（信號(hào)與信息處理專(zhuān)業(yè)論文）基于x射線(xiàn)圖像的焊縫缺陷檢測(cè)與識(shí)別技術(shù).pdf

中北大學(xué)學(xué)位論文 基于x 射線(xiàn)圖像的焊縫缺陷檢測(cè)與識(shí)別技術(shù) 摘要 本文針對(duì)x 射線(xiàn)焊縫圖像缺陷檢測(cè)的特殊要求，研究了基于x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像 的缺陷檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)。 在工業(yè)探傷領(lǐng)域中，由于焊接過(guò)程出現(xiàn)的各種問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致焊縫中含有氣孔 和裂紋等缺陷，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和安全，所以焊接圖像中缺陷的檢測(cè)十分重要。 傳統(tǒng)x 射線(xiàn)焊縫圖像的檢測(cè)受評(píng)片人員的技術(shù)素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)的影響。膠片法具有檢 測(cè)效率低、操作復(fù)雜、膠片資料不易保存、檢測(cè)過(guò)程不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)，因 此采用x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)在線(xiàn)檢測(cè)與分析，就可以有效地克服人工評(píng)片引起的 誤判，從而使在線(xiàn)檢測(cè)工作客觀化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。 根據(jù)射線(xiàn)成像檢測(cè)原理，本文建立一個(gè)高清晰度、高分辨率的x 射線(xiàn)焊縫缺 陷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)焊縫中存在的缺陷并自動(dòng)評(píng)定缺陷的性質(zhì)，最后對(duì)焊縫進(jìn) 行評(píng)定。 本文針對(duì)x 射線(xiàn)焊縫檢測(cè)圖像中存在大量與缺陷檢測(cè)無(wú)關(guān)的背景冗余信息， 提出了一種形態(tài)學(xué)與自適應(yīng)閾值相結(jié)合的自動(dòng)提取方法，減少計(jì)算量，提高檢測(cè) 精度，準(zhǔn)確提取缺陷圖像信息，此方法簡(jiǎn)單易行，效果良好。 根據(jù)歐式距離度量的特征選擇判斷依據(jù)，經(jīng)缺陷提取后提取有效特征，確定 邊緣平直度、尖部尖銳度、周長(zhǎng)面積比、填充度指數(shù)、對(duì)稱(chēng)性、相對(duì)灰度作為后 續(xù)識(shí)別分析的參數(shù)，為后續(xù)的識(shí)別階段打下基礎(chǔ)。 最后使用了b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)射線(xiàn)焊縫中的缺陷進(jìn)行識(shí)別。利用理論和 經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求隱含層數(shù)目及訓(xùn)練函數(shù)和傳遞函數(shù)之間的最優(yōu) 組合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法使總體識(shí)別誤差達(dá)到最小，提高了焊縫識(shí)別率，縮 短了識(shí)別時(shí)間。 關(guān)鍵詞：焊縫圖像，缺陷提取，缺陷選擇，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別 中北大學(xué)學(xué)位論文 w e l d i n gd e f e c ti n s p e c t i o na n dr e c o g n i t i o n b a s e do nx - r a yi m a g i n g a b s t r a c t a i m e da tt h es p e c i a lr e q u e s tf o rw e l d i n gd e f e c tt e s ti nx - r a yi m a g i n g ，t h ep a p e r s t u d i e st h em a i nt e c h n i q u e si nt h ei n s p e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o np r o c e s s t h ed e f e c t s ，s u c ha sb l o w h o l e sa n dc r a c k ，o c c a s i o n a l l ya p p e a ri nt h ew e l d i n g p r o c e s s ，w h i c hc a na f f e c tt h eq u a l i t ya n ds e c u r i t yo fp r o d u c t s i no n ew o r dd e f e c tt e s t i s v e r yi m p o r t a n t i ni n d u s t r i a l t e s t i n g t h e t r a d i t i o n a lm e t h o di ss h o r to f s t a n d a r d i z a t i o na n da c c u r a c y f i l mm e t h o dh a sl o wd e t e c t i o ne f f i c i e n c ya n d c o m p l i c a t e do p e r a t i o n ，w h i c hc a nn o ts a v et h ed a t aa n dr e a l i z ea u t o m a t i o n t h e o n l i n ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi so b je c t i v e ，n o r m a t i v ea n ds t a n d a r d t h i st e c h n o l o g y c a no v e r c o m em i s j u d g m e n tb ym a n u a le f f e c t i v e l yi fu s e dx r a yr e a lt i m ei n s p e c t i o n s y s t e r n a c c o r d i n gt od e t e c t i v et h e o r yo fi m a g i n gs y s t e m ，t h i sp a p e re s t a b l i s ha nh