張帥，張國光

　?。ㄖ袊幽芸茖W(xué)研究院，北京 102413）

　　摘要：隨著我國石油管道更新?lián)Q代的提速，以及中俄石油管道訂單的簽約成功，我國在石油管道需求量上大幅提高，因此，在石油管道生產(chǎn)線上對管道進(jìn)行實(shí)時(shí)成像及缺陷檢測變得尤為重要?；赪indows消息機(jī)制以及軟件模塊化設(shè)計(jì)思想，按照X射線實(shí)時(shí)成像的系統(tǒng)功能進(jìn)行線程劃分，軟件采用面向?qū)ο蟮腃++語言作為軟件編輯工具，并選擇Microsoft Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境完成軟件開發(fā)。在圖像處理方面對灰度校正、灰度變換等進(jìn)行了研究。

　　關(guān)鍵詞：石油管道；X射線；實(shí)時(shí)成像；VC++6.0

0引言

　　石油管道作為石油運(yùn)輸?shù)闹匾浇椋渫旰贸潭戎苯雨P(guān)系到人身和設(shè)備安全，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。傳統(tǒng)的檢測方法是拍片法，這樣會(huì)耗用大量的膠片，檢測周期長，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。而利用X射線實(shí)時(shí)成像法來檢測石油管道可以彌補(bǔ)拍片法的缺陷，達(dá)到省時(shí)省工的目的。

　　1X射線檢測原理［1］

　　X射線是波長介于10－5～10－11mm之間的電磁波，當(dāng)X射線穿過金屬物質(zhì)后其強(qiáng)度會(huì)衰減，衰減規(guī)律可用下式表示：

　　I=I0×e－μd（1）

　　其中，I0是X射線入射強(qiáng)度，I是X射線穿過物質(zhì)之后的強(qiáng)度，μ是X射線衰減系數(shù)，d是物質(zhì)的厚度。根據(jù)式（1）可知，不同厚度的同種物質(zhì)對相同能量的X射線吸收不同，因此可以根據(jù)I值來確定物質(zhì)厚度是否一樣，也就是石油管道管壁是否有缺陷。

　　穿過物質(zhì)后的X射線被線陣傳感器采集，使得傳感器上的閃爍體發(fā)光，通過光電倍增管轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號，經(jīng)過積分放大處理，得到A/D轉(zhuǎn)換電路可以處理的電平范圍的模擬電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，這些表征著圖像信息的數(shù)字信號被送入計(jì)算機(jī)。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　檢測設(shè)備的軟件系統(tǒng)決定著整個(gè)設(shè)備的成敗，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，自上而下，將系統(tǒng)軟件按照功能劃分，各功能模塊間彼此獨(dú)立、協(xié)同工作。將軟件系統(tǒng)分為外部設(shè)備控制、圖像數(shù)據(jù)讀取、圖像數(shù)據(jù)處理和圖像顯示四個(gè)功能模塊。其中外部設(shè)備控制模塊主要包括X光源控制、采集卡設(shè)置等。圖像數(shù)據(jù)處理模塊主要包括計(jì)算數(shù)據(jù)、灰度校正、灰度變換和偽彩色處理。

　　2.1灰度變換

　　灰度變換實(shí)質(zhì)上是一種對比度增強(qiáng)技術(shù)。檢測圖像的灰度值往往分布在幾個(gè)灰度區(qū)間內(nèi)，直接顯示既造成了灰度顯示空間的浪費(fèi)，也造成了一部分細(xì)節(jié)信息的丟失。因此，需要對圖像進(jìn)行灰度變換，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了線性變換、對數(shù)變換和指數(shù)變換三種方法，以適應(yīng)不同特征圖像的處理。

　　線性變換是本系統(tǒng)默認(rèn)的灰度變換方法，這里用的是比特窗技術(shù)。檢測圖像是16 bit的純灰度圖像，但是計(jì)算機(jī)無法直接顯示16 bit的純灰度圖像，計(jì)算機(jī)同時(shí)能顯示的灰度級只有8 bit，即256級，別外在檢測圖像的整個(gè)16 bit灰度段中，并不是所有的比特段都包含重要的信息。因此，為了提高圖像分析處理的效果和效率，采用了一種數(shù)據(jù)抽取機(jī)制，即比特窗技術(shù)［2］。

