熱電池X 射線影像缺陷區(qū)域提取算法研究

張國慶，趙濤，張靜，梁俊威，邢學(xué)夢

(天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院機(jī)械工程系，天津，300380)

0 引言

熱電池是一種熔鹽電池，貯存時電解質(zhì)為不導(dǎo)電的固體，使用時用電發(fā)火頭或撞針機(jī)構(gòu)引燃其內(nèi)部的加熱藥劑，使電解質(zhì)熔融成為離子導(dǎo)體而被激活的一種儲備電池[1]。其具有可長時間儲存、電導(dǎo)率大、穩(wěn)定性好，不需要維護(hù)等特點。熱電池的錯誤裝配將會引起使用時電池內(nèi)部短路發(fā)生燃燒或爆炸等不可挽回的后果，電池內(nèi)部短路會引起放電間隔小，電解質(zhì)分解等反應(yīng)，這些因素又與電芯的設(shè)計結(jié)構(gòu)和制造工藝密切相關(guān)，因此熱電池的內(nèi)部裝配正確性分析及后期檢測尤為重要。

1 熱電池常見裝配錯誤

標(biāo)準(zhǔn)熱電池正確裝配次序如圖1 所示，每一層從上到下按照集流片（0.1mm）、負(fù)極（0.2mm）、電解質(zhì)（0.3mm）、正極（0.2mm）、加熱藥劑（0.5mm）逐層疊加組成[2]，由于每一層都是十分細(xì)小的，裝配過程中可能出現(xiàn)各層多裝或漏裝以及次序錯誤等問題，這就需要后期的及時檢測，防止電池使用故障帶來的巨大損失。

圖1 熱電池X 射線圖像及正確裝配次序模型

2 圖像模板匹配算法研究

模板匹配法是一種直接的分割方法。熱電池裝配缺陷問題僅存在于熱電池的中間電堆區(qū)域，與其他位置的結(jié)構(gòu)沒有直接關(guān)系，為了避免熱電池其他部位的X 射線影像對后續(xù)算法研究造成影響，僅提取中間電堆區(qū)域進(jìn)行研究，主體的分割思路是通過匹配得到電池堆。通過將準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)模板與圖中搜索的區(qū)域進(jìn)行相似比較，對比得到相似度最高的位置。基于灰度的模板匹配法，其特點可直接使用全部的灰度信息而不太需要提前對圖像進(jìn)行預(yù)處理等操作。因此，相比其余模板匹配法能提高估計的精度和魯棒性。常見模板匹配法有方差匹配法、歸一化方差匹配法、相關(guān)性匹配法、歸一化相關(guān)性匹配法、相關(guān)系數(shù)匹配法、歸一化相關(guān)系數(shù)匹配法六種，通過實驗分析，選擇歸一化平方差匹配法[3]。

基于灰度的模板匹配思想，首先創(chuàng)建一個像素大小為M×N待匹配的對象即模板圖像，將和模板一樣的子窗口在原始圖像上滑動，滑動的順序為從上到下從左到右。每次滑動將原始圖像子窗口的像素與模板基于的度量方式進(jìn)行比較，從而計算出此次滑動的相似度。匹配完整幅原始圖像后，得到值最小的點，便是匹配度最高的位置，其計算表達(dá)式如下[4]:

3 伽馬（Gamma）校正算法

圖像的清晰度準(zhǔn)確性，會直接影響后續(xù)算法的準(zhǔn)確程度，所以需要對所得到的圖像進(jìn)行進(jìn)一步的處理。由于顯卡或顯示器的原因，實際輸出的圖像在亮度上會有偏差，即圖像上分層的黑白條紋顏色不準(zhǔn)確，而Gamma 較正就是通過一定的方法來矯正圖像的這種偏差，使所得圖像各部分的灰度區(qū)分更加明顯[5]。一般情況下，當(dāng)用于Gamma 較正的值大于1時，圖像的高光部分被壓縮而暗調(diào)部分被擴(kuò)展；當(dāng)Gamma 較正的值小于1 時，圖像的高光部分被擴(kuò)展而暗調(diào)部分被壓縮。

處理結(jié)果如圖2 所示，左側(cè)為X 光獲取原始圖像，中間為參數(shù)γ 取0.8 處理后的圖像，右側(cè)為參數(shù)γ 取0.2 處理后的圖像。可以明顯看出中間圖像更為清晰，γ 取0.8 后，可以得到比原始圖像特征更為清楚的圖像。根據(jù)多次改變γ參數(shù)實驗，這里初選γ 為0.8 對圖像進(jìn)行處理分析。

圖2 圖像伽馬（Gamma）校正處理結(jié)果

算法設(shè)計如下：

cv::Mat srcImage = imread(“1.jpg”);

通過Opencv 對圖像進(jìn)行伽馬（Gamma）校正算法處理，輸入提取后的中間電堆圖像，對比度較差的電堆圖像進(jìn)行灰度校正，為后續(xù)缺陷研究奠定了基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

本文主要研究的是熱電池的缺陷區(qū)域提取方法，為了保證將所有的熱電池都提取缺陷區(qū)域部分進(jìn)行研究，先利用模板匹配法提取電池堆，再利用伽馬矯正算法對分辨率較低，對比度較差的電堆圖像進(jìn)行灰度校正，獲得清晰的缺陷區(qū)域圖像滿足后續(xù)缺陷檢測的需求。