b o u tt h eb a c k g r o u n da n ds u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to f d i g i t a li m a g et e c h n o l o g ya n du l t r a s o n i ct e s tt e c h n o l o g y t h e n ，t h er e l a t i v et h e o r i e sa r e i n t r o d u c e dh e r e m a i nc o n t e n t sa n dg e n e r a ls t r u c t u r es c h e m eo ft h i sd i s s e r t a t i o na r e a l s op r e s e n t e d ， t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h em e t h o do fu l t r a s o n i ci m a g i n ga n dt h ei m a g i n g s y s t e m a n d t h et h e o r yo fa c t u a lt e s t i n gs y s t e m si sd i s c u s s e d c a r e f u l l y t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h em e t h o d so fu l t r a s o n i ci m a g e p r o c e s s i n g b a s e d o nt h ea n a l y s i st ot h ea c t u a li m a g e ，e d g e - s a v ef i l t e ra n do t h e rm e t h o d sa r eu s e dt o r e m o v en o i s e t h e n ，u l t r a s o n i ci m a g ei sd i v i d e db a s e do nb o t ht h et e s tm o d ea n dt h e u l t r a s o n i cf e a t u r ep i c k - u p a tl a s t ，t h er o b e r to p e r a t o ra n do t h e ro p e r a t o r sa r eu s e dt o r e i n f o r c et h ef l a w e d g e s t h ef o u r t h c h a p t e rg i v e s t h eb r i e fe x p a t i a t i o nt h eb a s i s t h e o r y o fi m a g e r e c o g n i t i o n ，t h eu l t r a s o n i ci m a g ei ss e g m e n t e db a s e do nt h ec o m p a r a b i l i t ya n dt h e d i s c o n t i n u i t y 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 ha st h eg i r t h ，l o n g - p a t h w a ye t c ，a r e c o n s t r u c t e d a n dt h e ya r es 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 em e t h o do f f l a w p a t t e r nr e c o g n i t i o n i si m p l e m e n t e dw i t ht h eb i n a r ys o r t e r t h ef i f t h c h a p t e rs u m m a r i z e st h et h e o r yo fi m a g er e g i s t r a t i o n a n a l y z i n gt h