淺談CR檢測(cè)中的分辨力與分辨率

陳小明，石愛玲，張軍輝，吳志波，譚云華

(東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，自貢 643000)

隨著特種設(shè)備行業(yè)射線數(shù)字成像標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布和人員取證的實(shí)施，數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)得到了大力的推廣應(yīng)用。由于各標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布時(shí)間、起草人員不同，標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語也就略存在差異，易引起混淆。特別是X射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)(簡(jiǎn)稱CR檢測(cè))標(biāo)準(zhǔn)，存在多個(gè)有關(guān)分辨力和分辨率的術(shù)語，給數(shù)字射線從業(yè)人員在學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)上帶來很大的困難。

筆者通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測(cè)》、NB/T 47013.14-2016 《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第14部分：X射線計(jì)算機(jī)輔助圖像檢測(cè)》 和ISO 17636-2：2013Non-destructivetestingofwelds-Radiographictesting-Part2:X-andγ-raytechniqueswithdigitaldetectors中易于混淆的術(shù)語和定義進(jìn)行理論對(duì)比分析和試驗(yàn)，以幫助從業(yè)人員更好地理解標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)CR檢測(cè)技術(shù)在特種設(shè)備行業(yè)中的更好應(yīng)用。

1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分辨力和分辨率的定義

術(shù)語和定義取自NB/T 47013.11和NB/T 47013.14現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中。

1.1 分辨力

兩個(gè)相鄰細(xì)節(jié)間最小距離的分辨能力，用mm表示。

1.2 分辨率

分辨率定義為單位長(zhǎng)度上可分辨兩個(gè)相鄰細(xì)節(jié)間最小距離的能力，用lp/mm表示。分辨率分為系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率,用雙線型像質(zhì)計(jì)或分辨率測(cè)試卡測(cè)試。

數(shù)字圖像的分辨率(力)，限定了圖像所能分辨的、處于與射線束垂直平面內(nèi)的相鄰細(xì)節(jié)(缺陷)間的最小尺寸，即圖像可以分辨的細(xì)節(jié)最小間距。

分辨率和分辨力的主要區(qū)別在于分辨率是相對(duì)值，分辨力是絕對(duì)值，分辨率等于2倍分辨力的倒數(shù)。

1.2.1 系統(tǒng)基本空間分辨率(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)分辨率)

在無被檢工件的情況下，按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件獲得的，單位長(zhǎng)度上CR系統(tǒng)數(shù)字圖像所能顯示的最小細(xì)節(jié)的能力，用SRb表示。

1.2.2 圖像空間分辨率(簡(jiǎn)稱圖像分辨率)

系統(tǒng)分辨率與檢測(cè)系統(tǒng)有關(guān)，與被檢對(duì)象無關(guān)，反應(yīng)檢測(cè)系統(tǒng)本身特性，主要取決于使用的射線機(jī)、CR掃描儀和IP板類型。射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸小，激光掃描儀掃描步進(jìn)小，IP晶體體積小可獲得較高的圖像分辨率。例如晶體體積小的IP分辨率比較高，可達(dá)25 μm 甚至更小。晶體體積較大的，空間分辨率也較低，最多只能達(dá)到50 μm[1]。

圖像分辨率是檢測(cè)系統(tǒng)針對(duì)特定檢測(cè)對(duì)象在特定檢測(cè)條件時(shí)，得到的檢測(cè)圖像分辨率，主要考核圖像的不清晰度。對(duì)于特定的檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)分辨率為一定值，圖像分辨率隨檢測(cè)對(duì)象和透照工藝的變化而不同，且數(shù)值低于系統(tǒng)分辨率。

1.3 掃描分辨率

由掃描決定的數(shù)字圖像的像素幾何尺寸，取決于激光掃描儀掃描IP板的行間距，以及激光點(diǎn)掃描行走速度與轉(zhuǎn)換器工作頻率之比。

掃描分辨率(掃描精度或掃描步進(jìn))主要受激光斑點(diǎn)尺寸，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度和激光頭擺動(dòng)精度的影響。掃描分辨率是控制CR系統(tǒng)圖像質(zhì)量和IP掃描速度的關(guān)鍵因素，掃描分辨率高，相應(yīng)的掃描速度就慢，獲得的圖像分辨率就高。實(shí)際系統(tǒng)分辨率低于理想狀態(tài)的系統(tǒng)分辨率[2]。

2 標(biāo)準(zhǔn)中分辨力和分辨率的指標(biāo)規(guī)定

2.1 圖像分辨率的表述

在實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)射線數(shù)字成像檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并未嚴(yán)格區(qū)分雙線型像質(zhì)計(jì)讀數(shù)值、圖像不清晰度,其分辨率和分辨力的關(guān)系如表1～3所示。

在NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)中圖像分辨率單位用lp·mm-1表示，在NB/T 47013.14-2016和ISO 17636-2:2013中用分辨力表示分辨率，單位為mm。