　　顯示圖像數(shù)據(jù)的灰度范圍為0～255，原始圖像數(shù)據(jù)的灰度范圍為0～65 535，比特窗是在原始圖像數(shù)據(jù)0～65 535灰度范圍內(nèi)的一個(gè)灰度窗口。比特窗左端點(diǎn)由基線決定，寬度由對比度決定。由原始圖像數(shù)據(jù)到顯示圖像數(shù)據(jù)的灰度映射算法如下：原始圖像數(shù)據(jù)中灰度值低于基線的像素，轉(zhuǎn)換后在顯示圖像數(shù)據(jù)中的灰度為0；原始圖像數(shù)據(jù)中灰度值處在比特窗范圍內(nèi)的像素，轉(zhuǎn)換后在顯示圖像數(shù)據(jù)中的灰度是將比特窗按線性關(guān)系映射到0～255之間的結(jié)果；原始圖像數(shù)據(jù)中灰度高于比特窗高端的像素，轉(zhuǎn)換后在顯示圖像數(shù)據(jù)中的灰度為255。

　　除了默認(rèn)的線性變換方法外，系統(tǒng)還提供了非線性變換方法，即對數(shù)變換和指數(shù)變換［3］。

　　對數(shù)變換是對原始圖像數(shù)據(jù)中各像素的灰度值或該灰度值的某個(gè)線性變換值取對數(shù)，然后將該對數(shù)值作為顯示圖像數(shù)據(jù)中該像素的灰度。對數(shù)變換是將原始圖像的低灰度區(qū)拉寬、高灰度區(qū)壓縮的算法，適合對像素灰度集中在低灰度區(qū)的圖像進(jìn)行處理。指數(shù)變換與對數(shù)變換是相對的，是將原始圖像的高灰度區(qū)拉寬，低灰度區(qū)壓縮，適合對像素灰度集中在高灰度區(qū)的圖像進(jìn)行處理。所用的對數(shù)、指數(shù)變換形式分別如式(2)、式(3)：

　　其中，Amax是原始圖像數(shù)據(jù)中所有像素的最大灰度，Amin是原始圖像數(shù)據(jù)中所有像素的最小灰度，A是要進(jìn)行變換的像素在原始圖像數(shù)據(jù)中對應(yīng)的灰度，A′是要進(jìn)行變換的像素在顯示圖像數(shù)據(jù)中對應(yīng)的灰度。

　　2.2偽彩色處理4

　　根據(jù)人類的視覺特性，人眼對于彩色的敏感程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灰度，因此，把原始圖像各個(gè)像素的灰度值分別按照某種映射關(guān)系轉(zhuǎn)換成RGB三原色的組合，使圖像層次豐富，更加易于識別。

　　2.3灰度校正

　　石油管道X線檢測系統(tǒng)是一種一維陣列探測器掃描成像系統(tǒng)，探測器由320個(gè)探測單元組成，每一個(gè)探測單元都有自己獨(dú)立的測量電路。但是每個(gè)探測單元的效率、靈敏度、靈敏區(qū)等不可能完全一致，從而會(huì)造成輸出電流信號存在差別，另外每個(gè)測量電路的零點(diǎn)、增益也各不相同，最終導(dǎo)致圖像出現(xiàn)明暗不均的條帶。因此系統(tǒng)正式使用前，必須先進(jìn)行灰度校正。

　　ki（t）=ki（t2）－ki（t1）lnVi（t）－V0i－lnVi（t1）－V0ilnVi（t2）－V0i－lnVi（t1）－V0i+ki（t1）（10）灰度校正方法主要有線性校正［5］、分段線性校正和非線性校正［6］，具體方法的選用需要根據(jù)探測器輸出的線性情況來決定。本系統(tǒng)分別對分段線性校正和非線性校正兩種方法進(jìn)行了測試。分段線性校正相當(dāng)于把探測器響應(yīng)曲線分段看成直線，是線性校正的改進(jìn)方法。而線性校正的方法是在校正之前先定標(biāo)，即測定響應(yīng)曲線，得到斜率和截距。首先在沒有射線（本底）的條件下，測量探測器的輸出，即截距V0i，然后讓射線照射探測器（空載），測量輸出Vi（t），然后計(jì)算：

　　其中，V（t）－V0表示Vi（t）－V0i對所有探測器取平均，ki稱為校正參數(shù)。于是有校正公式：

　　V′i（t）=（Vi（t）-V0i）kii=0,1,…,n-1（5）

　　式(5)中，Vi（t）和V′i（t）分別是校正前后第i個(gè)探測器的輸出信號。物理意義是把各個(gè)響應(yīng)曲線平移后使其通過原點(diǎn)，再旋轉(zhuǎn)至平均斜率處。

　　分段線性校正就是對響應(yīng)曲線分段定標(biāo)，每一段生成一個(gè)校正參數(shù)，相當(dāng)于把探測器響應(yīng)曲線分段看成直線。采用不同厚度的衰減物遮擋射線，可以確定多個(gè)定標(biāo)點(diǎn)，從而得到多個(gè)校正參數(shù)。

　　非線性校正可以由2個(gè)定標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和實(shí)際掃描時(shí)探測器的輸出，經(jīng)過插值確定該輸出點(diǎn)理論上對應(yīng)的校正參數(shù)。

