核電站視頻檢測(cè)圖像質(zhì)量分析

李邱達(dá)，李宜全，李智鵬

(1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，海鹽 314300；2.中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司，武漢 430000)

隨著煤炭、石油、天然氣等化石能源的日漸消耗以及中國碳達(dá)峰、碳中和“雙碳”目標(biāo)的提出，零碳能源的建設(shè)在我國的能源發(fā)展中有著舉足輕重的意義，核電產(chǎn)業(yè)也因此迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。無損檢測(cè)技術(shù)在核電站的役前和在役檢查中的使用對(duì)保障核安全有著極為重要的意義。在各種無損檢測(cè)方法中，目視檢測(cè)由于直觀、方便操作、實(shí)施條件要求低而被廣泛應(yīng)用。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)將目視檢測(cè)認(rèn)定為一種僅能檢測(cè)表面開口缺陷的無損檢測(cè)方法，并且主要用于宏觀缺陷的檢測(cè)。目視檢測(cè)分為直接目視檢測(cè)和間接目視檢測(cè)，間接目視中的視頻檢測(cè)是將視頻技術(shù)與目視檢測(cè)規(guī)范相結(jié)合的一種檢測(cè)技術(shù)，其借助于光學(xué)照明技術(shù)、先進(jìn)的攝影技術(shù)和輔助儀器設(shè)備，在不損壞、不改變被檢測(cè)對(duì)象理化狀態(tài)的情況下，對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及狀態(tài)進(jìn)行高可靠性和高直觀性的檢測(cè)，借以評(píng)判被檢對(duì)象的連續(xù)性、完整性、安全性及其他性能指標(biāo)[1]。

根據(jù)ASME(美國機(jī)械工程師)標(biāo)準(zhǔn)的描述，核電站視頻檢測(cè)技術(shù)可檢測(cè)的缺陷類型主要包括部件表面上的不連續(xù)性和瑕疵(裂紋、磨損、腐蝕和剝落等)、系統(tǒng)壓力試驗(yàn)時(shí)承壓部件的泄漏跡象、部件及其支撐件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、緊固件的完整性等。目前，核電站蒸汽發(fā)生器二次側(cè)的清潔度檢查中普遍使用視頻檢測(cè)技術(shù)，操作人員只有安裝設(shè)備時(shí)才需要站在手孔前,持續(xù)時(shí)間不到10 min，大大降低了人員的受照劑量[2]。

核電站視頻檢測(cè)實(shí)施過程主要遵守ASME、RCCM(壓水堆核島機(jī)械設(shè)計(jì)和建造規(guī)則)等核電標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于視頻檢測(cè)均提出了相似的技術(shù)要求，均要求視頻檢測(cè)技術(shù)的分辨能力要與直接目視檢測(cè)的相當(dāng)。

由于核電站視頻檢測(cè)技術(shù)可以適用于輻照劑量高、空間狹小、溫度高等復(fù)雜環(huán)境，可達(dá)性好，檢測(cè)速度快，易于采集部件的完整圖像進(jìn)行離線分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信息的編輯、存儲(chǔ)，因此發(fā)展視頻檢測(cè)技術(shù)，用以替代直接目視檢測(cè)技術(shù)可以帶來更大的方便。

視頻檢測(cè)技術(shù)的影響因素有：照在被檢物體上光線的波長和光強(qiáng)；物體所處現(xiàn)場(chǎng)的背景顏色；物體的結(jié)構(gòu)；觀察的角度；視頻檢測(cè)系統(tǒng)中機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)和功能等。在視頻檢測(cè)中，想要獲得清晰、客觀、準(zhǔn)確的圖像首先要分析每一個(gè)影響圖像質(zhì)量的因素。

1 光源的光譜

自然照明的太陽光和人工照明的白熾燈均輻射連續(xù)光譜，其光譜包含著各種色光。物體在太陽光和白熾燈的照射下能夠顯示出真實(shí)的顏色。但物體在非連續(xù)光譜的照射下，其顏色就會(huì)有不同程度的失真。例如：藍(lán)色檢測(cè)物以白光照射時(shí)呈藍(lán)色，而以黃光照射則呈黑色。在目視檢測(cè)中，通過受檢表面顏色差異判斷出受檢表面的狀態(tài)是比較常用的一種判斷方法，所以在實(shí)際檢測(cè)中選用正確的光譜照明是非常重要的。