e r e s u l t so f a d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so f t w od i f f e r e n ti m a g e r e g i s t r a t i o nm e t h o d st h a t a r et h ea r i t h m e t i cb a s e do nc h a r a c t e rp o i n t sa n dt h ea r i t h m e t i c b a s e do nm a x i m a l c r o s sc o r r e l a t i o n t h e n ，i n t r o d u c e st h ep r o c e s so f f o r g i n g - i m a g et e s t i n g ，d e s i g n st h e a r i t h m e t i co f m o d u l ei m a g ea n dd e f e c ti m a g e f i n a l l y , g i v e st h ea c t u a le x a m p l eo f t h e f o r g i n g - i m a g et e s t i n g t h es i x t hc h a p t e rs u m m a r i z e st h em a i nf r u i t sa n dp r o s p e c t st h ef u t u r eo ft h e r e s e a r c h k e y w o r d ：u l t r a s o n i ci m a g e , i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g er e c o g n i t i o n ，f o r g i n g ， r o d w o r k p i e c e ，i m a g er e g i s t r a t i o n ，p o i n t - m a p ，c r o s sc o r r e l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘鲎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：年月日签字日期：年 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 【内容提要】首先介绍本论文的课题背景，接着对数字图像技术和超声无损检 测技术的国内外发展状况做了说明，最后介绍了本论文的主要研究内容以及相关 技术理论，并给出了论文的章节安排。 1 1 课题背景 无损检测是现代工业许多领域中保证产品质量与性能、稳定生产工艺的重要 手段。尽管无损检测技术本身并非一种生产技术，但其技术水平却能反映一个部 门、行业、地区甚至国家的工业技术水平。无损检测所能带来的经济效益十分明 显。当今世界各发达国家都越来越重视无损检测技术在国民经济各部门中的作 用，比如日本在其制定的2 1 世纪优先发展四大技术领域之一的设备延寿技术中， 把无损检测放在十分重要的位置；德国科学家认为，无损检测技术是机械行业的 四大支柱之一；美国前总统里根曾说过：“没有先进的无损检测技术，美国就不 可能享有在众多领域的领先地位”。【4 】 在无损检测技术中，超声检测以检测灵敏度高、声束指向性好、对裂纹等危 害性缺陷检出率高、适用性广泛等优点在无损检测领域中占有重要的地位1 6 】。实 现自动化扫描成像检测是目前国内外用于提高超声检测可靠性的一种重要方法 和途径。一方面是为了提高检测的自动化程度，尽量减少人为因素的影响；另 方面，超声成像是现代超声检测的一个主流方向，是对缺陷进行分析的一条有效 途径，其优点是可以提高缺陷的信息量，便于观察和分析。尤其是超声b 图像 和c 图像扫查，由于显示直观，检测速度快，目前已成为普遍采用的检钡4 技术【l ”。 本报告的课题背景是基于实验室研制的棒材、锻件超声检测系统。下面对该 系统的研发背景做一介绍。 目前，我国对于棒材和锻件工件的检测，大多是通过半自动检测系统或手动 扫查得到a 型信号波形，工人根据波形凭经验判断缺陷，这神方法存在着很多 的缺点。