數(shù)字射線成像中原始圖像數(shù)據(jù)的概念與保存,數(shù)字圖像處理論文

數(shù)字射線成像中原始圖像數(shù)據(jù)的概念與保存,數(shù)字圖像處理論文近年來,數(shù)字射線成像檢測技術(shù)發(fā)展迅速,它具有成像速度快、檢測效率高的突出優(yōu)點(diǎn)。通過有效的質(zhì)量控制措施,可望實(shí)現(xiàn)無膠片射線檢測,有效代替膠片的使用。數(shù)字射線成像技術(shù)已在國內(nèi)多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用,但面臨的問題是缺少相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的支撐。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、美國材料學(xué)會(huì)等已制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),對數(shù)字射線技術(shù)進(jìn)行有效的規(guī)范,如ISO/DIS17636-2標(biāo)準(zhǔn)對使用數(shù)字探測器進(jìn)行焊縫的射線檢測進(jìn)行了規(guī)定,ASTME2597、E2698、E2736和E2737標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)字陣列探測器在射線檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了規(guī)定。當(dāng)前,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作小組正在進(jìn)行數(shù)字射線成像檢測方式方法的國家標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。在一次標(biāo)準(zhǔn)討論會(huì)中,針對保存檢測圖像文件的原始數(shù)據(jù)這一規(guī)定,與會(huì)專家存在爭議,主要存在兩個(gè)問題:①原始圖像數(shù)據(jù)的定義是什么,怎樣對其進(jìn)行準(zhǔn)確的界定。②圖像評定后是保存原始圖像數(shù)據(jù),還是保存經(jīng)處理后的圖像數(shù)據(jù)。為此,筆者對數(shù)字射線成像中關(guān)于原始圖像數(shù)據(jù)的定義與保存進(jìn)行了分析。1射線檢測結(jié)果的保存與追溯傳統(tǒng)射線照相技術(shù)使用膠片作為記錄介質(zhì),經(jīng)射線曝光后膠片感光構(gòu)成潛影,之后通過顯影、定影等暗室處理構(gòu)成照相底片。在觀片燈下對底片進(jìn)行評定,進(jìn)而判定被檢工件內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、數(shù)量等信息。數(shù)字射線成像方式方法使用數(shù)字射線探測器為記錄介質(zhì),經(jīng)射線照射后構(gòu)成光信號,經(jīng)光導(dǎo)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為電信號(或直接轉(zhuǎn)化為電信號),接著由讀取電路進(jìn)行信息讀取生成數(shù)字圖像,在顯示器上觀察分析圖像,進(jìn)而判定出被檢測工件的內(nèi)部質(zhì)量狀況。傳統(tǒng)射線照相技術(shù)中,射線底片是檢測結(jié)論的重要根據(jù),評定后應(yīng)按編號排序存入檔案室,按檔案管理的要求分類以便查找。一般要求在規(guī)定期限內(nèi)妥善保存檢測結(jié)果,以便特定情況下可對檢測結(jié)果進(jìn)行有效追溯,對檢測結(jié)論的可靠性提供技術(shù)支撐。JB/T4730-2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定檢測記錄和報(bào)告等保存期不得少于7年,ASME規(guī)范第XI卷對在役檢查的條件、檢驗(yàn)經(jīng)過及檢驗(yàn)結(jié)果的記錄與報(bào)告有嚴(yán)格的規(guī)定,一般均要求在核電站運(yùn)行壽命期內(nèi)長期保存。對于底片而言,它在射線照相完成后具有不可更改性,華而不實(shí)的影像信息對應(yīng)于檢測結(jié)果的原始狀態(tài)。