焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)及其評價方法

管玉超，閆志鴻，武 靜，周貴強，盧振洋

（1．北京工業(yè)大學(xué) 機械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2．中國航天科技集團(tuán)公司長征機械廠，四川 成都 600100）

焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)及其評價方法

管玉超1，閆志鴻1，武 靜2，周貴強2，盧振洋1

（1．北京工業(yè)大學(xué) 機械工程及應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124；2．中國航天科技集團(tuán)公司長征機械廠，四川 成都 600100）

建立了一套針對焊縫底片的數(shù)字化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由企業(yè)級CCD相機、高亮線形LED光源、底片傳送機構(gòu)、STM32嵌入式控制器、PC等組成。針對工業(yè)底片數(shù)字化的高空間分辨力、高密度對比靈敏度、大動態(tài)范圍、高光學(xué)密度、大位深、高效率等要求，開展了各項關(guān)鍵技術(shù)的研究，實現(xiàn)了X射線焊縫底片的高質(zhì)量數(shù)字化。對底片數(shù)字化設(shè)備的評價方法進(jìn)行了研究，分析底片數(shù)字化設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)及其評價實現(xiàn)方法，利用數(shù)字圖像處理方法對底片數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行客觀評價。

焊縫底片；數(shù)字化；大動態(tài)；高空間分辨率；評價方法

0 前言

自X射線檢測技術(shù)出現(xiàn)以來，X射線檢測在焊接領(lǐng)域?qū)τ诤缚p缺陷識別和質(zhì)量評定有著廣泛的應(yīng)用。目前，以底片作為信息載體的射線檢測數(shù)字化仍是工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的無損檢測方法之一，較之DR（Direct Radiography）、CR（Computer Radiography）等無損檢測方法，X射線具有分辨率高、動態(tài)范圍大、成本低等特點。但焊縫底片無法長期保存、管理繁縟，對底片信息的評定需要借助專業(yè)的觀燈片燈和專業(yè)的評定人員[1]，因此，底片數(shù)字化已經(jīng)成為一種迫切需求的技術(shù)。

在國外，底片數(shù)字成像已經(jīng)是很成熟的技術(shù)，在歐洲已經(jīng)擁有專門用于工業(yè)底片數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)EN14096，通用公司和柯達(dá)公司都有各自的工業(yè)底片數(shù)字化設(shè)備，但這些設(shè)備價格昂貴。如通用公司的FS50B底片數(shù)字掃描議[2]，該掃描儀采用激光點掃描方式，其優(yōu)點是可以透射光學(xué)密度較大的底片，但空間分辨率會受到激光光斑的限制，掃描速度也較慢，且器件壽命有限。在國內(nèi)，隨著數(shù)字化圖像技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究人員對焊縫底片數(shù)字化做出了一些嘗試，并且在后繼的圖像處理方面進(jìn)行了研究。最初的數(shù)字化，人們采用簡單的底片掃描儀或者數(shù)碼相機來實現(xiàn)[3-4]，從底片數(shù)字圖像來看，圖像輪廓模糊，質(zhì)量低，焊縫底片中的大量信息在數(shù)字轉(zhuǎn)化過程中已經(jīng)丟失，無論后續(xù)采用多好的圖像處理算法意義都不大。后期市面上出現(xiàn)了掃面黑度較高（4.0）的中晶底片掃描儀[5-6]，即使掃描黑度為4以下的底片，但成像質(zhì)量還是不好。該掃描儀的特點是采用攝影膠片掃描儀的掃描方式，對大光學(xué)密度的底片掃描速度較低，空間分辨率也不高。近些年，由西安交通大學(xué)高建民等人設(shè)計工業(yè)射線檢測底片數(shù)字化裝置[6-9]，通過改善進(jìn)片機構(gòu)、遮光裝置、傳動裝置、光路設(shè)置，確保了底片數(shù)字化的質(zhì)量，自動化程度更強，但仍有一些問題需要改善，如圖片傳輸速度、不同黑度的底片適應(yīng)性問題、圖像智能評定等問題。

