射線檢測底片缺陷圖像的預(yù)處理技術(shù)

羅 穎,張義鳳,蔣建生

(1.上海材料研究所有限公司,上海 200437;2.上海第二工業(yè)大學(xué) 能源與材料學(xué)院,上海 201209;3.上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200437)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,無損檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中,包括航空航天、機(jī)械工程以及石油化工等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的X射線檢測技術(shù)基于膠片成像和人工評(píng)片,存在工作效率低、人為因素影響大、檢測成本高等缺點(diǎn)。X射線實(shí)時(shí)成像與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)結(jié)合使用,可以將X射線圖片轉(zhuǎn)換為電子圖像形式,再對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,最后使用計(jì)算機(jī)分析處理檢測結(jié)果,進(jìn)行缺陷識(shí)別。

X射線檢測原始圖片存在灰度區(qū)間窄、對(duì)比度低、噪聲大等缺點(diǎn),導(dǎo)致缺陷邊緣不清晰、缺陷特征被淹沒等問題,進(jìn)而影響檢測結(jié)果的評(píng)定。圖像預(yù)處理的主要目的是減少圖像中的噪聲,提高圖像對(duì)比度及圖像的缺陷識(shí)別率。因而,有必要對(duì)檢測圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理以提高圖像質(zhì)量。

針對(duì)上述問題,筆者采用降噪處理與對(duì)比度增強(qiáng)圖片預(yù)處理算法,對(duì)射線底片開展了灰度二值化、濾波減噪以及去白邊、自適應(yīng)剪裁等預(yù)處理試驗(yàn),并根據(jù)實(shí)際效果優(yōu)化了參數(shù),改進(jìn)了算法。試驗(yàn)結(jié)果表明,降噪方面,中值高斯組合濾波的降噪效果較好;對(duì)比度增強(qiáng)方面,線性變換的對(duì)比度增強(qiáng)效果較好。

1 射線檢測圖像的去噪處理

數(shù)字射線儀器在進(jìn)行數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的失真現(xiàn)象,加之實(shí)際生產(chǎn)過程中膠片成像會(huì)受到外界環(huán)境因素的干擾而可能導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降,影響后續(xù)圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。因此,有必要對(duì)圖像進(jìn)行一定的預(yù)處理。觀察射線檢測的原始圖像可以發(fā)現(xiàn)其存在一些隨機(jī)信號(hào)。這些隨機(jī)信號(hào)通常是無規(guī)律的分布在圖像中,無論是圖像采集過程中的噪聲還是圖像傳遞過程中的數(shù)字信號(hào),都可定義為噪聲信號(hào)。另外,無論是內(nèi)部噪聲還是外部噪聲或多或少都降低了射線圖像的質(zhì)量,甚至很多噪聲信號(hào)參數(shù)類似于底片中的缺陷,影響了后續(xù)缺陷的準(zhǔn)確判定,也一定程度上影響了缺陷識(shí)別算法的識(shí)別速度。從以上兩個(gè)方面可看出,去噪處理是射線數(shù)字圖像預(yù)處理過程的第一步,只有做好這一步,才能更好地進(jìn)行后續(xù)圖像識(shí)別操作。

