孫朝明

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900)

雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的自動定量方法

孫朝明

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900)

雙線型像質(zhì)計常用于測量射線檢測圖像的不清晰度，或測量數(shù)字射線探測器的基本空間分辨率。在實際應(yīng)用中，用人工方法對雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的定量計算比較繁瑣。為解決這一問題，提出了一種雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的自動定量方法。首先，將雙線型像質(zhì)計的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和歸一化處理，并根據(jù)起始、終止點(diǎn)對應(yīng)的灰度值進(jìn)行數(shù)據(jù)甄別，決定是否進(jìn)行下一步分析；然后，設(shè)計相應(yīng)的算法尋找線對的沉降值，轉(zhuǎn)換后即得到線對的調(diào)制度。所提出的自動定量方法，針對射線檢測試驗中的雙線型像質(zhì)計的灰度曲線進(jìn)行一次處理，即可便捷、可靠地定量出各個線對的調(diào)制度。

雙線型像質(zhì)計;調(diào)制度;定量;自動

雙線型像質(zhì)計[1-2]，包括Ⅲ-A、Ⅲ-B兩種類型，最早出現(xiàn)在英國標(biāo)準(zhǔn)中，用于測量射線檢測結(jié)果的不清晰度。在膠片照相方法中，射線底片影像的不清晰度一般較?。坏珜τ跀?shù)字射線成像技術(shù)[3-6]而言，檢測圖像的不清晰度[7]明顯偏大，需要加以控制[6,8]。因此，數(shù)字射線成像技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[5]明確規(guī)定了使用雙線型像質(zhì)計來測定圖像不清晰度的要求。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23901.5-2009《無損檢測射線照相底片像質(zhì) 第5部分：雙線型像質(zhì)計圖像不清晰度的測定》 規(guī)定了使用雙線型像質(zhì)計確定射線照相不清晰度的方法；但對于雙線型像質(zhì)計中可識別最大線對的確定，則是借助于放大鏡的觀察。雙線型像質(zhì)計還可用于測量射線探測器的基本空間分辨率[9]，ASTM E 2597StandardPracticeforManufacturingCharacterizationofDigitalDetectorArrays,ISO17636Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTesting-Part2:X-andGamma-rayTechniqueswithDigitalDetectors中均對基本空間分辨率的測量方法進(jìn)行了規(guī)定。

隨著雙線型像質(zhì)計應(yīng)用的增多[9-11]，有必要對雙線型像質(zhì)計各組線對的調(diào)制度進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確表征檢測圖像中不同細(xì)節(jié)成像的清晰程度，以便更好地滿足測試要求。在實際測試中，如果采用人工的方法進(jìn)行雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的計算，需要多次手工測量出相應(yīng)的參數(shù)值，然后按公式進(jìn)行測算;此過程比較耗時、繁瑣。如果能夠采用自動化的定量方法，則會很大程度地減輕工作量，提高測試效率。筆者為解決這一問題，提出了一種雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的自動定量方法。

1 雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的計算

如圖1所示，雙線型像質(zhì)計中某線對的可識別率按以下公式進(jìn)行計算：

式中：d為線對的沉降值；B為線對峰值灰度與背景灰度的差值。

圖1 雙線型像質(zhì)計調(diào)制度的計算示意

從式(1)可知，為計算出線對的可識別率或調(diào)制度R，需要檢測出線對的峰值點(diǎn)、沉降點(diǎn)位置及相應(yīng)的灰度值，確定出背景灰度值。如果采用人工方式進(jìn)行相應(yīng)計算，存在測量數(shù)值點(diǎn)多、費(fèi)時費(fèi)力、易出錯的問題，在分析多組試驗結(jié)果時其計算過程尤其繁瑣；為了解決這一問題，筆者嘗試使用計算機(jī)來代替人工進(jìn)行相應(yīng)處理分析，先后試驗了峰值搜索方法、高斯曲線擬合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法，但效果均不理想。

采用峰值搜索方法的試驗如圖2所示：首先對信號進(jìn)行差分處理，然后設(shè)定相應(yīng)的閾值提取出極值位置，再對備選位置按4個或2個進(jìn)行分組，查找相應(yīng)的峰值位置和沉降位置。此方法在一定程度上可實現(xiàn)自動化定量，但仍存在設(shè)置參數(shù)較多，對不同信號的適用性不是很好的問題。異常信號對差分處理比較敏感，因此在備選位置點(diǎn)檢測時會出現(xiàn)偏差，此外，其對于小的信號不能識別出沉降位置(如圖2中的9D信號)。

