DR 平板探測(cè)器圖像校正方法研究

肖雄暉，吳 偉，梁 毅，廖 翔

(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330063)

0 引 言

平板探測(cè)器是數(shù)字射線（digital radiography，DR）成像系統(tǒng)中重要組成部分，在工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有大量應(yīng)用，其性能直接影響所采集圖像的質(zhì)量[1-5]。在進(jìn)行DR 成像的過(guò)程中，為了避免因暗電流，壞點(diǎn)等噪聲影響探測(cè)器成像質(zhì)量，需要進(jìn)行偏移、增益和壞像素校正。

針對(duì)探測(cè)器校正方法的研究，有基于圖像處理算法，對(duì)整幅圖像進(jìn)行校正；也有基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，分析各像元的分布情況，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)公式進(jìn)行修正。在圖像處理領(lǐng)域，胡云生等[6]提出了一種算法對(duì)圖像傳感器的壞點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和修正，但該方法不能有效修正壞像素簇，有待進(jìn)一步優(yōu)化；徐有青等[7]對(duì)CMOS 數(shù)字圖像傳感器的壞像素進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，得到修飾過(guò)的視頻圖像在肉眼下無(wú)法分辨壞像素，但該法不適用面積較小的缺陷的檢測(cè)；在統(tǒng)計(jì)分析領(lǐng)域，張豐收等[8]對(duì)工業(yè)CT 的平板探測(cè)器基于統(tǒng)計(jì)模型按區(qū)域模板不同，把壞像素進(jìn)行分類并對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化插值，能有效消除壞像素造成的偽影，該方法對(duì)工件投影圖像進(jìn)行分析，會(huì)對(duì)圖像造成損傷，產(chǎn)生漏檢的風(fēng)險(xiǎn)；徐燕等[9]對(duì)用于牙科CT 的平板探測(cè)器進(jìn)行了空氣投影圖像校正，有效抑制了重建切片環(huán)狀偽影的產(chǎn)生，但該方法不能有效進(jìn)行增益校正；閔吉磊等[10]對(duì)PE0822非晶硅平板探測(cè)器進(jìn)行了暗場(chǎng)、增益和壞像素校正，發(fā)現(xiàn)校正過(guò)后提高了DR 圖像的質(zhì)量，但是該方法過(guò)分依賴于廠家給出的校正文件，當(dāng)管電壓較低的時(shí)候，無(wú)法得到準(zhǔn)確的校正。

目前工業(yè)應(yīng)用X 射線數(shù)字圖像檢測(cè)，國(guó)外主要有美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society of Testing Materials，ASTM）標(biāo)準(zhǔn)ASTM-E2597[11]。最新GB/T 3323.2—2019《焊縫無(wú)損檢測(cè) 射線檢測(cè) 第2 部分：使用數(shù)字化探測(cè)器的X 和伽瑪射線技術(shù)》標(biāo)準(zhǔn)中[12]，對(duì)壞像素描述為：壞像素是數(shù)字陣列探測(cè)器陣列中性能超出要求的單元，ASTM-E2597 有詳細(xì)說(shuō)明。對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲處理方法是：使用校準(zhǔn)軟件按照一定的校準(zhǔn)程序校準(zhǔn)，以降低數(shù)字圖像的結(jié)構(gòu)噪聲。在NB/T 47013.11—2015《X 射線數(shù)字成像檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中，定義壞像素為：在暗場(chǎng)圖像中出現(xiàn)比相鄰像素灰度值過(guò)高或過(guò)低的白點(diǎn)或黑點(diǎn)。同樣在校正后的圖像中，輸出值遠(yuǎn)離圖像均值的異常點(diǎn)。

以上標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像校正并沒(méi)有具體的規(guī)定，本文基于像素灰度值統(tǒng)計(jì)分析方法，參照ASTM-E2597標(biāo)準(zhǔn)，研究偏移校正、增益校正和壞像素標(biāo)定算法，用標(biāo)準(zhǔn)差和信噪比量化指標(biāo)[13]來(lái)評(píng)價(jià)校正前后圖像質(zhì)量，找到適用于不同型號(hào)平板探測(cè)器圖像校正的通用方法。

1 DR 平板探測(cè)器圖像特征及校正

X 射線平板探測(cè)器作為DR 成像系統(tǒng)中關(guān)鍵的組成部分，具有靈敏度高，固有噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大，存儲(chǔ)方便可靠，所得圖像可以進(jìn)行后續(xù)處理等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 DR 平板探測(cè)器成像原理及特征

