數字射線檢測技術專題（五）——數字射線檢測基本技術

（新立機器廠，北京 100039）

1 數字射線檢測技術概述

數字射線檢測技術在檢測中應用的主要是直接數字化射線檢測技術和間接數字化射線檢測技術。圖1是兩種技術檢測過程的示意圖。直接數字化射線檢測技術是采用分立輻射探測器完成的射線檢測技術，這種技術在輻射探測器中同時完成射線探測、轉換和圖像數字化過程，直接給出數字化的射線檢測圖像。對于間接數字化射線檢測技術，圖像數字化過程需要作為單獨技術環節完成。

與常規膠片射線照相檢測技術比較，數字射線檢測技術的特點是：

（1）采用輻射探測器代替膠片，完成射線信號的探測和轉換。

（2）采用圖像數字化技術，獲得數字檢測圖像。

對直接數字化射線檢測技術和間接數字化射線檢測技術的檢測過程進行概括，則它們都可分為透照、信號探測與轉換、圖像顯示與評定三個基本階段。

在透照過程，按照射線的吸收規律形成反映工件信息的射線強度分布信號（圖中虛線表示），即檢測初始信號。在信號探測與轉換過程，輻射探測器對此信號進行探測、轉換、數字化采樣和量化，形成檢測數字圖像（灰度圖像）。在圖像顯示與評定過程，圖像顯示和處理單元接收傳送的數字圖像，供檢測人員處理與評定。

在基本技術控制方面，關于透照技術的透照布置、透照參數、散射線控制等，應與通常的膠片射線照相檢驗技術作同樣的考慮，以獲得較高的物體對比度信號。基本技術的特殊點是，關于放大倍數的考慮、關于輻射探測器選擇、關于顯示與觀察條件的要求等。

由于數字射線檢測技術是采用像素尺寸較大的輻射探測器探測和轉換射線信號，然后通過圖像數字化技術獲得數字檢測圖像，圖像的空間分辨力成為必須考慮的質量指標。常規線型像質計或階梯孔型像質計的像質值要求控制的主要是檢測圖像的對比度，雙絲像質計測定值則控制檢測圖像的空間分辨力（不清晰度），所以關于圖像質量指標必須同時設置對比度與空間分辨力。

下面僅討論數字射線檢測技術的一些主要的特殊控制要求。

2 透照布置的最佳放大倍數

一般說，數字射線檢測技術應采用放大透照布置，如圖2所示。記φ為射線源焦點尺寸；f為射線源與工件源側表面的距離；F為射線源與工件膠片側表面的距離（稱為焦距）。對于放大透照布置，定義放大倍數M為：

對放大透照布置存在最佳放大倍數。

按照數字射線檢測技術檢測圖像三個不清晰度（U，Uim，U0）的關系，有：

這樣，則有：

可見，物體處總的不清晰度U0與放大倍數M相關。應注意的是，對于間接數字化技術，UD是所采用的輻射探測器的固有不清晰度。定義使物體（工件）處總的不清晰度值最小的放大倍數為最佳放大倍數，則可以采用微分方法求最佳放大倍數。

首先求U0對M的偏導數，得到：

為得到最佳放大倍數，令：

由此得到對于最佳放大倍數時，應有：

解此方程，則得到最佳放大倍數表示式：

從最佳放大倍數的表示式可以看出，最佳放大倍數由輻射探測器固有不清晰度和射線源尺寸決定。對于一個具體的輻射探測器，只有采用焦點尺寸較小的射線源，才能選用較大的放大倍數。表1列出的是對不同像素尺寸的分立輻射探測器、不同射線源焦點尺寸可采用的最佳放大倍數計算值。

表1 不同像素尺寸分立輻射探測器的最佳放大倍數

當總的不清晰度采用二次方關系時，即：

則最佳放大倍數表示式：

有的歐洲數字射線檢測標準采用這種關系式，與三次方關系的差別并不大。

3 圖像數字化技術的控制

3.1 直接數字化技術輻射探測器像素尺寸選擇

在數字射線檢測技術中，通過圖像數字化技術獲得數字檢測圖像。圖像數字化包括了采樣和量化，采樣間隔直接決定了檢測圖像的空間分辨力，量化位數決定了檢測圖像的對比度靈敏度。為保證數字檢測圖像的空間分辨力，必須控制圖像數字化的采樣間隔。

對直接數字化技術，控制圖像數字化采樣間隔是正確選擇輻射探測器像素尺寸。按照數字射線檢測技術對檢測圖像引入的三個不清晰度概念，檢測圖像的不清晰度必須滿足要求。對直接數字化射線檢測技術有：