i 曲 r e s o l u t i o na n dd e f i n i t i o nx r a yr e a lt i m ei n s p e c t i o ns y s t e mo nw e l d i n gd e f e c t ，w h i c h c a l lt e s ta n de v a l u a t ep r o p e r t yo fd e f e c ta u t o m a t i c a l l y , a tl a s te v a l u a t et h el e v e li n w e l d t h e r ei sm u c hr e d u n d a n tb a c k g r o u n di n f o r m a t i o nf o rd e f e c t sd e t e c t i o ni nt h e i m a g e t h e r e f o r ew e u s ea na u t o m a t i cm e t h o do fw e l da r e ab a s e do nt h ea u t o - a d a p t e d t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o ni nt h i sp a p e r t h i sm e t h o dc a nr e d u c et h ec o m p u t a t i o n ， i n c r e a s et h ep r e c i s i o na n de x t r a c tt h ed e f e c ta c c u r a t e l y t h ee f f e c ti sg o o d a n di tc a n b ef i n i s h e de a s i l y a c c o r d i n gt oi m a g ea n a l y s i sa n dt h eb a s i so fj u d g m e n to fe u c l i d e a nd i s t a n c e ， f e a t u r ep a r a m e t e r sa r es e l e c t e dt ob eu s e di nd e f e c tr e c o g n i t i o n ，i n c l u d i n gf l a t n e s s ， s h a r pd e g r e eo fs h a r pp a r t ，r a t i oo fp e r i m e t e rt oa r e a ，f i l ld e g r e ei n d e x ，s y m m e t r y , r e l a t i v eg r a y - s c a l e 中北大學(xué)學(xué)位論文 a tl a s tt h en e u r a ln e t w o r ki sa p p l i e dh e r et or e c o g n i z et h ew e l dd e f e c t sf r o m r a d i o g r a p h i ci m a g ei nt h i sp a p e r b yt h ee x p e r i m e n t ，i ti sc o n c l u d e dt h a to n l yo n e h i d d e nl a y e ri nt h en e t w o r ki st h em o s ts t a b l ea n dg e to p t i m u mc o m b i n a t i o no f t r a i n i n gf u n c t i o na n dt r a n s f e rf u n c t i o nu s i n gt h em e t h o dt h a tt h e o r yi sc o m b i n e dw i t h p r a c t i c a le x p e r i e n c e t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h i sm e t h o dm a k i n gg l o b a le s t i m a t e s l e a s tw h i c hh a sh i 曲i d e n t i f i c a t i o nr a t ei nw e l di m a g ea n ds h o r tt i m eo f r e c o g n i t i o n k e y w o r d s ：w e l d i n gi m a g e ，d e f e c te x t r a c t i o n ，d e f e c tf e a t u r e ，n e u r a ln e t w o r k ， r e c o g n i t i o n 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含 其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研究作出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律責(zé)任由本人 承擔(dān)。 論文作者簽名： 關(guān)于學(xué)位論文使用權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解中北大學(xué)有關(guān)保管、使用學(xué)位論文的規(guī)定，其中包括： 學(xué)校有權(quán)保管、并向有關(guān)部門(mén)送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)?？?以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué) 位論文被查閱或借閱；學(xué)校可以學(xué)術(shù)交流為目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位 論文；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容( 保密學(xué)位論文在解密 后遵守此規(guī)定) 簽名： 導(dǎo)師簽名：互迎趕駐 日期： 遜g 篁：墮： 日期：鯊呈：蘭：蘭 中北大學(xué)學(xué)位論文 1 1 課題的背景及意義 1 緒論 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展必不可少的有效工具之一，它在保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高 生產(chǎn)效率等方面有著重要作用。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)包含射線(xiàn)檢測(cè)、超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)等眾 多的無(wú)損檢測(cè)方法。