徐 超， 馮輔周， 閔慶旭， 孫吉偉， 朱俊臻

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系, 北京 100072)

渦流脈沖紅外圖像序列降噪方法

徐 超， 馮輔周， 閔慶旭， 孫吉偉， 朱俊臻

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系, 北京100072)

在渦流脈沖熱像技術(shù)中，紅外圖像序列受到設(shè)備精度、環(huán)境干擾等因素的影響，其質(zhì)量易發(fā)生退化，進(jìn)而影響后續(xù)缺陷的特征提取和識(shí)別，因此，有必要對(duì)圖像序列進(jìn)行降噪預(yù)處理。為得到質(zhì)量可靠的紅外圖像序列，以渦流脈沖激勵(lì)下的紅外圖像序列為研究對(duì)象，分析了其噪聲來源和類型；通過空間域和時(shí)間域2種途徑對(duì)圖像序列進(jìn)行降噪處理。結(jié)果表明：時(shí)間域處理效果優(yōu)于空間域，降低噪聲的同時(shí)保留了缺陷區(qū)域隨時(shí)間變化的熱響應(yīng)特征，更適合處理紅外圖像序列。研究成果為缺陷的特征提取和識(shí)別奠定了理論基礎(chǔ)。

渦流脈沖熱像; 紅外圖像序列; 噪聲

渦流脈沖熱像法是一種有效結(jié)合渦流檢測(cè)和紅外熱成像技術(shù)的新型無損檢測(cè)技術(shù)，具有快速、準(zhǔn)確和分辨率高的特點(diǎn)[1-2]。但受紅外熱像儀靈敏度、環(huán)境干擾以及目標(biāo)與背景溫差相對(duì)較小的影響，通常使得紅外圖像背景與目標(biāo)的對(duì)比度較低，信噪比較差[3]。目前，針對(duì)脈沖渦流熱像技術(shù)中缺陷檢測(cè)的研究大多以單幀紅外圖像為目標(biāo)，研究缺陷的生熱特性，并對(duì)其進(jìn)行量化分析。單幀圖像信噪比較低，而且缺少了圖像序列中缺陷特征以及隨時(shí)間變化的熱響應(yīng)特征等信息。因此，對(duì)紅外圖像序列進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而得到高質(zhì)量的圖像序列，有助于后續(xù)缺陷特征的提取和識(shí)別。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)中采集到的紅外圖像序列，利用紅外圖像處理方法可以提取大量的材料特性、缺陷特征等有用信息。目前針對(duì)紅外圖像序列降噪的方法主要有2大類：空間域方法和時(shí)間域方法。空間域方法是指直接針對(duì)每一幀圖像所有像素進(jìn)行處理。蔣立輝等[4]提出用于散斑噪聲的非線性加權(quán)均值多方向形態(tài)濾波算法，該方法將形態(tài)學(xué)理論直接運(yùn)用于散斑噪聲，獲得了一定的降噪效果。KIM[5]進(jìn)一步提出了亮度保持雙向直方圖(Brightness preserving Bi-Histogram Equalization，BBHE)算法，CHEN等[6]提出了遞歸均值分離直方圖均衡(Recursive Mean-Separate Histogram Equalization， RMSHE)算法，這些方法在增強(qiáng)圖像的同時(shí)也放大了噪聲，淹沒了部分有用信息。時(shí)間域方法是指針對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的熱響應(yīng)曲線進(jìn)行濾波，去掉噪聲的干擾，主要方法有平均值濾波、中值濾波、限幅濾波和一階滯后濾波等。崔璇等[7]利用中值濾波對(duì)紅外圖像進(jìn)行平滑處理，接著采用背景差分技術(shù)將原始圖像與經(jīng)過中值濾波后的圖像進(jìn)行差分對(duì)消，實(shí)現(xiàn)了紅外小目標(biāo)的有效檢測(cè)。謝勤嵐[8]針對(duì)單幅圖像空間降噪中存在的問題，提出一種利用同一場(chǎng)景的多幀圖像進(jìn)行噪聲抑制的自適應(yīng)空域?yàn)V波方法，該方法在平滑噪聲的同時(shí)，可保護(hù)圖像邊緣。這些方法在降噪方面具有一定效果，然而同樣在采樣頻率較低時(shí)存在原始曲線形態(tài)受損的缺點(diǎn)。

