基于變劑量掃描的X射線圖像增強技術

段彥杰,楊 明,劉 賓,陳方林

(中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

工業(yè)X射線檢測領域中,大型復雜構件和材料的厚度變化往往從幾毫米到幾百毫米,且一些大型封裝組合結(jié)構的內(nèi)部由不同材料的零部件組成。因此射線透射方向上厚度差異較大,導致射線衰減程度的差異較大,到達成像器件探測器的光子數(shù)也差異較大,造成某些探元接收到的光子數(shù)超過其容限。在檢測中如果僅保證較厚或衰減系數(shù)大的部位有足夠能量的射線穿透,那么勢必導致貫穿厚度較薄或衰減系數(shù)較小部位到達膠片或探測器的光子能量過高,表現(xiàn)為該區(qū)域圖像灰度飽和,影響微細缺陷的有效檢出[1-2]。目前實際應用中,對于厚度差異較大物體的X射線檢測技術主要有采用高動態(tài)范圍的成像器件、加準直局部透照以及雙能或多能透照等。然而高動態(tài)范圍的成像器件價格十分昂貴,同時也限制了數(shù)字射線成像系統(tǒng)的應用范圍;加準直局部透照方法需要反復改變準直位置,反復試驗,檢測耗時長,具有較大的試驗難度,而且效果一般,局限性大;雙能或多能透照,在一定程度上解決了厚度差異較大的影響,卻需要幾個射線源同時工作,增加了試驗設備負擔和試驗成本。西安交通大學提出采用尺度空間分解的X射線圖像動態(tài)范圍擴展方法,此方法可對兩幅圖像進行尺度分解并重建,但只能得到工件大致的結(jié)構信息,無法清晰地看出透射方向厚度差異較大的物體結(jié)構細節(jié)信息[3-4]。

筆者針對上述問題,對基于變劑量掃描的X射線圖像增強技術作了研究。

1 變劑量透照方法

動態(tài)范圍小的X射線圖像所攜帶的有效信息量不足,無法有效獲取所需整體細節(jié)信息。變劑量透照方法借助X射線劑量的遞增變化,對工件透照生成序列圖像并將序列圖像拼接融合成一幅動態(tài)范圍大的圖像,從而實現(xiàn)數(shù)字X射線系統(tǒng)透視圖像動態(tài)范圍的增強,簡要步驟如圖1。

圖1 變劑量透照方法簡要步驟

首先進行預透照,分析在不同電壓下,圖像中透照區(qū)域的變化以及所對應的灰度信息變化,建立材料的灰度-電壓-厚度關系模型,為后面射線管電壓變化范圍及間隔值提供先驗信息,大概估計出被測物體所需最低和最高電壓。不同管電壓對應不同能量的X射線,穿透物體后在射線圖像中表現(xiàn)為圖像灰度不同,所以合理地改變管電壓對工件進行多次透照,使獲得的X射線圖像序列中完全包含了工件不同厚度位置的所有相關細節(jié)信息。

其次對序列圖像進行分析,由于序列中每幅圖像有效的信息及位置不同,所以需要對每幅圖像分析得出可用的有效信息,從而提取出有效數(shù)據(jù)子圖。

最后對所提取的有效數(shù)據(jù)子圖進行拼接融合獲取一幅高動態(tài)范圍的數(shù)字射線圖像,從而有效地擴大數(shù)字射線系統(tǒng)透視圖像的動態(tài)范圍。

其中透照方式、子圖提取和拼接融合這三個方面是重點。

1.1 透照方式

不同管電壓對應不同能量的X射線,穿透同一厚度物體后在射線圖像中的圖像灰度也不同,但隨著射線劑量的漸變,圖像灰度的變化是一個連續(xù)變化的過程。另外,由于X射線的能量不同,所穿過的有效厚度不同,則隨著射線能量從低到高的變化,在射線圖像序列上依次顯示物體等效厚度從小到大的有效透照區(qū)域。這樣就可以根據(jù)前幾幀的灰度信息對當前圖像的灰度變化以及有結(jié)構信息的透照區(qū)域變化作合理的預測。利用數(shù)學方法建立預測模型,即可實現(xiàn)劑量預測。根據(jù)灰度-電壓-厚度關系模型,預測下一幀的有結(jié)構信息的透照區(qū)域,以及該區(qū)域中的灰度信息,同時設置X射線的管電壓,對物體進行透照成像。再對透射圖像進行灰度統(tǒng)計分析,來自動調(diào)節(jié)射線源的管電壓。

1.2 子圖提取

在數(shù)字X射線成像系統(tǒng)中,度量圖像質(zhì)量的因素主要有兩個：對比度和不清晰度。圖像的對比度取決于X射線源的性能和能量及成像條件,清晰度則依賴于成像設備的幾何條件和系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。本方法中,由于只改變射線的管電壓,系統(tǒng)的其它參數(shù)沒有改變,所以對于射線成像質(zhì)量中的不清晰度是不變的,所以影響圖像質(zhì)量的主要因素是對比度。對比度是被檢物體厚度微小變化引起膠片密度或亮度(屏圖像)變化的度量。顯然,在其它因素相同的條件下,對比度越大,則成像的質(zhì)量越好。因此高對比度圖像將產(chǎn)生高的檢測靈敏度。

