基于動態(tài)宇宙算法的磁光成像增強(qiáng)研究

劉艷濤

(永城職業(yè)學(xué)院,河南 永城 476600)

1 引 言

磁光成像是一種無損探測技術(shù),能夠檢測出材料內(nèi)部存在的缺陷[1],但是磁光成像受噪聲的影響,如材料內(nèi)部磁疇現(xiàn)象產(chǎn)生的斑點(diǎn),或者光成像過程受到外界干擾,導(dǎo)致成像識別性較差,因此對磁光成像增強(qiáng)有利于對缺陷的識別。

目前磁光成像增強(qiáng)方法主要有:多向磁場激勵下磁光成像檢測[2],能明顯檢測出多角度的焊接缺陷,且能有效避免曲線裂紋在焊接缺陷檢測中的漏檢現(xiàn)象。對比度增強(qiáng)算法(Contrast Enhancement,CE),通過小波變換和拉普拉斯金字塔模型對圖像分解獲得磁光圖像的細(xì)節(jié)信息[3]。多尺度增強(qiáng)(Multiscale Enhancement,ME)算法通過圖像多尺度分解,結(jié)合高斯平滑濾波與減影算法提取圖像細(xì)節(jié)信息[4]。自動噪聲閾值Gabor濾波(Gabor Filtering with Automatic Noise Thresholding,GFANT)能夠?qū)Υ殴鈭D像噪聲進(jìn)行消除[5],在小細(xì)節(jié)和缺陷區(qū)域的保留方面都有很大的改進(jìn)。局部圖像增強(qiáng)方法(Local Image Enhancement,LIE),在磁光圖像增強(qiáng)時考慮了對比度[6],增強(qiáng)后的圖像質(zhì)量明顯提高。尺度變量隨機(jī)共振方法(Scale Variable Stochastic Resonance,SVSR),通過遺傳優(yōu)化算法優(yōu)化尺度變量,隨機(jī)共振使弱像素信號增強(qiáng)[7],提高了磁光圖像的可見度。

以上研究沒有考慮到鐵磁材料產(chǎn)生的磁疇現(xiàn)象,或者按圖像紋理規(guī)則性進(jìn)行處理,但是磁光成像時磁疇擴(kuò)張的無向性導(dǎo)致形成的圖像紋理具有隨機(jī)性,因此磁光成像增強(qiáng)需要消除磁疇形成圖像紋理的影響,本文提出動態(tài)宇宙算法(Dynamic Universe Algorithm,DUA)對磁光成像增強(qiáng),宇宙的連接距離隨著層的變化而動態(tài)改變,提高宇宙進(jìn)化效率,相同層、不同層宇宙信息度、位置的變化采用不同方法；基于灰度因子對磁光成像對比度調(diào)整,動態(tài)宇宙尋優(yōu)獲得總變差模型最佳參數(shù)值,實(shí)驗(yàn)仿真比較分析了本文算法的有效性。

2 磁光成像增強(qiáng)

2.1 磁光成像效應(yīng)

鐵磁性材料在通有交流電的線圈中產(chǎn)生磁力線,并且在缺陷附近出現(xiàn)的漏磁引起磁場的垂直分量變化。磁光成像條件是需要激光光源經(jīng)過偏振器生成線性偏振光。當(dāng)線性偏振光通過鐵磁性材料時,基于法拉第磁光效應(yīng),受到漏磁場的作用,偏振角度發(fā)生旋轉(zhuǎn)[8],其角度θ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、光穿越介質(zhì)的有效長度L關(guān)系為:

θ=VBL

(1)

式中,V為費(fèi)爾德常數(shù)。

偏振光被磁光傳感器采集,基于馬呂斯定律,漏磁場與光強(qiáng)I0建立變化關(guān)系:

I0=E2cos2(φ)

(2)

式中,E為入射線偏振光振幅;φ為檢偏器與磁光傳感器方向夾角。

偏振光在缺陷處N極和S極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向相反、角度相同的光強(qiáng)IN、IS,分別為:

(3)