同樣的,數(shù)字射線成像技術(shù)也需要對數(shù)字檢測圖像進(jìn)行有效的保存、查找及追溯。所追溯的應(yīng)該是原始的不可更改的數(shù)字圖像,華而不實(shí)原始的這一限定與后期處理過的、人為更改正過錯(cuò)的相對應(yīng)。當(dāng)然,在對射線檢測結(jié)果進(jìn)行保存時(shí),其一般前提是需知足規(guī)定的檢測質(zhì)量要求。對于射線底片而言,需要測量黑度范圍、觀測像質(zhì)計(jì)影像、查看有無偽缺陷等。同樣的,對于數(shù)字射線成像技術(shù)而言,也需要結(jié)果圖像知足相關(guān)要求,如像質(zhì)計(jì)指標(biāo)、圖像畸變與干擾影像的控制情況,有時(shí)還需要測量信噪比、最小灰度值等。2原始圖像數(shù)據(jù)的含義利用數(shù)字射線成像方式方法可獲取到數(shù)字圖像,但一般情況下并不能得到理想的視覺效果,此時(shí)可對圖像應(yīng)用多種圖像處理方式方法,有效加強(qiáng)感興趣的檢測細(xì)節(jié),但在使用圖像處理方式方法時(shí)應(yīng)注意保存原始圖像數(shù)據(jù)。GaryBarber提出在對圖像文件進(jìn)行存檔時(shí),需要以初始狀態(tài)保存原始數(shù)據(jù)。除此之外,觀察評定時(shí)的參數(shù),如比照度設(shè)置、濾波情況、放大情況等也應(yīng)進(jìn)行記錄。通過這些操作,能夠在檢測的很多年后,方便地實(shí)現(xiàn)對檢測結(jié)果的審核。在ASTM標(biāo)準(zhǔn)E1411射線成像系統(tǒng)鑒定標(biāo)準(zhǔn)中也有類似的規(guī)定,所使用的圖像加強(qiáng)處理方式方法必須進(jìn)行記錄,保存圖像的質(zhì)量應(yīng)與初始檢測圖像一致。但是,什么才算是原始圖像數(shù)據(jù)呢?ASTM標(biāo)準(zhǔn)E2007計(jì)算機(jī)射線照相標(biāo)準(zhǔn)指南中術(shù)語一章對原始數(shù)字圖像(originaldigitalim-age)進(jìn)行了定義:在未做任何圖像處理前,原始的二進(jìn)制像素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)查找表(LUT)映射后構(gòu)成的灰度級別的數(shù)字圖像。對于計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)(CR)而言,IP板在射線曝光后通過激光掃描而產(chǎn)生光致發(fā)光,光信號再通過A/D轉(zhuǎn)換為電信號,通過初始的查找表將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。對以面陣探測器、線陣探測器為成像介質(zhì)的數(shù)字射線成像技術(shù)(DR)而言,原始圖像數(shù)據(jù)還稍有不同,這主要表現(xiàn)為探測器與IP板在獲取圖像方面的差異。在數(shù)字射線成像技術(shù)中使用數(shù)字探測器陣列進(jìn)行信號的轉(zhuǎn)換,華而不實(shí)每個(gè)像素的電信號輸出是不一致的,探測器的暗電流輸出還遭到環(huán)境溫度的影響,因而在數(shù)字射線成像中能夠并且也需要對探測器陣列輸出的信號進(jìn)行處理,以獲取理想的檢測圖像。為了避免數(shù)字射線探測器各個(gè)感光單元間的串?dāng)_,提高探測器的分辨率,探測器生產(chǎn)廠商將感光晶體加工成為非常細(xì)小的針狀構(gòu)造,就像光纖一樣,作為光導(dǎo)管。針狀晶體構(gòu)造將射線能量轉(zhuǎn)換為可見光,再通過光電二極管陣列生成與光強(qiáng)相關(guān)的電荷,每個(gè)光電二極管的輸出對應(yīng)于數(shù)字圖像的一個(gè)像素點(diǎn)。數(shù)字探測器陣列在制造時(shí)的質(zhì)量等級是不一樣的,如某探測器生產(chǎn)廠商將其分為一般等級和優(yōu)良等級,一般等級情況下探測器可能包含有一些行缺陷(行中有40%或者更多的像素輸出是無效的),而優(yōu)良等級不包含有缺陷的行或列。對于有缺陷的探測器單元,通常采用插值方式消除這些壞像素的輸出。所謂壞像素,指的是數(shù)字射線探測器中表現(xiàn)不佳的探測單元,包括無響應(yīng)像素、過響應(yīng)像素、低響應(yīng)像素、噪聲像素等,在ASTM2597中有相應(yīng)的定義及辨別方式方法。