降噪是圖像預(yù)處理技術(shù)中很重要的步驟,其目的是使目標(biāo)區(qū)域特征變得更加明顯從而利于濾除圖像中的噪聲。SHAO等[1]使用去除背景技術(shù)算法[2-4]高效率地分割出焊接缺陷而不影響其他區(qū)域,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在焊接射線圖像識(shí)別中,用以保證后續(xù)圖像預(yù)處理的各項(xiàng)操作;ZHANG等[5]提出利用快速CNN去噪算法,針對(duì)人眼識(shí)別效果不理想的情況進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),相應(yīng)解決了模型魯棒性低、耗時(shí)長等問題;YU等[6]提出構(gòu)造數(shù)學(xué)微積分的梯度算子,基于圖像缺陷的局部特征提出自適應(yīng)的數(shù)學(xué)微積分圖像去噪算法,有效解決了局部噪聲問題;MURAKAMI等[7]基于不同序列的濾波器對(duì)不同類型的焊縫缺陷進(jìn)行檢測,一定程度上提升了焊縫射線圖像中氣孔缺陷的識(shí)別準(zhǔn)確率。ZOU等[8]提出一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測螺旋管焊縫缺陷的改進(jìn)卡爾曼濾波方法,有效利用改進(jìn)后的卡爾曼濾波對(duì)整個(gè)圖像序列進(jìn)行軌跡檢測,以是否連續(xù)運(yùn)動(dòng)來區(qū)分真實(shí)缺陷和潛在缺陷。國內(nèi)學(xué)者也對(duì)相關(guān)熱點(diǎn)問題進(jìn)行了研究,劉瑛等[9]提出基于參數(shù)局部統(tǒng)計(jì)的降噪方法,此方法基于小波變換對(duì)圖像進(jìn)行分解與重構(gòu),有效解決了圖像邊緣模糊且不平整的問題;王加等[10]利用引導(dǎo)濾波對(duì)圖像進(jìn)行多維度分層,這種多維度并行輸出圖像的方法能夠?qū)t外圖像進(jìn)行有效去噪。

現(xiàn)在多數(shù)算法都能夠去除噪聲,但仍然存在漏判率、誤判率上升的問題。究其原因,一方面是算法太過精細(xì)導(dǎo)致將缺陷信號(hào)識(shí)別成噪聲信號(hào)并將其濾除;另一方面則是算法太過粗略而導(dǎo)致缺陷信息被遺漏,后續(xù)缺陷識(shí)別時(shí)將噪聲信號(hào)當(dāng)作缺陷信號(hào)。這兩種情況正是目前去噪領(lǐng)域的核心難題。筆者對(duì)幾種應(yīng)用最有優(yōu)勢的圖像去噪算法進(jìn)行對(duì)比,通過相互改進(jìn)融合,提出最優(yōu)的去噪算法,最后使用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行多方面評(píng)價(jià)。

第一種方法是均值濾波,因其可用于去除圖像噪聲所以廣泛地應(yīng)用于圖像預(yù)處理領(lǐng)域。該方法以每一個(gè)像素點(diǎn)周圍點(diǎn)的平均值作為該像素點(diǎn)濾波之后的像素值,通常情況下取該像素點(diǎn)為中心的矩形窗口內(nèi)的所有像素點(diǎn)來計(jì)算平均值。針對(duì)均值濾波,首先建立一個(gè)均值函數(shù)模板,滑動(dòng)窗口尺寸可調(diào)節(jié),然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定參數(shù)。

第二種方法是中值濾波,這種非線性濾波方法在一定程度上對(duì)脈沖噪聲信號(hào)的去噪效果較為明顯。針對(duì)中值濾波,首先利用中值函數(shù),將圖像各元素的中值賦給像素中心位置的元素,然后對(duì)不同缺陷分別進(jìn)行處理。

第三種方法是小波變換,與傳統(tǒng)的頻域變換相比,小波變換能夠更好地進(jìn)行時(shí)域和頻域之間的分解。對(duì)于后續(xù)處理的二維X射線圖像而言,考慮到運(yùn)算量的問題,可將信號(hào)分解成4種頻帶,再對(duì)每一頻帶進(jìn)行針對(duì)性處理,最后進(jìn)行小波重構(gòu)得到處理完成后的圖像信號(hào)。

2 射線檢測圖像的增強(qiáng)處理

射線圖像對(duì)比度增強(qiáng)是在不影響圖像其他區(qū)域的情況下,對(duì)存在缺陷的區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng),以保證后續(xù)分割技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[11]。在圖像預(yù)處理消除噪聲之后的圖像增強(qiáng)操作中,通?？杀ＷC噪聲信號(hào)不與圖像對(duì)比度一起增強(qiáng)。目前為了改善射線圖像的對(duì)比度,學(xué)者們提出了各種像素優(yōu)化算法,采用不同的方式使得圖像灰度水平分布更加均衡,研究內(nèi)容也更加細(xì)化。

