X射線檢測實(shí)時成象與計算機(jī)圖象處理技術(shù)的研究及應(yīng)用

一.前言

X射線照相檢測方法是目前最常用的無損檢測方法，因其具有直觀、準(zhǔn)確、可靠、檔案可長期保存等特點(diǎn)而在無損檢測的領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。但是，不可否認(rèn)它存在著檢測工序多、檢測周期長、操作人員勞動強(qiáng)度大、大量耗費(fèi)X射線膠片和化學(xué)藥品、檢測費(fèi)用高、并伴有一定環(huán)境污染告示不足。同時，底片質(zhì)量的好壞對探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大的影響，粗糙度測量儀底片的存放條件嚴(yán)格，并需要占較大的空間，檢測結(jié)果的評定受人為因素的影響較大。因此，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的今天，使原有X射線檢測方法既要保留原有的優(yōu)點(diǎn)，又要有所創(chuàng)新和突破，開展X射線檢測實(shí)時成象與計算機(jī)圖象處理技術(shù)課題的研究是一項(xiàng)很有意義的活動，它得到了上級主管部門、科研單位、高等院校及企事業(yè)單位的大力支持。

隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和工業(yè)電視技術(shù)的日臻成熟，八十年代中期開始，國際上爭先研制開發(fā)不同類型和功能的“X射線檢測計算機(jī)實(shí)時成象處理系統(tǒng)”，使該技術(shù)研究已成為一個熱門課題。國際焊接學(xué)會（IIW）先后提出了5份實(shí)用的X射線檢測實(shí)時成象系統(tǒng)的研究報告，有關(guān)國家制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用守則，如英國BS7009-1988，美國ASTM E1000-89，對系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和檢測方法提出了有益建議和推薦方法，并取得了較好的成效。為跟蹤世界無損檢測學(xué)科這一前沿課題的發(fā)展潮流，近年來國內(nèi)一些科研單位與企業(yè)合作，相繼開展了這方面課題的研究，并取得較好的成效。

二.概述

X射線檢測實(shí)時成象及計算機(jī)圖象處理技術(shù)（簡寫為XRTIP）的工作原理是將光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和計算機(jī)數(shù)字圖象處理技術(shù)相結(jié)合，把不可見的X射線圖象經(jīng)增強(qiáng)方法轉(zhuǎn)換為可見的視屏圖象，再經(jīng)計算機(jī)機(jī)對圖象進(jìn)行數(shù)字化處理，使視屏圖象的對比度和清晰度達(dá)到X射線照相底片的影象質(zhì)量，從而提高了探傷靈敏度和缺陷識別能力，探傷結(jié)果可用計算機(jī)進(jìn)行智能化評定，圖象可長期保存在計算機(jī)磁帶或光盤上，可代替射線照相的底片，從而實(shí)現(xiàn)了X射線探傷方法的智能化和自動化，其工作原理見圖一。

“X射線檢測計算機(jī)實(shí)時成象及計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)”，由“X射線工業(yè)電視實(shí)時成象系統(tǒng)”（XRTIP）和“計算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)”（PC）兩大部分組成。在“X射線工業(yè)電視實(shí)時成象技術(shù)”的基礎(chǔ)上，大量運(yùn)用了計算機(jī)圖象處理新技術(shù)，如數(shù)字圖象處理方

法，圖象噪音消除方法，S-T圖象變換方法，焊縫缺陷模式識別方法等，因此，使XRTIP在性能上比XRTI有了很大的提高，主要表現(xiàn)為：

1.提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度和清晰度

XRTI對鋼材檢測相對靈敏度僅有3-5% 。由于其靈敏度低，一些細(xì)小的缺陷難于發(fā)現(xiàn)，因而限制了它的推廣應(yīng)用；而XRTIP則用計算機(jī)對XRTI圖象質(zhì)量作再處理，使其相對靈敏度提高到1.0-2.0% ，達(dá)到了GB3323-87標(biāo)準(zhǔn)中AB級的圖象質(zhì)量要求，由于采取了圖象放大方法，圖象總清晰度指標(biāo)可達(dá)16LP/cm（線對/厘米）以上，從而使XRTIP技術(shù)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的階段。