目前平板探測(cè)器主要分為非晶硅、CMOS 和非晶硒三類。非晶硅平板探測(cè)器有玻璃襯底的非結(jié)晶硅陣列板，表面涂有閃爍體層——碘化銫，其下方是按陣列方式排列的薄膜晶體管電路。晶體管電路像素單元大小直接影響圖像的空間分辨率，每一個(gè)單元具有電荷接受電極信號(hào)儲(chǔ)存電容與信號(hào)傳輸器，通過(guò)數(shù)據(jù)網(wǎng)線與掃描電路相連。非晶硒數(shù)字平板結(jié)構(gòu)與非晶硅有所不同，其表面不用碘化銫閃爍體而直接使用硒涂層。X 射線光子經(jīng)過(guò)閃爍體轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，再由非晶硒陣列將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)讀出為數(shù)字化信息，計(jì)算機(jī)最后經(jīng)過(guò)處理，重建形成圖像[14]。

圖1 所示為Varex 公司XRPad2 4336 平板探測(cè)器，分辨率為3524×4288，轉(zhuǎn)換精度16 位，即灰度最大值為65535。在射線源-平板距離為1000 mm，管電流3 mA，不同管電壓條件下采集沒(méi)有工件的空?qǐng)鰣D像如圖2 所示，對(duì)該圖像作灰度分布直方圖和箱形圖如圖3 所示。

圖1 XRPad2 4336 平板探測(cè)器

圖2 不同管電壓下采集的灰度圖像

圖3 不同管電壓下灰度圖像像素分布

圖2 可以看出沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的圖像像素均勻非常差，從圖3(a)可以看出，從暗場(chǎng)圖像到100 kV 工作條件下，圖像灰度值逐漸增大；在低管電壓和高管電壓條件下，灰度值分布較集中；在中間電壓狀態(tài)下，灰度值分布比較分散，這是由于平板探測(cè)器成像時(shí)受到暗場(chǎng)漂移、響應(yīng)不一致和壞點(diǎn)等因素造成的影響。特別需要指出的是，從圖3(b)中的灰度值箱形分布圖可以發(fā)現(xiàn)：有一些像素灰度值總是最大值65535 或是最小值0，不隨工作管電壓改變而改變；還有一些像素值處在四分位數(shù)之外，這些值從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度上來(lái)說(shuō)屬于異常值，對(duì)應(yīng)的像素可以認(rèn)為是“壞像素”。因此要對(duì)圖像進(jìn)行校正和壞像素處理來(lái)改善成像質(zhì)量。

1.2 偏移校正與增益校正

由于DR 圖像從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)反映了感受射線能量的大小，每個(gè)像素點(diǎn)都可以看成是一個(gè)射線傳感器，當(dāng)所有傳感器性能相對(duì)一致時(shí)，整個(gè)圖像就會(huì)表現(xiàn)得比較均勻，而由于各種原因又往往很難做到這點(diǎn)，因此需要對(duì)獲取圖像的像素進(jìn)行修正，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是像素灰度值與射線能量的線性擬合過(guò)程，在DR 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)里定義為偏移校正和增益校正。

偏移校正相當(dāng)于消除零點(diǎn)漂移，一般在平板探測(cè)器接通電源后預(yù)熱一段時(shí)間，獲取多幅暗場(chǎng)圖像后求平均值，設(shè)灰度值為 offset(i,j)，i，j為圖像像素點(diǎn)坐標(biāo)。由于暗場(chǎng)圖像并沒(méi)有加射線源，可以認(rèn)為是由于電噪聲引起的漂移，實(shí)際采集圖像灰度值應(yīng)該減去這個(gè)漂移。

加載射線源后由于平板探測(cè)器各個(gè)像元響應(yīng)不一致，應(yīng)該給所有像元的灰度值均衡化處理，把所有像素值看成一組數(shù)列，引入統(tǒng)計(jì)分析的中位數(shù)概念：中位數(shù)是按順序排列的一組數(shù)據(jù)中居于中間位置的數(shù)，即在這組數(shù)據(jù)中，有一半數(shù)據(jù)比這個(gè)數(shù)大，有一半數(shù)據(jù)比這個(gè)數(shù)小，用m0.5來(lái)表示，即有：