針對(duì)現(xiàn)有算法的不足，筆者采用基于形態(tài)學(xué)權(quán)重的自適應(yīng)算法進(jìn)行空間域降噪，克服了傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)算法在一定程度上侵蝕、淹沒或放大目標(biāo)區(qū)域的問題；采用基于Savitzky-Golay算法的時(shí)間域降噪方法，去除熱響應(yīng)曲線的波動(dòng)，保留了原始曲線形態(tài)。2種方法有效增強(qiáng)了紅外圖像的輪廓特征，并對(duì)噪聲起到了一定的抑制作用。研究成果提高了渦流熱像技術(shù)的檢測(cè)效果，可對(duì)渦流脈沖紅外圖像序列的處理和研究提供理論參考。

1 紅外圖像序列

1.1數(shù)據(jù)采集

筆者設(shè)計(jì)了能夠定量控制激勵(lì)時(shí)間、激勵(lì)強(qiáng)度和線圈提離距離等檢測(cè)條件的渦流脈沖熱像檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)主要包括高頻激勵(lì)電源、電磁線圈及其支座、紅外熱像儀、采集控制終端(PC)和其他輔助設(shè)備(水冷裝置和三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等)，圖中熱像儀和采集控制終端未被標(biāo)出。熱像儀的溫度分辨率為0.035 ℃，采樣頻率為30 Hz。為滿足大部分材料的檢測(cè)需求，激勵(lì)源采用最大功率2.4 kW、最大電流400 A及激勵(lì)頻率范圍150～400 kHz的感應(yīng)加熱模塊。實(shí)驗(yàn)線圈采用空心銅管制作，銅管直徑為8 mm，形狀呈平面矩形螺旋狀。被測(cè)試件采用疲勞試驗(yàn)制作的含有疲勞裂紋的45鋼平板(裂紋位于圖2白色虛線框內(nèi))，其表面噴涂一層黑色啞光漆以增強(qiáng)表面輻射率，如圖2所示。

圖1 渦流脈沖熱像無損檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 被測(cè)試件

檢測(cè)時(shí)，線圈和熱像儀均置于試件之上，同時(shí)線圈的檢測(cè)邊垂直于裂紋方向，以便裂紋處的感生渦流密度最大。激勵(lì)時(shí)間設(shè)為0.2 s，功率為最大功率。

1.2圖像序列矩陣

在渦流脈沖熱像檢測(cè)過程中，熱像儀采集的紅外圖像序列可組成一個(gè)三維數(shù)據(jù)矩陣，如圖3所示。圖中x和y表示紅外圖像橫向和縱向的像素點(diǎn)數(shù)，p表示圖像序列的幀數(shù)。每一幀紅外圖像構(gòu)成一個(gè)x×y的二維像素矩陣。紅外圖像中每個(gè)像素點(diǎn)(x,y)的測(cè)量值隨幀數(shù)p的變化Y(x,y)(p)可組成一維向量。實(shí)際檢測(cè)中，熱像儀與被測(cè)試件的位置相對(duì)固定，像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)被測(cè)試件表面相應(yīng)區(qū)域。因此，每個(gè)像素點(diǎn)的一維向量Y(x,y)(p)描述了試件表面對(duì)應(yīng)區(qū)域溫度隨時(shí)間的變化過程，稱瞬態(tài)熱響應(yīng)。