2.圖象噪聲小

XRTI用于工業(yè)現(xiàn)場檢測時圖象質(zhì)量不可避免地受到各種環(huán)境噪音及系統(tǒng)噪音的影響，使圖象質(zhì)量下降，至使檢測結(jié)果誤判或漏檢，而XRTIP則利用計算機(jī)圖象處理技術(shù)有效抑制或消除圖象噪聲，無損檢測資源網(wǎng)使圖象質(zhì)量可與X射線照相底片相媲美。

3.檢測資料可長期保存

XRTI的檢測圖象是審時動態(tài)圖象而難于保存，而XRTIP通過計算機(jī)將工業(yè)電視瞬時圖象轉(zhuǎn)換數(shù)字量化靜止圖象，可長期保存在計算機(jī)磁帶或激光磁盤中，圖象經(jīng)計算機(jī)再處理具有還原查詢、編緝、轉(zhuǎn)儲、模擬打印、拷貝等功能，多次調(diào)出圖象不失真，實(shí)現(xiàn)了X射線探傷資料管理的電腦化和自動化。

X射線檢測計算機(jī)實(shí)時成象技術(shù)與常規(guī)的X射線照相方法比更具優(yōu)越性，它除了保留了照相方法的優(yōu)點(diǎn)（直觀、準(zhǔn)確、可靠、檔案長期保存）之外，克服了照相方法某些不足，例如XRTIP只需要磁帶，不需要膠片和濕、定影藥水，成本較低計算機(jī)評片不受人為因

素干擾，因?yàn)樗菍?shí)時成象，不需要拍片和暗室處理等煩瑣工序，一次完成探傷的全過程，因此，特別適用于生產(chǎn)批量較大、檢測對象相對固定、工藝比較規(guī)范的產(chǎn)品，如鍋爐、壓力容器、螺旋焊管、電器元件、機(jī)械零件、非金屬材料（如耐火材料）的射線探

傷。

三.XRTIP系統(tǒng)的設(shè)備特點(diǎn)

1.X射線源

在X射線照相片中，膠片的感光是一個較長時間能量的積累過程，普通交流電半波整流X射線機(jī)即能滿足要求，交流電周波變化對膠片感光質(zhì)量的影響不大。而XRTIP它是基于光電轉(zhuǎn)換原理，要求瞬間（約1/25）攝取一幅靜止的圖象，并且要多次連續(xù)重復(fù)攝取，

因而，常用半波整流電源已不能滿足要求，而要求采用恒位直流穩(wěn)壓X射線探傷機(jī)，管電壓不穩(wěn)定度不大于2% ，管電流不穩(wěn)定度不大于2% 。

2.小焦點(diǎn)X射線管

X射線焦點(diǎn)尺寸對成象質(zhì)量影響很大，采用小焦點(diǎn)（≤0.6×0.6mm）時能獲得較高的對比度（靈敏度）和清晰度（含幾何不清晰度），采用微焦點(diǎn)（≤0.1×0.1mm）效果更好。但是隨之而來的是對X射線的功率和控制方法提出更高的要求。

3.圖象增強(qiáng)器

由于小焦點(diǎn)產(chǎn)生的X射線能量較小，且X射線圖象是不可見的隱含圖象，要把它轉(zhuǎn)換可見的顯含圖象，一方面要把圖象能量增強(qiáng)，一方面還要進(jìn)行圖象顯示轉(zhuǎn)換，才能被攝象機(jī)所接收。因此，要在X射線源與攝象機(jī)之間加一個圖象增強(qiáng)器。

4.電視攝象機(jī)

增強(qiáng)后的可視檢測圖象要經(jīng)過高分辨率的工業(yè)電視攝象機(jī)攝取，才能將信號輸?shù)焦ぷ麟娨暠O(jiān)視器上顯示和輸入計算進(jìn)行數(shù)字化處理。

5.電視監(jiān)視器

使用高清晰度的電視監(jiān)視器將圖象顯示在屏幕上，以對圖象進(jìn)行分析評定。

6.計算機(jī)

