無損檢測技術(shù)中的數(shù)字圖像處理的理論與方法研究

王海波，張 麗

世界各國對核電無損評價(jià)都非常重視.如今在國內(nèi)，以中核集團(tuán)核動力運(yùn)行研究所為代表的許許多多相關(guān)的研究院所和大學(xué)在核電無損檢測方面取得了很多進(jìn)步，保證了中國核電多年來的安全運(yùn)行［1-3］.在第四代核電技術(shù)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、建設(shè)等方面，目前的檢測標(biāo)準(zhǔn)、檢測驗(yàn)證體系及關(guān)鍵檢測設(shè)備和技術(shù)主要都是從國外引進(jìn)的［4］.因此，開展系統(tǒng)的核電聲學(xué)無損評價(jià)的基礎(chǔ)研究，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無損評價(jià)系統(tǒng)，建立我國自主的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與檢驗(yàn)驗(yàn)證體系等一系列工作變得越來越重要，相關(guān)的研究迫在眉睫.

隨著現(xiàn)有的科學(xué)與工程技術(shù)水平的不斷提高以及發(fā)展進(jìn)程的不斷加快，無損檢測技術(shù)越來越受到工業(yè)界和科研部門的關(guān)注，無論是在產(chǎn)品質(zhì)量的控制方面，還是部件的檢測與維護(hù)中，無損檢測技術(shù)均具有不可替代的重要作用，丙炔的引入使得無損檢測技術(shù)在檢查設(shè)備方面也會發(fā)揮著重要作用［5-6］，其中，鈉冷快堆液態(tài)金屬鈉管道腐蝕監(jiān)測就是一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，目前，國內(nèi)相關(guān)研究仍然較少，我們擬對此開展聲學(xué)無損評價(jià)的基礎(chǔ)理論研究，探索一種有效的聲學(xué)檢測手段.通過管道腐蝕缺陷和液態(tài)金屬流動模態(tài)之間的相互關(guān)系，研究液態(tài)金屬和固態(tài)金屬管道之間的聲耦合和傳播理論，發(fā)展一種管道腐蝕的檢測方法.同時，采用聲學(xué)成像理論對管道內(nèi)壁腐蝕狀況進(jìn)行成像研究，分析管道中流動的高溫液態(tài)金屬與成像分辨率的影響關(guān)系，得到管道內(nèi)壁腐蝕狀態(tài)的清晰圖像.因此，本研究對于確保鈉冷快堆液態(tài)金屬鈉管道的完整性具有重要的意義［7-8］.

1 無損檢測技術(shù)概述

為了測定被檢測對象的內(nèi)部構(gòu)建、幾何關(guān)系、物理性質(zhì)與組織狀態(tài)以及各種缺陷缺損情況，我們需要以不破壞被檢測材料、零部件以及設(shè)備的性能和完整為前提下，應(yīng)用一定的分析方法和檢測技術(shù)，按照一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對其做出評價(jià)的過程，這就是無損檢測（Nondestructive testing，NDT）.其發(fā)展過程分以下三個階段:

（1）無 損 探 傷（Nondestructive Inspection，NDI）階段.

（2）無損檢測（Nondestructive testing，NDT）階段.

（3）無 損 評 價(jià)（Nondestructive Evaluation，NDE）階段.

這是由原來的探傷到現(xiàn)在對產(chǎn)品缺陷類型、形狀、尺寸等的認(rèn)知要求［9］.

此外，無損檢測還有下述優(yōu)點(diǎn):

（1）非破壞性.無損檢測的非破壞性是指在不破壞被測物體的前提下，對物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測.物品在經(jīng)過無損檢測以后對其無任何損壞，可以繼續(xù)被利用.因此，無損檢測在非破壞性的方面優(yōu)勢明顯.

（2）全面性.由于無損檢測具有很好的非破壞性，因此可在必要的情況下，對被測物體進(jìn)行完全的檢測，可以全面地探測被測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，獲取信息比較全面、真實(shí).