　　設(shè)2種衰減物的厚度分別為d1、d2，對應(yīng)的探測器輸出為Vi（t1）、Vi（t2），校正參數(shù)為ki（t1）、ki（t2），被掃描物的厚度為d及對應(yīng)的探測器輸出為Vi（t），一般可以考慮采用線性插值法來獲得ki（t），即：

　　事實(shí)上d是未知的，因此需要用已知的探測器輸出Vi（t）表示厚度d，這需要利用射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律。

　　強(qiáng)度為I0的X射線透過厚度為d的物質(zhì)后，其強(qiáng)度變?yōu)椋?/p>

　　所以有：

　　式(10)的物理意義是對探測器輸出去除本底后進(jìn)行對數(shù)插值，由已知衰減物厚度時(shí)的校正參數(shù)得到探測器任意輸出對應(yīng)的校正參數(shù)ki（t）。圖1、圖2分別為分段線性校正和對數(shù)插值校正的效果圖。

　　通過兩種灰度校正方法效果的比較，對數(shù)插值灰度校正效果會(huì)稍微好一些，所以本系統(tǒng)選擇對數(shù)插值方法來進(jìn)行灰度校正。

　　3軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　3.1功能介紹

　　石油管道檢測軟件是一款X射線成像軟件，運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下。主要功能包括：系統(tǒng)設(shè)置、陣列探測器的不一致性校正、單幀掃描、連續(xù)掃描、顯示模式調(diào)整等。軟件主界面如圖3所示。

　　3.2采集卡設(shè)置

　　在采集圖像前，用戶首先需要設(shè)置采集卡的參數(shù)。選擇，將彈出系統(tǒng)設(shè)置窗口，如圖4所示。參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊“OK”按鈕，則相應(yīng)參數(shù)即寫到硬件中去。用戶使用默認(rèn)設(shè)置即可。參數(shù)設(shè)置界面中：

　　Integration Times(μs):積分時(shí)間；

　　Bias:偏置電壓設(shè)置，范圍0～255，對應(yīng)偏置電壓0～2.5 V。

　　Gain Low:低能增益，范圍0～7，值越大返回的低能數(shù)據(jù)越小。

　　Gain High:高能增益，范圍0～7，值越大返回的低能數(shù)據(jù)越小。

　　PD Modules: 每串所連接的PD陣列模塊數(shù)；

　　Serials: 串?dāng)?shù)。

　　3.3圖像采集

　　：啟動(dòng)單幀圖像采集。即采集到設(shè)置的圖像寬度后自動(dòng)停止。

　?。哼B續(xù)采集。即采集到設(shè)置的圖像寬度后繼續(xù)采集，圖像滾動(dòng)顯示。

　?。和Ｖ共杉?。

　　3.4閾值調(diào)節(jié)

　　點(diǎn)擊，彈出圖5，可調(diào)節(jié)圖像高低閾值，以便調(diào)節(jié)圖像灰度。

　　3.5圖像顯示

　　圖像分高低能顯示，如圖6所示。調(diào)節(jié)左側(cè)的灰度上下閾值，可改變圖像亮度。

　　3.6偽彩色調(diào)節(jié)

　　默認(rèn)圖像以灰度顯示，用戶也可選擇其他編碼顯示，如彩虹編碼、熱金屬編碼、逆灰度編碼。

　　3.7陣列探測器的不一致性校正

　　校正方法為：

　?。?)關(guān)閉X光機(jī)，點(diǎn)擊，軟件會(huì)進(jìn)行本底掃描。

　?。?)打開X光機(jī)，點(diǎn)擊，進(jìn)行亮度1采集。

　　（3)打開X光機(jī)，點(diǎn)擊，進(jìn)行亮度2采集。

　　亮度1和2表示中間放置了不同厚度的衰減物。

　?。?)點(diǎn)擊進(jìn)行校正。

　　校正之后就可以進(jìn)行正常的圖像掃描了。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　最后，本文用厚度均為2 mm、寬度均為10 mm、長度不等的鋁片做階梯成像實(shí)驗(yàn)。效果如圖7所示。

5結(jié)論

　　利用X射線實(shí)時(shí)成像對石油管道進(jìn)行缺陷檢測，可以大大降低工人的工作強(qiáng)度，并且檢測結(jié)果一目了然。因?yàn)槭凸艿赖谋诤裨谏a(chǎn)過程中有一致性的特點(diǎn)，所以降低了圖像處理的難度，本文采用偽雙能X射線成像法，最終分別顯示高低能兩幅圖像。其實(shí)，本系統(tǒng)也可以根據(jù)求R值的方法，將高低能圖像整合在一起，實(shí)現(xiàn)一幅圖像的顯示，會(huì)有更好的成像效果。

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