雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的自動(dòng)定量方法

孫朝明

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900)

雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的自動(dòng)定量方法

孫朝明

(中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900)

雙線型像質(zhì)計(jì)常用于測(cè)量射線檢測(cè)圖像的不清晰度，或測(cè)量數(shù)字射線探測(cè)器的基本空間分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中，用人工方法對(duì)雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的定量計(jì)算比較繁瑣。為解決這一問(wèn)題，提出了一種雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的自動(dòng)定量方法。首先，將雙線型像質(zhì)計(jì)的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行分段和歸一化處理，并根據(jù)起始、終止點(diǎn)對(duì)應(yīng)的灰度值進(jìn)行數(shù)據(jù)甄別，決定是否進(jìn)行下一步分析；然后，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法尋找線對(duì)的沉降值，轉(zhuǎn)換后即得到線對(duì)的調(diào)制度。所提出的自動(dòng)定量方法，針對(duì)射線檢測(cè)試驗(yàn)中的雙線型像質(zhì)計(jì)的灰度曲線進(jìn)行一次處理，即可便捷、可靠地定量出各個(gè)線對(duì)的調(diào)制度。

雙線型像質(zhì)計(jì);調(diào)制度;定量;自動(dòng)

雙線型像質(zhì)計(jì)[1-2]，包括Ⅲ-A、Ⅲ-B兩種類(lèi)型，最早出現(xiàn)在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，用于測(cè)量射線檢測(cè)結(jié)果的不清晰度。在膠片照相方法中，射線底片影像的不清晰度一般較??；但對(duì)于數(shù)字射線成像技術(shù)[3-6]而言，檢測(cè)圖像的不清晰度[7]明顯偏大，需要加以控制[6,8]。因此，數(shù)字射線成像技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[5]明確規(guī)定了使用雙線型像質(zhì)計(jì)來(lái)測(cè)定圖像不清晰度的要求。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23901.5-2009《無(wú)損檢測(cè)射線照相底片像質(zhì) 第5部分：雙線型像質(zhì)計(jì)圖像不清晰度的測(cè)定》 規(guī)定了使用雙線型像質(zhì)計(jì)確定射線照相不清晰度的方法；但對(duì)于雙線型像質(zhì)計(jì)中可識(shí)別最大線對(duì)的確定，則是借助于放大鏡的觀察。雙線型像質(zhì)計(jì)還可用于測(cè)量射線探測(cè)器的基本空間分辨率[9]，ASTM E 2597StandardPracticeforManufacturingCharacterizationofDigitalDetectorArrays,ISO17636Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTesting-Part2:X-andGamma-rayTechniqueswithDigitalDetectors中均對(duì)基本空間分辨率的測(cè)量方法進(jìn)行了規(guī)定。

隨著雙線型像質(zhì)計(jì)應(yīng)用的增多[9-11]，有必要對(duì)雙線型像質(zhì)計(jì)各組線對(duì)的調(diào)制度進(jìn)行定量分析，準(zhǔn)確表征檢測(cè)圖像中不同細(xì)節(jié)成像的清晰程度，以便更好地滿(mǎn)足測(cè)試要求。在實(shí)際測(cè)試中，如果采用人工的方法進(jìn)行雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的計(jì)算，需要多次手工測(cè)量出相應(yīng)的參數(shù)值，然后按公式進(jìn)行測(cè)算;此過(guò)程比較耗時(shí)、繁瑣。如果能夠采用自動(dòng)化的定量方法，則會(huì)很大程度地減輕工作量，提高測(cè)試效率。筆者為解決這一問(wèn)題，提出了一種雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的自動(dòng)定量方法。

1 雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的計(jì)算

如圖1所示，雙線型像質(zhì)計(jì)中某線對(duì)的可識(shí)別率按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：d為線對(duì)的沉降值；B為線對(duì)峰值灰度與背景灰度的差值。