或者

即，數字射線檢測技術的檢測圖像不清晰度（空間分辨力）與數字射線檢測技術系統射線源的焦點尺寸、輻射探測器的有效像素尺寸、透照布置的放大倍數相關。

對于給定射線源焦點尺寸的數字射線檢測系統，可分兩種情況討論。

3.1.1 一般放大透照布置

按上面的關系式，應要求：

顯然，若采用M≈1的透照布置，則要求：

這就是從檢測圖像規定要求的不清晰度（空間分辨力），提出的對輻射探測器像素尺寸（固有不清晰度）的限定要求。

3.1.2 最佳放大倍數透照布置

當透照布置采用最佳放大倍數時，結合最佳放大倍數計算式，通過簡單代數運算可以得到輻射探測器固有不清晰度、檢測圖像不清晰度、射線源焦點尺寸之間的具體關系式。

代入最佳放大倍數表示式，可得到：

顯然，這時即使UD＞Uim也可以獲得滿足要求的檢測圖像空間分辨力。再次代入最佳放大倍數表示式，進行簡單代數運算，整理得到：

也即有：

對于要求的檢測圖像空間分辨力，若檢測系統采用的輻射探測器的固有不清晰度（有效像素尺寸）是這里的最大值，則必須采用最佳放大倍數，才能獲得要求的檢測圖像空間分辨力。

3.2 間接數字化技術的圖像數字化技術控制

對間接數字化射線檢測技術，為保證數字檢測圖像的空間分辨力，必須從兩個環節進行保證：

（1）輻射探測器在射線信號探測和轉換過程，必須采集到足夠的信息，滿足最終數字檢測圖像不清晰度的要求。即，輻射探測器成像處的不清晰度達到檢測圖像不清晰度的要求。

（2）在后續的數字化過程中，必須滿足采樣定理的要求，能夠把前面采集的信息以滿足檢測圖像不清晰度要求的程度，完成圖像的數字化。

第一環節是決定性的，如果輻射探測器的固有不清晰度不滿足要求（如CR技術中的IP板的固有不清晰度不滿足要求），由于后續數字化過程不能增加信息，所以不可能通過后續數字化過程提高所獲圖像的不清晰度。顯然，只要把間接數字化檢測技術輻射探測器的固有不清晰度看作是直接數字化檢測技術的分立輻射探測器的固有不清晰度，則可與直接數字化射線檢測技術作相同的處理，并給出相同的關系式。

在不考慮信息素的跡濃度揮發的理想狀態下，信息素的跡濃度增加和有效信息增加計算方式見表1，其中I表示螞蟻發現一處食物源并有效反饋的信息數值．

對于后續數字化過程，應按采樣定理控制采樣間隔。對于限定的檢測圖像不清晰度Uim，由于其對應的空間頻率為：

按采樣定理，采樣間隔應滿足的條件是：

因此得到在后續數字化中，采樣間隔應滿足的條件是：這就是后續掃描數字化過程掃描點尺寸控制的要求。

3.3 射線源焦點尺寸選擇

對于給定了輻射探測器的數字射線檢測系統，也就是輻射探測器的固有不清晰度（像素尺寸）已經確定的系統，為保證圖像數字化后滿足檢測要求的圖像空間分辨力，可通過選擇射線源焦點尺寸實現。這時也可分兩種情況討論。

3.3.1 一般放大透照布置

容易得到射線源焦點尺寸應滿足下面關系式的要求：

3.3.2 最佳放大倍數透照布置

當采用最佳放大倍數時，為得到滿足檢測技術規定要求的檢測圖像空間分辨力，系統允許使用的射線源焦點尺寸最大值，可類似于確定分立輻射探測器固有不清晰度要求的過程確定。改寫前面導出的關于UD的關系式，將作為未知數，可得到下面的一元二次方程：

求解，可得到：

對于要求的檢測圖像不清晰度，若檢測系統采用的射線源焦點尺寸是這里的最大值，則必須采用最佳放大倍數，才能獲得達到要求的檢測圖像空間分辨力。

4 圖像顯示與觀察技術

4.1 圖像顯示條件控制的視覺理論基礎

數字射線檢測技術一般是在顯示器屏幕上觀察圖像，為能夠正確可靠地識別圖像中的信息，必須控制圖像顯示條件。

關于視覺研究的理論指出，人眼的灰度分辨力（亮度分辨力），即眼睛對亮度細微變化的識別能力與亮度相關。圖3顯示了閾值對比度隨背景亮度的變化。表2給出了基本數據，表中L為照明亮度，ΔL/L為可識別的亮度對比度（閾值對比度）。可見，為提高眼睛的灰度分辨力，必須控制背景亮度處于適當范圍。