設(shè)有一組數(shù)據(jù)：X1,···,XN，將它按從小到大的順序排序?yàn)椋篨(1),···,X(N)。則當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，m0.5=X(N+1)/2；當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，m0.5=

中位數(shù)的特點(diǎn)是不受分布數(shù)列的極大或極小值影響，在一定程度上提高了中位數(shù)對(duì)分布數(shù)列的代表性。對(duì)多次采集信號(hào)來(lái)說(shuō)，中位數(shù)比平均數(shù)更合理；此外，由于圖像是由許多像素組成，可以用中位數(shù)表示灰度值是否飽和，即當(dāng)圖像像素中位數(shù)為65535 時(shí)，表明至少有一半以上像素達(dá)到飽和，可以認(rèn)為圖像已經(jīng)飽和。在不同工作電壓下所有像素灰度的中位數(shù)和平均數(shù)如圖4 所示。

圖4 不同工作電壓下圖像灰度中位數(shù)和平均數(shù)

從圖中可以看出，在低工作電壓條件下，中位數(shù)與均值相差并不大，但隨著工作電壓的升高，中位數(shù)與均值的差異越來(lái)越大，表明圖像中確實(shí)存在與管電壓無(wú)關(guān)的壞像素（始終為0 或最大值65535），導(dǎo)致均值始終達(dá)不到飽和值。可見(jiàn)用中位數(shù)評(píng)價(jià)像素是否整體飽和是合理的。

設(shè)x(i,j)是在某一工作條件下獲取原圖像中某像素點(diǎn)灰度值，m(i,j)是校正后的像素值，i,j表示像素點(diǎn)在圖像中的位置。兩者的線性擬合可以用下式表示：

式中：o ffset(i,j)——暗場(chǎng)圖像灰度值；

Gain(i,j)——圖像增益系數(shù)。

由于每個(gè)像素點(diǎn)經(jīng)過(guò)偏移校正后的灰度值還是有差異，因此希望通過(guò)調(diào)整 Gain(i,j)值來(lái)達(dá)到均衡化目標(biāo)，目的是使得原來(lái)比中位數(shù)值大的像元灰度值減小，比中位數(shù)小的像元灰度值增大，圖像的灰度值分布向整幅圖像像素中位數(shù)靠攏。因此Gain(i,j)值可以按下式取得：

其中 (R1,···Rn)median表示相同工作條件下空?qǐng)鰊幅圖像平均灰度圖像像素的中位數(shù)值。

把（2）式代入（1）式并重寫如下式：

以80 kV 工作電壓分別采集偏移、增益圖像，再將采集的圖像分別作灰度分布和箱型分布如圖5所示。

從圖5 統(tǒng)計(jì)圖中明顯可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)比原始圖像，偏移校正只是總體灰度值有所下降，相當(dāng)于單個(gè)像素點(diǎn)消除了零點(diǎn)漂移，灰度值分布并沒(méi)有改變；增益校正修正了每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，以圖像中位數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，高灰度值降低，低灰度值增高，向中位數(shù)靠攏，而且使得分布更加集中，圖像整體表現(xiàn)更加均衡化。

圖5 80 kV 工作電壓下圖像灰度分布

2 基于像素灰度統(tǒng)計(jì)值的壞像素標(biāo)定

2.1 壞像素定義

從圖3（b）的圖像灰度值箱型統(tǒng)計(jì)圖可以發(fā)現(xiàn)存在異常值，但并不能定義為壞像素，實(shí)際應(yīng)用中還需要按一定的規(guī)范進(jìn)行。在ASTM-E2597 標(biāo)準(zhǔn)中，不僅定義了滿足什么樣的條件是壞像素，還規(guī)定了它們的標(biāo)定方法，分成以下7 類：

1）死像素（Dead Pixel）：與X 射線劑量無(wú)關(guān)的恒定響應(yīng)像素或是無(wú)響應(yīng)像素。

2）嘈雜壞點(diǎn)（Noisy Pixel）：在30 到100 幀暗場(chǎng)圖像中，像素灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差是整幅圖像標(biāo)準(zhǔn)差6倍以上的像素點(diǎn)。