如易漏检缺陷；检测结果不能用文档图片的形式保存；自动化水平低， 劳动强度大；扫查方式单一；不能准确判断缺陷类型等。 目前国外针对棒材和锻件的检测系统较少，且系统引进成本很高。航空件生 产实际中，需要对大量棒材、锻件工件进行检测，迫切需要引进一套在满足工件 检测的准确性的前提下，同时符合经济性和标准化要求的自动化检测系统。因此， 提高棒材和锻件的自动化检测水平，满足型号工程高效率、标准化生产的要求， 同时提高我国技术装备的水平，使得研制新的棒材、锻件自动检测系统具有重要 浙江大学硕士学位论文 的现实意义。 “棒材、锻件超声自动检测系统”项目正是根据这一需要立项的。本项目中 通过提供一套集机械、传感与控制、气动、成像分析处理、缺陷定位和定量分析 为一体的机电一体化系统，既能满足对棒材的检测，同时也能对锻件进行缺陷检 测，系统的自动化水平较高，满足了型号工程高效率、标准化生产的要求。 论文中对本系统分别对棒材和锻件检测做了研究和说明。 1 2 国内外的发展状况 1 2 1 数字图像技术 在研究图像时，首先要对获得的数字图像信息进行图像预处理。数字图像处 理包括图像增强、图像压缩、图像复原、图像分割、图像编码等。对数字图像处 理环节来说，输入是图像，输出也是图像。数字图像处理的目的，主要在于解决 二个问题：一是判断图像中有无需要的信息；二是确定这些信息是什么。抽取这 些有用信息的主要目的在于改善图像质量和进行图像识别。 数字图像识别是对上述处理后的图像进行特征抽取，以便对图像进行分类， 并对整个图像作结构上的分析。对数字图像识别环节来说，输入是图像( 一般是 经过上述处理过的图像) ，输出是类别和图像的结构分析，而结构分析的结果则 是对图像作描述，以便对图像的重要信息得到一种理解和解释。图像分割不一定 完全在处理时进行，所以数字图像处理和数字图像识别是相互交叉的。 数字图像理解是一个总称。上述图像处理及图像识别的最终目的，就在于对 图像作描述和解释，以便最终理解它是什么图像。所以它是在图像处理及图像识 别的基础上，再根据分类作结构句法分析，去描述图像和解释图像。对数字图像 理解部分来说，输入是图像，输出则是图像的描述与解释。 一般地我们将“预处理”、“分割”算作数字图像处理；“特征抽取”、“分类” 归于数字图像识别：整个分析系统所得到的结果是数字图像的描述及解释i j 8 j 。 在更广泛的意义上，我们使用数字图像技术这个词涵盖任何用计算机来操作 与图像有关数据的技术，包括数字图像处理和识别，计算机图形学等。 数字图像处理和识别技术在近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，医学上器官异常的诊断及病理、细胞、染 色体的分析等等。图像理解在应用上的巨大潜力，以及在人工智能和思维科学中 的重要地位，使得许多国家非常重视这一领域的研究。然而，尽管有了为数可观 的理论、方法、算法和实验结果，但真正能在实际应用中取代人的视觉系统还不 多见【1 5 1 。 2 靳江火学硕士学位论文 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。 在射线检测领域，计算机技术和数字图像技术的发展为射线检测中缺陷的自 动判别与评定问题的解决提供了技术基础【1 6 】。目前，国外不少射线自动检测系 统已具备了图像处理和图像理解的功能，国内也有不少单位进行了这方面的研 究。例如：清华大学在改善射线图像质量的研究上提出了图像增强的硬件方法， 明显提高了射线实时成像的图像质量1 7 】；德国飞利浦工业x 射线公司( p h i l i p s i n d u s t r i a l x r e i y ) 生产的m u 8 0 f 半自动x 射线检测系统已用于检测核燃料装置上 焊缝缺陷的尺寸及数量【2 2 1 。 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f 8 】。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迸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。 随着超声成像技术的迅速发展，医学超声技术在超声图像理解、基础研究、 超声图像改善等多个领域取得了长足进展。