其中，x 射線(xiàn)檢測(cè)由于具有直接、便于定量判定等優(yōu)點(diǎn)而一直受到 人們的極大關(guān)注。但現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)論是在檢測(cè)的數(shù)量上，還是在檢測(cè)的 質(zhì)量上，都對(duì)這種檢測(cè)方法提出了更高的要求。 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)是圖像處理技術(shù)，一是努力提高成像質(zhì) 量，以達(dá)到或接近拍片的效果；二是特征提取與識(shí)別技術(shù)。就現(xiàn)有的自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別而 言，主要是輔助判斷系統(tǒng)，采用人眼探傷的方法。無(wú)論采用何種檢測(cè)手段，操作者要一 直盯著監(jiān)視器或其他的物體表面，眼睛十分疲勞，長(zhǎng)期從事該項(xiàng)工作往往造成眼角膜損 傷，視力下降，給工人的身心健康造成極大傷害，而且由于人不能長(zhǎng)期保持注意力，很 容易出現(xiàn)走神的情況，這大大增加了探傷的不可靠度。若稍疏忽，把鋼管的缺陷給漏 過(guò)去，讓不合格的鋼管進(jìn)入市場(chǎng)，將造成不可估量的損失，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn) 質(zhì)量和生產(chǎn)效率，這實(shí)際上并不能真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。目前，在工業(yè)生產(chǎn)的射線(xiàn)檢測(cè)中， 主要使用的還是膠片照相法，它雖然技術(shù)簡(jiǎn)單，成像效果好，但同時(shí)具有檢測(cè)效率低、 操作復(fù)雜、膠片資料不易保存、檢測(cè)過(guò)程不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)乜3 。與此相比，射線(xiàn)實(shí) 時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)既有操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、結(jié)果易于保存等優(yōu)點(diǎn)。因此，圖像處理技術(shù)、 缺陷的自動(dòng)提取和識(shí)別技術(shù)是射線(xiàn)檢測(cè)的研究方向。 本課題研究的目的就是利用x 射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，將射線(xiàn)圖像輸入計(jì)算機(jī)，轉(zhuǎn)換 為數(shù)字圖像，經(jīng)圖像處理方法后顯示缺陷圖像，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)缺陷的信息做出判 斷，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行缺陷識(shí)別，從而達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)的目的。x 射線(xiàn)自動(dòng)檢 測(cè)無(wú)論在提高檢測(cè)效率、經(jīng)濟(jì)效益、可靠性還是在方便實(shí)用，保護(hù)檢驗(yàn)人員身心健康等 方面都有重要意義。 中北大學(xué)學(xué)位論文 1 2x 射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù) 目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣、靈敏度比較高的檢測(cè)方法是射線(xiàn)照相法。近年來(lái)，隨著光電 接收器件的發(fā)展和實(shí)時(shí)成像技術(shù)的出現(xiàn)，使射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用得到進(jìn)一步擴(kuò)展。其中， x 射線(xiàn)；f 玎r c t 線(xiàn)在壓力容器、汽車(chē)汽缸、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、鑄件檢驗(yàn)、集成電路的元件 及海關(guān)、機(jī)場(chǎng)行包安全檢查中均有重要應(yīng)用n 兒孫。 1 2 1x 射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r 1 8 9 5 年德國(guó)倫琴發(fā)現(xiàn)x 射線(xiàn)：1 9 0 0 年x 射線(xiàn)膠片問(wèn)世；1 9 2 2 年始建工業(yè)x 射線(xiàn) 實(shí)驗(yàn)室；19 3 0 年美國(guó)a s m e 認(rèn)可鍋爐焊縫射線(xiàn)照相檢測(cè)；19 4 0 年工業(yè)專(zhuān)業(yè)x 射線(xiàn)膠片 問(wèn)世；1 9 8 0 年工業(yè)射線(xiàn)電視與工業(yè)c t 問(wèn)世。如今x 射線(xiàn)探傷已被廣泛應(yīng)用于大型機(jī) 械、鍋爐、造船、鑄造、化學(xué)、高壓容器、國(guó)防工業(yè)等部門(mén)h 1 。如今，x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像 技術(shù)，使射線(xiàn)檢測(cè)不斷拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，另外，還引進(jìn)計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)使圖像 質(zhì)量得到改善，x 射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)正不斷向前發(fā)展。 1 2 2 射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題 焊縫缺陷自動(dòng)檢測(cè)隸屬于圖像處理和模式識(shí)別的研究領(lǐng)域，其核心問(wèn)題在于如何準(zhǔn) 確而高效地進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，在復(fù)雜且信噪比較低的情況下，正確有效地提取缺陷信息是 圖像處理領(lǐng)域中比較困難的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的拍片法相比，實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)具有速度快， 易于控制，累加成本低等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，主要有： ( 1 ) 實(shí)時(shí)成像檢測(cè)技術(shù)的靈敏度和分辨力一般來(lái)說(shuō)達(dá)不到膠片射線(xiàn)照相技術(shù)的水 平。 ( 2 ) 動(dòng)態(tài)成像過(guò)程中必須考慮操作工件的機(jī)械裝置。 ( 3 ) 由于量子統(tǒng)計(jì)起伏，動(dòng)態(tài)成像過(guò)程要求更高的射線(xiàn)通量，同時(shí)為減小幾何不 清晰度，要求使用更小焦點(diǎn)的射線(xiàn)源，這是相互矛盾的要求。 ( 4 ) 散射在動(dòng)態(tài)成像過(guò)程中要比靜態(tài)成像過(guò)程難以控制。 2 中北大學(xué)學(xué)位論文 1 3 焊縫缺陷自動(dòng)檢測(cè)技術(shù) 在焊制過(guò)程中，由于存在焊接工藝與設(shè)備條件的偏差、殘余應(yīng)力狀態(tài)和冶金因素變 化以及結(jié)構(gòu)材料與尺寸的差異等，往往會(huì)在焊縫中產(chǎn)生熱裂紋。此時(shí)發(fā)現(xiàn)的超標(biāo)缺陷一 般都要進(jìn)行返修，同一位置的缺陷返修次數(shù)與裂紋的發(fā)生率幾乎呈比例上升。 在服役過(guò)程中，焊接件有的經(jīng)受高溫、高壓或兼有介質(zhì)腐蝕的環(huán)境，有的承受疲勞、 沖擊及輻照等惡劣工況，因此會(huì)引發(fā)材質(zhì)惡化、應(yīng)力變動(dòng)并產(chǎn)生冷裂紋。如英國(guó) 1 9 6 2 1 9 7 8 年間的統(tǒng)計(jì)的2 0 0 0 0 個(gè)高質(zhì)量容器中曾發(fā)生2 2 9 起事故，其中因裂紋引起的 為2 1 6 起，占事故總數(shù)的9 4 3 。在2 1 6 起裂紋引發(fā)的事故中，因漏檢引起的有6 3 起， 占事故總數(shù)的2 9 口1 。因此研究焊縫缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)具有重大的意義。 焊縫圖像識(shí)別應(yīng)充分考慮到數(shù)字圖像處理的理論，同時(shí)也考慮了焊縫圖像識(shí)別的特 殊性。因?yàn)楹缚p本身的形狀來(lái)說(shuō)，就是自己特殊的地方，并且在這種實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的系統(tǒng) 中，還應(yīng)該考慮簡(jiǎn)潔。太復(fù)雜的算法將使系統(tǒng)變的反映緩慢，實(shí)時(shí)性差，因此焊縫圖像 識(shí)別是理論和實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物。 目前，焊縫缺陷自動(dòng)檢測(cè)的主要難點(diǎn)在于以下幾點(diǎn)： ( 1 ) 目標(biāo)圖像呈現(xiàn)出一個(gè)或者幾個(gè)像素，或呈現(xiàn)一段細(xì)線(xiàn)，信噪比較低，目標(biāo)湮 沒(méi)在噪聲中，很難識(shí)別； ( 2 ) 低信噪比條件下對(duì)于不規(guī)則線(xiàn)狀缺陷識(shí)別難度大，且很難用一種方式同時(shí)檢 測(cè)塊狀和線(xiàn)狀缺陷，不便于實(shí)際應(yīng)用； ( 3 ) 由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，圖像的背景復(fù)雜，并且處于不斷地變化之中，因此效率不 高，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。 1 4 焊縫缺陷圖像處理和識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r ( 1 ) 焊縫缺陷圖像處理和識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)在焊縫圖像缺陷自動(dòng)識(shí)別方面的研究起步較晚。八十年代初，哈爾濱工業(yè)大學(xué) 的陳定華等提出了“一個(gè)微機(jī)圖像處理系統(tǒng)以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)川刪，在輸入圖像處理 和硬件方面作了有益的探索，并研制了不同分辨力的圖像輸入接口。 在文獻(xiàn) 2 9 1 介紹了1 9 9 7 年大慶石油管理局工程質(zhì)量監(jiān)督站研究開(kāi)發(fā)的一套工業(yè)x 3 中北大學(xué)學(xué)位論文 射線(xiàn)底片數(shù)字化存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由膠片數(shù)字化儀、微機(jī)、激光打印機(jī)，光盤(pán)刻寫(xiě) 機(jī)等組成，該系統(tǒng)主要功能是將x 射線(xiàn)底片通過(guò)數(shù)字化儀轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像進(jìn)行存儲(chǔ)并 進(jìn)行數(shù)字壓縮等。另外，南京氣象學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程研制一種焊接缺陷計(jì)算機(jī)自動(dòng) 識(shí)別系統(tǒng)口0 l ，該裝置通過(guò)x 射線(xiàn)底片掃描底片，產(chǎn)品與底片內(nèi)容相對(duì)應(yīng)的連續(xù)圖像， 然后經(jīng)a d 轉(zhuǎn)換，生成8 b i t 灰度圖像，用圖像處理軟件對(duì)離散圖像作相關(guān)處理，分類(lèi) 識(shí)別，其圖像處理不能較好地使降噪和保邊緣兼顧，并在缺陷提取上存在丟失問(wèn)題，識(shí) 別是用統(tǒng)計(jì)分類(lèi)法。 甘肅工業(yè)大學(xué)的孫忠誠(chéng)等在對(duì)圖像進(jìn)行了一系列的降噪處理后，提出了一種能顯著 提高檢測(cè)圖像對(duì)比度的s t 非線(xiàn)性灰度變換法，在其基礎(chǔ)上，將該變換用于圖像增強(qiáng)， 而后根據(jù)缺陷的灰度值較低，穿過(guò)缺陷的線(xiàn)灰度會(huì)發(fā)生兩次或多次從正到負(fù)變化的特 點(diǎn)，運(yùn)用灰度梯度法成功地提取和分割出了焊縫中的缺陷口，該法對(duì)焊縫中缺陷增強(qiáng)效 果較好，但同樣是存在缺陷的定位不準(zhǔn)、對(duì)比度不高及微小缺陷丟失的問(wèn)題。 在去除背景后的缺陷提取研究中，周偉等口則提出先用邊界增強(qiáng)算子對(duì)焊縫圖像中 的缺陷輪廓和焊道邊界進(jìn)行增強(qiáng)處理，在其基礎(chǔ)上利用3 2 3 2 的大窗口平滑算子進(jìn)行 平滑濾波，模擬出背景圖像，而后將原圖像減去背景圖像得到減影圖像，再選用合適閾 值完成對(duì)缺陷的二值化提取。但該方法對(duì)小缺陷不很理想，并很難應(yīng)用于對(duì)處理速度要 求較高的x 射線(xiàn)檢測(cè)圖像的處理中去。 