3）非均勻像素（Non-Uniform Pixel）：偏移和增益校正完成后，像素灰度值超過(guò)它周圍9×9 鄰域像素中值±1%以上的像素。

4）延遲壞點(diǎn)（Persistence/Lag Pixel）：在關(guān)閉射線源獲得的第一幅圖像中，選取一個(gè)像素區(qū)域大小為9×9，若區(qū)域中心點(diǎn)灰度值超過(guò)區(qū)域平均灰度值的2 倍，那么該點(diǎn)稱為延遲壞點(diǎn)。

5）過(guò)度響應(yīng)像素（Over Responding Pixel）：偏移校正后，像素灰度值大于以其為中心21×21 像素區(qū)域平均值的1.3 倍的像素點(diǎn)。

6）響應(yīng)不足像素（Under Responding Pixel）：偏移校正之后，像素灰度值小于以其為中心21×21 像素區(qū)域平均值的0.6 倍的像素點(diǎn)。

7）壞鄰域像素（Bad Neighborhood Pixel）：如果一個(gè)正常像素周圍的8 個(gè)像素都是壞像素，這個(gè)像素也標(biāo)記為壞像素。

2.2 壞像素點(diǎn)標(biāo)定

上述壞像素定義中，1）～3）項(xiàng)可以直接計(jì)算，響應(yīng)不足像素、過(guò)度響應(yīng)像素、延遲壞點(diǎn)的方法如下（以延遲壞點(diǎn)為例）：

1）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，選取工況為100 kV 并進(jìn)行偏移校正的圖像。選定一個(gè)9×9 的判定區(qū)域，判定中心A初始在（5，5）。

2）計(jì)算判定區(qū)域內(nèi)的所有像素點(diǎn)均值X，將2X與A作比較，符合判定標(biāo)準(zhǔn)（A>2X）則把該點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行輸出，并標(biāo)定為響應(yīng)不足壞點(diǎn)；如圖6所示。

圖6 延遲壞點(diǎn)判定示意圖

3）判定區(qū)域中心向右移動(dòng)一個(gè)單位，再進(jìn)行步驟2）的判定，以此往復(fù)直至最后一個(gè)點(diǎn)（3519，4284），如圖7 所示。

圖7 區(qū)域中心移動(dòng)過(guò)程

在圖6 中，選定的判定中心為（1501，23）。中心值A(chǔ)為65534，區(qū)域平均值X為25551，A>2X，故判定該點(diǎn)為過(guò)度響應(yīng)像素點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)標(biāo)定，可以得出15 個(gè)壞像素點(diǎn)。其中響應(yīng)不足像素5 個(gè)，過(guò)度響應(yīng)像素10 個(gè)，延遲壞點(diǎn)1 個(gè)。統(tǒng)計(jì)上述壞像素如表1 所示，壞像素標(biāo)定如圖8 所示。

圖8 壞點(diǎn)匯總圖

表1 壞像素匯總表

2.3 壞像素點(diǎn)修正

壞像素標(biāo)定完成后，采用常見(jiàn)的基于壞像素模板的校正方法。以壞像素為中心建立3×3 模板，對(duì)模板內(nèi)像素按照是否正常像素進(jìn)行編碼。表2 展示了不同壞像素分布類型及其相應(yīng)的修正方法。

表2 壞像素校正方案

圖9 所示為上文標(biāo)定的一個(gè)延遲壞點(diǎn)的校正過(guò)程。以標(biāo)定壞點(diǎn)為中心，選取8 鄰域內(nèi)所有正常像素的平均值填充壞像素，達(dá)到校正的目標(biāo)。

圖9 壞點(diǎn)校正示意圖

3 校正和標(biāo)定后圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 校正后圖像質(zhì)量評(píng)定指標(biāo)

對(duì)空?qǐng)鰣D像來(lái)說(shuō)，評(píng)價(jià)均衡化的指標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)差。顯然，一幅圖像所有像素點(diǎn)灰度值的標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明圖像越均衡。也可以將標(biāo)準(zhǔn)差理解為圖像的噪聲，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.14—2016 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第14 部分：X 射線計(jì)算機(jī)輔助成像檢測(cè)》[15]中，將信噪比定義為圖像感興趣區(qū)域的信號(hào)平均值與信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差之比。信噪比的表示符號(hào)為SNR，表達(dá)式如下：

式中：S?圖像感興趣區(qū)域（也可以是整幅圖像）平均灰度值；

N——標(biāo)準(zhǔn)差。

顯然，信噪比越大，表明圖像越均衡。

實(shí)際上，這個(gè)SNR 就是統(tǒng)計(jì)學(xué)上的變異系數(shù)的倒數(shù)，CV 的定義是數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之比，反映數(shù)據(jù)的離散程度，顯然CV 值越?。▽?duì)應(yīng)就是SNR越大），數(shù)據(jù)離散程度越小，反之則數(shù)據(jù)離散程度越大。