例如：彩色室壁运动分析技术( c o l o r k i n e s i s ，c k ) 是一种以自动边缘检测技术( a u t o m a t i cb o r d e rd e t e c t i o n ，a b d ) 为基础， 以伪彩色实时和连续显示心动周期中室壁运动幅度的一种新技术 1 9 , 2 0 ；荷兰菲利 浦医疗公司开发的x r e s 技术诊断超声图像处理技术可以进行每秒为3 5 0 0 亿次 的实时运算，对图像进行分析和处理d o 。 而数字图像处理在工业超声无损检测技术领域的应用还不像在医学上应用 那么成功，在超声检测中的研究也不像射线检测中研究深入和达到实用，关于工 业超声图像处理的文章和研究成果还比较少。 同样，数字图像识别技术在工业超声检测领域中的应用还不够成熟。主要原 因是可用于工业检测的图像分析的理论和方法不完善，实用而有效的算法很少。 与此同时，在超声检测领域中，浙江大学现代制造工程研究所近十年来应用 数字图像技术对复合材料、航空透明件、曲面型工件、棒材和锻件等工件进行缺 陷检测，形成了一整套数字图像处理和图像识别的理论和方法，在上述领域的实 践中取得了较好的应用。 浙江人学硕士学位论文 1 2 2 超声无损检测技术 超声无损检测技术的发展，首先表现在数字式、智能型超声探伤仪的不断完 善和逐步普及【。当前的数字式的仪器实际上只是一种过渡，将超声信号处理的 研究成果融合到仪器中去，例如应用缺陷模式识别、模糊聚类技术1 1 3 等，逐步 向实现智能化迈进。与此相适应，出现了“虚拟仪器”的新概念。仪器的框架组 成为传感器加上a d 转换再加上计算机( 数字技术、信号处理和显示) ，仪器的 操作是由计算机软件来体现的，其中开发用户友好界面是其成败的关键。 目前，超声检测成像以超声c 扫描为主，同时还有b 型、p 型、准三维显 示方式。其它还有振幅距离聚焦成像( a l o k ) ”、超声综合孔径聚焦成像( s a f t ) 、 超声计算机层析成像( u c t ) 等各种成像设备。实现自动化扫描成像检测是目前国 内外用于提高超声检测可靠性的一种重要方法和途径。一方面是为了提高检测的 自动化程度，尽量减少人为因素的影响；另一方面，超声成像是现代超声检测的 一个主流方向，是对缺陷进行分析的一条有效途径，其优点是可以提高缺陷的信 息量，便于观察和分析。尤其是超声c 扫查，由于显示直观，检测速度快，已 成为航空件等大型构件普遍采用的检测技术。随着机械扫描超声成像技术的成 熟，近几年我国的超声成像检测技术有着飞速的发展，出现了许多以机械扫描为 手段的超声成像检测设备。比如浙江大学现代制造工程研究所于1 9 9 3 年研制成 功的“九自由度超声波c 扫查装置”，在实践中得到了较好的应用。 近年来，美、英等国也相继开发了超声波检测成像技术。其中，美国 a b b a m d a t a 公司首创的成像设备能对所检测的波形进行全波采样，与通常采 用的峰值采样相比，极大地丰富了包含缺陷信息在内的由检测得到的波形信号。 由于全波采样，在应用傅立叶变换( f f t ) 技术的同时，还采用了获得专利的合 成孔径聚焦技术( s a f t ) 和反卷积滤波，极大地提高了检测的灵敏度和分辨率 【9 】o 国外已有多种商用的超声波检测软件系统【l ”，检测软件正在向通用性和实 用性发展。国外有一种大型超声波检测软件系统，能模拟和仿真超声探伤的操作 过程，用户只要输入探伤要求和工件的结构参数，就能预测探伤中可能发生的现 象，预测检测效果，可以部分代替实验，该系统能在各城市间连网。国内也开始 用计算机模拟和仿真超声声场在固体中的传播过程，并与动态光弹实验结果作比 较。 目前超声检测开始向超声无损评价发展，使得超声检测内容有了新的内涵， 神经网络技术的发展也给超声检测缺陷识别技术带来了新的发展前景【1 7 】，超声 检测仪器的自动化和智能化是其发展方向，仪器发展的小型化、探头发展的非接 触方式是当前无损检测技术发展的又一特征【】4 】。现代工业对无损检测提出高速 4 浙江大学硕士学位论文 度、高精度、高分辨率、高可靠性等要求也从根本上促进了无损检测技术的发展。 目前已有人研制成功集机器人技术、超声成像技术、超声信号处理技术等多 学科前沿成果于一体的超声检测系统【1 4 0 “，但迄今未有发现对棒材和锻件进行连 续扫查的相关报道。本研究所研制的“棒材、锻件超声检测系统”将填补国内这 两项技术空白。 1 3 相关理论和方法 1 3 i 超声检测原理1 1 瑚 1 超声波信号采集 超声波信号采集包括两个工作“7 j ：模拟量超声波探伤信号的获得和模拟量 超声波探伤信号向数字离散信号的转化( 即a d ) ；一个完整的信号采集系统表 示如图1 i 所示。 