一般由探測器生產(chǎn)廠商提供探測器中壞像素的分布情況。不難理解,即便在輻射場均勻的情況下,數(shù)字探測器陣列輸出的信號也會(huì)存在不一致,而這很大程度上影響到數(shù)字圖像的質(zhì)量,影響缺陷的檢出效果。為解決這一問題,需要對探測器進(jìn)行校準(zhǔn),可能包含偏移校正、增益校正、壞像素校正等。在沒有射線照射時(shí),探測器像素輸出的信號構(gòu)成了偏移校正圖像(背景信號);在射線照射均勻物體時(shí)探測器所有像素的響應(yīng)構(gòu)成增益校正圖像;根據(jù)壞像素分布情況表,分別讀取相應(yīng)的位置坐標(biāo),視其為缺失的像素輸出,根據(jù)相鄰的像素輸出值進(jìn)行線性方式等插值計(jì)算,把此計(jì)算值作為壞像素的輸出。探測器經(jīng)良好的校正后,可應(yīng)用于檢測,所獲取的數(shù)字圖像是進(jìn)行上述校正后的結(jié)果。因而,數(shù)字射線成像檢測中的原始圖像數(shù)據(jù)通常是經(jīng)校正后輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù),而不是簡單的經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后直接構(gòu)成的數(shù)字圖像數(shù)據(jù);也就是講,數(shù)字射線成像檢測的原始圖像數(shù)據(jù)不應(yīng)是偏移校正圖像、增益校正圖像或未經(jīng)校正直接生成的圖像,而是探測器經(jīng)射線照射后生成的圖像經(jīng)過偏移校正、增益校正、壞像素映射計(jì)算后的結(jié)果圖像。原始圖像數(shù)據(jù)是與A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)相關(guān),一般是高灰階的灰度值圖像。在ISO/DIS17636-2焊縫無損檢測射線檢測第2部分:使用數(shù)字探測器的X射線和射線技術(shù)中并沒對原始圖像進(jìn)行明確定義,但進(jìn)行了如下講明:原始圖像應(yīng)以最高分辨率進(jìn)行存儲(chǔ),在存儲(chǔ)這些原始數(shù)據(jù)前,只能應(yīng)用與探測器校正有關(guān)的圖像處理(如偏移校正、增益校正、壞像素校正)。3原始圖像數(shù)據(jù)的處理與保存為使數(shù)字射線成像中檢測圖像到達(dá)理想的視覺效果,往往采用比照度調(diào)節(jié)、亮度調(diào)節(jié)等加強(qiáng)處理措施,這一經(jīng)過需要較多的計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與技巧。在對其進(jìn)行處理時(shí),有兩個(gè)突出的問題:①怎樣保證處理時(shí)的力度;②處理好的圖像需不需要保存。以調(diào)窗方式進(jìn)行比照度、亮度調(diào)節(jié)為例,在處理時(shí)能夠選取直方圖中的某一段進(jìn)行加強(qiáng)顯示,所設(shè)定的從暗到亮區(qū)間范圍越窄,則調(diào)節(jié)后圖像的反差就越強(qiáng)。在圖像評定時(shí),對圖像的處理要適度,不能無限制地提高圖像的反差,以致于將探測器的噪聲信號以為是缺陷影像。一個(gè)可行的辦法是充分利用圖像處理技術(shù),在不同比照度情況下分別觀察圖像,首先確定出可疑缺陷影像,然后以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)影像作為參考進(jìn)一步斷定。在對檢測圖像進(jìn)行加強(qiáng)像處理時(shí),應(yīng)注意方式方法的有效性,避免對圖像的過度處理。在一次CR檢測試驗(yàn)時(shí),檢測人員發(fā)現(xiàn)了亮堂的不規(guī)則異常影像,非常像是重金屬夾渣。但用膠片對工件進(jìn)行射線照相卻沒有發(fā)現(xiàn)該問題。究其原因,是獲取CR檢測圖像后自動(dòng)使用了某種圖像加強(qiáng)處理方式方法,而在原始圖像中卻表現(xiàn)為規(guī)則的干擾影像(IP板上附著物構(gòu)成的)。在圖像獲取完成后,有必要對原始圖像立即進(jìn)行妥善保存,后續(xù)的處理都以原始圖像為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行,并避免后續(xù)處理對華而不實(shí)內(nèi)容的改寫。