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        數(shù)字射線檢測技術(shù)專題(五)——數(shù)字射線檢測基本技術(shù)

        2012-05-14 06:45:10
        無損檢測 2012年5期
        關(guān)鍵詞:分辨力清晰度倍數(shù)

        (新立機器廠,北京 100039)

        1 數(shù)字射線檢測技術(shù)概述

        數(shù)字射線檢測技術(shù)在檢測中應(yīng)用的主要是直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)和間接數(shù)字化射線檢測技術(shù)。圖1是兩種技術(shù)檢測過程的示意圖。直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)是采用分立輻射探測器完成的射線檢測技術(shù),這種技術(shù)在輻射探測器中同時完成射線探測、轉(zhuǎn)換和圖像數(shù)字化過程,直接給出數(shù)字化的射線檢測圖像。對于間接數(shù)字化射線檢測技術(shù),圖像數(shù)字化過程需要作為單獨技術(shù)環(huán)節(jié)完成。

        與常規(guī)膠片射線照相檢測技術(shù)比較,數(shù)字射線檢測技術(shù)的特點是:

        (1)采用輻射探測器代替膠片,完成射線信號的探測和轉(zhuǎn)換。

        (2)采用圖像數(shù)字化技術(shù),獲得數(shù)字檢測圖像。

        對直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)和間接數(shù)字化射線檢測技術(shù)的檢測過程進(jìn)行概括,則它們都可分為透照、信號探測與轉(zhuǎn)換、圖像顯示與評定三個基本階段。

        在透照過程,按照射線的吸收規(guī)律形成反映工件信息的射線強度分布信號(圖中虛線表示),即檢測初始信號。在信號探測與轉(zhuǎn)換過程,輻射探測器對此信號進(jìn)行探測、轉(zhuǎn)換、數(shù)字化采樣和量化,形成檢測數(shù)字圖像(灰度圖像)。在圖像顯示與評定過程,圖像顯示和處理單元接收傳送的數(shù)字圖像,供檢測人員處理與評定。

        在基本技術(shù)控制方面,關(guān)于透照技術(shù)的透照布置、透照參數(shù)、散射線控制等,應(yīng)與通常的膠片射線照相檢驗技術(shù)作同樣的考慮,以獲得較高的物體對比度信號?;炯夹g(shù)的特殊點是,關(guān)于放大倍數(shù)的考慮、關(guān)于輻射探測器選擇、關(guān)于顯示與觀察條件的要求等。

        由于數(shù)字射線檢測技術(shù)是采用像素尺寸較大的輻射探測器探測和轉(zhuǎn)換射線信號,然后通過圖像數(shù)字化技術(shù)獲得數(shù)字檢測圖像,圖像的空間分辨力成為必須考慮的質(zhì)量指標(biāo)。常規(guī)線型像質(zhì)計或階梯孔型像質(zhì)計的像質(zhì)值要求控制的主要是檢測圖像的對比度,雙絲像質(zhì)計測定值則控制檢測圖像的空間分辨力(不清晰度),所以關(guān)于圖像質(zhì)量指標(biāo)必須同時設(shè)置對比度與空間分辨力。

        下面僅討論數(shù)字射線檢測技術(shù)的一些主要的特殊控制要求。

        2 透照布置的最佳放大倍數(shù)

        一般說,數(shù)字射線檢測技術(shù)應(yīng)采用放大透照布置,如圖2所示。記φ為射線源焦點尺寸;f為射線源與工件源側(cè)表面的距離;F為射線源與工件膠片側(cè)表面的距離(稱為焦距)。對于放大透照布置,定義放大倍數(shù)M為:

        對放大透照布置存在最佳放大倍數(shù)。

        按照數(shù)字射線檢測技術(shù)檢測圖像三個不清晰度(U,Uim,U0)的關(guān)系,有:

        這樣,則有:

        可見,物體處總的不清晰度U0與放大倍數(shù)M相關(guān)。應(yīng)注意的是,對于間接數(shù)字化技術(shù),UD是所采用的輻射探測器的固有不清晰度。定義使物體(工件)處總的不清晰度值最小的放大倍數(shù)為最佳放大倍數(shù),則可以采用微分方法求最佳放大倍數(shù)。

        首先求U0對M的偏導(dǎo)數(shù),得到:

        為得到最佳放大倍數(shù),令:

        由此得到對于最佳放大倍數(shù)時,應(yīng)有:

        解此方程,則得到最佳放大倍數(shù)表示式:

        從最佳放大倍數(shù)的表示式可以看出,最佳放大倍數(shù)由輻射探測器固有不清晰度和射線源尺寸決定。對于一個具體的輻射探測器,只有采用焦點尺寸較小的射線源,才能選用較大的放大倍數(shù)。表1列出的是對不同像素尺寸的分立輻射探測器、不同射線源焦點尺寸可采用的最佳放大倍數(shù)計算值。

        表1 不同像素尺寸分立輻射探測器的最佳放大倍數(shù)

        當(dāng)總的不清晰度采用二次方關(guān)系時,即:

        則最佳放大倍數(shù)表示式:

        有的歐洲數(shù)字射線檢測標(biāo)準(zhǔn)采用這種關(guān)系式,與三次方關(guān)系的差別并不大。

        3 圖像數(shù)字化技術(shù)的控制

        3.1 直接數(shù)字化技術(shù)輻射探測器像素尺寸選擇

        在數(shù)字射線檢測技術(shù)中,通過圖像數(shù)字化技術(shù)獲得數(shù)字檢測圖像。圖像數(shù)字化包括了采樣和量化,采樣間隔直接決定了檢測圖像的空間分辨力,量化位數(shù)決定了檢測圖像的對比度靈敏度。為保證數(shù)字檢測圖像的空間分辨力,必須控制圖像數(shù)字化的采樣間隔。

        對直接數(shù)字化技術(shù),控制圖像數(shù)字化采樣間隔是正確選擇輻射探測器像素尺寸。按照數(shù)字射線檢測技術(shù)對檢測圖像引入的三個不清晰度概念,檢測圖像的不清晰度必須滿足要求。對直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)有:

        或者

        即,數(shù)字射線檢測技術(shù)的檢測圖像不清晰度(空間分辨力)與數(shù)字射線檢測技術(shù)系統(tǒng)射線源的焦點尺寸、輻射探測器的有效像素尺寸、透照布置的放大倍數(shù)相關(guān)。

        對于給定射線源焦點尺寸的數(shù)字射線檢測系統(tǒng),可分兩種情況討論。

        3.1.1 一般放大透照布置

        按上面的關(guān)系式,應(yīng)要求:

        顯然,若采用M≈1的透照布置,則要求:

        這就是從檢測圖像規(guī)定要求的不清晰度(空間分辨力),提出的對輻射探測器像素尺寸(固有不清晰度)的限定要求。

        3.1.2 最佳放大倍數(shù)透照布置

        當(dāng)透照布置采用最佳放大倍數(shù)時,結(jié)合最佳放大倍數(shù)計算式,通過簡單代數(shù)運算可以得到輻射探測器固有不清晰度、檢測圖像不清晰度、射線源焦點尺寸之間的具體關(guān)系式。

        代入最佳放大倍數(shù)表示式,可得到:

        顯然,這時即使UD>Uim也可以獲得滿足要求的檢測圖像空間分辨力。再次代入最佳放大倍數(shù)表示式,進(jìn)行簡單代數(shù)運算,整理得到:

        也即有:

        對于要求的檢測圖像空間分辨力,若檢測系統(tǒng)采用的輻射探測器的固有不清晰度(有效像素尺寸)是這里的最大值,則必須采用最佳放大倍數(shù),才能獲得要求的檢測圖像空間分辨力。

        3.2 間接數(shù)字化技術(shù)的圖像數(shù)字化技術(shù)控制

        對間接數(shù)字化射線檢測技術(shù),為保證數(shù)字檢測圖像的空間分辨力,必須從兩個環(huán)節(jié)進(jìn)行保證:

        (1)輻射探測器在射線信號探測和轉(zhuǎn)換過程,必須采集到足夠的信息,滿足最終數(shù)字檢測圖像不清晰度的要求。即,輻射探測器成像處的不清晰度達(dá)到檢測圖像不清晰度的要求。

        (2)在后續(xù)的數(shù)字化過程中,必須滿足采樣定理的要求,能夠把前面采集的信息以滿足檢測圖像不清晰度要求的程度,完成圖像的數(shù)字化。

        第一環(huán)節(jié)是決定性的,如果輻射探測器的固有不清晰度不滿足要求(如CR技術(shù)中的IP板的固有不清晰度不滿足要求),由于后續(xù)數(shù)字化過程不能增加信息,所以不可能通過后續(xù)數(shù)字化過程提高所獲圖像的不清晰度。顯然,只要把間接數(shù)字化檢測技術(shù)輻射探測器的固有不清晰度看作是直接數(shù)字化檢測技術(shù)的分立輻射探測器的固有不清晰度,則可與直接數(shù)字化射線檢測技術(shù)作相同的處理,并給出相同的關(guān)系式。