（3）全程性.一般的檢測（如破壞性檢測）在正常情況下只能運(yùn)用于對原材料的檢測，但是如果是已經(jīng)完成的成品以及正在使用的物品，則不可能進(jìn)行檢測.否則被破壞的物品因?yàn)槠茐男詸z測而報(bào)廢，除非該物件已經(jīng)報(bào)廢或者已經(jīng)不能正常工作.而無損檢測在檢測物品之后，物品沒有被損壞，可以繼續(xù)使用，所以無損檢測可以檢測原材料、成品、正在使用的物品等所有的材料，一般沒有什么限制.

2 無損檢測的研究內(nèi)容

無損檢測是利用聲、光、電、熱、磁和射線等與被測物質(zhì)的相互作用，在不損害被檢驗(yàn)對象的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和使用性能的前提下，對工業(yè)生產(chǎn)中工程零部件、材料、結(jié)構(gòu)件等進(jìn)行有效地檢驗(yàn)和測試，包括超聲檢測法中的圖像處理，射線檢測法中的圖像處理，磁粉檢測法中的圖像處理以及滲透檢測法中的圖像處理.

針對鈉冷快堆中輸送液態(tài)金屬鈉管道的管道腐蝕問題，建立物理模型，研究聲波在這種特定條件下的激發(fā)、傳播和散射機(jī)制，尤其是研究漏泄聲導(dǎo)波的激發(fā)、傳播和散射機(jī)制.以矩形齒狀表面為切入點(diǎn)，對復(fù)雜形狀表面的波導(dǎo)問題進(jìn)行數(shù)值模擬研究.同時，通過數(shù)值模擬研究液態(tài)金屬流動模態(tài)和管道腐蝕缺陷之間的相互關(guān)系，研究液態(tài)金屬和固態(tài)金屬管道之間的聲耦合和傳播理論.結(jié)合數(shù)值仿真和虛擬檢測研究，發(fā)展聲學(xué)成像和定量評價(jià)的理論，探索一種聲學(xué)檢測手段，發(fā)展一種管道腐蝕的檢測方法.在這些研究的基礎(chǔ)上，爭取形成一種能夠有效地監(jiān)測鈉冷快堆液態(tài)金屬鈉管道腐蝕的聲學(xué)成像檢測手段.具體包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:

（1）針對核電中的鐵素體鋼、低合金鋼、奧氏體鋼這幾種材料，以及新材料納米氧化物彌散加強(qiáng)材料等，通過理論和實(shí)驗(yàn)研究，研究在鈉冷快堆條件下材料彈性模量變化的規(guī)律和應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系.

（2）通過數(shù)值模擬、半解析方法研究液態(tài)金屬和固態(tài)金屬管道之間的聲耦合和傳播理論.在該條件下的漏泄聲導(dǎo)波的激發(fā)、傳播和散射的基本理論.

（3）探索應(yīng)用超聲相控陣與綜合孔徑聚焦成像集成技術(shù)檢測方法的可能性.

（4）積極了解鈉冷快堆試驗(yàn)的進(jìn)展，開展有限的模擬實(shí)驗(yàn)研究.

（5）搜索跟蹤國內(nèi)的同類工作，并開展合作.

對于鈉冷快堆液態(tài)金屬鈉管道腐蝕監(jiān)測本文從聲學(xué)的角度探索一種檢測手段.在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面有一系列關(guān)鍵問題需要解決.最基本的有以下幾點(diǎn):

（1）核電極端條件下材料的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系.在核輻照作用下，材料處于高溫狀態(tài)，材料的彈性模量等物理常數(shù)會發(fā)生很大變化，而且這些變化隨時間改變.認(rèn)識這些規(guī)律是聲學(xué)檢測的基礎(chǔ).

（2）液態(tài)金屬鈉輸送管道中聲波的激發(fā)機(jī)理和傳播散射規(guī)律.由于材料性質(zhì)和管道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使以上這些規(guī)律變得非常復(fù)雜.同時，換能器材料的性質(zhì)也會大大改變.認(rèn)識這些規(guī)律是聲學(xué)檢測方法的基礎(chǔ)，同時也是采集和分析檢測數(shù)據(jù)需要考慮的重要方面.