ZHANG等[12]提出消除模糊的圖像增強(qiáng)算法,校正了圖像模型的模糊參數(shù),去模糊的同時(shí)進(jìn)行增強(qiáng),在主客觀效果對(duì)比方面都有很好的同步性;ABIKO等[13]提出基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像增強(qiáng)算法,此算法在去除混合高斯脈沖噪聲方面表現(xiàn)突出,去噪效果明顯;SINGH等[14]優(yōu)化了掩?？蚣?修正圖像的灰色關(guān)聯(lián)矩陣,提出一種新的圖像增強(qiáng)優(yōu)化模型;CHEN等[15]使用局部圖像對(duì)比度增強(qiáng)算法,基于保持映射的理論改進(jìn)傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)方法的不足,有效控制了圖像質(zhì)量下降帶來的負(fù)面影響。

王萍等[16]提出一種針對(duì)低照度圖像的增強(qiáng)算法,采用多級(jí)分解的方法有效解決了圖像對(duì)比度模糊問題;黃果等[17]提出一種多階微分圖像增強(qiáng)算法,該算法可使圖像非局部對(duì)比度有明顯提升,能夠增強(qiáng)圖像的缺陷信息;張江鑫等[18]提出一種針對(duì)低照度彩色圖像的增強(qiáng)算法,能夠?qū)σ曈X效果未達(dá)到預(yù)期的彩色圖像進(jìn)行細(xì)節(jié)拾取和特征增強(qiáng);張子夜等[19]在進(jìn)行對(duì)比度亮度的自適應(yīng)調(diào)整處理后,對(duì)反相圖像也進(jìn)行亮度調(diào)整,明顯改善了圖像對(duì)比度;何山等[20]通過建立壓縮域圖像矩陣以獲取圖像特征信息,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)操作;張翔松等[21]提出一種自動(dòng)參數(shù)選擇的焊縫圖像自適應(yīng)算法,不僅脫離了人工干預(yù),而且在焊縫缺陷區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)圖像增強(qiáng)操作;楊先鳳等[22]提出一種基于改進(jìn)后的自適應(yīng)伽馬算法,有效解決了圖像過度增強(qiáng)的問題;馮鳴等[23]設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)的圖像反銳化增強(qiáng)方法,針對(duì)圖像預(yù)處理過程中的圖像增強(qiáng)過沖問題進(jìn)行研究,相應(yīng)減弱了過沖現(xiàn)象;候力銘等[24]提出了一種同步消除椒鹽噪聲和修復(fù)對(duì)比度的算法,通過估算丟失矩陣來有效實(shí)現(xiàn)這一算法。

在對(duì)原始圖像進(jìn)行灰度化處理后,缺陷部分與背景部分圖像對(duì)比度差異并不明顯,選取缺陷位置具有一定的難度,不可避免會(huì)取得較差的效果,因此提出圖像增強(qiáng)處理來解決這一問題,在改善缺陷射線圖像對(duì)比度的同時(shí),突出了缺陷信息,放大了特征間的具體差異。筆者對(duì)比分析了目前幾種效果較好的圖像增強(qiáng)算法處理降噪后的圖像數(shù)據(jù),以得到最優(yōu)的增強(qiáng)算法。

圖像的線性灰度變換方法通過建立灰度映射來調(diào)整原始圖像的灰度,凸顯圖像的細(xì)節(jié),提高圖像的對(duì)比度。筆者利用線性變換對(duì)圓形缺陷圖像像素區(qū)間進(jìn)行一個(gè)局部拉伸,其結(jié)果如圖1所示。

圖像灰度的對(duì)數(shù)變換是另外一種常見的灰度非線性變化。非線性變換對(duì)空間進(jìn)行了扭曲,圖像灰度的對(duì)數(shù)變換(此處log泛指log運(yùn)算)可表示為[25]

DB=c×log(1+DA)

(1)

式中:c為尺度比較常數(shù);DA為原始圖像灰度;DB為變換后的目標(biāo)灰度值,文中取40。

利用非線性變換對(duì)線性缺陷圖像像素進(jìn)行對(duì)數(shù)變換,其結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?非線性灰度變換的效果沒有線性灰度變換的效果好。