圖1 雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度的計(jì)算示意

從式(1)可知，為計(jì)算出線對(duì)的可識(shí)別率或調(diào)制度R，需要檢測(cè)出線對(duì)的峰值點(diǎn)、沉降點(diǎn)位置及相應(yīng)的灰度值，確定出背景灰度值。如果采用人工方式進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，存在測(cè)量數(shù)值點(diǎn)多、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易出錯(cuò)的問(wèn)題，在分析多組試驗(yàn)結(jié)果時(shí)其計(jì)算過(guò)程尤其繁瑣；為了解決這一問(wèn)題，筆者嘗試使用計(jì)算機(jī)來(lái)代替人工進(jìn)行相應(yīng)處理分析，先后試驗(yàn)了峰值搜索方法、高斯曲線擬合方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法，但效果均不理想。

采用峰值搜索方法的試驗(yàn)如圖2所示：首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分處理，然后設(shè)定相應(yīng)的閾值提取出極值位置，再對(duì)備選位置按4個(gè)或2個(gè)進(jìn)行分組，查找相應(yīng)的峰值位置和沉降位置。此方法在一定程度上可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化定量，但仍存在設(shè)置參數(shù)較多，對(duì)不同信號(hào)的適用性不是很好的問(wèn)題。異常信號(hào)對(duì)差分處理比較敏感，因此在備選位置點(diǎn)檢測(cè)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，此外，其對(duì)于小的信號(hào)不能識(shí)別出沉降位置(如圖2中的9D信號(hào))。

高斯曲線擬合法的思路是將線對(duì)信號(hào)視作2～3個(gè)高斯曲線經(jīng)疊加后的結(jié)果，由擬合參數(shù)來(lái)確定出沉降位置、峰值位置并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制度計(jì)算；但此方法的適用性不好，擬合效果難以保證且不利于全部數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以一定程度上模擬人工智能進(jìn)行特定信號(hào)的識(shí)別和定量分析，但在實(shí)際測(cè)試中存在網(wǎng)絡(luò)泛化能力差、定量精度偏差大的不足，很大程度上限制了其應(yīng)用價(jià)值。

2 雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度自動(dòng)定量方法

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的摸索，筆者找到了一種便捷、可靠的雙線型像質(zhì)計(jì)調(diào)制度自動(dòng)定量方法。

2.1 數(shù)據(jù)分段處理

針對(duì)雙線型像質(zhì)計(jì)對(duì)應(yīng)的灰度曲線數(shù)據(jù)，設(shè)定固定的長(zhǎng)度區(qū)間段(如寬度71)，按照先后順序依次對(duì)數(shù)據(jù)逐段進(jìn)行處理。應(yīng)注意設(shè)定的區(qū)間范圍能夠包含到各組線對(duì)的完整灰度曲線——雙線型像質(zhì)計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí)，有1D～13D共13組線對(duì)(見(jiàn)GB/T 23901-2009《無(wú)損檢測(cè)射線照相底片像質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn))，其中1D線對(duì)的線徑與間距最大(0.8 mm)；所設(shè)定的數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度應(yīng)不小于此線徑值的4倍。實(shí)際測(cè)試中，以探測(cè)器像素大小83 μm為例，在放大倍數(shù)M為1.35時(shí)，71個(gè)像素代表的實(shí)際長(zhǎng)度為4.4 mm，這滿(mǎn)足大于3.2 mm的限制條件。

2.2 歸一化處理

對(duì)取出的每段雙絲信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，使灰度值映射到[0 1]區(qū)間，如圖3所示。經(jīng)過(guò)歸一化處理后，信號(hào)對(duì)應(yīng)的調(diào)制度計(jì)算就相對(duì)簡(jiǎn)單了，只需要確定出沉降的位置并讀出相應(yīng)的歸一化數(shù)值即可(假設(shè)此處的歸一化數(shù)值為x，則調(diào)制度即為1-x)。

圖3 歸一化處理后的信號(hào)

2.3 篩選數(shù)據(jù)

在逐段選取信號(hào)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不完整的線對(duì)信號(hào)；這些信號(hào)是不需要進(jìn)行調(diào)制度計(jì)算的，即認(rèn)為調(diào)制度為0。