高斯曲線擬合法的思路是將線對信號視作2～3個高斯曲線經(jīng)疊加后的結(jié)果，由擬合參數(shù)來確定出沉降位置、峰值位置并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制度計算；但此方法的適用性不好，擬合效果難以保證且不利于全部數(shù)據(jù)的自動處理。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以一定程度上模擬人工智能進(jìn)行特定信號的識別和定量分析，但在實際測試中存在網(wǎng)絡(luò)泛化能力差、定量精度偏差大的不足，很大程度上限制了其應(yīng)用價值。

2 雙線型像質(zhì)計調(diào)制度自動定量方法

經(jīng)過一段時間的摸索，筆者找到了一種便捷、可靠的雙線型像質(zhì)計調(diào)制度自動定量方法。

2.1 數(shù)據(jù)分段處理

針對雙線型像質(zhì)計對應(yīng)的灰度曲線數(shù)據(jù)，設(shè)定固定的長度區(qū)間段(如寬度71)，按照先后順序依次對數(shù)據(jù)逐段進(jìn)行處理。應(yīng)注意設(shè)定的區(qū)間范圍能夠包含到各組線對的完整灰度曲線——雙線型像質(zhì)計在設(shè)計時，有1D～13D共13組線對(見GB/T 23901-2009《無損檢測射線照相底片像質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn))，其中1D線對的線徑與間距最大(0.8 mm)；所設(shè)定的數(shù)據(jù)分段長度應(yīng)不小于此線徑值的4倍。實際測試中，以探測器像素大小83 μm為例，在放大倍數(shù)M為1.35時，71個像素代表的實際長度為4.4 mm，這滿足大于3.2 mm的限制條件。

2.2 歸一化處理

對取出的每段雙絲信號進(jìn)行歸一化處理，使灰度值映射到[0 1]區(qū)間，如圖3所示。經(jīng)過歸一化處理后，信號對應(yīng)的調(diào)制度計算就相對簡單了，只需要確定出沉降的位置并讀出相應(yīng)的歸一化數(shù)值即可(假設(shè)此處的歸一化數(shù)值為x，則調(diào)制度即為1-x)。

圖3 歸一化處理后的信號

2.3 篩選數(shù)據(jù)

在逐段選取信號的過程中，會出現(xiàn)不完整的線對信號；這些信號是不需要進(jìn)行調(diào)制度計算的，即認(rèn)為調(diào)制度為0。

不需要進(jìn)行調(diào)制度計算時，數(shù)據(jù)篩選的判據(jù)為：此段信號的初始位置灰度值、末尾位置灰度值大于限定值(如0.2)，或者初始位置灰度值、末尾位置灰度值的差值大于限定值。

2.4 尋找可能的雙絲沉降位置

雙絲沉降處是信號中的一個極小值點(diǎn)，因此可通過差分處理尋找其位置。以圖3的曲線為例，對其進(jìn)行差分處理后的結(jié)果如圖4所示。然后，搜尋出差分信號負(fù)值峰的右邊界點(diǎn)，作為可能的線對沉降位置點(diǎn)。對圖3，4進(jìn)行對照可知，圖3中信號沉降位置包含于圖4中的負(fù)值峰右邊界點(diǎn)。

圖4 尋找可能的雙絲沉降位置示意

如果搜尋到的邊界點(diǎn)數(shù)小于2，則說明不存在有效的雙絲信號。

2.5 確定雙絲沉降位置

由于差分結(jié)果對噪聲很敏感，局部變化較大的噪聲在一定程度上會統(tǒng)計為可能的沉降位置。為消除這一不利影響，可設(shè)置一定的高度閾值(如0.05)對差分信號中負(fù)值峰進(jìn)行過濾。圖5為按此方法進(jìn)行處理的例子。

圖5 通過閾值法選取有效負(fù)值峰的示例

統(tǒng)計高于限定值的負(fù)值峰數(shù)，如果統(tǒng)計數(shù)目小于2，則說明不存在有效的雙絲信號。

對于保留下來的可能的雙絲沉降位置，分別在歸一化信號中讀出對應(yīng)值，取其中信號最大值對應(yīng)的沉降位置作為最終的雙絲沉降位置。

根據(jù)雙線型像質(zhì)計的特點(diǎn)，還需要進(jìn)行最終的甄別：① 歸一化信號中，沉降點(diǎn)位置左右兩側(cè)峰值的高度差要小于0.4；② 沉降位置與數(shù)據(jù)中心的位置偏差要小于一定限值(如10)。