由于IS

磁光成像主要受斑狀噪聲影響,其中斑狀噪聲一部分來自入射光源和磁光薄膜所含雜質(zhì)影響,可通過精密儀器避免干擾；一部分來自鐵磁材料自身特有的磁疇現(xiàn)象,外磁場使得磁疇沿著磁場的方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)移動,并且外加磁場越大磁疇越易旋轉(zhuǎn)移動,干擾越大,磁疇現(xiàn)象在磁光成像上表現(xiàn)為運(yùn)動多變性且具有不定向性,顯示為多個無規(guī)則的紋理區(qū)域。

2.2 磁疇現(xiàn)象消除

2.2.1 基于灰度因子的磁光成像對比度調(diào)整

為了便于區(qū)分磁光成像時產(chǎn)生的磁疇,通過灰度因子提高磁光成像的明暗對比度和邊緣細(xì)節(jié):

(4)

式中,H為輸入圖像灰度;H′為輸出圖像灰度;η為調(diào)節(jié)因子。

灰度因子能將圖像中的像素點(diǎn)分布于直方圖的兩極,提高了磁光成像明暗度以及清晰度,便于分割。為了均衡分布范圍以及圖像明暗對比度,本文選擇η=2。

2.2.2 磁疇區(qū)域信息

磁光成像明暗對比度提高便于分析磁疇區(qū)域,通過灰度積分投影定位算法獲得磁疇區(qū)域,磁疇區(qū)域(x,y)與方向位置信息的約束條件為:

(5)

2.2.3 基于總變差模型的磁疇紋理去除

對總變差方法優(yōu)化為最小化[9-10],其模型為:

(6)

式中,(Sp-Ip)2為保真項(xiàng)；S為輸出磁光圖像；I為輸入磁光圖像；p為像素點(diǎn)的索引號；D(p)為窗口總變差；L(p)為窗口固有變差；ε為防止為零的微小量；φ1>0控制磁疇邊緣的平滑程；Gp,q為高斯核函數(shù)；R(p)是以p為中心的矩形區(qū)域；?x,?y為2個方向的偏微分；φ2為高斯核函數(shù)窗口因子。

3 宇宙算法模型

3.1 宇宙空間結(jié)構(gòu)

在宇宙空間結(jié)構(gòu)中[11],提出層與連接距離的概念,宇宙中心稱為宇宙核心,離宇宙核心連接距離相同的宇宙具有相同的宇宙層。離宇宙核心不同連接距離的宇宙層,其宇宙層也可能具有相同的宇宙數(shù)量。宇宙空間結(jié)構(gòu)層數(shù)越多,越有利于宇宙進(jìn)化；宇宙空間的宇宙數(shù)量越多,也越有利于宇宙進(jìn)化。相同層上宇宙信息進(jìn)化互享優(yōu)勢大于非相同層上宇宙信息進(jìn)化互享,每個層的宇宙對離該層的連接距離的宇宙的影響力一樣。層與連接距離均是虛擬性存在,隨著不同的宇宙層而改變,即不同的層上的宇宙也會形成一個宇宙小核心,并且與周圍的宇宙再次形成不同的層,但是各個層上所形成的宇宙小核心其影響力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宇宙中心的核心影響。

3.2 宇宙間信息交流

宇宙群中的宇宙構(gòu)成的每個層在整個宇宙進(jìn)化中的優(yōu)勢由宇宙自身所含的信息量所決定,每個層中的宇宙可與自身層中的宇宙進(jìn)行信息交流,也可以與不同層中的信息交流,通過信息交流[12],宇宙?zhèn)€體的進(jìn)化能力得到提升。

相同層宇宙進(jìn)行信息交流,交流宇宙被選擇概率p(xλ,t,R)通過輪賭法實(shí)現(xiàn):

(7)

式中,xλ,t,R表示連接距離R、第λ層上的第t個宇宙;N為該層宇宙群的規(guī)模;f(xλ,t,R)為xλ,t,R的適應(yīng)度。

為了保持相同層宇宙的多樣性,p(xλ,t,R)在(0.3,0.8)值域范圍內(nèi)的宇宙才進(jìn)行信息交流,在(0.3,0.8)值域范圍之外的宇宙,只能被動接收其他宇宙的信息。相同層第i個宇宙l時刻的信息交流度q為:

(8)

不同層之間的宇宙進(jìn)行信息交流時,需要通過比較不同層的信息度之和,設(shè)λ、λ′層的信息度之和fitλ和fitλ′,Δfit=fitλ-fitλ′,若Δfit>0,則信息由λ層向λ′層進(jìn)行信息流入；Δfit<0,則信息由λ′層向λ層進(jìn)行進(jìn)行信息流入；不同層之間的宇宙的信息交流率υ:

(9)

信息流入層的第j個宇宙l′時刻的信息交流度qj為:

(10)

通過不同層、相同層之間的宇宙信息交流,加快了宇宙的進(jìn)化,使得不同層、相同層都能夠獲得最優(yōu)宇宙的信息。

3.3 宇宙運(yùn)動過程

在宇宙算法中,不同層的宇宙固定在各自的層上[13],宇宙發(fā)送信息、接收信息本質(zhì)上屬于自身的靜態(tài)運(yùn)動,無法移動到其他層進(jìn)行更新；同時隨著宇宙進(jìn)化的增加,搜索性能逐漸減小,宇宙解的多樣性會降低,導(dǎo)致算法后期會陷入相同層局域解,為增加算法跳出局域解,本文對宇宙空間進(jìn)行移動,使得宇宙空間位置運(yùn)動更新,可以跳躍到不同的層,從而引起信息更新,宇宙動態(tài)過程涉及到不同層、相同層的宇宙位置更新。宇宙能夠動態(tài)移動到其他層或者自身層其他位置,其移動條件為:

(11)

式中,Q為宇宙所在層的宇宙總數(shù)。

將該層內(nèi)可移動宇宙標(biāo)記為自由宇宙,即可向其他層或者自身層其他位置自由移動。這樣經(jīng)過自由宇宙多次移動后,將獲得一個新的宇宙空間,且所有的宇宙都在不同的層中進(jìn)行搜索,并最終收斂。

3.3.1 不同層宇宙位置更新

由于不同層宇宙離宇宙核心的連接距離不同,受宇宙核心的吸引力也不同,連接距離越遠(yuǎn)吸引力越小,這樣宇宙也越容易移動,不同層宇宙上的宇宙可以移動到其他層或者自身層上的其他位置。不同層的宇宙位置更新如下:

(12)

式中,r0,n為第n個宇宙到宇宙核心的距離;v0,r,n為第n個宇宙離宇宙核心距離r時的宇宙運(yùn)行速度,隨機(jī)數(shù)rand1∈[0,1]服從均勻分布。

3.3.2 相同層宇宙位置更新

由于相同層宇宙離宇宙核心的連接距離相同,受宇宙核心的吸引力相同,因此決定宇宙能否移動的條件是宇宙自身的信息度,信息度越大,則宇宙也越容易移動,相同層宇宙上的宇宙只能移動到自身層的其他位置。相同層的宇宙位置更新如下:

(13)

式中,γl,n為第l層的第n個宇宙的信息度,vl,n為第l層的第n個宇宙運(yùn)行速度,隨機(jī)數(shù)rand2∈[0,1]服從均勻分布。

3.4 宇宙適應(yīng)度函數(shù)選擇

算法流程:

①輸入圖像,宇宙群初始化,確定宇宙半徑、宇宙群層數(shù)以及層中的宇宙群；

②宇宙間信息交流；

③宇宙動態(tài)更新,確定宇宙優(yōu)化結(jié)果；

④若算法達(dá)到終止尋優(yōu)次數(shù)或者滿足收斂條件,進(jìn)行步驟⑤,否則進(jìn)行步驟②；

⑤輸出磁光圖像增強(qiáng)結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

磁光成像時光源為氦氖激光器,波長為632.8 nm,功率為3 m W,激勵線圈為U型,激勵源的電壓為12 V、16 V、20 V,電流大小為0.5 A,頻率為50 Hz,霍爾探頭探測磁強(qiáng),特斯拉計高精度可達(dá)0.01 mT。計算機(jī)配置CPU為AMD 銳龍 5,主頻4.0G Hz,內(nèi)存DDR4主頻3200/16 GB,為驗(yàn)證動態(tài)宇宙算法對磁光成像增強(qiáng)的視覺效果,涉及對比算法有CE、ME、GFANT、LIE、SVSR、DUA。