針對原始檢測圖像進(jìn)行處理,并不能馬上就到達(dá)理想的效果,利用圖像處理技術(shù)不斷進(jìn)行調(diào)節(jié),這易給人以處理隨意性太大的印象。因而,能否直接保存處理后的圖像以避免這一問題?其實(shí),在射線照相技術(shù)中,底片的觀察與評定也并不是一目了然的,對于環(huán)境條件有要求,對于人的觀察能力有要求,在觀察時(shí)也需要調(diào)節(jié)觀片燈的亮度進(jìn)行動(dòng)態(tài)判別。經(jīng)圖像處理后的結(jié)果固然是比原始圖像視覺效果好,但它是原始圖像派生的,對原始圖像使用不同的處理方式方法將產(chǎn)生不同的效果,以處理后的結(jié)果代替原始圖像,無疑減少了對檢測結(jié)果信息辨別的可能途徑。不過,將圖像處理方式方法及參數(shù)進(jìn)行記錄,將有助于評定圖像的快速獲取。因而,對于原始圖像數(shù)據(jù)的處理方式方法要適當(dāng)有效,只需要保存原始圖像數(shù)據(jù)而不需要保存處理后的圖像,對圖像評定時(shí)所用的圖像處理方式方法及參數(shù)應(yīng)進(jìn)行記錄。4原始圖像數(shù)據(jù)的管理為保證射線檢測結(jié)果圖像的真實(shí)性與完好性,需要采取有效的措施對數(shù)字化圖像進(jìn)行有效的管理,數(shù)據(jù)庫技術(shù)無疑是一個(gè)很好的工具。在利用數(shù)字射線成像檢測實(shí)踐中,筆者開發(fā)過一個(gè)圖像數(shù)據(jù)庫軟件,可及時(shí)將檢測參數(shù)進(jìn)行保存,并與檢測結(jié)果圖像建立關(guān)聯(lián)。通過專用格式存儲(chǔ)與定期光盤刻錄方式方法保證檢測結(jié)果圖像的原始狀態(tài),并可對檢測圖像進(jìn)行多種形式檢索,能夠樹狀列表形式顯示出工件的檢測情況。但在信息的輸入效率、數(shù)據(jù)的維護(hù)可靠性方面還略顯缺乏。圖片存檔和通信系統(tǒng)PACS(PictureArchivingandCommunicationSystem)已成熟應(yīng)用于醫(yī)學(xué)射線檢測圖像管理,并制定了統(tǒng)一的圖像傳輸規(guī)范DICOM(DigitalImagingandCommunicationsinMedicine)。將DICOM規(guī)范引入工業(yè)無損檢測領(lǐng)域,則稱之為DICONDE,可對多種形式的無損檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的歸檔存儲(chǔ),保證數(shù)據(jù)不會(huì)荒廢或無法訪問,簡化了信息的標(biāo)記經(jīng)過,使數(shù)據(jù)的檢索變得容易,便于多用戶遠(yuǎn)程訪問。DICONDE更多的是對檢測系統(tǒng)生產(chǎn)商提出了相關(guān)要求,需要保證其系統(tǒng)輸出圖像、數(shù)據(jù)的有效、及時(shí)存儲(chǔ),并可在不同平臺(tái)上讀取與顯示出來?；贒ICONDE規(guī)范,可望有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字射線檢測圖像的規(guī)范管理與存儲(chǔ):它按分等級、系統(tǒng)化的結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,即studyseriesinstance。詳細(xì)到一個(gè)工件檢測需求(study),它能夠按時(shí)間先后順序進(jìn)行屢次的透照檢測(series),檢測時(shí)能夠不同的參數(shù)獲取圖像(instance)。對于數(shù)字射線成像而言,DICONDE的價(jià)值在于保證檢測結(jié)果格式的統(tǒng)一,避免了不同廠商設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)所提供的結(jié)果數(shù)據(jù)格式專用、封閉的缺乏,提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口來規(guī)范數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ);基于DICONDE的軟件平臺(tái),可使用戶對于檢測數(shù)據(jù)及信息實(shí)現(xiàn)及