工業(yè)X射線檢測(cè)圖像預(yù)處理的研究進(jìn)展

(洛陽(yáng)欣隆工程檢測(cè)有限公司 ， 河南 洛陽(yáng) 471012)

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來我國(guó)對(duì)鑄造產(chǎn)品需求在數(shù)量和質(zhì)量上都有大幅度的提升。鑄件在出廠前幾乎都需要對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)以保證產(chǎn)品質(zhì)量。如今，無損檢測(cè)技術(shù)已在航空航天、石油化工、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，射線檢測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用所占比例約40%，可見，射線檢測(cè)仍然是十分重要的檢測(cè)方法。傳統(tǒng)的X射線檢測(cè)技術(shù)是基于膠片成像和人工測(cè)評(píng)膠片，但這種方法存在工作效率低、人為客觀因素影響大、無法實(shí)時(shí)成像、成本高以及圖像管理不便等缺點(diǎn)。X射線實(shí)時(shí)成像及計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)與光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以通過圖像增強(qiáng)將X射線圖像轉(zhuǎn)換為視頻圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，以提高檢測(cè)靈敏度和缺陷的識(shí)別能力，再利用計(jì)算機(jī)分析處理檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果評(píng)定，檢測(cè)圖像可長(zhǎng)期在計(jì)算機(jī)或者光盤中進(jìn)行保存，從而可使X射線檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[1]。

一般情況下X射線原始檢測(cè)圖像灰度區(qū)間窄、對(duì)比度低、噪聲多、缺陷邊緣不清晰、缺陷特征被淹沒、存在較大的背景起伏等缺陷，進(jìn)而影響了無損檢測(cè)人員對(duì)工件進(jìn)行缺陷評(píng)定。圖像預(yù)處理的目的主要是減少圖像中的噪聲，提高圖像對(duì)比度，進(jìn)而增強(qiáng)圖像中缺陷的可識(shí)別性[2]。因而，有必要對(duì)檢測(cè)圖像的預(yù)處理進(jìn)行研究，以提高檢測(cè)圖像質(zhì)量。

1 檢測(cè)圖像的去噪處理

對(duì)檢測(cè)圖像的平滑處理技術(shù)進(jìn)行研究的目的是消除噪聲對(duì)檢測(cè)圖像影響的同時(shí)不會(huì)模糊檢測(cè)圖像的邊緣輪廓[3-5]。目前，常用的去噪方法為空域法與頻域法[6]。所謂頻域?yàn)V波就是在一個(gè)頻域內(nèi)乘以一個(gè)濾波函數(shù)H(u，v)，頻域?yàn)V波的處理的運(yùn)算量較大，且圖像的灰度區(qū)間較窄，灰度值小，限制了頻域?yàn)V波的應(yīng)用。

空域法濾波是借助模板在圖像空間進(jìn)行鄰域操作完成的，可分為線性濾波和非線性濾波[7-8]。具體操作步驟如下：①將模板在圖中漫游，使模板中心與圖中一個(gè)像素位置重合；②使模板上系數(shù)與下對(duì)應(yīng)像素相乘；③求和；④將模板輸出響應(yīng)值賦給途中對(duì)應(yīng)模板像素中心像素。

1.1 線性濾波器

線性濾波器分為兩種，即低通(平滑)濾波器與高通(銳化)濾波器[9]。低通濾波器可有效削弱或者消除傅里葉空間的高頻分量而不影響低頻分量，從而平滑圖像；高通濾波器能夠有效減弱或消除傅里葉空間的低頻分量而不影響高頻分量，從而銳化圖像。

線性濾波器的基本思想是通過平均運(yùn)算一點(diǎn)和其鄰域來去除突然變化的點(diǎn)，從而去除噪聲，但方法的缺點(diǎn)是圖像會(huì)有一定的模糊。一般情況下模板不允許移除邊界，因此經(jīng)過處理后的圖像會(huì)小于原圖像。

采用尺度為s(M×N的矩形窗)的模板對(duì)f(x,y)進(jìn)行運(yùn)算，平滑處理后的灰度值如下：

(1)

由式(1)可看出，模板尺寸的增大有助于噪聲的消除，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致圖像變得模糊。這就需要一個(gè)合適的閾值來減少鄰域平均所導(dǎo)致的模糊效應(yīng)。

高斯濾波前后圖像對(duì)比如圖1所示，從圖1可看出，模板運(yùn)算時(shí)，在去噪的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致邊緣細(xì)節(jié)的破壞[10]。

圖1 高斯濾波前后圖像對(duì)比

1.2 非線性濾波器

中值濾波是非線性濾波方法的一種，運(yùn)算過程無需圖像的統(tǒng)計(jì)特征，大幅度地簡(jiǎn)化了圖像處理[11]。中值濾波并不會(huì)像線性濾波一樣模糊圖像細(xì)節(jié)，可保留圖像邊緣細(xì)節(jié)。中值濾波采用像素點(diǎn)鄰域灰度值中值取代該點(diǎn)像素值。該方法對(duì)濾波脈沖的干擾、圖像掃描噪聲孤立點(diǎn)和線段的消除十分有效，而對(duì)消除高斯噪聲的效果不佳。中值濾波并不適用于點(diǎn)、線、尖角較多的圖像。目前常用的濾波有迭代中值濾波、加權(quán)中值濾波等。

中值濾波器可表示為：

g(x,y)=median{f(x-k,y-l),(k,l)∈W}

(2)