在缺陷提取研究中，文獻(xiàn)口3 1 用3 3 的平滑算子對(duì)x 射線(xiàn)焊縫圖像去噪，增強(qiáng)對(duì)比 度后，采用4 個(gè)方向的s o b e l 邊緣檢測(cè)算子( 0 04 5 09 0 01 3 5 0 ) 進(jìn)行多方向的缺陷邊緣 提取。這種方法用于缺陷在均勻焊縫內(nèi)背景中提取和識(shí)別獲得了較好的效果，對(duì)其提取 缺陷大小也存在局限性。 文獻(xiàn)4 3 嘗試著將模糊理論運(yùn)用于圖像的增強(qiáng)上，提出可利用一類(lèi)廣義模糊函數(shù)，先 將灰度圖像進(jìn)行模糊增強(qiáng)變換，而后再配合可靠的閾值劃分方法進(jìn)行缺陷的有效提取和 分割，模糊增強(qiáng)對(duì)對(duì)比度較低的缺陷容易丟失，所以無(wú)法提取焊縫內(nèi)對(duì)比度低的缺陷。 該文章提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行缺陷種類(lèi)識(shí)別。 在進(jìn)行缺陷識(shí)別的研究中，文獻(xiàn)口5 1 較早和全面建立了焊縫缺陷的分類(lèi)器啪刪，取得 了一定的效果。但用分類(lèi)器方法識(shí)別缺陷，很難正確識(shí)別形態(tài)各異、大小不一、背景復(fù) 雜的缺陷類(lèi)型。 4 中北大學(xué)學(xué)位論文 從文獻(xiàn)來(lái)看，以上研究所用的方法中預(yù)處理方法及分割方法并不能很好提取缺陷， 因?yàn)閱我坏姆指钏惴o(wú)法統(tǒng)一地把裂紋、氣孔、未熔合、夾渣等缺陷完整分割出來(lái)；用 線(xiàn)灰度分布分割使缺陷定位不準(zhǔn)確；缺陷分類(lèi)也基本都是用簡(jiǎn)單的規(guī)則分類(lèi)器法來(lái)識(shí)別 缺陷，規(guī)則的使用存在很大的局限性，焊縫缺陷影像干變?nèi)f化，很難準(zhǔn)確設(shè)定分類(lèi)器各 個(gè)閾值，所以用簡(jiǎn)單地規(guī)則和分類(lèi)器方法進(jìn)行分類(lèi)正確識(shí)別率很低，并很難辨別出偽缺 陷。對(duì)一些特定的對(duì)象，可以實(shí)現(xiàn)缺陷自動(dòng)識(shí)別。缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)已經(jīng)研究了多年， 并提出了許多缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)方案，但現(xiàn)在還未達(dá)到可以應(yīng)用的水平，一般性地解決 缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)問(wèn)題還需進(jìn)一步的工作。 ( 2 ) 焊縫缺陷自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r 早在1 9 6 8 年，日本東京大學(xué)的y s h l r a l 就是提出了焊縫x 射線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的方法口1 。 該算法由兩部分組成，其一用于提取邊界特征、預(yù)測(cè)的邊界和每點(diǎn)的預(yù)測(cè)密度等參數(shù)， 其二用于垂直掃描焊道，檢測(cè)焊接部，一旦發(fā)生不正常，就調(diào)用檢測(cè)子程序來(lái)處理。算 法速度較快，但處理效果一般。不久，高山斡雄等提出了用一階微分確定缺陷的位置與 邊界和焊接圖像缺陷的濾波提取方法【】，即低通濾波噪聲高通去背景的低頻波動(dòng)，帶 通法提取缺陷。他們于1 9 7 4 年又提出了用于焊縫垂直的一階和二階差分法【lo 】來(lái)提取缺 陷。該法的低通濾波很容易使一些微小缺陷丟失，以及存在缺陷定位不準(zhǔn)的缺陷。 1 9 7 8 年，藤田勉等提出了一種圖像處理的新方法n 。即用最小二乘法來(lái)擬合掃描 信號(hào)線(xiàn)作為參考信號(hào)，然后與原圖像信號(hào)相減，獲取缺陷信息。1 9 8 3 年，輿水大和等 提出了三種邊界檢測(cè)方法n 2 1 馴。即確定門(mén)限法、可變門(mén)限法和基于灰度直方圖的方法。 在缺陷識(shí)別和分類(lèi)研究中，1 9 8 2 年，井上藤敬率先發(fā)表了有關(guān)文章岬。提出了自動(dòng)識(shí) 別與分類(lèi)系統(tǒng)由學(xué)習(xí)系統(tǒng)和識(shí)別系統(tǒng)組成，在識(shí)別系統(tǒng)中，采用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算缺陷的五 個(gè)特征參數(shù)，然后與學(xué)習(xí)系統(tǒng)得到的特征參數(shù)比較，從而判別缺陷的種類(lèi)。因?yàn)槭褂媒y(tǒng) 計(jì)方法，而焊縫內(nèi)缺陷形態(tài)各異，所以正確識(shí)別缺陷率很低。輿水大和等在1 9 8 1 至1 9 8 3 年問(wèn)作了大量工作，提出了外觀評(píng)價(jià)的自動(dòng)能夠化方法和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)n 2 培1 ，檢查的內(nèi)容為 衡量焊接質(zhì)量的七個(gè)典型參數(shù)。 在圖像處理技術(shù)上，井上騰敬提出了基于匹配濾波的焊縫圖像增強(qiáng)方法n 引，該法對(duì) 處理焊縫內(nèi)光照不均效果較差。1 9 9 2 年加騰雄平等在射線(xiàn)檢測(cè)焊縫的圖像處理和缺陷 提取上，提出了利用垂直焊縫灰度提取缺陷的方法和特征參數(shù)的選取n 利，并介紹了處理 5 中北大學(xué)學(xué)位論文 系統(tǒng)構(gòu)成。該法存在缺陷定位不準(zhǔn)的缺點(diǎn)。 人工智能和機(jī)器人在歐美國(guó)家出現(xiàn)較早，這為研究焊接過(guò)程的自動(dòng)控制和焊縫內(nèi)部 缺陷的自動(dòng)識(shí)別打下了良好的基礎(chǔ)。 1 9 8 5 年，英國(guó)的gr o b i n s o n 等提出了一個(gè)數(shù)字圖像處理系統(tǒng)n 引，并著重討論了焊 縫圖像的增強(qiáng)處理以及x 射線(xiàn)檢測(cè)的在線(xiàn)實(shí)施方案。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：圖像可實(shí)時(shí)處 理，也可存入磁盤(pán)留作后用，在射線(xiàn)檢測(cè)實(shí)時(shí)最佳調(diào)節(jié)x 光束以使獲得的缺陷圖像最 清晰，該法只是調(diào)節(jié)射線(xiàn)照相裝置，無(wú)法較好增強(qiáng)光強(qiáng)不均的焊縫內(nèi)缺陷的對(duì)比度。 