對(duì)從30 kV 電壓到200 kV 電壓工作條件采集圖像，進(jìn)行偏移、增益校正和壞像素標(biāo)定修正，繪制灰度均值分布曲線、灰度中位數(shù)分布曲線、灰度標(biāo)準(zhǔn)差分布曲線、灰度值信噪比分布曲線如圖10 所示。從圖中(a)、(b)可知，平板探測(cè)器的輸出圖像隨著電壓升高是一個(gè)從暗到亮隨電壓逐漸升高的過(guò)程，當(dāng)管電壓升到90 kV 以后，其輸出響應(yīng)基本達(dá)到飽和。

圖像數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差越大，圖像像素值越分散，在圖10(c)中，隨著電壓的升高，射線強(qiáng)度加大，由于各像元感受信號(hào)能力不一致，使得標(biāo)準(zhǔn)差逐漸升高；在90～100 kV 時(shí)，圖像灰度值標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)生急劇衰減，說(shuō)明各像元接近飽和，與之對(duì)應(yīng)的信噪比增大。

圖10 不同管電壓下圖像灰度值對(duì)比

3.2 平板對(duì)接焊縫透照結(jié)果對(duì)比

為了驗(yàn)證平板探測(cè)器校正與否對(duì)DR 成像結(jié)果的影響，選取平板對(duì)接激光焊工件進(jìn)行透照實(shí)驗(yàn)，觀察焊縫處校正處理前后的圖像質(zhì)量。成像參數(shù)為射線源到探測(cè)器的距離為1000 mm，工件到探測(cè)器的距離為500 mm，管電壓為110 kV，管電流為4 mA，積分時(shí)間為500 ms，連續(xù)采集30 幀圖像平均處理。采用GB/T 23901.5—2009[16]《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》所規(guī)定的雙線型像質(zhì)計(jì)來(lái)評(píng)價(jià)射線照相的不清晰度。雙絲型像質(zhì)計(jì)放在被檢工件表面，采用20%下沉法分辨第一組不清晰線對(duì)。根據(jù)公式（5）計(jì)算出下沉小于20%的第一個(gè)線對(duì)（見(jiàn)圖11），圖像中第一組達(dá)到下沉值和兩波峰值之比小于20%的線對(duì)，即為像質(zhì)計(jì)的測(cè)試結(jié)果。

圖11 下沉值計(jì)算圖

式中：A——第一波峰值；

B——下沉值；

C——第二波峰值。

圖12 為平板對(duì)接激光焊縫校正前后的輸出圖像，（a）圖為未做校正的圖像，焊縫位置（黃色矩形框）的灰度值范圍是15617 到41317，平均值為29834，標(biāo)準(zhǔn)差為5398.3，信噪比為5.52 焊縫區(qū)域最大灰度值為41371，灰度值偏高，焊縫區(qū)域?qū)Ρ榷绕?，容易造成缺陷漏檢，DR 圖像上像質(zhì)計(jì)最小能識(shí)別的絲號(hào)為D9，圖像分辨率為3.85 線對(duì)/毫米(p/mm)。（b）圖為校正后的圖像，焊縫位置的灰度值范圍26975到32399，平均值為29684，標(biāo)準(zhǔn)差為2298.4，信噪比為12.91。在圖像灰度上校正后圖像更加均勻，圖像上像質(zhì)計(jì)最小能識(shí)別的絲號(hào)是D10，圖像分辨率為5 線對(duì)/毫米(p/mm)。經(jīng)過(guò)偏移，增益和壞像素校正后的圖像質(zhì)量有明顯提高。

圖12 平板對(duì)接激光焊縫校正前后的輸出圖像對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以XRPad2 4336 為對(duì)象，研究了基于圖像像素中位數(shù)的偏移和增益算法，以及壞像素標(biāo)定和修正方法，以信噪比（統(tǒng)計(jì)學(xué)上的變異系數(shù)）來(lái)評(píng)價(jià)校正效果?？梢杂行S機(jī)噪聲、像元不一致等造成的圖像不均衡問(wèn)題，也可為DR 平板探測(cè)器校正提供一種通用方法。