4.1 激勵電壓及磁場方向?qū)υ鰪?qiáng)效果的影響

激勵線圈分別接通12 V、16 V、20 V的交變電壓,霍爾探頭垂直于焊接處,獲得焊接處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線如圖1所示。

圖1 焊接處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

從圖1可以看出,各種交變電壓產(chǎn)生的漏磁最大值在距離焊接處兩側(cè)0.85 mm處,不同的交變電壓產(chǎn)生不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度,交變電壓越大產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng),焊接處測得的漏磁也就越大,因此漏磁的磁光成像效果就越好。

使用20 V的交變電壓,旋轉(zhuǎn)激勵線圈,旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～180°,固定霍爾探頭垂直于距離焊接處0.85 mm,此時焊接處漏磁如圖2所示。

從圖2可以看出,旋轉(zhuǎn)激勵線圈時,霍爾探頭獲得的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線逐漸變大,當(dāng)激勵線圈旋轉(zhuǎn)與焊接處垂直時,漏磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到極值,此時獲得漏磁的磁光成像效果越好。

4.2 不同算法增強(qiáng)效果分析

在獲得磁光成像時,使用20 V的交變電壓,交變勵磁的磁場方向與鐵磁材料垂直,以便獲得最佳漏磁場,此時磁光圖像的對比度相對較高。不同算法對含磁疇的磁光圖像增強(qiáng)效果如圖3所示。

圖3 含磁疇的磁光圖像增強(qiáng)效果對比

從圖3的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,DUA算法對磁光成像增強(qiáng)視覺效果清晰,DUA算法對不同層、相同層宇宙間信息交流采用了不同的方法,從而使得不同層、相同層都能夠獲得最優(yōu)宇宙的信息；不同層、相同層宇宙位置更新考慮到了全局、局部的宇宙信息,以此來減少像素點(diǎn)在增強(qiáng)過程中磁疇的影響。其他算法對磁疇區(qū)域無法消除,影響圖像的視覺效果。

4.3 均方誤差及結(jié)構(gòu)相似度指標(biāo)評價

各種算法增強(qiáng)圖像質(zhì)量評價通過均方誤差及結(jié)構(gòu)相似度實(shí)現(xiàn)。均方誤差(Mean Square Error,MSE):

(14)

式中,I為原始圖像;J為增強(qiáng)后圖像;n,m為圖像尺寸。

結(jié)構(gòu)相似度(Structural similarity,SS):

(15)

式中,μI,μJ,σI,σJ為原始圖像、增強(qiáng)后圖像所對應(yīng)的均值與方差大小;C1和C2為常數(shù)值;σIJ表示原始圖像、增強(qiáng)后圖像之間的協(xié)方差。SS∈[0,1],值越大,增強(qiáng)前后的結(jié)構(gòu)相似度越高,算法的結(jié)構(gòu)保持性能越好。

從圖4可以看出,本文算法對含磁疇的磁光圖像增強(qiáng)后的MSE平均值最小,SSIM平均值最大,含磁疇的磁光圖像1增強(qiáng)后本文算法的MSE平均值為5.236,SS平均值為0.644；含磁疇的磁光圖像2增強(qiáng)后本文算法的MSE平均值為4.154,SS平均值為0.749；因此本文算法評價指標(biāo)較好。

圖4 均方誤差及結(jié)構(gòu)相似度指標(biāo)評價

5 結(jié) 論

(1)不同的交變電壓產(chǎn)生不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度,交變電壓越大產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng),獲得的漏磁也就越大,因此磁光成像效果就越好

(2)交變磁場方向越與缺陷方向垂直,此時缺陷處產(chǎn)生的漏磁場越佳,獲得的磁光成像越清晰,對比度相對較高。

(3)動態(tài)宇宙算法建立不同層、相同層宇宙間信息交流方式,不同層、相同層宇宙位置更新考慮到了全局、局部的宇宙信息,能夠減少像素點(diǎn)在增強(qiáng)過程中磁疇的影響,增強(qiáng)圖像較清晰。