對(duì)一幅灰度圖像,其直方圖反映了該圖像中不同灰度級(jí)出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)情況。直方圖均衡化的主要思想是將一副圖像的直方圖分布變成近似均勻分布,從而增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。在直方圖中,較灰暗的圖像顏色直方圖往往分布在一個(gè)比較小的像素值范圍內(nèi),而較為清晰的圖像顏色直方圖在整個(gè)像素灰度范圍內(nèi)分布得比較均勻。因此圖像對(duì)比度越高,在由灰度個(gè)數(shù)構(gòu)成的直角坐標(biāo)系中橫向跨度越大,縱向長度越趨于一致。筆者利用直方圖均衡化進(jìn)行線性缺陷圖像的增強(qiáng)操作,其結(jié)果如圖3所示。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖像預(yù)處理最終的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。根據(jù)人的主觀感受作出的評(píng)價(jià)與判斷即為主觀評(píng)價(jià),此類評(píng)價(jià)容易受到多種因素的影像,缺乏穩(wěn)定性;客觀評(píng)價(jià)是將處理后的圖像與原始圖像進(jìn)行比較,利用數(shù)學(xué)方法處理得到數(shù)據(jù),其能夠準(zhǔn)確給出圖像處理結(jié)果的誤差,并以此作為評(píng)價(jià)圖像處理技術(shù)方法好壞的依據(jù)。

從主觀方面看,中值濾波優(yōu)于其他經(jīng)典算法的因?yàn)橹饕?圖像原有的特征信息能夠被較好地保存,基本沒有多余噪聲存在;線性變換優(yōu)于其他增強(qiáng)算法。客觀方面,均方根誤差(MSE)估計(jì)法通過比較圖像處理前后的均方差,能夠進(jìn)行客觀地圖像評(píng)價(jià)與比較。MSE值越大表示處理圖像與原始圖像的差別越大。假設(shè)對(duì)于原始圖像有p(r,c) ,0≤r≤M-1,0≤c≤N-1,經(jīng)過圖像預(yù)處理后的圖像為P(r,c) ,則對(duì)于任意r和c,p(r,c)和P(r,c) 之間的誤差可表示為[25]

e(r,c)=p(r,c)-P(r,c)

(2)

圖1 圓形缺陷的線性變換局部拉伸結(jié)果

圖2 線性缺陷圖像的非線性變換結(jié)果

圖3 線性缺陷圖像的直方圖均衡化結(jié)果

均方根誤差MSE可表示為[25]

(3)

第二種客觀評(píng)價(jià)的指標(biāo)是均方信噪比(SNR),可表示為[25]

(4)

峰值信噪比(PSNR)可表示為[26]

(5)

峰值信噪比是客觀評(píng)價(jià)圖像常用的比較指標(biāo),其值在一定程度上可以作為圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)依據(jù),PSNR越大說明圖像處理效果越好,圖像處理算法優(yōu)勢越明顯。為了驗(yàn)證這幾種去噪和增強(qiáng)方法的圖像處理效果,同時(shí)為了避免圖像缺陷的單一性,筆者選取5張不同類型的典型缺陷圖像進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)原始圖像進(jìn)行去噪和增強(qiáng)操作,利用相應(yīng)算法處理后得到圖像數(shù)據(jù),從而獲得客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值,從客觀角度對(duì)各類算法進(jìn)行橫向比較。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同方法處理后去噪圖像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)(PSNR數(shù)值)如表1所示,不同方法的圖像去噪效果對(duì)比如圖4所示,可以從主客觀兩個(gè)角度看出,中值濾波算法相較于其他經(jīng)典算法具有一定的優(yōu)勢,適用性較好,對(duì)不同圖像的去噪效果相對(duì)穩(wěn)定,不同方法去噪后的PSNR指標(biāo)對(duì)比如圖5所示。為了進(jìn)一步對(duì)比圖像去噪算法的優(yōu)劣,選取具有突出優(yōu)勢的中值濾波和高斯濾波結(jié)合的圖像去噪處理算法和單一中值濾波方法再次進(jìn)行對(duì)比,組合處理方法與單一中值濾波處理方法下不同降噪效果評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示,處理后圖像PSNR指標(biāo)曲線如圖6所示,分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)優(yōu)化結(jié)合處理后圖像的噪聲明顯降低,中值和高斯濾波的結(jié)合對(duì)于圖片評(píng)價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)都有一定的優(yōu)化。