1 9 8 6 年，( ( b r i t i s hj o u r n a lo fn d t 刊登了國(guó)際焊接學(xué)會(huì)有關(guān)焊接的x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)圖 像檢測(cè)的進(jìn)展報(bào)告，報(bào)告提出了三個(gè)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。1 9 8 7 年，該雜志又刊登了國(guó)際 焊接學(xué)會(huì)第二三屆會(huì)議報(bào)告，介紹了實(shí)時(shí)焊接圖像檢測(cè)系統(tǒng)啪。2 2 1 和圖像去噪、增強(qiáng)等方 法。這些方法只要針對(duì)實(shí)時(shí)焊接圖像檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)射線(xiàn)照片的數(shù)字化圖像效果無(wú)法使用 或不理想。如在實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)系統(tǒng)中用采集的多副圖像疊加后取平均達(dá)到降噪目的，顯 然該法不適用于照相法圖像的處理。 1 9 8 7 年，德國(guó)的wd a u m 等，針對(duì)x 射線(xiàn)檢測(cè)圖像中存在的較大背景，對(duì)去除焊 縫背景進(jìn)行了研究【2 3 1 ，提出了一些去除背景的方法和影響識(shí)別缺陷有關(guān)的基本參數(shù)，并 提出了根據(jù)垂直焊縫方向的灰度分布進(jìn)行缺陷檢測(cè)的方法。該方法不依賴(lài)于缺陷的具體 形狀，但在保持缺陷的真實(shí)尺寸方面存在欠缺；相似的方法在文獻(xiàn) 2 4 】中也得到了很好 的體現(xiàn)，所不同的是該文用多項(xiàng)式擬合的方法去除背景中由系統(tǒng)引起的大的灰度變化。 該文在圖像預(yù)處理的降噪處理采用均值和中值濾波，增強(qiáng)采用直方圖均衡、線(xiàn)性拉伸等 方法。但該方法對(duì)微小缺陷和光強(qiáng)不均的焊縫效果不佳，并很難實(shí)現(xiàn)硬件化。 1 9 9 6 年至1 9 9 8 年間，美國(guó)的tw a r r e nl i a o 等針對(duì)實(shí)際焊縫缺陷檢測(cè)圖像中線(xiàn)灰度 分布可能出現(xiàn)的三種異常圖形晗鐘6 l ，提出運(yùn)用緊樣條曲線(xiàn)擬合( t i 曲t _ - f i t t i n g ) 進(jìn)行噪 聲去除，用松樣條曲線(xiàn)擬合( l o o s e - - f i t t i n g ) ，并結(jié)合峰值搜索進(jìn)行灰度斜凹型異常對(duì) 缺陷的提取，而對(duì)峰值異常和槽值異常，則采用基于線(xiàn)灰度的峰值和谷底值搜索的直接 提取方法。該方法需對(duì)異常的波形建立數(shù)學(xué)模型，達(dá)到分別處理的目的，所以建立的數(shù) 學(xué)模型對(duì)效果影響較大，而且處理復(fù)雜，同樣存在缺陷正確定位問(wèn)題。 c r a y a 提出了用于x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)焊縫圖像缺陷提取的兩步法乜 ，指出首先基于缺陷灰 度的不規(guī)則性，通過(guò)快速搜索定出缺陷存在的大致區(qū)域，而后運(yùn)用閾值算法完成對(duì)缺陷 6 中北大學(xué)學(xué)位論文 的精確定位和提取，該方法對(duì)處理非裂紋缺陷效果較好，但無(wú)法較好提取裂紋類(lèi)缺陷。 1 5 論文內(nèi)容安排 本論文根據(jù)工作內(nèi)容分為六章。 第一章是緒論，主要介紹課題的背景及意義、x 射線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)和焊縫缺陷圖像處理 和識(shí)別技術(shù)的研究現(xiàn)狀，最后介紹了論文的章節(jié)內(nèi)容安排。 第二章是x 射線(xiàn)檢測(cè)理論和成像系統(tǒng)。主要介紹了x 射線(xiàn)檢測(cè)的基本理論，分析 了x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的組成、工作原理，為后續(xù)的圖像處理部分打下了理論基礎(chǔ)。 第三章主要是關(guān)于x 射線(xiàn)檢測(cè)焊縫圖像的預(yù)處理研究。在本論文中分析和討論射 線(xiàn)檢測(cè)焊縫圖像特點(diǎn)，分別分析了圖像降嗓、增強(qiáng)及圖像分割的眾多方法。最終提出了 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)及迭代閾值方法相結(jié)合的分割方法，分割結(jié)果比傳統(tǒng)的分水嶺方法得到 了大大的改善。 第四章是焊縫缺陷分類(lèi)及特征提取研究。在本章節(jié)中分析了焊縫內(nèi)常見(jiàn)缺陷分類(lèi)和 分級(jí)，針對(duì)圖像選取了用于缺陷識(shí)別的特征參數(shù)。 第五章為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，介紹神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本知識(shí)，進(jìn)一步分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn) 練函數(shù)和傳遞函數(shù)，在不同組合間尋求一種識(shí)別效率最高，識(shí)別時(shí)間最短的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)。 第六章為本論文的總結(jié)，綜述了論文的工作及得出的有關(guān)結(jié)論，并提出進(jìn)一步發(fā)展 的展望。 7 中北大學(xué)學(xué)位論文 2x 射線(xiàn)檢測(cè)理論和成像系統(tǒng) 隨著人們對(duì)x 射線(xiàn)的物性研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，利用x 射線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于無(wú)損 檢測(cè)、醫(yī)療、軍事、工業(yè)探傷、施工、航海等領(lǐng)域。隨著數(shù)字式x 射線(xiàn)成像技術(shù)的發(fā)展， 使其檢測(cè)技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展，配置上一套設(shè)備( 硬件與軟件) 作支撐，就可構(gòu)成一 個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)。本章就x 射線(xiàn)檢測(cè)理論和成像系統(tǒng)進(jìn)行 分析。 