為了保證圖像質(zhì)量，提高圖像傳輸速度，優(yōu)化圖像處理算法，本研究基于嵌入式控制系統(tǒng)開發(fā)了一套高質(zhì)量、自動化程度高、適應(yīng)范圍廣、傳輸速度快、智能評定于一體的高性能焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)。實現(xiàn)了底片的高空間分辨率、高光學(xué)密度分辨率、大光學(xué)密度、大動態(tài)范圍、快速數(shù)字化。

1 焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)的總體組成

焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)主要是實現(xiàn)X射線底片的數(shù)字化，該系統(tǒng)由企業(yè)級CCD相機、高亮線形LED光源、底片傳送機構(gòu)、STM32嵌入式控制器、工業(yè)PC、光闌機構(gòu)等組成，實物如圖1所示。上位機實時調(diào)整和監(jiān)控數(shù)字化成像過程，控制板實時接收并將信息反饋給上位機，同時數(shù)字化圖像快速的傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行保存，確保了工業(yè)底片數(shù)字化的高空間分辨力、高密度對比靈敏度、大動態(tài)范圍、高光學(xué)密度、大位深、高效率的數(shù)字化，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.2 嵌入式控制板處理系統(tǒng)

設(shè)計了一套以STM32為核心的嵌入式控制系統(tǒng)，具有成本低、擴展性強等優(yōu)點，其主要功能包括控制相機掃描模式、與PC端的數(shù)據(jù)交互、傳動機構(gòu)控制、光源亮度控制、光闌機構(gòu)的控制。

圖1 焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)實物Fig.1 Physical figure of the digital film system

圖2 焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of the digital film system

企業(yè)級線陣CCD相機通過寬動態(tài)掃描模式進(jìn)行掃描，實現(xiàn)了曝光時間的精確控制，更加確保了掃描圖像的質(zhì)量。寬動態(tài)掃描模式是通過定時器發(fā)送PWM控制信號，控制相機的曝光時間，通過上位機設(shè)置參數(shù)，控制曝光時間的周期性變化。寬動態(tài)掃描模式下相機曝光控制脈沖如圖3所示，這樣的掃描模式使系統(tǒng)對不同黑度的焊縫底片適應(yīng)性更強，同一張底片，避免了不同位置黑度有差異造成過曝光或者曝光不足等問題。同時，為保證曝光時間的準(zhǔn)確性，本研究采用具有斯密特觸發(fā)器的74LS14六反相器，對控制信號的波形進(jìn)行整合。

圖3 寬動態(tài)模式相機控制信號Fig.3 Wide dynamic mode camera control signal

采用W5500芯片與上位機PC端的數(shù)據(jù)傳輸通過網(wǎng)口通信。W5500是一款嵌入式以太網(wǎng)控制器，可以為嵌入式系統(tǒng)提供更加簡易的以太網(wǎng)鏈接方案，支持TCP、UDP等協(xié)議，提供了SPI（外設(shè)串行接口）通信接口。PC將發(fā)出的設(shè)置指令傳輸?shù)较挛粰CSTM32控制板，同時控制板將數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后通過SPI傳輸至W5500，W5500將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理后通過TCP通信協(xié)議反饋至PC。

STM32控制板通過A/D轉(zhuǎn)換控制LED光源亮度，由繼電器輸出，控制步進(jìn)電機、伺服電機、光源、散熱風(fēng)扇啟停，通過光電信號輸入，做到信息的準(zhǔn)確反饋。

1.3 上位機多文檔控制界面

建立了一套基于MFC的多文檔上位機控制軟件，實現(xiàn)對焊縫底片掃描過程的實時控制和對掃描圖像的實時監(jiān)控。主要功能包括參數(shù)設(shè)置、掃描過程實時控制以及圖像實時顯示，上位機控制軟件界面如圖4所示，圖4a包含參數(shù)設(shè)置、實時控制和圖像實時顯示，圖4b是圖4a中參數(shù)設(shè)置的放大圖。