（3）檢測換能器的安放和數(shù)據(jù)采集，常常會受到狹小環(huán)境空間的限制.靈活應(yīng)用超聲相控陣技術(shù)，并對綜合孔徑聚焦成像技術(shù)加以修正改進(jìn)，對兩者的長處集成，有可能補(bǔ)充超聲成像所必需的數(shù)據(jù).

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖像數(shù)字化

在本課題研究的脈沖反射法超聲無損檢測中，超聲無損檢測系統(tǒng)由高頻超聲探頭，超聲脈沖發(fā)生/接收卡，PC機(jī)等組成，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.高頻超聲探頭在超聲波脈沖發(fā)生/接收卡向其發(fā)射高頻脈沖的情況下受到脈沖的激勵而發(fā)出超聲波，再通過耦合劑進(jìn)入到被測對象中，同時接收超聲回波信號，經(jīng)超聲脈沖發(fā)生/接收卡實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換再傳輸至PC機(jī)，PC機(jī)再對信號進(jìn)行必要的處理、分析、顯示與存儲處理.

圖1 超聲無損檢測系統(tǒng)原理框圖

通過理論模型的建構(gòu)和數(shù)據(jù)的分析，該系統(tǒng)具有以下功能:

（1）建立核電極端條件下輸送液態(tài)金屬管道的聲傳播理論.通過針對核電中現(xiàn)在常用的材料和研究開發(fā)中的新材料聲學(xué)特性的研究，本質(zhì)上揭示聲波在核電站液態(tài)金屬鈉輸送管道中傳播的內(nèi)在物理現(xiàn)象和聲學(xué)規(guī)律.

（2）形成分析計(jì)算液態(tài)金屬和固態(tài)金屬管道之間漏泄聲導(dǎo)波的數(shù)值模擬方法和軟件.該軟件應(yīng)用半解析方法，可計(jì)算漏泄聲導(dǎo)波的激發(fā)、傳播.

（3）對于液態(tài)金屬鈉管道的管道腐蝕問題，應(yīng)用縱波、橫波和導(dǎo)波檢測的結(jié)果給出比較和評價(jià).爭取形成一個虛擬檢測仿真軟件系統(tǒng).

4 圖像處理

將待處理的圖像運(yùn)用數(shù)字化該變成為電腦可以接受格式，之后再應(yīng)用MATLAB軟件來分析以及處理圖像.圖像處理和分析過程主要三個部分組成，分別是采樣、量化與壓縮編碼.

4.1 采樣

采樣的本質(zhì)就是運(yùn)用許多的點(diǎn)來描述圖片，其結(jié)果的好壞可以用圖片分辨率來評價(jià).一般來說，在兩個維度的空間上連續(xù)的圖片在水平和豎直的兩個方向上等距離地分離成方形網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，變成細(xì)小的格子，將這些細(xì)小的格子稱之為像素點(diǎn).一張圖片會被采樣為大量的像素點(diǎn)所組成的一個集合.每一秒鐘之中采樣的次數(shù)被稱為采樣頻率，間隔的大小就是采樣點(diǎn)之間的大小.采樣的頻率越高，所采集到的圖片的樣本越真實(shí)，圖片成像的質(zhì)量就會越高，此時，圖片的存儲量較大.