在核電站視頻檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造中，應(yīng)較多采用顯色性良好、便于調(diào)節(jié)、方便使用的白熾燈，而不建議使用其他人工光源特別是輻射非連續(xù)光譜的氣體放電燈。

2 光源的色溫與白平衡

在實(shí)際檢測(cè)中，尤其是在蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)表面的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)系統(tǒng)所顯現(xiàn)的圖像偏紅，但是在直接肉眼對(duì)蒸汽發(fā)生器水室內(nèi)表面進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)水室內(nèi)壁并非為偏紅，這說明視頻檢測(cè)系統(tǒng)在采集圖像時(shí)發(fā)生了偏差。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，視頻檢測(cè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的傳感器件——攝像機(jī)對(duì)圖像的感應(yīng)除與光線的波長有關(guān)外，還與色溫有關(guān)。色溫與光譜成分之間既有區(qū)別又有一定的聯(lián)系。白熾燈的顯色指數(shù)為100，色溫為2 800 K，在白熾燈照射下攝像機(jī)采集和還原出的圖像會(huì)偏紅，這是因?yàn)樯珳剌^低，光譜中含的長波光較多。這種圖像較容易造成對(duì)銹蝕缺陷的漏檢。

針對(duì)色溫對(duì)攝像質(zhì)量的影響進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，得到不同光源參數(shù)下的檢測(cè)圖像效果如表1所示。白熾燈照射下銹蝕的圖像效果如圖1所示。

表1 不同光源參數(shù)下的檢測(cè)圖像效果

圖1 白熾燈照射下銹蝕的圖像效果

由圖1可見，圖像偏紅，基本不能分辨出較小的銹蝕顯示。

熒光燈的顯色指數(shù)為8090，色溫為5 000 K。使用熒光燈照明時(shí)采集的圖像偏藍(lán)，在視頻檢測(cè)中同樣需要避免。熒光照射下銹蝕的圖像效果如圖2所示。

圖2 熒光照射下銹蝕的圖像效果

由圖2可見采集的圖像偏藍(lán)，基本不能分辨出較小的銹蝕顯示，并且物體真實(shí)顏色已完全丟失。

為了盡可能減少外來光線對(duì)目標(biāo)顏色造成的影響，在不同的色溫條件下都能還原出被攝目標(biāo)本來的色彩，攝像機(jī)應(yīng)通過相關(guān)器件進(jìn)行色彩校正，以達(dá)成正確的色彩平衡。攝像機(jī)的白平衡機(jī)構(gòu)會(huì)試圖把偏白色調(diào)整成純白色。如果白平衡感應(yīng)器檢測(cè)到畫面最亮的部分偏黃，其會(huì)加強(qiáng)藍(lán)色來減少畫面中的黃色色彩，以求得更為自然的顯示。

在白熾燈照射下，攝像機(jī)中的白平衡機(jī)構(gòu)會(huì)平衡掉顯示中反射偏黃的光線，造成這些顯示在圖像中減弱甚至消失，其直接后果是造成缺陷漏檢。為了避免這種情況，在保留白熾燈能夠輻射連續(xù)光譜的優(yōu)點(diǎn)下，可以使用熒光燈作為輔助光源來提高色溫以改善圖像質(zhì)量。

在試驗(yàn)參數(shù)不變的情況下，白熾燈與熒光燈混合照射銹蝕的圖像效果如圖3所示，可見整個(gè)圖形區(qū)域的色彩較為真實(shí)，可以分辨出較小的銹蝕顯示。

圖3 熒光燈與白熾燈混合照射時(shí)銹蝕的圖像效果

通過試驗(yàn)可知以白熾燈為主要光源，熒光燈作輔助光源照射檢測(cè)物體表面可以得到更客觀、真實(shí)的圖像。

在核電站視頻檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)中，可以采用這種方式降低色溫對(duì)顯示的影響。