        在不考慮信息素的跡濃度揮發(fā)的理想狀態(tài)下,信息素的跡濃度增加和有效信息增加計算方式見表1,其中I表示螞蟻發(fā)現(xiàn)一處食物源并有效反饋的信息數(shù)值.

        對于后續(xù)數(shù)字化過程,應(yīng)按采樣定理控制采樣間隔。對于限定的檢測圖像不清晰度Uim,由于其對應(yīng)的空間頻率為:

        按采樣定理,采樣間隔應(yīng)滿足的條件是:

        因此得到在后續(xù)數(shù)字化中,采樣間隔應(yīng)滿足的條件是:這就是后續(xù)掃描數(shù)字化過程掃描點尺寸控制的要求。

        3.3 射線源焦點尺寸選擇

        對于給定了輻射探測器的數(shù)字射線檢測系統(tǒng),也就是輻射探測器的固有不清晰度(像素尺寸)已經(jīng)確定的系統(tǒng),為保證圖像數(shù)字化后滿足檢測要求的圖像空間分辨力,可通過選擇射線源焦點尺寸實現(xiàn)。這時也可分兩種情況討論。

        3.3.1 一般放大透照布置

        容易得到射線源焦點尺寸應(yīng)滿足下面關(guān)系式的要求:

        3.3.2 最佳放大倍數(shù)透照布置

        當(dāng)采用最佳放大倍數(shù)時,為得到滿足檢測技術(shù)規(guī)定要求的檢測圖像空間分辨力,系統(tǒng)允許使用的射線源焦點尺寸最大值,可類似于確定分立輻射探測器固有不清晰度要求的過程確定。改寫前面導(dǎo)出的關(guān)于UD的關(guān)系式,將作為未知數(shù),可得到下面的一元二次方程:

        求解,可得到:

        對于要求的檢測圖像不清晰度,若檢測系統(tǒng)采用的射線源焦點尺寸是這里的最大值,則必須采用最佳放大倍數(shù),才能獲得達(dá)到要求的檢測圖像空間分辨力。

        4 圖像顯示與觀察技術(shù)

        4.1 圖像顯示條件控制的視覺理論基礎(chǔ)

        數(shù)字射線檢測技術(shù)一般是在顯示器屏幕上觀察圖像,為能夠正確可靠地識別圖像中的信息,必須控制圖像顯示條件。

        關(guān)于視覺研究的理論指出,人眼的灰度分辨力(亮度分辨力),即眼睛對亮度細(xì)微變化的識別能力與亮度相關(guān)。圖3顯示了閾值對比度隨背景亮度的變化。表2給出了基本數(shù)據(jù),表中L為照明亮度,ΔL/L為可識別的亮度對比度(閾值對比度)。可見,為提高眼睛的灰度分辨力,必須控制背景亮度處于適當(dāng)范圍。

        圖4顯示的是人眼的空間分辨力(即視力)隨亮度改變的規(guī)律??梢?,人眼的空間分辨力隨亮度增大而增加。直到亮度超過100cd/m2,才開始出現(xiàn)趨于飽和狀況。對于數(shù)字射線檢測技術(shù)的圖像識別,這些構(gòu)成了圖像視覺的主要基礎(chǔ),從它們可提出圖像顯示條件的控制方面與要求。

        圖3 閾值對比度隨背景亮度的變化

        表2 可識別的亮度對比度與亮度關(guān)系

        圖4 視力與亮度的關(guān)系

        4.2 顯示器性能的基本要求

        圖像顯示條件主要是關(guān)于顯示器性能的要求。顯示器不影響獲得的數(shù)字圖像的分辨率,但它影響圖像的顯示效果。因此,它的性能直接影響評定人員對圖像的觀察和識別。