圖4 上位機軟件控制界面Fig4 Control interface of PC software

參數(shù)設(shè)置部分可以設(shè)置嵌入式系統(tǒng)的工作參數(shù)，只需設(shè)置底片密度值，系統(tǒng)會根據(jù)不同的焊縫底片密度值匹配相應(yīng)的光源亮度、光闌寬度、相機曝光模式和傳動機構(gòu)轉(zhuǎn)速。PC的設(shè)置參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)通訊的方式發(fā)送到下位機嵌入式控制板，實現(xiàn)精確的自動化控制。

掃描過程實時控制和圖像實時顯示采用CCD光電傳感器，光電傳感器將焊縫底片的光信號轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行存儲，再將圖像傳輸給上位機PC進(jìn)行實時顯示。使用企業(yè)級CCD相機，以適應(yīng)焊縫X射線底片細(xì)長的特點，滿足了底片數(shù)字化及動態(tài)范圍的要求。同時圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和實時顯示，方便操作人員了解掃描過程中系統(tǒng)的工作情況，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，保證了焊縫底片數(shù)字化的質(zhì)量。

1.4 傳動機構(gòu)、光源結(jié)構(gòu)、光闌機構(gòu)

傳動機構(gòu)部分由控制板根據(jù)不同黑度的焊縫底片發(fā)出不同頻率的脈沖信號控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，黑度越大轉(zhuǎn)動越慢，并且利用齒輪傳動帶動滾輪傳動機構(gòu)，避免了同步帶打滑效率低等問題。同時，在步進(jìn)電機與傳動機構(gòu)之間加裝了臺達(dá)ZDS090減速機，提高傳動可靠性，確保底片可靠穩(wěn)定平動送入。

光源采用大功率線形LED冷光源，它具有發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小便于集成、易控制、功耗低等特點，同時經(jīng)透鏡聚光，亞克力板散射，確保了光源高亮、線性、均勻、可靠，同時控制板會根據(jù)不同黑度的底片調(diào)整光源亮度，為底片數(shù)字化的質(zhì)量提供了保障，提高焊縫底片的適應(yīng)性。

光闌機構(gòu)的設(shè)計增強了對不同尺寸的焊縫底片的適應(yīng)性，根據(jù)底片的寬度，控制板控制伺服電機帶動遮光板移動，達(dá)到一個合適的光照寬度，避免了雜散光對成像的影響。

2 焊縫底片數(shù)字化設(shè)備的評價指標(biāo)

焊縫底片數(shù)字化即在傳統(tǒng)的工業(yè)膠片射線成像的基礎(chǔ)上，再將膠片掃描成為數(shù)字圖像。

數(shù)字化的底片圖像與物理底片之間只要確保有效信息的完整傳遞，即可認(rèn)為底片的數(shù)字化是信息無損的。例如，任何膠片都有一定的顆粒度，致使底片的空間分辨率（靈敏度）不可能無限高，同時X射線的焦點尺寸也會影響到底片的靈敏度，而當(dāng)?shù)灼瑪?shù)字化系統(tǒng)的空間分辨率不低于底片的空間分辨率時，則可認(rèn)為數(shù)字化過程是有效信息無損的。

隨著觀片燈亮度的提高，焊縫底片的光學(xué)密度也有逐步增大的趨勢，最大可達(dá)到4.0D～5.0D，因此要求掃描設(shè)備必須有較強的透射成像能力。為實現(xiàn)以上要求，必須要有很強的透射光源，提高透射成像能力的方法可以從提高光源的亮度和提高感光器件的靈敏度著手。

為了獲取較高對比度的底片數(shù)字圖像，上述標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)字化底片的光學(xué)密度分辨率也有較高的要求，即分辨率必須達(dá)到0.02ΔD/ΔG（D為光學(xué)密度，G為圖像的灰度階）。