在實(shí)際應(yīng)用中并未嚴(yán)格區(qū)分分辨力和分辨率間的關(guān)系，常用分辨力表示分辨率。例如：某圖像分辨率為5 lp·mm-1，對(duì)應(yīng)分辨力為0.1 mm,圖像不清晰度為0.2 mm，雙線型像質(zhì)計(jì)測(cè)定值為D10，則該圖像分辨率為D10或0.1 mm。

表1 NB/T 47013.11-2015標(biāo)準(zhǔn)的表5中B級(jí)像質(zhì)應(yīng)達(dá)到的圖像分辨率

表2 NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)的表9中B級(jí)像質(zhì)應(yīng)達(dá)到的圖像分辨率

表3 ISO 17636-2:2013標(biāo)準(zhǔn)的表B.14中B級(jí)像質(zhì)應(yīng)達(dá)到的圖像分辨率

2.2 歸一化信噪比計(jì)算時(shí)的分辨率選擇

在歸一化信噪比計(jì)算時(shí)，同樣采用分辨力的值代入公式進(jìn)行計(jì)算，但不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)分辨率的規(guī)定又不相同。

ISO 17636-2:2013標(biāo)準(zhǔn)中歸一化信噪比SNRN的定義為：利用從數(shù)字圖像中直接測(cè)量的基本空間分辨率SRb和SNR值(即SNRmeasured)經(jīng)式(1)歸一化得到。

(1)

式中：88.6為歸一化系數(shù)，單位為μm。

在進(jìn)行歸一化信噪比計(jì)算時(shí)，SRb為系統(tǒng)分辨率或圖像分辨率對(duì)應(yīng)的分辨力值，即雙線型像質(zhì)計(jì)絲徑或絲徑距離的值。

NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)定義歸一化信噪比SNRN為基于CR系統(tǒng)分辨率SRb，經(jīng)歸一化處理后的信噪比，可用式(2)表示。

(2)

式中：C為歸一化系數(shù)，等于88.6 μm;SNRm為測(cè)量信噪比。

同時(shí)該標(biāo)準(zhǔn)條款C.3規(guī)定 “進(jìn)行歸一化信噪比測(cè)量所需的CR系統(tǒng)分辨率的值按照附錄B測(cè)定?！睆男g(shù)語定義和歸一化信噪比計(jì)算公式可看出，SRb為CR系統(tǒng)分辨率。

通過分析，不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)歸一化信噪比計(jì)算公式是相同的，但分辨率取值不同，ISO 17636-2:2013規(guī)定為圖像分辨率，NB/T 47013.14-2016為系統(tǒng)分辨率。對(duì)同一圖像而言，NB/T 47013.14-2016測(cè)量的圖像歸一化信噪比數(shù)值高于ISO 17636-2:2013的，即按照NB/T 47013.14-2016標(biāo)準(zhǔn)采集的圖像質(zhì)量可能不滿足ISO 17636-2:2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

例如某CR檢測(cè)系統(tǒng)的分辨率為D11(0.08 mm)，采用此CR系統(tǒng)按照AB級(jí)對(duì)60 mm平板對(duì)接焊縫進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)管電壓為350～450 kV時(shí)，圖像歸一化信噪比要求≥98。如果圖像測(cè)量信噪比為100，圖像分辨率為D6(0.25 mm)。分別將系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率代入式(2)進(jìn)行計(jì)算得到：系統(tǒng)分辨率為0.08 m時(shí)，SNRN=110.8>98滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；圖像分辨率為0.25 mm時(shí),SNRN=35.4<98不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

可見對(duì)同一圖像，在測(cè)量信噪比相同的情況下,采用不同的分辨率代入公式計(jì)算得到的歸一化信噪比數(shù)值相差超過3倍。

在實(shí)際CR檢測(cè)應(yīng)用中，為獲得高質(zhì)量的CR檢測(cè)圖像，圖像歸一化信噪比計(jì)算時(shí)并未采用系統(tǒng)分辨率，而是采用圖像分辨率。

3 分辨率試驗(yàn)

采用型號(hào)HPX-1Plus的激光掃描儀，HR型成像板，HSXY-320HP型射線機(jī)(焦點(diǎn)尺寸為1.0 mm)，厚度為6 mm的低碳鋼鋼板進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 掃描分辨率和系統(tǒng)分辨率

按照NB/T 47013.14-2017附錄B要求，將兩個(gè)雙線型像質(zhì)計(jì)同時(shí)放在IP板上分別與像素行或列成2°～5°的傾角，掃描參數(shù)和透照條件如表4所示。

表4 CR系統(tǒng)測(cè)試掃描參數(shù)和透照條件

按照上述條件進(jìn)行曝光和IP板掃描后，得到系統(tǒng)分辨率如圖1所示。

圖1 CR檢測(cè)系統(tǒng)分辨率測(cè)試

對(duì)圖像進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論： ① 按照采樣定理， CR掃描儀的掃描分辨率P為25 μm，理想狀態(tài)系統(tǒng)分辨率R=2P=50 μm；② 當(dāng)激光束與雙線型像質(zhì)計(jì)絲徑垂直時(shí)系統(tǒng)分辨率為88.8 μm，激光束與雙線型像質(zhì)計(jì)絲徑平行時(shí)系統(tǒng)分辨率為82.1 μm，兩個(gè)方向略有差異，系統(tǒng)分辨率為D11，即SRb=80 μm；③ 系統(tǒng)實(shí)測(cè)分辨率低于理想分辨率，系統(tǒng)分辨率不僅與掃描分辨率相關(guān)，還與IP板類型有關(guān)。

