（新立機(jī)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(shí)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(dú)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(diǎn)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(qiáng)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(yàn)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(diǎn)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(jì)或階梯孔型像質(zhì)計(jì)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(jì)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(shí)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)尺寸可采用的最佳放大倍數(shù)計(jì)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(shí)，結(jié)合最佳放大倍數(shù)計(jì)算式，通過簡單代數(shù)運(yùn)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(diǎn)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(shí)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(yùn)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(jì)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(diǎn)尺寸控制的要求。

3.3 射線源焦點(diǎn)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(diǎn)尺寸實(shí)現(xiàn)。這時(shí)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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）?？梢姡瑸樘岣哐劬Φ幕叶确直媪?，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(shí)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(diǎn)多少。顯示器的分辨率以水平像素?cái)?shù)乘以垂直像素?cái)?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?yàn)?00像素、垂直方向?yàn)?00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?cái)?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(shí)間是信號隨時(shí)間變化時(shí)，顯示圖像隨時(shí)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(shí)通常都要運(yùn)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(jì)算機(jī)，進(jìn)行各種計(jì)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(yùn)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(qiáng)處理內(nèi)容，它包括空間域增強(qiáng)、頻率域增強(qiáng)、彩色增強(qiáng)等。簡單說，圖像增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)（包括灰度變換法、直方圖調(diào)整、局部統(tǒng)計(jì)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(qiáng)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(shí)通常都要運(yùn)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(yùn)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(jì)算機(jī)操作技能。

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