3 被檢物體表面的照度與檢測(cè)距離

各國的目視檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了受檢表面的照度和檢測(cè)距離。對(duì)于具體的視頻檢測(cè)系統(tǒng)而言，受檢表面的照度和檢測(cè)距離要求與系統(tǒng)攝像機(jī)的性能有關(guān)。但對(duì)于一個(gè)具體的視頻檢測(cè)系統(tǒng)必須要規(guī)定一個(gè)有效的照度和檢測(cè)距離范圍，以便驗(yàn)證所采集圖像的有效性。

3.1 CCD攝像機(jī)的工作原理

CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)由光學(xué)透鏡、CCD器件、處理電路等組成。CCD攝像機(jī)不僅可以對(duì)不同尺寸大小的顯示器進(jìn)行亮度和色度的面測(cè)量，還可以根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)顯示器的顯示畫面進(jìn)行分析，也可以對(duì)顯示器不同觀測(cè)視角下的圖像性能進(jìn)行測(cè)試。光束通過光學(xué)透鏡照射在外加驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖電壓驅(qū)動(dòng)下的CCD光敏面上，完成電荷注入、電荷轉(zhuǎn)移、電荷輸出，從而實(shí)現(xiàn)視覺信息的獲取、保留和傳輸。攝像機(jī)的核心CCD器件是由整齊緊密排列的若干個(gè)小的光敏元(通常稱為像素)組成的陣列。每個(gè)像素都是相對(duì)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換單元。當(dāng)有光圖像輸入時(shí)，每個(gè)像素位置上就有對(duì)應(yīng)不同強(qiáng)弱光的電荷產(chǎn)生，再給CCD陣列加上按時(shí)間序列轉(zhuǎn)移的毓電壓驅(qū)動(dòng)，光敏像素中生成的電荷就會(huì)以像素為單位高速連續(xù)輸出，并按照視頻要求的規(guī)則傳輸?shù)揭曨l接收機(jī)上，從而顯示出連續(xù)活動(dòng)的真實(shí)景物畫面。

由其原理可知入射到CCD器件的光束強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的電荷就越多，形成的電信號(hào)電流越大，其直接結(jié)果是提高了攝像機(jī)的分辨能力，所以足夠的光強(qiáng)即受檢表面的照度決定了攝像機(jī)的分辨能力。不同攝像機(jī)的CCD器件對(duì)入射光強(qiáng)有不同的要求，在核電站視頻檢測(cè)中可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)所應(yīng)用的攝像機(jī)進(jìn)行分辨力驗(yàn)證。

3.2 視頻檢測(cè)的觀察距離

根據(jù)美國、法國、中國關(guān)于目視檢測(cè)的規(guī)定，可以使用18%灰度卡上0.8 mm的黑線對(duì)視頻檢測(cè)設(shè)備的分辨力進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)際操作方法為把灰度卡放在接近于實(shí)際檢測(cè)環(huán)境的地方，在距離大于檢測(cè)設(shè)備與受檢表面的最大距離處進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

假設(shè)在實(shí)際檢測(cè)中，灰度卡距檢測(cè)用攝像機(jī)的距離為1 m，灰度卡上的照度為800 lx，攝像機(jī)與灰度卡間的觀察夾角為30°，此時(shí)若檢測(cè)人員可以在監(jiān)視器上分辨出灰度卡中0.8 mm的黑線，說明視頻檢測(cè)系統(tǒng)看到的圖像是有效的。根據(jù)朗伯余弦定律可推斷，受檢表面照度與觀察距離的平方成反比，與觀察角度成正比，所以可以確定觀察距離小于1 m，觀察角度大于30°的受檢表面上的照度都大于800 lx,從理論上講其圖像的分辨力都是有效的。

在實(shí)際檢測(cè)中，建議利用灰度卡在接近于實(shí)際檢測(cè)環(huán)境的地方，距離大于檢測(cè)設(shè)備與受檢表面的最大距離處進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。確定最低照度過程中，調(diào)節(jié)燈光的電壓不能低于驗(yàn)證時(shí)的電壓，并保證觀察角度大于30°。