        顯示器的基本性能包括亮度、分辨率、顯示亮度比、灰度級、響應(yīng)時間等。

        亮度指顯示屏可達(dá)到的最大亮度。

        分辨率是指顯示屏能夠顯示的像素點多少。顯示器的分辨率以水平像素數(shù)乘以垂直像素數(shù)的方式給出。例如,顯示器的分辨率寫成800×600像素(通常應(yīng)包括其像素的尺寸大?。侵杆乃椒较驗?00像素、垂直方向為600像素。顯示器本身具有一個最高的分辨率,它可以兼容其他較低的分辨率。對于具有一定分辨率的顯示器,其每單位面積都顯示相同的像素數(shù)。

        顯示亮度比(也稱為對比度)指顯示屏可顯示的最大亮度與最小亮度之比。

        灰度級是灰度可量化的灰度的最大級數(shù)。

        響應(yīng)時間是信號隨時間變化時,顯示圖像隨時間改變的特性。

        對顯示器性能的基本要求,從數(shù)字射線檢測技術(shù)圖像的質(zhì)量和圖像視覺基礎(chǔ)考慮,最關(guān)心的是前面四個主要性能。不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可能作出不同的規(guī)定,一種典型的顯示器主要性能要求如下:亮度≥250 cd/m2;分辨率≥1 280×1 024像素(像素尺寸為150~300μm);灰度級≥256;顯示亮度比≥100∶1;軟件可提供目視可見的256級別灰度。

        關(guān)于觀察條件的技術(shù)要求,顯然應(yīng)是從視覺特性提出,主要包括亮度適應(yīng)性要求、視場亮度要求、觀察距離要求、觀察室條件等。由于觀察的也是亮度對比度圖像,因此與膠片射線照相技術(shù)的評片技術(shù)要求基本相同。

        4.3 數(shù)字圖像處理技術(shù)

        為了更好地識別圖像中的信息,在觀察和評定圖像時通常都要運用數(shù)字圖像處理技術(shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)所基于的是,數(shù)字圖像的每個像素灰度值可用一個二進(jìn)制數(shù)字(0,1)表示,可以方便地輸入計算機,進(jìn)行各種計算處理,改善得到的圖像質(zhì)量。

        數(shù)字圖像處理技術(shù)可分為三個層次內(nèi)容:狹義圖像處理、圖像分析、圖像理解。狹義圖像處理是對輸入圖像進(jìn)行某種變換,改善圖像的視覺效果或?qū)D像進(jìn)行壓縮編碼等,獲得輸出圖像。在數(shù)字射線檢測技術(shù)中運用的數(shù)字圖像處理內(nèi)容,主要是狹義圖像處理,也可說是圖像增強處理內(nèi)容,它包括空間域增強、頻率域增強、彩色增強等。簡單說,圖像增強處理主要是根據(jù)圖像質(zhì)量的一般性質(zhì),選擇性地加強圖像的某些信息、抑制另一些信息,改善圖像質(zhì)量。部分常用的數(shù)字圖像處理主要是對比度增強(包括灰度變換法、直方圖調(diào)整、局部統(tǒng)計方法等)、圖像平滑(包括低通濾波法、局部平均法、多幀平均法等)、圖像銳化(包括高通濾波法、微分(梯度)法等),此外還有一些其他圖像增強處理方法。這些數(shù)字圖像處理方法,匯集在圖像觀察與評定系統(tǒng)的軟件中。不同的數(shù)字射線檢測技術(shù)系統(tǒng)可能提供不同功能的軟件,使用條件也會存在差異。此外,軟件應(yīng)包括缺陷尺寸電子測量功能,以便正確地測定缺陷尺寸。

        為了更好地識別圖像中的信息,在觀察和評定圖像時通常都要運用數(shù)字圖像處理技術(shù)。

        圖5和6是部分圖像處理對圖像改變的情況。

        為正確地運用這些軟件,獲得滿意的圖像質(zhì)量,正確地完成缺陷評定,顯然,數(shù)字射線檢測技術(shù)要求檢測人員應(yīng)掌握一定的計算機操作技能。

        [1](日)谷口慶治編.數(shù)字圖像處理(基礎(chǔ)篇)[M].朱虹,譯.北京:科學(xué)出版社,2002.

        [2]郁道銀,談恒英.工程光學(xué)(第2版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

        [3]鄭光昭.光信息科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

        [4]李景鎮(zhèn).光學(xué)手冊[M].西安:陜西科技出版社,1986.

        [5]金偉其,胡威捷.輻射度光度與色度及其測量[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

        [6]應(yīng)根裕,屠彥.平板顯示應(yīng)用技術(shù)手冊[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

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