式(2)中g(shù)(x,y)噪聲去除后的圖像，f(x,y)為輸入的原圖像，W為二維模板，k模板長(zhǎng)度，l模板寬度。

濾波效果很大程度上依賴中值濾波器窗口的尺寸及形狀。中值濾波器窗口形狀主要有線形、方形、圓形、十字形以及環(huán)形。較長(zhǎng)緩變輪廓的圖像常采用方形窗口。而存在尖角的圖像常采用十字性窗口。一般從大到小逐步進(jìn)行窗口尺寸的選擇，直至濾波效果達(dá)到令人滿意的效果。檢測(cè)圖像濾波前與濾波后的圖像對(duì)比見圖2。由圖2中值濾波前后的對(duì)比如圖可知，中值濾波可進(jìn)行有效降噪，而不影響圖像的輪廓[12]。

圖2 檢測(cè)圖像濾波前與濾波后的圖像對(duì)比

2 檢測(cè)圖像對(duì)比度的增強(qiáng)

射線檢測(cè)圖像的灰度大多數(shù)在一個(gè)很窄的區(qū)域內(nèi)集中，會(huì)導(dǎo)致圖像的觀察困難。因此為擴(kuò)大圖像的灰度范圍，需要對(duì)檢測(cè)圖像中每個(gè)像素的灰度進(jìn)行灰度標(biāo)度變換。目前還沒有統(tǒng)一的圖像增強(qiáng)理論，關(guān)于圖像質(zhì)量的衡量的客觀標(biāo)準(zhǔn)也沒有[13-17]。

2.1 灰度變換

2.1.1線性變換

線性變換有兩種變換方式，分為全域線性變換與分段線性變換。全域線性變換為對(duì)全部像素同時(shí)乘以相同的系數(shù)，對(duì)全部像素做相同倍數(shù)的增大或者減小。分段變換為對(duì)檢測(cè)圖像感興趣區(qū)域的灰度進(jìn)行拉伸來改善圖像質(zhì)量。檢測(cè)圖像中灰度不明顯區(qū)域的灰度通過拉伸或壓縮，可改善檢測(cè)圖像的視覺效果。常用的分段拉伸方法是三段線性拉伸，其表達(dá)式如公式(3)所示，示意圖如圖3所示[18]。

(3)

公式(3)中f(x,y)為點(diǎn)(x,y)變換前的灰度值，g(x,y)為點(diǎn)(x,y)變換后的灰度值。

圖3 檢測(cè)圖像灰度拉伸原理

使用分段線性灰度變換拉伸檢測(cè)圖像偏暗的灰度區(qū)間進(jìn)而改善圖像。如果使用分段線性灰度變換壓縮檢測(cè)圖像偏亮的灰度區(qū)間進(jìn)而改善圖像。三段線性拉伸示意圖如圖4所示[19]。

2.1.2非線性變換

所謂非線性變換是指按照要求的非線性變換對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行變換，從而突出缺陷，淡化圖像背景，改善檢測(cè)圖像質(zhì)量。例如，有時(shí)需要在中間灰度級(jí)有較多的擴(kuò)展，以便把在灰度級(jí)中間的缺陷凸顯出來，而灰度范圍兩端有較少的擴(kuò)展。

圖4 三段性灰度拉伸圖

非線性灰度變換常采用的函數(shù)有對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)及平方函數(shù)等非線性函數(shù)。非線性變換前后的檢測(cè)圖像對(duì)比如圖5所示[10]。

圖5 非線性變換前后檢測(cè)圖像對(duì)比圖

2.2 直方圖均衡化

把給定的直方圖改變成均勻分布的直方圖就叫做直方圖的均衡化，也被稱作灰度均衡[20]。均衡化后的直方圖會(huì)增加檢測(cè)圖像的對(duì)比度。直方圖經(jīng)過均衡化處理后是近似均勻分布的，圖像具有離散的灰度。

圖像經(jīng)直方圖均衡化后檢測(cè)圖像的灰度動(dòng)態(tài)范圍及量化層間隔都會(huì)有多擴(kuò)大，灰度級(jí)別會(huì)減少，因此有可能會(huì)導(dǎo)致輪廓的出現(xiàn)。

圖像目標(biāo)處與背景過渡處像素點(diǎn)較少，均衡化可把較少像素的灰度合并變成背景點(diǎn)或者目標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)而使邊界處變得陡峭。圖像目標(biāo)處與背景過渡處像素點(diǎn)較多，均衡化會(huì)增加像素灰度間的差距，進(jìn)而增大背景和目標(biāo)的對(duì)比度。

(4)

公式兩端同時(shí)積分可得：

(5)

也就是說T(r)為函數(shù)Pr(r)的分布累計(jì)函數(shù)。

在檢測(cè)數(shù)字圖像中灰度是離散的，離散化直方圖均衡公式可表示為：

(6)

式(6)中rk∈[0,1]，sk∈[0,1]，k離散灰度級(jí)，sk取值為T(rk)最近的灰度值。

圖像實(shí)際顯示時(shí)，可用公式(6)計(jì)算sk變換后的非正規(guī)灰度，即：

lk=‖sk×(fmax-fmin)+1‖

(7)

公式(7)表示四舍五入取整數(shù)。對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行均衡化后的效果如圖6所示[8]。

圖6 均衡化前后圖像對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

X射線圖像的降噪與對(duì)比度增強(qiáng)作為圖像預(yù)處理的重要環(huán)節(jié)，其效果直接決定檢測(cè)圖像的質(zhì)量。圖像的預(yù)處理方法都是具有一定的針對(duì)性，通用的預(yù)處理算法并不存在。本文主要介紹了X實(shí)時(shí)成像預(yù)處理的幾種方法。非線性中值濾波在圖像降噪方面的效果較好。直方圖均衡化在對(duì)比度增強(qiáng)方面的效果較好。