3.2 掃描分辨率和圖像分辨率

采用相同的透照工藝(管電壓150 kV，曝光量5 mA·min，焦距700 mm)對(duì)6 mm厚的鋼板進(jìn)行透照。透照時(shí)，只改變掃描分辨率，而激光功率和PMT增益值保持不變，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可得出以下結(jié)論：① 在特定的CR檢測(cè)系統(tǒng)中，激光掃描儀掃描分辨率越高，圖像分辨率越高；② 在滿足產(chǎn)品檢測(cè)要求下，掃描分辨率變化對(duì)圖像分辨率不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，適當(dāng)降低掃描分辨率可提高掃描速度；③ 激光掃描儀的分辨率應(yīng)可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)各種檢測(cè)需要，圖像采集時(shí)掃描分辨率要高于標(biāo)準(zhǔn)要求的圖像分辨率。

表5 掃描分辨率對(duì)圖像分辨率的影響

3.3 系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率

射線數(shù)字圖像檢測(cè)技術(shù)中，圖像不清晰度包括幾何不清晰Ug和圖像固有不清晰度Uc，可用圖像分辨率表示，其等于2倍圖像分辨率(力)[1]。

(3)

(4)

固有不清晰度Uc可用式(5)表示。

Uc=2SRb

(5)

幾何不清晰度Ug可用式(6)表示。

Ug=df×L2/(F-L2)=df×L2/L1

(6)

式中：F為焦點(diǎn)至IP板的距離;df為焦點(diǎn)尺寸;L1為焦點(diǎn)至工件表面的距離；L2為工件表面至IP板的距離。

由式(6)可知：幾何不清晰度與焦點(diǎn)尺寸和工件厚度成正比，與焦點(diǎn)至工件表面的距離成反比。在焦點(diǎn)尺寸和工件厚度一定的情況下，焦距越大，Ug值越小，圖像分辨率越好。

通過3.1中的試驗(yàn)測(cè)得該CR檢測(cè)系統(tǒng)分辨率SRb為88.8 μm，固有不清晰度Uc為0.177 6 mm。掃描參數(shù)和透照電壓保持不變，曝光量按平方反比定律計(jì)算，通過改變焦距，測(cè)得的圖像分辨率變化如表6所示。

表6 焦距對(duì)圖像分辨率的影響

表6進(jìn)行分析，可得以下結(jié)論：① 圖像不清晰度計(jì)算值小于圖像不清晰度測(cè)定值，即實(shí)際圖像分辨率低于理論計(jì)算結(jié)果；② 焦距從200 mm變化到1 000 mm時(shí)，圖像分辨率未發(fā)生明顯變化，圖像分辨率增大，幾何不清晰度降低，圖像分辨率逐漸提高；③ 雖然圖像分辨率未發(fā)生明顯變化(未超過一個(gè)絲號(hào))，但對(duì)應(yīng)的分辨率數(shù)值下降的百分比不同(圖像分辨率80～100 μm都屬于D11)；圖2(a)中圖像分辨率實(shí)測(cè)值為88.8 μm，第一對(duì)不能識(shí)別的雙線型像質(zhì)計(jì)絲徑百分比為15.8%，圖2(b)中圖像分辨率實(shí)測(cè)值為92.2 μm，第一對(duì)不能識(shí)別的雙線型像質(zhì)計(jì)絲徑百分比為12.7%；④ 因CR檢測(cè)的圖像分辨率和系統(tǒng)分辨率高，圖像分辨率主要取決于系統(tǒng)分辨率，當(dāng)焦距滿足標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)等級(jí)最小焦距情況下，焦距和射線機(jī)焦點(diǎn)尺寸產(chǎn)生的幾何不清晰度Ug對(duì)圖像不清晰度U的影響很小，即對(duì)圖像分辨率的影響較小。

圖2 CR圖像分辨率測(cè)試

4 結(jié)語

分辨率(或分辨力)是射線數(shù)字成像圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一，決定了缺陷細(xì)節(jié)的分辨能力。分辨率是相對(duì)值，分辨力是絕對(duì)值，對(duì)于特定的系統(tǒng)，可用分辨力表示系統(tǒng)的檢測(cè)能力，但在對(duì)不同系統(tǒng)或被檢工件之間進(jìn)行對(duì)比時(shí)，分辨率則較為客觀。通過對(duì)射線數(shù)字成像各標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語中分辨率和分辨力的理論計(jì)算對(duì)比，分析了各標(biāo)準(zhǔn)中分辨率和分辨力的差異，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了掃描分辨率對(duì)系統(tǒng)分辨率和圖像分辨率的影響，為CR檢測(cè)工藝的制定提供了依據(jù)，以推動(dòng)CR檢測(cè)技術(shù)的更好應(yīng)用。