不需要進(jìn)行調(diào)制度計(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)篩選的判據(jù)為：此段信號(hào)的初始位置灰度值、末尾位置灰度值大于限定值(如0.2)，或者初始位置灰度值、末尾位置灰度值的差值大于限定值。

2.4 尋找可能的雙絲沉降位置

雙絲沉降處是信號(hào)中的一個(gè)極小值點(diǎn)，因此可通過(guò)差分處理尋找其位置。以圖3的曲線為例，對(duì)其進(jìn)行差分處理后的結(jié)果如圖4所示。然后，搜尋出差分信號(hào)負(fù)值峰的右邊界點(diǎn)，作為可能的線對(duì)沉降位置點(diǎn)。對(duì)圖3，4進(jìn)行對(duì)照可知，圖3中信號(hào)沉降位置包含于圖4中的負(fù)值峰右邊界點(diǎn)。

圖4 尋找可能的雙絲沉降位置示意

如果搜尋到的邊界點(diǎn)數(shù)小于2，則說(shuō)明不存在有效的雙絲信號(hào)。

2.5 確定雙絲沉降位置

由于差分結(jié)果對(duì)噪聲很敏感，局部變化較大的噪聲在一定程度上會(huì)統(tǒng)計(jì)為可能的沉降位置。為消除這一不利影響，可設(shè)置一定的高度閾值(如0.05)對(duì)差分信號(hào)中負(fù)值峰進(jìn)行過(guò)濾。圖5為按此方法進(jìn)行處理的例子。

圖5 通過(guò)閾值法選取有效負(fù)值峰的示例

統(tǒng)計(jì)高于限定值的負(fù)值峰數(shù)，如果統(tǒng)計(jì)數(shù)目小于2，則說(shuō)明不存在有效的雙絲信號(hào)。

對(duì)于保留下來(lái)的可能的雙絲沉降位置，分別在歸一化信號(hào)中讀出對(duì)應(yīng)值，取其中信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)的沉降位置作為最終的雙絲沉降位置。

根據(jù)雙線型像質(zhì)計(jì)的特點(diǎn)，還需要進(jìn)行最終的甄別：① 歸一化信號(hào)中，沉降點(diǎn)位置左右兩側(cè)峰值的高度差要小于0.4；② 沉降位置與數(shù)據(jù)中心的位置偏差要小于一定限值(如10)。

3 應(yīng)用分析

對(duì)于圖2中所示的雙線型像質(zhì)計(jì)灰度曲線，采用自動(dòng)定量方法計(jì)算后得到的結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，此方法可一次性完整地得到雙線型像質(zhì)計(jì)的識(shí)別情況：1D到9D像質(zhì)計(jì)絲的識(shí)別度逐步下降，而10D像質(zhì)計(jì)絲則無(wú)法分辨。雖然逐段截取信號(hào)的過(guò)程中，信號(hào)的形狀會(huì)有一定的差異，但信號(hào)所代表的調(diào)制度是基本不變的，這也充分表明了方法的適用性和可靠性。

圖6 雙線型像質(zhì)計(jì)的識(shí)別度計(jì)算

將圖6與圖2進(jìn)行對(duì)比可知，1D～8D像質(zhì)計(jì)絲的調(diào)制度計(jì)算結(jié)果基本上差異不大。有所差異的原因在于圖2中計(jì)算時(shí)是針對(duì)整條曲線進(jìn)行的，其將背景灰度視為固定不變的一個(gè)數(shù)值；而實(shí)際上，各個(gè)線對(duì)的背景信號(hào)值是有波動(dòng)變化的，圖6通過(guò)分段處理后，能夠充分考慮各線對(duì)背景信號(hào)的不同情況，因此圖6的計(jì)算結(jié)果更為合理。另外，這種自動(dòng)定量方法能夠準(zhǔn)確識(shí)別出9D像質(zhì)計(jì)絲，解決了針對(duì)整條曲線處理時(shí)使用全局閾值對(duì)于微弱信號(hào)難以有效識(shí)別的問(wèn)題。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，這種自動(dòng)定量方法雖然也需要設(shè)置一定的參數(shù)或閾值，但試驗(yàn)表明對(duì)于不同的信號(hào)而言，該方法的通用性良好，這主要是因?yàn)槠溥M(jìn)行了數(shù)據(jù)分段和歸一化處理。