表1 不同方法處理去噪圖像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)(PSNR)

圖4 不同方法的圖像去噪效果對(duì)比

圖5 不同方法去噪后的PSNR指標(biāo)對(duì)比

不同增強(qiáng)方法的客觀評(píng)價(jià)PSNR指標(biāo)如表3所示,不同增強(qiáng)處理方法的PSNR指標(biāo)對(duì)比如圖7所示,可見線性變換的增強(qiáng)算法相較其他經(jīng)典算法有很大的優(yōu)勢,適用性好,對(duì)各種圖像像素的對(duì)比度增強(qiáng)效果比較好。所以筆者采用線性變換圖像增強(qiáng)處理算法,對(duì)于線性變換進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分,最終通過比較發(fā)現(xiàn),將像素從0.1～0.5拉伸到0～1的效果比從0.3～0.7拉伸到0～1的效果要更好,所以后續(xù)增強(qiáng)采用表2中所示的線性變換方法。

表2 組合處理方法與單一濾波處理方法下的不同降噪效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)結(jié)果表明,單一濾波方法對(duì)于5類射線底片缺陷的檢測來說存在一定的改善空間。

從客觀數(shù)值上對(duì)比,均值濾波法僅對(duì)于未焊透類缺陷具有明顯的處理效果,中值濾波在對(duì)未焊透、未融合兩類缺陷處理效果較好的情況下,對(duì)其他3類缺陷也具有相應(yīng)的優(yōu)勢,而小波濾波在3類單一濾波方法比較中劣勢較為明顯。

由于試驗(yàn)中單一濾波方法中的中值濾波效果優(yōu)于其他方法的效果,考慮將其與高斯濾波方法融合,形成優(yōu)勢增強(qiáng)方法。該試驗(yàn)采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)方式,從各個(gè)維度上證明了筆者所采用的中值高斯融合濾波算法可以很好地解決射線底片對(duì)比度不高、噪聲明顯的問題。

圖6 組合處理方法與單一濾波處理方法處理后圖像PSNR指標(biāo)曲線

表3 不同增強(qiáng)方法的客觀評(píng)價(jià)PSNR指標(biāo)

圖7 不同增強(qiáng)處理方法的PSNR指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)語

使用各種圖像預(yù)處理技術(shù),對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中實(shí)際獲得的射線檢測缺陷底片進(jìn)行處理,完成了圖像預(yù)處理降噪與增強(qiáng)。圖像預(yù)處理去噪部分采用中值高斯濾波相結(jié)合的方式,多種評(píng)價(jià)指標(biāo)表明其具有一定的優(yōu)勢;圖像增強(qiáng)時(shí),線性變換中的拉伸局部像素方法也具有明顯的優(yōu)勢,因此可直接以去噪結(jié)果作為依據(jù),開展后續(xù)增強(qiáng)的相關(guān)操作,也為后續(xù)射線圖像缺陷的定位與識(shí)別做好了準(zhǔn)備。另外,提出了一種射線底片缺陷預(yù)處理技術(shù),該方法可以對(duì)射線檢測底片的5種常見缺陷進(jìn)行有效處理,改善射線底片噪聲與對(duì)比度的問題。

在實(shí)際的應(yīng)用過程中,缺陷的種類、特征以及位置都會(huì)一定程度上影響檢測的準(zhǔn)確度,在圖像預(yù)處理過程中使用混合去噪后繼續(xù)進(jìn)行增強(qiáng)操作,能夠更加精確地表征缺陷信息,為后續(xù)的缺陷特征提取奠定一定基礎(chǔ)。