换能器 超声波 探伤仪 低通 滤波器 试件| 卜一自动扫查机械装置 a d 瞬态 记录仪 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 童 微机 图i - l 信号采集系统示意图 其配置如下： 换能器：发射和接收超声波信号，可发生多种波形，由检测和成像要求确定。 一超声波探伤仪：获取模拟量超声波检测信号。 低通抗混频滤波器：滤去高于采样频率半的频率成分，以满足采样定理。 _ 瞬态记录仪：完成对由超声波探伤仪输出的射频a 型模拟量超声波信号的 a d 转换和数据缓存任务。主要指标为采样频率、字长、转换精度。鉴于超 声波信号的高频特性，为了满足采样定理，必然要求a f d 转换具有较高的转 换率，同时还须有数据缓存环节，以及微机间的适当的数据传送方式。 - 微机及外设：完成对瞬态记录仪的控制、数字信号处理、特征提取等工作。 微机控制的机械扫查装置：用于装夹试件和换能器，并在微机的控制下使探 头和试件发生相对运动，以便对不同的部位进行检测。 2 超声波信号处理和特征提取 超声波探伤就是利用超声波传播时介质的不同声阻抗引起的不同声衰减、声 折射、声反射进行工作的。缺陷作为构件材料不同的介质将会产生与构件不同的 特征信号。直观可见的材料缺陷时域特征参量有底波、层波的数量、波高、位置、 浙江大学硕士学位论文 波形等。信号处理还可能构造从示波荧屏上得不到的时域特征，如时域幅值比( 试 件与参考试件的绝对幅值的累积比) 。 利用宽带换能器和数字信号处理技术，我们还能够构造出信号的频域特征， 如峰值频率，频率比( 两带宽的功率的累积比值) 。通过频域分析还可以利用相 频特征识别一些传播时对能量基本无影响而对速度影响较大的缺陷。超声波频谱 分祈与超声波无损探伤结合起来，开辟了信号分析应用的新领域，把人们对缺陷 的认识从时域扩展到频域。 3 超声波扫查 超声波检测往往需要检测试件内某一个区域，即需进行声束扫查。手动扫查 自然不能用于自动化检测中。机械扫查和电子扫查速度快，可获得动态图像显示， 电子扫查以换能器阵元的切换或相控实现，换能器要求高，控制复杂，仅在医学 超声中应用。机械扫查用于装夹试件和换能器，并在微机的控制下通过机械运动 实现扫查。 超声波扫查技术使得能以多维图像显示超声波检测的内容或结果。如b 扫 查显示与声束方向平行的断层图像，c 扫查显示与声束垂直的断面图像，从而尽 可能地反映出超声波所载的信息。 4 超声波信号特征识别 超声波无损检测缺陷特征分析具有以下特点： 1 无用信息比较多，且比较零乱。 2 声波信号综合了试件中存在的各种缺陷的性质，特征空间大。 3 各个特征对各缺陷的置信因子不一样。 完整的微机控制超声波检测系统还应包括特征识别，不仅用于对缺陷进行区 分和分辨，还可用于对材料使用状况进行预测。但其应用的主要困难在于即使在 同一类的检 蜒| i 信号中，也包含着太多的可变性，而难以确定一种典型的缺陷信号 供参考使用。目前在无损检测中被认为有效的方法是统计模式识别，特别是其中 的决策准则( d e c i s i o n r u l e ) 和聚类分析( c l u s t e r a n a l y s i s ) 。近年来神经网络的 发展也给缺陷识别技术提供了一个非常令人鼓舞的前景。 1 3 2 数字图像处理技术 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而开拓出来的一个新的计算机应用 浙江大学硕十学位论文 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。其处理的主要 内容有以下几个方面：图像的数字化与编码压缩、图像增强与复原、图像分割、 图像分类、图像重建、图像的几何处理、图像的形态学处理等。 目前，图像处理的应用领域主要有：文字及图纸的读取；医用图像处理；遥 感图像处理；在产业领域中的应用，图像处理在产业领域中的应用大致分为：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。 超声检测系统中，超声波c 扫描检测中超声波的能量信号经过换能器转化 为电信号，然后经过山d 转化为数字信号，再用本系统设计的调色板加以配色 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。