4 受檢表面光線的分布

光源為攝像機(jī)提供足夠的照度可以保證圖像的分辨力是有效的，但是當(dāng)入射光線太強(qiáng)或分布不合理時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生表面眩光并降低圖像質(zhì)量(見圖4)。

圖4 表面眩光對(duì)圖像顯示的影響

圖4 (a)，(b)都采用燈光垂直照射受檢表面，分辨力較高但其表面眩光很強(qiáng),圖4(b)雖然安裝了散光片但不能有效去除表面眩光,圖4(c)采用側(cè)向照射并利用周圍反射面反射使受檢表面得到了較均勻的光線。

5 攝像頭的觀察角度

各國的目視檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了觀察角度應(yīng)大于30°，在視頻檢測(cè)中該標(biāo)準(zhǔn)同樣適用。由于缺陷一般是立體的,為了使錄像機(jī)記錄缺陷的偏差降至最低，可在采集圖像時(shí)盡量使缺陷落在焦點(diǎn)面上，或選擇最佳的觀察角度來獲得立體感相對(duì)較強(qiáng)的圖像。前者可以通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)的焦距完成。后者可以通過機(jī)械裝置完成，但是在實(shí)際檢測(cè)中受到機(jī)械設(shè)備和時(shí)間的限制，不可能對(duì)每一個(gè)檢測(cè)面進(jìn)行多角度觀察，所以在檢測(cè)前確定好最佳角度和極限角度是必要的。

按照攝影理論，攝像機(jī)與物體大致呈45°拍攝時(shí)能夠得到最佳的立體效果，但是這在核電站視頻檢測(cè)中是不可行的，因?yàn)?5°拍攝會(huì)丟失部分圖像。為獲得最佳的觀察角度，筆者進(jìn)行了不同角度的拍攝試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)為：① 攝像機(jī)型號(hào)為奧尼克斯 DIGTAL COLOR CAMERA MCC-4168D/N；② 光源為自然光和熒光燈相結(jié)合；③ 表面照度為1 563 lx；④ 觀察距離為300 mm；⑤ 觀察角度為30°～90°。

圖5～8為不同觀察角度下的焊縫圖像。

圖5 90°觀察角下的焊縫圖像

圖6 80°觀察角下的焊縫圖像

圖7 60°觀察角下焊縫圖像

圖8 30°觀察角下的焊縫圖像

由圖5可見，焊縫附近有飛濺，母材左上角表面較粗糙和存在較多點(diǎn)坑，右邊一側(cè)母材的表面狀態(tài)較為平整但有少量較大點(diǎn)坑。

由圖6可見，焊縫附近有飛濺，母材表面較粗糙，點(diǎn)坑較多，并且焊縫兩側(cè)有打磨痕跡。

由圖7可見，焊縫附近有飛濺，母材表面狀態(tài)較粗糙，并有少量較大點(diǎn)坑。

由圖8可見，焊縫附近有飛濺，母材表面狀態(tài)較平整，觀察不到較明顯的點(diǎn)坑。

比較以上試驗(yàn)的圖像效果可知，攝像機(jī)與受檢表面的觀察角度為80°時(shí)立體感最佳，同時(shí)又能全面地采集到所有受檢表面。當(dāng)攝像機(jī)與受檢表面的觀察角度為60°時(shí)所采集的圖像仍可以反映出受檢表面的情況，但在30°時(shí)已經(jīng)存在缺陷漏檢的可能。

在核電站視頻檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造與檢測(cè)中，特別是對(duì)平面或筒體表面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)保證攝像機(jī)與受檢表面的觀察角為60°～80°，以獲取立體感更強(qiáng)、更客觀有效的檢測(cè)圖像。

6 結(jié)語

文章針對(duì)現(xiàn)有的攝像技術(shù)與核電站的實(shí)際情況提出了一些提高圖像質(zhì)量的有效措施，包括采用白熾燈為主，熒光燈為輔為攝像機(jī)提供照明等，可為核電站視頻檢測(cè)提供參考。