圖4顯示的是人眼的空間分辨力（即視力）隨亮度改變的規律。可見，人眼的空間分辨力隨亮度增大而增加。直到亮度超過100cd/m2，才開始出現趨于飽和狀況。對于數字射線檢測技術的圖像識別，這些構成了圖像視覺的主要基礎，從它們可提出圖像顯示條件的控制方面與要求。

圖3 閾值對比度隨背景亮度的變化

表2 可識別的亮度對比度與亮度關系

圖4 視力與亮度的關系

4.2 顯示器性能的基本要求

圖像顯示條件主要是關于顯示器性能的要求。顯示器不影響獲得的數字圖像的分辨率，但它影響圖像的顯示效果。因此，它的性能直接影響評定人員對圖像的觀察和識別。

顯示器的基本性能包括亮度、分辨率、顯示亮度比、灰度級、響應時間等。

亮度指顯示屏可達到的最大亮度。

分辨率是指顯示屏能夠顯示的像素點多少。顯示器的分辨率以水平像素數乘以垂直像素數的方式給出。例如，顯示器的分辨率寫成800×600像素（通常應包括其像素的尺寸大小），是指它的水平方向為800像素、垂直方向為600像素。顯示器本身具有一個最高的分辨率，它可以兼容其他較低的分辨率。對于具有一定分辨率的顯示器，其每單位面積都顯示相同的像素數。

顯示亮度比（也稱為對比度）指顯示屏可顯示的最大亮度與最小亮度之比。

灰度級是灰度可量化的灰度的最大級數。

響應時間是信號隨時間變化時，顯示圖像隨時間改變的特性。

對顯示器性能的基本要求，從數字射線檢測技術圖像的質量和圖像視覺基礎考慮，最關心的是前面四個主要性能。不同技術標準可能作出不同的規定，一種典型的顯示器主要性能要求如下：亮度≥250 cd/m2；分辨率≥1 280×1 024像素（像素尺寸為150～300μm）；灰度級≥256；顯示亮度比≥100∶1；軟件可提供目視可見的256級別灰度。

關于觀察條件的技術要求，顯然應是從視覺特性提出，主要包括亮度適應性要求、視場亮度要求、觀察距離要求、觀察室條件等。由于觀察的也是亮度對比度圖像，因此與膠片射線照相技術的評片技術要求基本相同。

4.3 數字圖像處理技術

為了更好地識別圖像中的信息，在觀察和評定圖像時通常都要運用數字圖像處理技術。數字圖像處理技術所基于的是，數字圖像的每個像素灰度值可用一個二進制數字（0，1）表示，可以方便地輸入計算機，進行各種計算處理，改善得到的圖像質量。

數字圖像處理技術可分為三個層次內容：狹義圖像處理、圖像分析、圖像理解。狹義圖像處理是對輸入圖像進行某種變換，改善圖像的視覺效果或對圖像進行壓縮編碼等，獲得輸出圖像。在數字射線檢測技術中運用的數字圖像處理內容，主要是狹義圖像處理，也可說是圖像增強處理內容，它包括空間域增強、頻率域增強、彩色增強等。簡單說，圖像增強處理主要是根據圖像質量的一般性質，選擇性地加強圖像的某些信息、抑制另一些信息，改善圖像質量。部分常用的數字圖像處理主要是對比度增強（包括灰度變換法、直方圖調整、局部統計方法等）、圖像平滑（包括低通濾波法、局部平均法、多幀平均法等）、圖像銳化（包括高通濾波法、微分（梯度）法等），此外還有一些其他圖像增強處理方法。這些數字圖像處理方法，匯集在圖像觀察與評定系統的軟件中。不同的數字射線檢測技術系統可能提供不同功能的軟件，使用條件也會存在差異。此外，軟件應包括缺陷尺寸電子測量功能，以便正確地測定缺陷尺寸。

為了更好地識別圖像中的信息，在觀察和評定圖像時通常都要運用數字圖像處理技術。

圖5和6是部分圖像處理對圖像改變的情況。

為正確地運用這些軟件，獲得滿意的圖像質量，正確地完成缺陷評定，顯然，數字射線檢測技術要求檢測人員應掌握一定的計算機操作技能。

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