以雙線型像質(zhì)計(jì)為測(cè)試模型，針對(duì)采用線陣列射線探測(cè)器的數(shù)字射線成像系統(tǒng)[12]進(jìn)行了測(cè)試分析。線陣列探測(cè)器的像素尺寸為83 μm，射線源有大小兩個(gè)焦點(diǎn)(f為3.6,1.9 mm)。測(cè)試時(shí)，采用兩種放大倍數(shù)(M為1.35,1.12)。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，從圖7可看到，采用大焦點(diǎn)、大的放大倍數(shù)時(shí)雙線型像質(zhì)計(jì)絲的識(shí)別度較差(主要因?yàn)樵黾恿藥缀尾磺逦?，通過(guò)圖像對(duì)比能夠定性認(rèn)識(shí)檢測(cè)參數(shù)變化對(duì)于圖像質(zhì)量的影響。而采用筆者提出的雙線型像質(zhì)計(jì)線對(duì)調(diào)制度的自動(dòng)定量方法，則可便捷地觀測(cè)到數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能與成像參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，如圖8所示(圖中虛線表示采用二次曲線形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的情況)。圖8中橫坐標(biāo)為雙線型像質(zhì)計(jì)絲對(duì)應(yīng)的空間分辨率，縱坐標(biāo)則代表對(duì)細(xì)節(jié)的調(diào)制能力，曲線反映的是射線成像系統(tǒng)對(duì)于不同細(xì)節(jié)的調(diào)制能力，此曲線可稱(chēng)為對(duì)比度傳遞函數(shù)(CTF)；經(jīng)過(guò)一定的變換處理，可轉(zhuǎn)化為調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。圖8中，f=3.6,M=1.35時(shí)，數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能最差，其分辨率只能達(dá)到2.0 LP·mm-1；f=1.9,M=1.12時(shí)，數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能最優(yōu)，其分辨率可達(dá)到5.0 LP·mm-1，接近探測(cè)器的基本分辨能力6.0 LP·mm-1；而f=3.6,M=1.12與f=1.9,M=1.35兩種參數(shù)組合的系統(tǒng)性能大致相當(dāng)，這表明使用小的放大倍數(shù)，可以一定程度上彌補(bǔ)射線源焦點(diǎn)較大的不利影響。

圖7 雙線型像質(zhì)計(jì)測(cè)試圖像

圖8 數(shù)字射線成像系統(tǒng)性能的定量測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

筆者提出了一種自動(dòng)定量方法，可針對(duì)射線檢測(cè)試驗(yàn)中的雙線型像質(zhì)計(jì)的灰度曲線進(jìn)行一次性處理，便捷、可靠地實(shí)現(xiàn)各個(gè)線對(duì)調(diào)制度的定量解讀。

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Automatic Determination Method of the Modulation of Duplex Wire Image Quality Indicator

SUN Chao-ming

(Institute of Machinery Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Duplex wire image quality indicator (IQI) is often used to measure unsharpness in radiography, or to determine basic resolution of an X-ray digital detector. However, manual determination of modulation of the IQI is rather bothersome. So, an automatic method was put forward. Firstly, data from IQI was cut to segments by certain width from beginning to end, and each segment was normalized. All the segments were discriminated according to gray values of beginning position and end position, and qualified segments need to be processed further. Secondly, dip position in duplex wire curve was searched according to an algorithm, and its position value in the segmented curve can be used to determine the modulation. The proposed method is able to determine modulation of each duplex wire quickly and reliably through processing just a time.

Duplex wire IQI; Modulation; Measurement; Automatic

2016-06-27

孫朝明(1977-)，男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究。

孫朝明，E-mail: chm_sun@sohu.com。

10.11973/wsjc201702006

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0022-04