3 應(yīng)用分析

對于圖2中所示的雙線型像質(zhì)計灰度曲線，采用自動定量方法計算后得到的結(jié)果見圖6。可見，此方法可一次性完整地得到雙線型像質(zhì)計的識別情況：1D到9D像質(zhì)計絲的識別度逐步下降，而10D像質(zhì)計絲則無法分辨。雖然逐段截取信號的過程中，信號的形狀會有一定的差異，但信號所代表的調(diào)制度是基本不變的，這也充分表明了方法的適用性和可靠性。

圖6 雙線型像質(zhì)計的識別度計算

將圖6與圖2進(jìn)行對比可知，1D～8D像質(zhì)計絲的調(diào)制度計算結(jié)果基本上差異不大。有所差異的原因在于圖2中計算時是針對整條曲線進(jìn)行的，其將背景灰度視為固定不變的一個數(shù)值；而實際上，各個線對的背景信號值是有波動變化的，圖6通過分段處理后，能夠充分考慮各線對背景信號的不同情況，因此圖6的計算結(jié)果更為合理。另外，這種自動定量方法能夠準(zhǔn)確識別出9D像質(zhì)計絲，解決了針對整條曲線處理時使用全局閾值對于微弱信號難以有效識別的問題。在實現(xiàn)過程中，這種自動定量方法雖然也需要設(shè)置一定的參數(shù)或閾值，但試驗表明對于不同的信號而言，該方法的通用性良好，這主要是因為其進(jìn)行了數(shù)據(jù)分段和歸一化處理。

以雙線型像質(zhì)計為測試模型，針對采用線陣列射線探測器的數(shù)字射線成像系統(tǒng)[12]進(jìn)行了測試分析。線陣列探測器的像素尺寸為83 μm，射線源有大小兩個焦點(diǎn)(f為3.6,1.9 mm)。測試時，采用兩種放大倍數(shù)(M為1.35,1.12)。測試結(jié)果如圖7所示，從圖7可看到，采用大焦點(diǎn)、大的放大倍數(shù)時雙線型像質(zhì)計絲的識別度較差(主要因為增加了幾何不清晰度)，通過圖像對比能夠定性認(rèn)識檢測參數(shù)變化對于圖像質(zhì)量的影響。而采用筆者提出的雙線型像質(zhì)計線對調(diào)制度的自動定量方法，則可便捷地觀測到數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能與成像參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，如圖8所示(圖中虛線表示采用二次曲線形式對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的情況)。圖8中橫坐標(biāo)為雙線型像質(zhì)計絲對應(yīng)的空間分辨率，縱坐標(biāo)則代表對細(xì)節(jié)的調(diào)制能力，曲線反映的是射線成像系統(tǒng)對于不同細(xì)節(jié)的調(diào)制能力，此曲線可稱為對比度傳遞函數(shù)(CTF)；經(jīng)過一定的變換處理，可轉(zhuǎn)化為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。圖8中，f=3.6,M=1.35時，數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能最差，其分辨率只能達(dá)到2.0 LP·mm-1；f=1.9,M=1.12時，數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能最優(yōu)，其分辨率可達(dá)到5.0 LP·mm-1，接近探測器的基本分辨能力6.0 LP·mm-1；而f=3.6,M=1.12與f=1.9,M=1.35兩種參數(shù)組合的系統(tǒng)性能大致相當(dāng)，這表明使用小的放大倍數(shù)，可以一定程度上彌補(bǔ)射線源焦點(diǎn)較大的不利影響。

圖7 雙線型像質(zhì)計測試圖像

圖8 數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能的定量測試結(jié)果

4 結(jié)語

筆者提出了一種自動定量方法，可針對射線檢測試驗中的雙線型像質(zhì)計的灰度曲線進(jìn)行一次性處理，便捷、可靠地實現(xiàn)各個線對調(diào)制度的定量解讀。

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Automatic Determination Method of the Modulation of Duplex Wire Image Quality Indicator

SUN Chao-ming

(Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Duplex wire image quality indicator (IQI) is often used to measure unsharpness in radiography, or to determine basic resolution of an X-ray digital detector. However, manual determination of modulation of the IQI is rather bothersome. So, an automatic method was put forward. Firstly, data from IQI was cut to segments by certain width from beginning to end, and each segment was normalized. All the segments were discriminated according to gray values of beginning position and end position, and qualified segments need to be processed further. Secondly, dip position in duplex wire curve was searched according to an algorithm, and its position value in the segmented curve can be used to determine the modulation. The proposed method is able to determine modulation of each duplex wire quickly and reliably through processing just a time.

Duplex wire IQI; Modulation; Measurement; Automatic

2016-06-27

孫朝明(1977-)，男，高級工程師，碩士，主要從事無損檢測技術(shù)應(yīng)用研究。

孫朝明，E-mail: chm_sun@sohu.com。

10.11973/wsjc201702006

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0022-04