工业射线检测用灰度图像处理方法应用研究

1、第27卷第7期2005-07【75】工业射线检测用灰度图像处理方法应用研究王庆根,张入通,郭彦斌(北京机械工业自动化研究所,北京100011摘要:介绍了X 射线实时成像系统及计算机图像处理技术,其具体实现方法是利用Varian 公司的PaxScan2520图像命令处理器采集获取图像数据,采用VC+开发平台实现图像处理。并讨论3种12b i t 灰度图像的显示实现方法,以达到X 射线实时成像数字图像处理的更优化。关键词:灰度图像处理;X 射线实时成像;12bit 灰度图像;线性映射中图分类号:TP273文献标识码:B文章编号:1009-0134(200507-0075-03收稿日期:2005-0

2、4-30作者简介:王庆根(1977-,男,吉林通化人,北京机械工业自动化研究所研究生,研究方向为X 射线成像图像处理。0前言工业射线检测技术的发展已有70多年的历史,在常规射线照相检测技术即胶片射线照相检测技术时代,X 射线照相法被普遍使用,即用X 光胶片做接收器,射线在穿过工件时,携带有关工件内部的缺陷数据,落到X光胶片的乳胶上,使胶片感光,然后经暗室处理,便能直接在底片上观察到工件内部的缺陷情况。但是,因为产品往往要求要百分百的检查,用这种方法工序多,效率低,且要花费大量的X 光胶片,在时间和经济上都不合算。因此目前国外已普遍采用X 射线实时成像系统。同传统X 射线照相法相比,X 射线实时

3、成像的检测原理变化不大。传统照相法是将穿过零件的X 射线在胶片上感光,根据胶片的灰白程度判定零件内部质量,得到的图像是静态不可调的。而X 射线实时成像系统是将穿过零件的X 射线经转换成一幅数字图像,这种图像是动态可调的,计算机可以对动态图像进行积分降噪、对比度增强等处理。我们从长远利益出发,为降低成本,提高产品质量,引进了一套美国Varian 公司生产的平板式射线实时成像系统,它是当今世界上第一个具有实时成像功能的非晶硅平板式探测器,获取图像速度快,采用12位的灰度级,图像质量很好,结构紧凑,具有多种工作模式,可以满足多种无损检测的要求。其整个系统示意图如图1所示。所得图像的显示、处理及保存都

4、是在用户用计算机中控制完成的。1X射线检测实时成像及计算机数字图像处理技术X 射线检测实时成像及计算机图像处理技术是80年代中期以来国际上新兴的一项无损检测技术。他的工作原理是将光电转换技术和计算机数字图像处理技术相结合,把不可见的X 射线图像转换为可见的视频图像,再经计算机对图像进行数字化处理,使视频图像的对比度和清晰度达到X射线照相底片的影像质量,从而提高了探伤灵敏度和缺陷识别能力。计算机数字图像处理方法是实时成像系统很重要的一部分,同X 射线照相法相似,得到一幅成像清晰的缺陷图像特别重要,在实时成像系统中,这主要由图像采集、图像处理、图像显示与记录3部分来完成。1.1X射线检测图像采集图

5、1X射线实时成像系统组成图像采集是指光学图像转换为视频信号,传送至图像采集卡进行数字化,形成数字图像数据,供计算机进行处理和保存的过程。图像采集有两个指标即灰度等级和采集分辨率。本系统的灰度级别为4096个灰度级,采集分辨率最大可以达到1536×1920个像元矩阵。1.2X射线检测图像处理图像处理实质是提取图像中的特征量或特殊信息,供计算机进行分析和识别,并对图像的灰度进行变换,达到优化图像质量的目的。(1X射线图像特点X射线图像处理在整个系统中具有很高的重要性,因为X射线图像有以下特点:图像信号噪声大:采用直接摄取转换系统的可见光图像,该图像亮度较低,使最后得到的视频信号加入很大成

6、分的噪音,几乎将图像信息淹没。图像亮度不均匀:加速器产生的射线束中心到边沿强度衰减大,另外工件形状的不规则造成图像某些部分过亮。边缘模糊:噪声、不清晰度、由加速器产生的电磁辐射和散乱射线对采集器的干扰等使图像边缘模糊。尽管采取了一些干扰和射线防护措施,仍不能完全满足无损检测的要求。将计算机图像处理技术引入到无损检测领域,为实时显示解决了上述难题,通过数字图像来消除噪音、提高对比度、突出缺陷,使处理以后的图像符合无损检测的要求达到提高无损检测灵敏度的目的。(2X射线灰度图像常规算法对于X射线图像,有很多特殊的算法对改善图像质量符合无损检测要求比较有效,对于传统的8-bit二维灰度图像,设计了各种

