基于動態宇宙算法的磁光成像增強研究

劉艷濤

(永城職業學院,河南 永城 476600)

1 引 言

磁光成像是一種無損探測技術,能夠檢測出材料內部存在的缺陷[1],但是磁光成像受噪聲的影響,如材料內部磁疇現象產生的斑點,或者光成像過程受到外界干擾,導致成像識別性較差,因此對磁光成像增強有利于對缺陷的識別。

目前磁光成像增強方法主要有:多向磁場激勵下磁光成像檢測[2],能明顯檢測出多角度的焊接缺陷,且能有效避免曲線裂紋在焊接缺陷檢測中的漏檢現象。對比度增強算法(Contrast Enhancement,CE),通過小波變換和拉普拉斯金字塔模型對圖像分解獲得磁光圖像的細節信息[3]。多尺度增強(Multiscale Enhancement,ME)算法通過圖像多尺度分解,結合高斯平滑濾波與減影算法提取圖像細節信息[4]。自動噪聲閾值Gabor濾波(Gabor Filtering with Automatic Noise Thresholding,GFANT)能夠對磁光圖像噪聲進行消除[5],在小細節和缺陷區域的保留方面都有很大的改進。局部圖像增強方法(Local Image Enhancement,LIE),在磁光圖像增強時考慮了對比度[6],增強后的圖像質量明顯提高。尺度變量隨機共振方法(Scale Variable Stochastic Resonance,SVSR),通過遺傳優化算法優化尺度變量,隨機共振使弱像素信號增強[7],提高了磁光圖像的可見度。

以上研究沒有考慮到鐵磁材料產生的磁疇現象,或者按圖像紋理規則性進行處理,但是磁光成像時磁疇擴張的無向性導致形成的圖像紋理具有隨機性,因此磁光成像增強需要消除磁疇形成圖像紋理的影響,本文提出動態宇宙算法(Dynamic Universe Algorithm,DUA)對磁光成像增強,宇宙的連接距離隨著層的變化而動態改變,提高宇宙進化效率,相同層、不同層宇宙信息度、位置的變化采用不同方法；基于灰度因子對磁光成像對比度調整,動態宇宙尋優獲得總變差模型最佳參數值,實驗仿真比較分析了本文算法的有效性。

2 磁光成像增強

2.1 磁光成像效應

鐵磁性材料在通有交流電的線圈中產生磁力線,并且在缺陷附近出現的漏磁引起磁場的垂直分量變化。磁光成像條件是需要激光光源經過偏振器生成線性偏振光。當線性偏振光通過鐵磁性材料時,基于法拉第磁光效應,受到漏磁場的作用,偏振角度發生旋轉[8],其角度θ與磁感應強度B、光穿越介質的有效長度L關系為:

θ=VBL

(1)

式中,V為費爾德常數。

偏振光被磁光傳感器采集,基于馬呂斯定律,漏磁場與光強I0建立變化關系:

I0=E2cos2(φ)

(2)

式中,E為入射線偏振光振幅;φ為檢偏器與磁光傳感器方向夾角。

偏振光在缺陷處N極和S極產生旋轉方向相反、角度相同的光強IN、IS,分別為:

(3)

由于IS

磁光成像主要受斑狀噪聲影響,其中斑狀噪聲一部分來自入射光源和磁光薄膜所含雜質影響,可通過精密儀器避免干擾；一部分來自鐵磁材料自身特有的磁疇現象,外磁場使得磁疇沿著磁場的方向發生旋轉移動,并且外加磁場越大磁疇越易旋轉移動,干擾越大,磁疇現象在磁光成像上表現為運動多變性且具有不定向性,顯示為多個無規則的紋理區域。

2.2 磁疇現象消除

2.2.1 基于灰度因子的磁光成像對比度調整

為了便于區分磁光成像時產生的磁疇,通過灰度因子提高磁光成像的明暗對比度和邊緣細節:

(4)

式中,H為輸入圖像灰度;H′為輸出圖像灰度;η為調節因子。

灰度因子能將圖像中的像素點分布于直方圖的兩極,提高了磁光成像明暗度以及清晰度,便于分割。為了均衡分布范圍以及圖像明暗對比度,本文選擇η=2。

2.2.2 磁疇區域信息

磁光成像明暗對比度提高便于分析磁疇區域,通過灰度積分投影定位算法獲得磁疇區域,磁疇區域(x,y)與方向位置信息的約束條件為:

(5)

2.2.3 基于總變差模型的磁疇紋理去除

對總變差方法優化為最小化[9-10],其模型為:

(6)