工業(yè)底片的有效光學(xué)密度范圍一般較大，也就是說，一張底片的有效信息可能既包含光學(xué)密度較低的部分，也包含光學(xué)密度較高的部分，這就要求底片數(shù)字化設(shè)備必須有較大的動態(tài)范圍；從另一方面講，為了提高掃描時的工作效率，不用在掃描底片時不停調(diào)整掃描設(shè)備的感光靈敏度，也需要解決大動態(tài)范圍的問題。在滿足了最大光學(xué)密度和大動態(tài)范圍的基礎(chǔ)上，掃描設(shè)備還必須有較大的位深，以滿足底片數(shù)字化對光學(xué)密度分辨率的要求。

3 底片數(shù)字化設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)的測試

3.1 空間分辨率評價測試

調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（ModulationTransferFunction）是目前分析成像設(shè)備空間分辨率常用的方法。GB/T 26141.1-2010/ISO14096-2:2005《無損檢測 射線照相底片數(shù)字化系統(tǒng)的質(zhì)量鑒定第1部分：定義、象質(zhì)參數(shù)的定量測量、標(biāo)準(zhǔn)參考底片和定性控制》規(guī)定了MTF的計算方法，該方法采用標(biāo)準(zhǔn)密度階梯塊實現(xiàn)，這就要求密度階梯塊在底片上呈理想階躍，較難實現(xiàn)，因此本研究借助于一般成像的MTF計算方法，即光柵成像法。

采用GB/T 26141.1-2010/ISO14096-2：2005標(biāo)準(zhǔn)推薦的標(biāo)準(zhǔn)參考底片，底片上放置用于測量空間分辨率的標(biāo)準(zhǔn)光柵，如圖5所示。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)底片光柵Fig.5 Standard negative film grating

圖5中相鄰的黑白兩條線可以稱為一個線對，每毫米能夠分辨出的線對數(shù)就是分辨率，用線對/毫米（lp/mm）表示。首先通過測量標(biāo)準(zhǔn)焊縫底片中黑白相間的柵格的照度的最大值和最小值，其中光柵的疏密程度被稱為“空間頻率”（Spatial Frequency）。

引入調(diào)制度M的概念：

當(dāng)焊縫底片的空間頻率很低時，測量出的調(diào)制度M幾乎等于焊縫光柵的調(diào)制度；當(dāng)焊縫底片的空間頻率提高時，數(shù)字化成像的調(diào)制度逐漸下降。數(shù)字化成像的調(diào)制度隨空間頻率變化的函數(shù)稱為調(diào)制度傳遞函數(shù)MTF（ModulationTransferFunction）。對于原來調(diào)制度為M的焊縫光柵規(guī)定，當(dāng)空間分辨率為2 lp/mm時，調(diào)制度的數(shù)值為1，當(dāng)空間分辨率變化時成像的調(diào)制度為M'。則MTF函數(shù)值為

MTF曲線如圖6所示，調(diào)制度M總是介于0和1之間，調(diào)制度越大，反差越大。當(dāng)空間頻率很低時，MTF趨于1，這時的MTF值可以反映出圖像分辨率高。當(dāng)空間頻率提高，也就是光柵的密度提高時，MTF值逐漸下降。

圖6 MTF曲線Fig.6 Curve of MTF

3.2 光學(xué)密度分辨力測試

采用標(biāo)準(zhǔn)底片上的階梯密度測試塊來測試系統(tǒng)的光學(xué)密度分辨力。分別對光學(xué)密度1.0、2.0、3.0、4.0的底片進(jìn)行掃描分析，并且對每個標(biāo)準(zhǔn)底片光學(xué)密度相差0.02的臺階塊進(jìn)行灰度值計算。不同光學(xué)密度的臺階塊如圖7所示。圖7a的臺階塊是光學(xué)密度為1.0的焊縫底片，左側(cè)部分光學(xué)密度是0.99，右側(cè)部分光學(xué)密度是1.01，光學(xué)密度相差0.02。