在超声检测过程中，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己考虑到去噪，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。为抑制图像噪声，改善 图像质量，必须进行图像去噪、图像增强和边缘锐化等的处理，从而使图像便于 进行模式识别。 1 3 3 模式识别技术 模式识别( p a t t e m r 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。模式一词来源于心理学上用来描述一类对象事物的术语，具有广泛的含义， 它不仅涉及到我们日常所接触的图形、图像、文字、声音、即视觉与听觉，而且 涉及到对任何物质和思维过程的测量、分类与描述。在模式识别系统中，模式是 采用一种成为特征向量的形式来表达的，它能较好地描述视觉物体可识别特性， 因而能有效地进行识别活动。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已成功地应用于工业、农业、国防、科 研、公安、生物医学、气象、天文学等许多领域【2 ”。 超声检测的最终目标是通过缺陷的定量定性分析给出材料的合格与不合格 浙江大学硕上学位论文 的评价。模式识别技术则是实现缺陷定性检测的一种有效途径，以超声检测中的 模式识别为例，模式识别过程主要包括训练和识别两个阶段。在训练阶段，首先 选择一批具有典型缺陷的试件对其进行超声检测，采集超声回波信号进行处理， 从时域、频域和图像信息中提取缺陷关系密切的特征参数，然后选择合适的模式 识别算法，在不同的缺陷和特征参数间建立某种关系，识别阶段则是用同样的方 法检测被检对象，对超声图像或超声回波等进行相同的处理，提取相同的特征参 数，然后用相同的模式识别算法，利用训练过程中建立起来的特征参数与缺陷关 系，即可达到缺陷定性检测的目的，缺陷定性定量分析检测的可靠性取决于训练 试件是否有代表性，所提取的特征参数是否与缺陷密切相关以及所选用的模式识 别算法是否有效1 2 8 1 。 图像识别的研究，目的在于研制能自动处理某些信息的系统，以代替人来完 成图像分类及辨识的任务。人类识别的过程总是先找出它们的外形或颜色的某些 特征进行分析比较和判断，然后再分类识别。对于超声图像，材料的不同缺陷在 图像中表现的特征是不同的，例如：孔和气泡其边缘比较光滑，而裂纹和夹渣则 边缘不规则；裂纹和划伤一般呈细长形，而孔、气泡和夹渣一般表现为球形或椭 球形，根据这些特征，我们可以对不同缺陷加以区分。 被检测材料中不同缺陷的超声回波特征各不相同，因此，根据超声回波信号 重建得到的缺陷超声图像包含了反殃各类缺陷本质特征的几何信息和声学信息， 其中显示最直观的是缺陷的几何特征。缺陷的几何特征指缺陷的大小( 面积和长 度) 、形状、分布和密集程度。如果在探伤时对这些特征加以考虑，有助于估计 缺陷的性质。 1 3 4 图像配准技术 图像配准( i m a g er e g i s t r a t i o n ) 在图像处理领域中是一项非常基本的工作。它 一般用于匹配( m a t c h ) 不同时间、不同传感器或不同视角基础上采集的两幅或多 幅图像。图像配准是一种在空间域匹配两幅图像的处理方法，它可以使得同一场 景两幅图像中对应像素对准到同一物理位置，是许多图像处理应用中不可避免的 研究问题。许多年过去了，人们已经针对不同类型数据和问题的配准技术和方法 进行了广泛的研究。不同领域内的各种实际问题都要求将图像进行配准。 图像配准算法广泛应用于计算机视觉技术的不同领域中。比如目标跟踪、运 动分析、对象识别、自动视觉检测以及视频马赛克等，而且在生物医学图像的处 理中也得到了非常频繁的应用，如磁共振( m r ) 、x 射线断层摄影( c d 以及正电 子发射摄影( p e n 等。目前图像配准领域的算法有很多；s c l a r o f f 和p e n t l a n d 的模 板匹配方法【2 q 是一种建立两个形状中鲁棒特征点匹配的有效方法。这种方法一 浙江火学硕士学位论文 般对所匹配的形状进行轮廓取样，然后分析与描述每形状轮廓的相关点集，以 及其虚拟弹性形体的抖动行为( 模板扩张) ：相似的抖动点则成为一对匹配点。 m e c o c c i 和b u s s o t t i 则认为两幅图像的点特征匹配问题非常重要，而且已经 在立体视觉、运动结构以及图像序列中运动对象跟踪等各方面得到广泛应用。