圖3 紅外圖像序列示意圖

1.3仿真分析

為分析噪聲對(duì)不同區(qū)域的瞬態(tài)熱響應(yīng)的影響，用COMSOL軟件建立如圖4所示的仿真模型，模型中試件及裂紋尺寸與試驗(yàn)中的試件相同。從仿真結(jié)果可提取不同區(qū)域的瞬態(tài)熱響應(yīng)，并以此為參考信號(hào)，對(duì)比試驗(yàn)中的瞬態(tài)熱響應(yīng)，有助于分析噪聲對(duì)熱響應(yīng)的影響。

圖4 仿真模型

1.4噪聲來源及類型

紅外圖像是由目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換得到的，極易受采集環(huán)境和設(shè)備精度的影響。通常，紅外圖像中的噪聲來源于圖像的獲取過程和傳輸過程[9]。研究表明：絕大部分的噪聲都可用高斯白噪聲、椒鹽噪聲或兩者的混合噪聲來表示，其中椒鹽噪聲是在紅外圖像處理中廣泛存在的一種對(duì)圖像質(zhì)量破壞嚴(yán)重的噪聲。在實(shí)驗(yàn)過程中，紅外圖像易受到的干擾源主要是外界輻射源(包括可見光與紅外熱源)、熱像儀自身誤差以及空氣對(duì)流。

圖5為在渦流脈沖激勵(lì)下，對(duì)金屬平板疲勞裂紋進(jìn)行檢測(cè)獲得的原始紅外圖像及其三維圖，其中：P1位置對(duì)應(yīng)線圈正下方，溫度高于其他區(qū)域；P2位置對(duì)應(yīng)平板邊緣部分，渦流在此聚集并產(chǎn)生邊緣效應(yīng)(溫升較大)。從圖5(b)可以看出：毛刺狀波動(dòng)即椒鹽噪聲分布于整個(gè)空間域，而裂紋區(qū)域生熱幾乎被淹沒在噪聲中。進(jìn)一步，選取裂紋區(qū)域的A、B、C三點(diǎn)及仿真模型中裂紋根部一點(diǎn)，畫出其在時(shí)間域上的瞬態(tài)熱響應(yīng)，如圖6所示。從圖6可以看出：相比仿真數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的三點(diǎn)存在一定程度的波動(dòng)，且這種波動(dòng)具有隨機(jī)性，并非分布在固定的像素點(diǎn)。

圖5 熱像儀采集到的某幀圖像

圖6 瞬態(tài)熱響應(yīng)曲線

2 理論分析

在檢測(cè)中，除了關(guān)注每幀紅外圖像的信息外，每個(gè)區(qū)域熱量變化過程即熱響應(yīng)曲線也是判別缺陷有無的一個(gè)重要依據(jù)。根據(jù)1.4節(jié)分析，椒鹽類噪聲隨機(jī)分布于整個(gè)空間域；而且在時(shí)間域上，引起瞬時(shí)熱響應(yīng)的波動(dòng)也是隨機(jī)的，這對(duì)基于圖像序列的缺陷特征提取和識(shí)別造成了一定的干擾。因此，需要從空間域和時(shí)間域上討論紅外圖像序列的降噪方法，其算法流程如圖7所示。

圖7 算法流程

2.1空間域

紅外圖像序列的空間降噪是指對(duì)每一幀圖像的所有像素在平面內(nèi)去除噪聲的影響，通過對(duì)像素點(diǎn)值和相鄰像素值的相關(guān)處理，從而達(dá)到降噪的目的。形態(tài)學(xué)運(yùn)算是一種傳統(tǒng)的空間域降噪方法，其基本思想是利用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀，以達(dá)到對(duì)圖像分析和識(shí)別的目的[10]。形態(tài)學(xué)的“開運(yùn)算”可過濾紅外圖像的噪聲，其“閉運(yùn)算”可增強(qiáng)圖像中的低灰度區(qū)域[11]。因此，采用形態(tài)學(xué)開-閉級(jí)聯(lián)形式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外圖像的增強(qiáng)處理，形態(tài)學(xué)開-閉級(jí)聯(lián)定義為

OC(I(x,y))=f(x,y)°b·b,

(1)