式中,(Sp-Ip)2為保真項；S為輸出磁光圖像；I為輸入磁光圖像；p為像素點的索引號；D(p)為窗口總變差；L(p)為窗口固有變差；ε為防止為零的微小量；φ1>0控制磁疇邊緣的平滑程；Gp,q為高斯核函數；R(p)是以p為中心的矩形區域；?x,?y為2個方向的偏微分；φ2為高斯核函數窗口因子。

3 宇宙算法模型

3.1 宇宙空間結構

在宇宙空間結構中[11],提出層與連接距離的概念,宇宙中心稱為宇宙核心,離宇宙核心連接距離相同的宇宙具有相同的宇宙層。離宇宙核心不同連接距離的宇宙層,其宇宙層也可能具有相同的宇宙數量。宇宙空間結構層數越多,越有利于宇宙進化；宇宙空間的宇宙數量越多,也越有利于宇宙進化。相同層上宇宙信息進化互享優勢大于非相同層上宇宙信息進化互享,每個層的宇宙對離該層的連接距離的宇宙的影響力一樣。層與連接距離均是虛擬性存在,隨著不同的宇宙層而改變,即不同的層上的宇宙也會形成一個宇宙小核心,并且與周圍的宇宙再次形成不同的層,但是各個層上所形成的宇宙小核心其影響力遠遠小于宇宙中心的核心影響。

3.2 宇宙間信息交流

宇宙群中的宇宙構成的每個層在整個宇宙進化中的優勢由宇宙自身所含的信息量所決定,每個層中的宇宙可與自身層中的宇宙進行信息交流,也可以與不同層中的信息交流,通過信息交流[12],宇宙個體的進化能力得到提升。

相同層宇宙進行信息交流,交流宇宙被選擇概率p(xλ,t,R)通過輪賭法實現:

(7)

式中,xλ,t,R表示連接距離R、第λ層上的第t個宇宙;N為該層宇宙群的規模;f(xλ,t,R)為xλ,t,R的適應度。

為了保持相同層宇宙的多樣性,p(xλ,t,R)在(0.3,0.8)值域范圍內的宇宙才進行信息交流,在(0.3,0.8)值域范圍之外的宇宙,只能被動接收其他宇宙的信息。相同層第i個宇宙l時刻的信息交流度q為:

(8)

不同層之間的宇宙進行信息交流時,需要通過比較不同層的信息度之和,設λ、λ′層的信息度之和fitλ和fitλ′,Δfit=fitλ-fitλ′,若Δfit>0,則信息由λ層向λ′層進行信息流入；Δfit<0,則信息由λ′層向λ層進行進行信息流入；不同層之間的宇宙的信息交流率υ:

(9)

信息流入層的第j個宇宙l′時刻的信息交流度qj為:

(10)

通過不同層、相同層之間的宇宙信息交流,加快了宇宙的進化,使得不同層、相同層都能夠獲得最優宇宙的信息。

3.3 宇宙運動過程

在宇宙算法中,不同層的宇宙固定在各自的層上[13],宇宙發送信息、接收信息本質上屬于自身的靜態運動,無法移動到其他層進行更新；同時隨著宇宙進化的增加,搜索性能逐漸減小,宇宙解的多樣性會降低,導致算法后期會陷入相同層局域解,為增加算法跳出局域解,本文對宇宙空間進行移動,使得宇宙空間位置運動更新,可以跳躍到不同的層,從而引起信息更新,宇宙動態過程涉及到不同層、相同層的宇宙位置更新。宇宙能夠動態移動到其他層或者自身層其他位置,其移動條件為:

(11)

式中,Q為宇宙所在層的宇宙總數。

將該層內可移動宇宙標記為自由宇宙,即可向其他層或者自身層其他位置自由移動。這樣經過自由宇宙多次移動后,將獲得一個新的宇宙空間,且所有的宇宙都在不同的層中進行搜索,并最終收斂。

3.3.1 不同層宇宙位置更新

由于不同層宇宙離宇宙核心的連接距離不同,受宇宙核心的吸引力也不同,連接距離越遠吸引力越小,這樣宇宙也越容易移動,不同層宇宙上的宇宙可以移動到其他層或者自身層上的其他位置。不同層的宇宙位置更新如下:

(12)

式中,r0,n為第n個宇宙到宇宙核心的距離;v0,r,n為第n個宇宙離宇宙核心距離r時的宇宙運行速度,隨機數rand1∈[0,1]服從均勻分布。

3.3.2 相同層宇宙位置更新

由于相同層宇宙離宇宙核心的連接距離相同,受宇宙核心的吸引力相同,因此決定宇宙能否移動的條件是宇宙自身的信息度,信息度越大,則宇宙也越容易移動,相同層宇宙上的宇宙只能移動到自身層的其他位置。相同層的宇宙位置更新如下:

(13)

式中,γl,n為第l層的第n個宇宙的信息度,vl,n為第l層的第n個宇宙運行速度,隨機數rand2∈[0,1]服從均勻分布。

3.4 宇宙適應度函數選擇

算法流程:

①輸入圖像,宇宙群初始化,確定宇宙半徑、宇宙群層數以及層中的宇宙群；

②宇宙間信息交流；

③宇宙動態更新,確定宇宙優化結果；

④若算法達到終止尋優次數或者滿足收斂條件,進行步驟⑤,否則進行步驟②；

⑤輸出磁光圖像增強結果。

4 實驗仿真

磁光成像時光源為氦氖激光器,波長為632.8 nm,功率為3 m W,激勵線圈為U型,激勵源的電壓為12 V、16 V、20 V,電流大小為0.5 A,頻率為50 Hz,霍爾探頭探測磁強,特斯拉計高精度可達0.01 mT。計算機配置CPU為AMD 銳龍 5,主頻4.0G Hz,內存DDR4主頻3200/16 GB,為驗證動態宇宙算法對磁光成像增強的視覺效果,涉及對比算法有CE、ME、GFANT、LIE、SVSR、DUA。

4.1 激勵電壓及磁場方向對增強效果的影響

激勵線圈分別接通12 V、16 V、20 V的交變電壓,霍爾探頭垂直于焊接處,獲得焊接處磁感應強度變化曲線如圖1所示。

圖1 焊接處磁感應強度變化曲線

從圖1可以看出,各種交變電壓產生的漏磁最大值在距離焊接處兩側0.85 mm處,不同的交變電壓產生不同的磁感應強度,交變電壓越大產生的磁感應強度越強,焊接處測得的漏磁也就越大,因此漏磁的磁光成像效果就越好。

使用20 V的交變電壓,旋轉激勵線圈,旋轉角度范圍為0°～180°,固定霍爾探頭垂直于距離焊接處0.85 mm,此時焊接處漏磁如圖2所示。

從圖2可以看出,旋轉激勵線圈時,霍爾探頭獲得的磁感應強度曲線逐漸變大,當激勵線圈旋轉與焊接處垂直時,漏磁的磁感應強度達到極值,此時獲得漏磁的磁光成像效果越好。

4.2 不同算法增強效果分析

在獲得磁光成像時,使用20 V的交變電壓,交變勵磁的磁場方向與鐵磁材料垂直,以便獲得最佳漏磁場,此時磁光圖像的對比度相對較高。不同算法對含磁疇的磁光圖像增強效果如圖3所示。

圖3 含磁疇的磁光圖像增強效果對比

從圖3的對比實驗結果可以看出,DUA算法對磁光成像增強視覺效果清晰,DUA算法對不同層、相同層宇宙間信息交流采用了不同的方法,從而使得不同層、相同層都能夠獲得最優宇宙的信息；不同層、相同層宇宙位置更新考慮到了全局、局部的宇宙信息,以此來減少像素點在增強過程中磁疇的影響。其他算法對磁疇區域無法消除,影響圖像的視覺效果。

4.3 均方誤差及結構相似度指標評價

各種算法增強圖像質量評價通過均方誤差及結構相似度實現。均方誤差(Mean Square Error,MSE):

(14)

式中,I為原始圖像;J為增強后圖像;n,m為圖像尺寸。

結構相似度(Structural similarity,SS):

(15)

式中,μI,μJ,σI,σJ為原始圖像、增強后圖像所對應的均值與方差大小;C1和C2為常數值;σIJ表示原始圖像、增強后圖像之間的協方差。SS∈[0,1],值越大,增強前后的結構相似度越高,算法的結構保持性能越好。

從圖4可以看出,本文算法對含磁疇的磁光圖像增強后的MSE平均值最小,SSIM平均值最大,含磁疇的磁光圖像1增強后本文算法的MSE平均值為5.236,SS平均值為0.644；含磁疇的磁光圖像2增強后本文算法的MSE平均值為4.154,SS平均值為0.749；因此本文算法評價指標較好。

圖4 均方誤差及結構相似度指標評價

5 結 論

(1)不同的交變電壓產生不同的磁感應強度,交變電壓越大產生的磁感應強度越強,獲得的漏磁也就越大,因此磁光成像效果就越好

(2)交變磁場方向越與缺陷方向垂直,此時缺陷處產生的漏磁場越佳,獲得的磁光成像越清晰,對比度相對較高。

(3)動態宇宙算法建立不同層、相同層宇宙間信息交流方式,不同層、相同層宇宙位置更新考慮到了全局、局部的宇宙信息,能夠減少像素點在增強過程中磁疇的影響,增強圖像較清晰。