因 此，利用模板匹配方法，他们提出了一种两幅图像间的大量点特征匹配的可靠算 法来实现图像配准 2 ”。新加坡的y a o j i a n c h a o 则将图像配准方法分为两类【2 9 】： ( 1 ) 基于特征的图像匹配：( 2 ) 基于强度的图像匹配；他同时研究了基于特征与强 度的算法优缺点，进而提出了一种同时结合特征与强度匹配的新的图像配准算 法。 l o h k o r h e n g 等人利用分层方法实现了旋转和位移图像的高精确性配准。这 种算法与传统的基于空间域或频域的插值或相关算法相比非常有效，而且具有很 好的鲁棒性，并可以获得亚像素图像配准精度【3 。而p r a m o dk v a r s h n e y 的方 法和前面算法类似，但他采取了小波变换来实现图像的金字塔分层，在图像分区 同时实现了图像灰度级别重新分级，大大增加了处理的可靠性【3 l 】。 在图像配准算法领域内还有许多算法是基于互信息( m u t a li n f o r m a t i o n ，m i ) 基础的研究。最新的基于互信息的方法已成为一种比较适合的相似度量手段，适 用于许多具有多传感器的图像配准问题 3 2 _ 3 4 】。基于互信息的图像配准算法已成功 应用于许多方面【3 ”，但这些算法大多不能保证全局最优化收敛。j o s i e n p w p l u i m 等提出一种将梯度与最大化互信息相结合的图像配准算法，算法 不仅配准梯度幅值较高的位置，而且力求对梯度位置进行相似性定位运算【3 ”。 l f r e i r e 等已经成功应用互信息最大化的配准方法进行了交叉确认方面的研究 【3 引。 目前图像配准算法主要集中在以下三个领域中： 1 计算机视觉和模式识别领域大量的不同性质的任务。比如分割、对 象识别、形状重建、立体匹配以及特征识别等方面。 2 医学图像分析领域医学图像诊断方面，如脑瘤检测和病因定位；生 物医学研究方面，如血细胞显微图像分类等。 3 遥感数据处理领域一民用和军用系统中。农业、地质、海洋学、石油 和矿产探测、城市和森林污染、目标定位等方面。 这三个领域中的配准技术都己得到大量深入的研究，在其他一些领域内也进 行了许多特殊匹配算法的研究，比如语言理解、机器人技术、自动检测、 c a d c a m 、天文学等领域。 图像配准技术的基本思想是寻找某种空间几何变换或映射类型，使得图像可 以达到适当配准。尽管图像中可能有种种变形，但图像配准算法必须选择一种变 换关系，使得图像中由于采集差异引起的空间形变得到消除【j 圳。 浙江大学硕士学位论文 锻件超声检测系统中，由于锻件工件型面复杂，不能用一般的超声成像检测 方法得到缺陷图像，我们采用了基于图像配准的缺陷检测方法。根据超声图像的 特殊性，提出了几种新的图像配准算法，实际应用效果较好。 1 4 论文的主要工作和章节安排 在参与“棒材、锻件超声自动检测系统”等项目的研制过程中，本论文在实 验室相关人员的协作下，积极吸收了计算机、数字图像处理、图像识别、超声学 等学科的成果，对超声成像、超声图像处理和图像模式识别、图像配准等问题做 了较为深入的理论研究，并完成了以下一些相关的研究工作： 1 根据计算机图像处理和超声成像理论，针对锻件型面复杂，常用超声成像原 理不能满足锻件缺陷检测的问题，提出了按锻件厚度成像，采用模板匹配算 法，最后得到缺陷图像的锻件超声检测原理，以及锻件缺陷定量定性分析的 方法研究。 2 根据图像配准理论，结合锻件的超声图像的特点，提出了适合于锻件超声图 像模板匹配的算法，如基于重心和特征点的图像配准算法，和基于最大相关 性的图像配准算法，并进行了算法的选择和改进。 3 根据锻件超声检测的实际情况，提出了图像配准中模板图像的建立算法和缺 陷图像的建立算法。 4 对超声成像原理和成像系统进行了较深的研究，并与科研实践结合起来，提 出了两个系统的超声检测原理。 5 分析了提高超声图像质量的途径，采取了适合超声图像的图像去噪、阈值分 割和图像的边缘锐化等方法对图像进行预处理，改善了图像质量，为进行下 一步的缺陷识别打下了良好的基础。 6 根据模式识别的要求，进行了缺陷特征的构造和分类特征的选取，设计了对 缺陷进行定性分析的二叉树分类器。 本论文的章节安排如下： 第一章绪论 介绍了论文的课题背景，数字图像技术和超声无损检测技术的发展状况，论 文研究的主要工作和论文研究内容的相关理论，并给出了论文的主要研究内容和 组织结构。 