圖7 不同光學(xué)密度臺階塊Fig.7 Different optical density step fast

對不同光學(xué)密度的臺階塊進(jìn)行灰度值計算，以標(biāo)準(zhǔn)片光學(xué)密度為1.0的臺階塊為例，繪制了灰度值曲線變化圖，如圖8所示，灰度值曲線圖可以清楚地顯示臺階塊灰度變化，階梯灰度差值明顯。同時為了求得相鄰臺階塊的灰度值，選取1～100像素區(qū)間和201～300像素區(qū)間進(jìn)行均值分析。

圖8 灰度值曲線Fig.8 Gray scale curve

求出每個臺階塊相鄰區(qū)域的灰度值D1、D2，同時對每個臺階塊的噪聲進(jìn)行分析，取得噪聲平均誤差DE1、DE2。

根據(jù)臺階差值，可以得出每個臺階塊的臺階差值，如表1所示。

表1 階梯密度測試圖像分析結(jié)果Table 1 Film gray value of step block

由表1可知，臺階差值遠(yuǎn)大于噪聲的平均值，因此光學(xué)密度相差0.02的底片可以清晰地分辨，高質(zhì)量的數(shù)字化圖像為后期的智能評定奠定了基礎(chǔ)。

高密度對比靈敏度和大動態(tài)成像都需要數(shù)字化底片具有較大的位深，本系統(tǒng)采集得到的圖像位深為16 bit，滿足要求。

4 結(jié)論

（1）采用企業(yè)級CCD相機、高亮線形LED光源、底片傳送機構(gòu)、STM32嵌入式控制器、工業(yè)PC、光闌機構(gòu)等器件，構(gòu)建了一套焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)，實現(xiàn)了焊縫底片大動態(tài)范圍成像。

（2）根據(jù)工業(yè)底片的特點，分析空間分辨率的測試方法，采用調(diào)制度傳遞函數(shù)作為工業(yè)底片數(shù)字化設(shè)備空間分辨率的評價指標(biāo)，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)測試底片，給出了該指標(biāo)的測試方法。

（3）利用標(biāo)準(zhǔn)測試底片對所構(gòu)建的工業(yè)底片數(shù)字化設(shè)備的性能參數(shù)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明該設(shè)備具有較高的空間分辨力和密度對比靈敏度。

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Digital system of welding film and its evaluation method

GUAN Yuchao1，YAN Zhihong1，WU Jing2，ZHOU Guiqiang2，LU Zhenyang1
（1．Department of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2．Changzheng Machinery Factory of China Aerospace Science and Technology Co.，Chengdu 600100，China）

A digital system for the weld film is established，and it consists of enterprise CCD camera，highlight linear LED light source，film transfermechanism，STM32embeddedcontroller，PCandothercomponents.Aimingattherequirementsofhighspatialresolution，highdensity contrast sensitivity，large dynamic range，high optical density，large bit depth and high efficiency of industrial film digitization，the research of key technologies has been carried out to realize the high quality digitization.In this paper，the evaluation method of the digital equipmentisstudied，thekeyindexesofthedigitalequipmentareanalyzedandtheevaluationmethodisrealized.Thedigitalimageprocessing methodisusedtoevaluatethedigitalsystem.

weldfilm；digital；largedynamic；highspatialresolution；evaluationmethod

TG441.7

A

1001－2303（2017）08－0048-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.09

2017-03-10；

2017-04-15

管玉超（1990—），男，在讀碩士，主要從事主要從事焊接自動化、嵌入式控制、硬件電路設(shè)計等方面的研究。E-mail:guanyuchao319@126.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：管玉超，閆志鴻，武靜，等.焊縫底片數(shù)字化系統(tǒng)及其評價方法[J].電焊機，2017，47（08）：48-52.