4.2 量化

用數(shù)值量化的程度來表示每個采樣點(diǎn)的圖像，量化的結(jié)果要適應(yīng)圖像的整體顏色，它反映了采樣的質(zhì)量.例如:如果4位存儲在一個點(diǎn)上，圖像可以有16個顏色，如果你使用了16位內(nèi)存，216=65536顏色.所以，量化位數(shù)越大，圖像的自然顏色越多，可以產(chǎn)生更多的圖像細(xì)節(jié)，缺點(diǎn)是會占據(jù)更多的存儲空間，還存在視覺效應(yīng)與存儲空間的基本問題.灰色和白色的照片，因?yàn)樗诖怪狈较虻幕叶茸兓沁B續(xù)的，可以考慮有數(shù)以百萬計(jì)的像素，任何一點(diǎn)的價(jià)值可以從黑色到白色有無限的能量值.通過模擬圖像像素沿水平方向和垂直方向和采樣間隔被分解成近似有限，像素的灰度值的每個像素表示（亮度）要量化的價(jià)值.通過一個空間的有限的離散像素的性能分布，被采樣和量化的值的離散值的性能可以被稱為數(shù)字圖像.只要水平和垂直采樣點(diǎn)足夠，量化位的數(shù)目就足夠大，數(shù)字圖像的質(zhì)量也不遜于原來的模擬圖像.確定量化的離散值的數(shù)目被稱為量化.對于二進(jìn)制數(shù)字顏色值（或亮度值）量化表示，量化字長度，一般可用8位和16位，24位或更高的量化字長度來表示圖像的顏色；量化字長度是，能真正反映原始圖像的顏色，但數(shù)字圖像的能力較大.例如:曲線沿直線的灰度值的圖像，最大值，最小值.先采樣:沿線段AB等間隔進(jìn)行采樣，取樣值在灰度值上是連續(xù)分布的；再進(jìn)行量化:將連續(xù)的灰度值再進(jìn)行數(shù)字化（8個級別的灰度級標(biāo)尺）.

4.3 壓縮編碼

數(shù)字化后得到的圖像數(shù)據(jù)量十分巨大，必須采用編碼技術(shù)來壓縮其信息量.在一定意義上講，編碼壓縮技術(shù)是實(shí)現(xiàn)圖像傳輸與儲存的關(guān)鍵.本研究采用無損壓縮編碼的方式對數(shù)字化后圖像進(jìn)行編碼壓縮處理，通過小波變換、編碼、壓縮過程實(shí)現(xiàn)對圖像多余數(shù)據(jù)的處理，盡量將圖像涉及的數(shù)據(jù)減少，同時還能保證圖像的保真性.這一過程是可逆的，即可以將壓縮后的數(shù)據(jù)恢復(fù)成原來的圖像，防止圖像丟失難以找回.如對于分辨率為256*256的圖像，經(jīng)過第一次壓縮后圖像分辨率變?yōu)?35*135，此次壓縮分解的是第一層低頻信息，壓縮效果非常好，第二次壓縮后圖像的分辨率降為75*75，此次壓縮選取的是低頻部分中的低頻信息，壓縮就比較大，通常情況下，圖像的低頻部分是最主要部分，小波分解的方式正好是主要保留低頻部分，去掉高頻部分，盡量不讓圖像失真，確保圖像信息的真實(shí)性.

5 結(jié)論

圖像的數(shù)字化過程主要三個部分組成，分別是采樣、量化與編碼.為了工作需要，通常要將數(shù)據(jù)改成圖像，進(jìn)而用來進(jìn)一步的分析.在此過程中，圖像處理技術(shù)具有重要作用.如今計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于生活中的許多領(lǐng)域之中，并取得的許多較大的近展，得到較好的圖像處理效果.無損檢測是在不破壞被測物體的同時對物體內(nèi)部進(jìn)行檢測，通過實(shí)時成像采集圖像，并且運(yùn)用圖像處理技術(shù)，來優(yōu)化圖像質(zhì)量.本文就無損檢測技術(shù)中的數(shù)字圖像處理的理論與方法進(jìn)行了研究，希望為無損檢測技術(shù)的革新提供一點(diǎn)理論參考.

20世紀(jì)電子科技的迅猛發(fā)展對電子圖像產(chǎn)生了巨大的推動性作用，并使其經(jīng)歷了從“具體圖像”“磁帶圖像”到“計(jì)算機(jī)圖像”三個階段.通過對電子圖像作品進(jìn)行編寫，透視出當(dāng)代電子圖像作品制作技術(shù)演進(jìn)的結(jié)果是越來越趨于“計(jì)算機(jī)”化，相信計(jì)算機(jī)圖像的未來一定是美好的.