式中：I(x,y)為待處理圖像上坐標(biāo)為(x,y)的像素點(diǎn)的灰度值；b為結(jié)構(gòu)元素；“°”為“開運(yùn)算”；“·”為“閉運(yùn)算”。

采用不同形狀的結(jié)構(gòu)元素對(duì)紅外圖像進(jìn)行多結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)開-閉運(yùn)算，每種不同結(jié)構(gòu)元素的開-閉運(yùn)算可表示為Ai(i=1,2,…,n)，原始紅外圖像連續(xù)做2次形態(tài)學(xué)開-閉運(yùn)算，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 開-閉運(yùn)算串聯(lián)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)增強(qiáng)后將不同的串聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行并聯(lián)，形成串-并聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖9所示。由于每個(gè)開-閉運(yùn)算級(jí)聯(lián)采用的結(jié)構(gòu)元素不同，并聯(lián)結(jié)構(gòu)可繼承各個(gè)開閉運(yùn)算級(jí)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)，增強(qiáng)效果是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的疊加，彌補(bǔ)了串聯(lián)結(jié)構(gòu)的單一性。

圖9 串-并聯(lián)復(fù)合結(jié)構(gòu)

針對(duì)紅外圖像目標(biāo)弱小、輪廓形狀簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，本文的形態(tài)結(jié)構(gòu)元素采用不同角度的線性結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，采用不同結(jié)構(gòu)元素的開-閉運(yùn)算Ai的串聯(lián)增強(qiáng)結(jié)果與原始圖像的差異值作為權(quán)值Pi，則形態(tài)學(xué)自適應(yīng)權(quán)值計(jì)算公式為

Qi=Pi/(P1+P2+…+Pn)，

(2)

式中：Qi為不同形狀元素的開-閉運(yùn)算Ai的權(quán)值。

若輸入圖像為I(x,y)，經(jīng)過圖8所示的串聯(lián)增強(qiáng)處理得到結(jié)果為L(zhǎng)i(x,y)，則圖9所示的形態(tài)學(xué)自適應(yīng)權(quán)值算法得到的輸出圖像R(x,y)為

(3)

2.2時(shí)間域

時(shí)間域降噪是指根據(jù)圖像序列每幀之間的相關(guān)性進(jìn)行降噪，不同像素點(diǎn)的熱響應(yīng)曲線是不同的，可通過不同區(qū)域的響應(yīng)曲線來區(qū)分缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域，因此時(shí)間域降噪是針對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的熱響應(yīng)曲線進(jìn)行濾波，即完成整個(gè)圖像序列的時(shí)間域降噪，筆者選用Savitzky-Golay進(jìn)行濾波。

Savitzky-Golay濾波是基于局域多項(xiàng)式最小二乘法擬合的一種濾波方法，其最大優(yōu)點(diǎn)是在去除噪聲的同時(shí)可保留原信號(hào)的形狀[12]，基本原理如下:

在幀pi附近選取固定個(gè)數(shù)的點(diǎn)構(gòu)成以i=0為中心的2q+1個(gè)數(shù)據(jù)，然后構(gòu)造一個(gè)n階多項(xiàng)式來擬合該組數(shù)據(jù)，其擬合公式為

(4)

式中:yi*為多項(xiàng)式在pi處的擬合值;bj為最小二乘擬合參數(shù)；n為多項(xiàng)式的階數(shù)，且n≤k；i為多項(xiàng)式變量。

Savitzky-Golay濾波有2個(gè)參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際需求來確定，即多項(xiàng)式的階數(shù)和擬合的點(diǎn)數(shù)。多項(xiàng)式階數(shù)越高，擬合效果越好，但階數(shù)越高計(jì)算量也會(huì)隨之增大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，筆者選擇擬合階數(shù)為3。而擬合點(diǎn)數(shù)k一般為奇數(shù)，且需要大于擬合階數(shù)，小于數(shù)據(jù)總量，結(jié)合采集到的圖像序列，k取15時(shí)濾波效果最佳。