要求具有圖象字?jǐn)?shù)化處理功能的微型計算機(jī)。為了要求較快的運(yùn)算速度，通常選用386或486型微機(jī)。

7.其他設(shè)備

還有一些其他輔助設(shè)備，如控制臺、磁帶機(jī)等。

四.軟件

為了使以上設(shè)備（硬件）能正常發(fā)揮功能，還需要一套高效的工作程序（計算機(jī)軟件）來支持整個系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。軟件特點(diǎn)為漢語菜單提示，人機(jī)界面友好。一般探傷人員經(jīng)過短期培訓(xùn)都能上機(jī)操作。檢測用數(shù)據(jù)庫管理，檢索、查詢方便、靈活。應(yīng)用計算機(jī)

圖象彩色處理技術(shù)，具有增強(qiáng)對比度、邊界銳化、圖象放大功能，使細(xì)小缺陷易觀察、分辨，降低誤判和漏檢率。利用計算機(jī)輔助評片軟件，使評定結(jié)果更加快速、準(zhǔn)確。計算機(jī)輔助評定，定性、定量、定位、定級準(zhǔn)確，檢測結(jié)果計算機(jī)打印，大大地減輕了人工評片的煩瑣程序和勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。計算機(jī)在X射線檢測中得到充分運(yùn)用，標(biāo)志著射線探傷技術(shù)發(fā)展邁向了新水平。

五.圖象質(zhì)量

XRTIP技術(shù)能否用于工業(yè)現(xiàn)場的檢測，換句話說，它能否代替拍片探傷，至關(guān)重要的是取決于XRTIP的自身圖象質(zhì)量。如同射線照相法用靈敏度和黑度來描述底片質(zhì)量一樣，XRTIP則用靈敏度和清晰度來衡量圖象質(zhì)量。

1.靈敏度

象質(zhì)計靈敏度是反映視屏圖象對比度的主要指標(biāo)，其測試方法如同射線照相方法一樣，象質(zhì)計放置于工件離射線源較近的一側(cè)表面上，其象質(zhì)指數(shù)要求符合GB3323-87標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.清晰度

由于監(jiān)視器屏幕的圖象是由許多灰度等級不同的象素組成的，無損檢測資源網(wǎng)由于象素質(zhì)具有一定尺寸，且熒光屏內(nèi)的熒光物的顆粒度比膠片的鹵化物的顆粒要大得多，在面使圖象的清晰度受到影響。由射線照相靈敏度理論可知，金屬絲象質(zhì)計靈敏度主要取決于對比度，而對象裂紋、未焊透等要求檢出靈敏度較高的平面缺陷則更多地取決于圖象的清晰度。圖象清晰度通常用分辨率來描述，規(guī)定在一定寬度范圍內(nèi)能分辨清楚若干對金屬絲來表征，單位是“線對/厘米”（LP/cm），可用分辨率測試板來測試。由于GB3323-87標(biāo)準(zhǔn)尚無分辨率指標(biāo)的規(guī)定，參考國外資料，對于試件厚度低于20mm的鋼材，其分辨率不低于16LP/cm即可滿足檢測要求。IIW和英國BS標(biāo)準(zhǔn)推薦使用Pt-W雙絲象質(zhì)計來測定圖象不清晰度，以能清楚地分辨出一對金屬絲的直徑和單元距間之和來表征，其單位是毫米，例如英國BS7009S標(biāo)準(zhǔn)推薦：厚度低于20mm的試件的鋼材，其相應(yīng)的總不清晰度不大于0.25mm。

六.提高圖象質(zhì)量的方法

X射線工業(yè)電視（XRTI）圖象是實(shí)時的和動態(tài)的，因受各種硬件的制約，其圖象質(zhì)量難于達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)，在引進(jìn)計算機(jī)圖象數(shù)字化處理技術(shù)之后，圖象質(zhì)量可得到大大改善，從而使XRTIP圖象可與常規(guī)的照相底片相媲美。

常用的處理方法有：

（1）圖象積分疊加（噪音平均化）；

（2）圖象勾邊銳化（使圖象輪廓鮮明）；

（3）照射場平整（圖象平整，降低對比度）；

（4）對比增強(qiáng)（增強(qiáng)灰度等級）；

（5）偽彩色處理（用多種色彩來顯示缺陷）。

此外，改善探傷工藝條件也是提高圖象質(zhì)量主要途徑。