2 1 x 射線(xiàn)檢測(cè)理論 2 1 1x 射線(xiàn)檢測(cè)原理 x 射線(xiàn)檢測(cè)是利用x 射線(xiàn)具有較強(qiáng)的穿透能力，穿透被測(cè)物的射線(xiàn)帶有反映被測(cè) 物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，通過(guò)射線(xiàn)強(qiáng)度的變化來(lái)檢測(cè)與評(píng)判材料或工件內(nèi)部各種宏觀或微觀 缺陷的性質(zhì)、大小及其分布情況。顯然，這里涉及x 射線(xiàn)在穿透物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生一系列極 為復(fù)雜的物理過(guò)程。因此，正確的理解和掌握射線(xiàn)與物質(zhì)相互作用的物理過(guò)程與細(xì)節(jié)， 對(duì)了解射線(xiàn)檢測(cè)的基本原理與成像規(guī)律以至判斷不同缺陷的性質(zhì)都是非常重要的。 用射線(xiàn)檢測(cè)時(shí)，若被檢工件內(nèi)存在缺陷，缺陷與工件材料不同，其對(duì)射線(xiàn)的衰減程 度不同，且透過(guò)厚度不同，透過(guò)后的射線(xiàn)強(qiáng)度則不同，如圖2 1 所示。若射線(xiàn)強(qiáng)度為，。， 透過(guò)工件和缺陷后的射線(xiàn)強(qiáng)度分別為，r 和，r 。x 射線(xiàn)在穿越物質(zhì)后其基本物理過(guò)程的 總效果是射線(xiàn)強(qiáng)度的減弱，這種強(qiáng)度的減弱可能部分來(lái)自射線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)，即散射，部分是 被物質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)致射線(xiàn)在穿透物質(zhì)后的強(qiáng)度衰 減，將決定于射線(xiàn)本身的強(qiáng)度和穿透物質(zhì)的厚度及材料的吸收特性。 9 中北大學(xué)學(xué)位論文 已知： 則： 射線(xiàn)源 瓜上 l孝1 i 。 亞 卜 i 透過(guò)后射線(xiàn)強(qiáng)度之比為： 底片 圖2 1x 射線(xiàn)檢測(cè)原理 j r ：j oe 西 j x j r = e 硒。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：一衰減系數(shù)； x 一投照方向上的缺陷尺寸； e 一自然對(duì)數(shù)的底； 實(shí)驗(yàn)證明射線(xiàn)在穿透物質(zhì)后隨物質(zhì)厚度呈指數(shù)規(guī)律衰減，而衰減系數(shù)將由射線(xiàn)本 身的特征或能量及穿透物質(zhì)本身的性質(zhì)決定，以及直接由射線(xiàn)對(duì)物質(zhì)相互作用的全部物 理過(guò)程決定。這里包括光電效應(yīng)、康普頓散射與湯姆森散射效應(yīng)和電子對(duì)或電子對(duì)效應(yīng) 等多種物理過(guò)程。 2 1 2x 射線(xiàn)檢測(cè)特點(diǎn) x 射線(xiàn)檢測(cè)方法用底片作為記錄介質(zhì)，可以直接得到缺陷的直觀圖像，且可以長(zhǎng)期 保存。通過(guò)觀察底片能夠比較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸、和位置。容易檢 1 0 中北大學(xué)學(xué)位論文 出那些形成局部厚度差的缺陷。對(duì)氣孔和加渣之類(lèi)缺陷有很高的檢出率，對(duì)裂紋類(lèi)缺陷 的檢出率則受透照角度的影響。它不能檢出垂直照射方向的薄層缺陷，例如鋼板的分層。 x 射線(xiàn)檢測(cè)所能檢出的缺陷高度尺寸與透照厚度有關(guān)，可以達(dá)到透照厚度的l ，甚 至更小。所能檢出的長(zhǎng)度和寬度尺寸分別為毫米數(shù)量級(jí)和亞毫米數(shù)量級(jí)，甚至更小。 x 射線(xiàn)檢測(cè)薄工件沒(méi)有困難，幾乎不存在檢測(cè)厚度下限，但檢測(cè)厚度上限受射線(xiàn)穿 透能力的限制。而穿透能力取決于射線(xiàn)光子能量。 2 2x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng) x 射線(xiàn)成像廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)中，其檢測(cè)原理是利用x 射線(xiàn)對(duì) 物體的穿透能力及其在穿透物體的過(guò)程中，不同密度的材料和不同物體結(jié)構(gòu)對(duì)x 射線(xiàn) 衰減程度的差異，使物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)在照相底片、熒光屏或射線(xiàn)光電器件上形成影 像。 該系統(tǒng)采用直接x 一射線(xiàn)成像器件，直接將x 一射線(xiàn)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)，該系統(tǒng)的主要 特點(diǎn)是可見(jiàn)分辨率高、圖像清晰、成像器件體積小、重量輕且價(jià)格適中，很適合薄壁管 件的焊縫檢測(cè)。 2 2 1x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的組成 本系統(tǒng)主要由進(jìn)口的x 射線(xiàn)管、控制器、x 一射線(xiàn)成像器和圖像采集系統(tǒng)、射線(xiàn)源機(jī) 頭支撐系統(tǒng)、x 一射線(xiàn)成像器支撐系統(tǒng)、數(shù)字圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等組成。 ( 1 ) x 射線(xiàn)源 1 6 0 k v 的雙焦點(diǎn)射線(xiàn)源由x 射線(xiàn)管、控制器、冷卻系統(tǒng)和連接電纜組成，x 射線(xiàn)管 是產(chǎn)生x 射線(xiàn)的源；x 射線(xiàn)是由高速電子流撞擊金屬靶產(chǎn)生的。它的原理是高速電子流 ( 也稱(chēng)陰極射線(xiàn)) 與硬物質(zhì)相互碰撞時(shí)，他們的運(yùn)動(dòng)便急劇地被阻止，失去了所有的動(dòng) 能，轉(zhuǎn)換為其它形式的能量。其中9 7 以上的能量轉(zhuǎn)換為熱能，而僅有不到3 的能量 轉(zhuǎn)換為光能，即x 射線(xiàn)?？刂婆_(tái)是操作和控制整個(gè)射線(xiàn)源的控制部件，通過(guò)計(jì)算機(jī)接 口直接控制射線(xiàn)源的電壓、電流等參數(shù)；冷卻系統(tǒng)對(duì)x 射線(xiàn)管進(jìn)行循環(huán)冷卻；連接電纜 是連接雙焦點(diǎn)射線(xiàn)源的神經(jīng)中樞。 