設射線入射強度為I,物體厚度變化為Δx,物體對射線的線衰減系數(shù)為μ,射線的散射比為n,射線轉(zhuǎn)換屏的亮度為B,相應的圖像對比度為：

可見,影響圖像對比度的主要因素是射線散射比,散射比越小,圖像的對比度越大,成像質(zhì)量越好。對于某種材料而言,影響散射比的主要因素是射線能量(電壓),而能量決定射線穿透能力,然而電壓變化直接反映在射線圖像上是灰度的變化,所以本方法通過試驗方法找到透視圖像最佳對比度對應的一個最佳灰度帶,并以此作為序列圖像中數(shù)據(jù)子集的提取分割依據(jù)。

1.3 拼接融合

根據(jù)灰度-電壓-厚度的關系模型,對在不同電壓下提取的物體透視圖像數(shù)據(jù)子集進行灰度加權,使提取的有效區(qū)域在拼合后能夠正確地表現(xiàn)出物體整體的結(jié)構變化,同時提高數(shù)字射線圖像的動態(tài)范圍。

圖2為拼接融合方法原理圖,圖中左側(cè)U1,U2,U3和U4為不同電壓下的灰度-電壓模型曲線。

(1)當電壓加到U1時,能夠使被測物體的最厚部分達到最佳灰度帶,即能夠使最厚區(qū)域的信息完全,因此方法的第一步：以U1灰度-電壓-厚度模型曲線為灰度增強的基礎曲線。

圖2 拼接融合方法原理圖

(2)方法的第二步：將U1,U2,U3和U4對應的有效厚度依次平移拼加在U1曲線上,得到如圖2右側(cè)所示的ah曲線段,對應厚度變化AH。圖中max1為探測器所能到達的最大灰度值(12位A/D即為4094),max2為圖像灰度增強后能夠達到的最大灰度值。

2 試驗

試驗采用中北大學電子測試技術國家重點實驗室所配置的X射線CT/DR系統(tǒng),其中450 kV的GE射線機,12位A/D的Paxscan 2520探測器,以及實驗室自主開發(fā)的圖像采集程序進行序列圖像的采集。

2.1 階梯試塊變劑量透照

試驗對象：鋼質(zhì)階梯試塊

成像條件：電壓由低到高進行透照,電壓范圍為80～190 kV,步進為10 kV,電流為1.5 mA 。

階梯試塊的厚度分別為 1,1.5,2,4,6,8和10 mm,為了能測試其拼接效果,在階梯試塊底部粘有直徑分別為0.4,0.6和0.8mm的細絲,并做適當?shù)膹澢?圖3)。由于圖像數(shù)目較多,因此選取80,130,160和190 kV進行分析(圖4)。

圖3 階梯塊結(jié)構示意圖

其中圖4(a)前三個階梯比較清晰,而后三塊缺乏相關信息;圖4(b)第四個階梯塊比較清晰,但第一個階梯已經(jīng)無任何相關信息;圖4(c)同圖4(b);圖4(d)最后兩個階梯塊比較清晰;圖4(e)所有的階梯都比較比較清晰,很好地將三根細絲信息完整地表現(xiàn)出來,達到了動態(tài)范圍擴展的目的。

2.2 缸蓋變劑量透照

實驗對象：鋼質(zhì)缸蓋

成像條件：電壓由低到高進行透照,電壓范圍為60～150 kV,步進為5 kV,電流為1.5mA。由于圖像數(shù)目較多,因此選取60,100和150 kV進行分析(圖5)。

如圖5(a)缸蓋薄的空洞比較清晰,而較厚的部位缺乏相關信息;圖5(b)孔洞與周圍相連區(qū)域比較清晰,但較薄位置的空洞已經(jīng)無任何相關信息;圖5(c)缸蓋較厚部位的孔洞比較清晰,而其余部分相關信息很少;圖5(d)拼接融合后的圖像很好地將缸蓋各個部位的信息顯示得很清晰,同樣達到了動態(tài)范圍擴展的目的。

3 結(jié)論

提出了一種X射線圖像動態(tài)范圍擴展方法,它可通過成像工件在多個電壓下透照生成的小動態(tài)范圍序列圖像重建出一幅寬動態(tài)范圍的圖像。結(jié)果表明,該方法從視覺上可顯著擴展圖像的灰度動態(tài)范圍,有利于對工件的內(nèi)部特征進行進一步的研究,且具有實施簡單、重復性好、檢測快速、成本低等特點,尤其適用于透射方向厚度差異較大物體的X射線檢測,解決了某些廉價數(shù)字X射線成像設備成像動態(tài)范圍小的弊端,有利于推動數(shù)字成像設備的普及。

[1]杜昱平,張永順.平板探測器DR與CCD探測器DR的基本結(jié)構與比較[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2006,8(27)：60-62.

[2]楊瑩,牟軒沁.一種醫(yī)學X射線圖像動態(tài)范圍擴展方法[J].西安交通大學學報,2008,12(42)：1468-1471.

[3]楊霈,董秋影,楊民.基于小波變換的雙能DR圖像融合[J].無損檢測,2008,30(7)：430-433.

[4]陳方林,王黎明,韓焱,等.軸對稱件DR檢測過程中趨勢項的消除方法[J].無損檢測,2009,31(1)：50-52.