7、常规处理算法。点处理:实现了对比度调整、灰度增强、反频显示和二值化处理等等。去噪声处理:主要实现了基于多模板的多种空间平滑滤波算法(如算术平均、中心加权和邻域加权、中值滤波算法和自适应滤波算法。锐化处理:设计了多种算子的锐化算法和边缘增强算法几何处理:实现了图像的几何放大、缩小镜像和旋转。以上这些算法已经基本满足了常规检测处理的需要。1.3X射线检测图像显示本系统要求在数据采集过程中,图像能实时自动显示出来。但是实际采集的数据往往分布在16bit 的某一段上,而计算机一屏不可能同时显示出16bit 的数据,这就要求采集能根据数据的分布自动调整,一屏同时显示出尽可能多的信息量,而且具有较好的视觉

8、效果。否则,有时显示成黑屏,有时显示成白屏,不利于动态检测图像的采集过程。(116-bit灰度图像到8-bit灰度图像的转换在双字节16位的数据中,真实的数据只占有其中的12个位,也就是说整个图像的灰度范围是212=4096级,而计算机屏幕一次只能同时显示256个灰度级,即计算机只能处理8bit的灰度图像。这就需要进行技术处理,把12-bit灰度图像转化成8-bit 的灰度图像再进行显示处理。我们拟采用了下面的3种技术进行转换处理:域值法:设定一个阈值或基线A,A连续可调,只有大于A的相邻的256级灰度被显示出来。这样就可在4096级灰度范围中任意查看我们感兴趣的连续256级灰度段。位段法:检

9、测图像的像素值是12bit,占用了两个字节。所以信息并不是占满16bit只是分布在16bit中的某一段,基本是在低端。因此每次不必要显示所有的bit位,只查看信息集中的位段即可。计算机一次也只能显示最多8bit的数据。因此设定一个最低有效位B,只显示B位以上的连续不超过8bit 的位段数。B任意可调,这样就可观察到所有12bit 的数据,B每左移或右移一位,等效于将对应得原图像灰度缩小或增强一倍,相当于进行了图像灰度增强处理,增加了图像的对比度,更易于分辨图像局部的细节。映射法:真实的像素值(0-4095分段映射到灰度级别(0-255中。在04095级别中设置两个点,分别为bottom和top

10、(bottomtop,这样就把04095之间分成了3个部分,在将bottom与top 之间的部分映射到0-255个灰度级别上。通过这种方法来实现到8bit的转换,映射功能如图2所示。这其中映射的部分还可以采用多种形式映射方式,比如线性(Linear映射或者非线性(Atan/S-curve曲线映射。对于有效的没有超出范围线性设定,这种映射在top/bottom区域有最大的对比度。非【76】第27卷第7期2005-07第27卷第7期2005-07【77】线性(Atan功能有效的软化了响应,允许超出bottom/top区域外的一些对比,通常结果更符合图像处理的要求。这种映射功能创造出3个可变的区域在

11、0-bottom,bottom-top,top-4095之中,也就各自是下部,中间和上部,然后通过中部的范围变换来实现映射。使用者可以通过在程序设计的对话框中设定倾斜比率来客户化响应,具体算法和用户界面利用MicrosoftVC+6.0开发平台来实现。通过以上任意方法转换成8bit灰度图像后,就可以运用所有常规的数据图像处理技术进行操作。在实际的应用中,试验表明利用第3种像素映射法 通过软件编程实现更能够方便优化图像。图2线性和非线性功能的灰度级别映射2结束语X 射线实时成像检测系统是现代科技发展的产物,它将计算机图像处理系统和传统照相法有机结合,使X 射线检测技术上升到一个更高的层次,可实现

12、质量控制的智能化和自动化,减少各干扰因素对实验结果的影响。本文提出的基于VarianPaxScan 2520命令处理器的灰度图像映射法对于图像的处理效果以及局部细节的保存都明显优于原有的图像二值化处理算法及介绍的其他两种算法,并且该算法适应范围更为广泛。由于VC+在开发的灵活性、技术的成熟性等方面具有明显的优势,因此采用VC+开发平台实现图像处理也是未来的一个趋势。参考文献:1陈志强,赵自然.辐射数字成像技术M.北京:清华大学工程物理系,2000.2夏良正.数字图像处理M.北京:东南大学出版社,1999-09.3周正干,滕升华,江巍,安振刚.X射线平板探测器数字成像及其图像校准J.北京航空航天

13、学报,2004,30(8.4周长发.精通VisualC+图像编程M.北京:电子工业出版社,2000.余料厚,此时K 值约为50%。在计算展品长的时候,直线段一般取原长,对应90度折弯计算长度为1/3*t(板厚,在大多数情况下,我们还要根据试验的结果对料宽作适当的修改。由于该折弯形状比较简单,在辊轮设计中采用传统的水平法,为了保证加工精度以及外观,采用GCr15淬火后精车的工艺,在辊轮比较紧凑的部分,通过三维模拟,进行干涉分析(图6 。图6本生产线的辊压成型的独特之处在于辊压宽度可调,长度任意,具有其他同类产品生产线无可比拟的灵活性和先进性。2结论在新型桥架的产品设计过程中,为了适应国内市场的需求,通过对国内市场和用户要求的调研,以及参考国外同类型产品,立足于自身设计加工能力确定了产品的种类规