3 結(jié)果分析

為比較2種途徑的降噪效果，筆者從空間域和時(shí)間域角度來對(duì)比分析處理結(jié)果。圖10、11分別為加權(quán)形態(tài)學(xué)方法和Savitzky-Golay濾波處理后的紅外圖像序列的某一幀紅外圖像?？梢钥闯觯?種方法不同程度上去除了椒鹽噪聲，毛刺得到抑制，圖像趨于平滑，裂紋區(qū)域的峰值高度明顯高于邊緣效應(yīng)造成的高溫區(qū)；但加權(quán)形態(tài)學(xué)方法濾除噪聲的同時(shí)也造成了圖像的模糊，而Savitzky-Golay濾波后的圖像保留了生熱區(qū)域，濾除了干擾噪聲。從空間域角度分析，Savitzky-Golay濾波處理效果要優(yōu)于加權(quán)形態(tài)學(xué)方法。

圖12為2種方法處理后的圖像序列中A點(diǎn)(圖5標(biāo)出)的熱響應(yīng)曲線對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯杭訖?quán)形態(tài)學(xué)方法雖然使響應(yīng)曲線趨于平滑，但丟失了原曲線的基本形狀，而Savitzky-Golay濾除了原熱響應(yīng)曲線的波動(dòng)，且很好地保留了其變化趨勢(shì)，即保留了不同區(qū)域的熱響應(yīng)特性。從時(shí)間域角度分析，Savitzky-Golay濾波降噪的同時(shí)保留了缺陷特征以及其隨時(shí)間變化的熱響應(yīng)特征，因此對(duì)紅外圖像序列的降噪處理效果更好。

圖10 加權(quán)形態(tài)學(xué)處理后的某幀熱像

圖11 Savitzky-Golay濾波后圖像序列中的某幀熱像

圖12 2種降噪方法A點(diǎn)熱響應(yīng)處理結(jié)果對(duì)比曲線

4 結(jié)論

筆者分析了渦流脈沖紅外圖像的噪聲來源及特點(diǎn)，得出椒鹽類噪聲是影響紅外圖像質(zhì)量最主要的因素，并確定了其分布特點(diǎn)。采用空間域和時(shí)間域2種途徑對(duì)紅外圖像序列進(jìn)行降噪處理，能夠不同程度地濾除椒鹽噪聲，但時(shí)間域Savitzky-Golay濾波在濾除噪聲的同時(shí)保留了熱響應(yīng)變化趨勢(shì)，更適合圖像序列的降噪處理。降噪后的圖像序列更加清晰、質(zhì)量更高，有利于后續(xù)的特征提取和缺陷識(shí)別。本文研究仍然存在一些不足，如算法中一些參數(shù)仍需依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇等。下一步將對(duì)此進(jìn)行深入研究，得到處理效果更好的紅外圖像序列。

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(責(zé)任編輯: 牛燕平)

NoiseReductionMethodofInfraredImageSequenceswithVortexPulse

XU Chao, FENG Fu-zhou, MIN Qing-xu, SUN Ji-wei, ZHU Jun-zhen

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China)

In eddy current pulsed thermography, the thermal image sequence is affected by equipment accuracy, environmental interference and other factors, which leads to the degradation of its quality and then affects the subsequent defect feature extraction and recognition. Therefore, the preprocessing of thermal image sequences is required. In order to obtain a reliable thermal image sequence, the infrared image sequence under the eddy current impulse is taken as the object of study, and its noise source and type are analyzed. Then the image sequence is processed by spatial domain and time domain. The results show that the time domain processing is superior to the spatial domain, which reduces the noise while preserving the thermal response characteristics of the defective region over time, and is more suitable for processing the thermal image sequence. The research results provide the basis for the feature extraction and recognition of defects.

eddy current pulsed thermography; thermal image sequence; noise

1672-1497(2017)04-0069-06

2017-05-10

南京航空航天大學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目；軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

徐 超(1992-)，男，碩士研究生。

TN911.73

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2017.04.014