第二章超声图像的来源 在阐述了超声成像方法和超声成像系统构成的基础上，介绍了超声成像的数 学原理、成像算法和超声图像的表示方法，以及伪彩色成像原理。最后对两个超 浙江大学硕士学位论文 声检测系统的检测原理进行了说明。 第三章超声图像的图像预处理 先介绍了提高超声图像质量的一般方法，对各种图像预处理的算法在超声图 像上的应用做了比较和研究。针对超声图像噪声的特点提出了保边缘滤波等去噪 方法，建立了适合超声检测的阈值分割算法，最后采用了r o b e r t 等算子对超声 图像进行了边缘锐化( 边缘检测) 。最后对实际扫查图像应用所述的各算法，并 进行了研究和比较。 第四章基于超声图像的缺陷识别 根据相似性和非连续性对超声图像进行了缺陷的区域划分；构造了长径、面 积、灰度方差等缺陷特征，并选取了进行缺陷分类的特征；选用二叉树线性分类 器进行了简单缺陷的分类，最后根据这些特征，对实际检测图像进行了缺陷的定 性定量分析。 第五章基于图像配准的锻件检测 先概述了图像配准，进而介绍了配准的定义，以及图像变换的基本类型和图 像配准方法的分类。接着对锻件检测图像进行分析，提出了适合锻件超声图像检 测的图像配准算法：基于重心和特征点的图像配准算法和基于最大互相关的图像 配准算法，并对两种算法进行了比较。然后对锻件检测的实现流程做了一下说明， 阐述了模板图像和缺陷图像的建立算法。最后对锻件实际检测图像进行了缺陷的 定量定性分析。 第六章总结与展望 对全文的工作进行了回顾和总结，对下一步的工作提出了一些设想。 浙江大学硕士学位论文 第二章超声图像的来源 【内容提要】本章先综述了常用的超声成像方法，接着分析了超声成像系统的组 成，并对超声成像的数学原理、成像算法和超声图像的表示做了阐述，并对超声 伪彩成像做了原理上的介绍，然后对课题中用到的超声波检测方法做了原理上的 说明，最后给出了论文背景课题的超声检测原理。 2 1 超声成像方法综述 超声波与光波一样可用于成像。超声波作用与不均匀的物体或材料时产生聚 焦或干涉现象，然后采用光学、电子学或其它的方法转化为人眼可见的图像或图 形。这种图像或图形是物体或材料内部的不同声学参量，比如声阻抗、声速或声 衰减量的反映【1 j 。 物体的超声图像可以提供直观和大量的信息，直接反映物体的声学和力学性 质，而这些性质恰是对应用声学评价被检测材料的依据。现代超声成像技术大都 有自动数据采集、自动数据处理和自动做出评价的功能，使超声成像成为现代定 量无损检测的一种重要技术，超声成像技术有着非常广阔的发展前景【8 】口 目前已经发展起来的超声成像方法有很多，如b 、c 扫描成像、p 扫描、超 声全息、超声显微、a l o k ( 振幅距离聚焦成像) 、s a f t ( 合成孔径聚焦成像) 等等。下面对发展较早并且应用较多的a 、b 、c 、准三维扫描成像分别作以介 绍【2 ，8 , 1 2 ，1 4 0 3 1 。 2 1 。1 超声a 型扫描 超声a 型扫描方式，简称a 扫，是一种幅度调制型显示法( a m p l i t u d e m o d u l a t i o nd i s v l a y ) 。简单的说，超声换能器发射束脉冲声波至被测物体内， 并接收散射或反射回来的声波。显示的波形中，纵轴表示散射或反射信号的幅度， 横轴表示到达的时间，亦即散射源或发射界面的深度( 与物体表面的距离) 。这 样可根据回波出现的位置、回波幅度的高低、形状、多少和有无，来提取被测物 体内部的信息。通常a 扫显示经检波后的回波信号( 视频显示) ，也可采用高频 信号线性显示( 射频显示) 。射频显示能比较真实地反映出超声脉冲在介质中的 传播情况，有年于分析回波的波形特征。视频显示的图形简单、清晰，为大多数 超声探伤仪所采用。图2 - 1 是简单的a 扫原理图，横坐标f 表示声波的传播时间， 纵坐标p 表示脉冲回波声压，其中t 表示始波，b 表示底波，f 表示缺陷波。 2 浙江大学硕士学位论文 对同一均匀介质，由于传播时问与缺陷深度成正比，故出回波位置可以确定 缺陷深度。然而a 型显示中的波形仅是探头所在探伤面上那一点的探伤结果， 整个探伤面的检查结果是在最后靠探伤人员的记忆来完成。因此缺乏直观性，也 不便于记录和存档。 l t fl b 一l ； i 、 二；卜 f 1 哗j 卜 2 1 2 超声b 型扫描 图2 - 1 超声a 型扫描原理示意图 超声b 型扫描，简称b 扫，是以a 扫为基础的一种灰度调制性显示方法 ( b r i g h t n e s sm o d u l a t i o nd i s p l a y