中北大學(xué)學(xué)位論文 ( 2 ) x 一射線(xiàn)成像器和圖像采集系統(tǒng) x 一射線(xiàn)成像器由射線(xiàn)轉(zhuǎn)換器、視頻放大器、c c d 攝像機(jī)和圖像數(shù)字化部件組成，x 射線(xiàn)成像器完成x 射線(xiàn)到可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換并放大，c c d 攝像機(jī)完成可見(jiàn)光成像，圖像數(shù) 字化部件完成圖像的數(shù)字化并傳入計(jì)算機(jī)。 ( 3 ) 圖像處理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要由軟件組成，其功能主要有射線(xiàn)圖像的增強(qiáng)、恢復(fù)、測(cè)量、 存儲(chǔ)、打印、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和偽彩色顯示等。 ( 4 ) 射線(xiàn)防護(hù)與安全系統(tǒng) 加速器產(chǎn)生的高能射線(xiàn)，不但能量高，其強(qiáng)度也很大，以美國(guó)v a r i a n 公司生產(chǎn)的 l i n a t r o n 為例，該設(shè)備在距離靶1 米處內(nèi)分鐘射線(xiàn)輸出的劑量是4 0 0 德拉，能量是4 m e v 。 而人體全身輻射的半致死計(jì)量為4 0 0 德拉左右。若人員被該設(shè)備誤照是十分危險(xiǎn)的，必 須做好安全防護(hù)工作。 i 加速器的防護(hù)主要采用屏蔽防護(hù)，加速器屏蔽室必須進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)，室外 的計(jì)量率必須低于國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 i i 因?yàn)楦吣躼 射線(xiàn)對(duì)空氣進(jìn)行電離后產(chǎn)生的臭氧和氮氧化合物對(duì)人體有害，故室 內(nèi)必須安裝鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行換氣。 對(duì)于直線(xiàn)加速器來(lái)說(shuō)，除了防護(hù)高能x 射線(xiàn)的誤傷害之外，還應(yīng)對(duì)加速器進(jìn)行 微波輻射防護(hù)，同時(shí)還要預(yù)防高電壓、氟里昂氣體等對(duì)人體的危害。 2 2 2x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及工作原理 為了實(shí)現(xiàn)x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)可以對(duì)焊縫進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，因此設(shè)計(jì)高分辨率的焊縫 x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像檢測(cè)系統(tǒng)。 ( 1 ) x 射線(xiàn)源 在工業(yè)應(yīng)用方面，x 射線(xiàn)是由一種特制的x 射線(xiàn)管產(chǎn)生的，x 射線(xiàn)管是有陰極、陽(yáng) 極和高真空的玻璃或陶瓷外殼組成，陰極是一加熱燈絲，用于發(fā)射電子。陽(yáng)極耙是由耐 高溫的鎢制成。工作是在兩極之間加有高電壓，從陰極燈絲發(fā)出的高速電子撞擊到陽(yáng)極 靶上，其動(dòng)能消耗于陽(yáng)極材料原子的電離和激發(fā)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，部分電子在原子?場(chǎng)中受到急劇阻止，產(chǎn)生x 射線(xiàn)。產(chǎn)生的x 射線(xiàn)能量與電源電壓有關(guān)，電壓越高，x 1 2 中北大學(xué)學(xué)位論文 射線(xiàn)能量越大，穿透力越強(qiáng)。根據(jù)本檢測(cè)對(duì)象，擬選用1 6 0 k v 的雙焦點(diǎn)x 射線(xiàn)機(jī)系統(tǒng)。 ( 2 ) 射線(xiàn)成像系統(tǒng) 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)透射通過(guò)焊縫的x 射線(xiàn)檢測(cè)，x 光到可見(jiàn)光的轉(zhuǎn)換，可見(jiàn)光圖像的數(shù) 字化轉(zhuǎn)換和數(shù)字圖像處理，完成疵病的數(shù)字成像檢測(cè)。本系統(tǒng)擬采用x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像 器件。 ( 3 ) 射線(xiàn)防護(hù)與安全系統(tǒng) x 射線(xiàn)穿透力強(qiáng)，對(duì)人體有極大的危害性，因此在檢測(cè)位置研制相應(yīng)的射線(xiàn)防護(hù)室， 實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)線(xiàn)檢測(cè)防護(hù)室的安全防護(hù)，本系統(tǒng)按照國(guó)家有關(guān)射線(xiàn)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)配套研制。 ( 4 ) 自動(dòng)檢測(cè)工裝 本工裝由射線(xiàn)源機(jī)頭支撐系統(tǒng)、射線(xiàn)內(nèi)視儀支撐系統(tǒng)、檢測(cè)移動(dòng)小車(chē)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)及其處理系統(tǒng)等組成。如圖2 2 所示。 ( 5 ) 工作過(guò)程 管道焊縫x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的工作過(guò)程由控制系統(tǒng)完成，開(kāi)啟電源射線(xiàn)源預(yù)熱 1 5 分鐘后，控制動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)將小車(chē)進(jìn)入射線(xiàn)暗室，由x 射線(xiàn)成像器件進(jìn)行實(shí)時(shí)成像， 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)獲取高質(zhì)量的焊縫圖像后，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理判別，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)疵病有無(wú)進(jìn) 行紀(jì)錄或報(bào)警，從而完成一工位的檢測(cè)。之后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)前進(jìn)一檢測(cè)工位，進(jìn)行下一次 成像檢測(cè)。 1 3 中北大學(xué)學(xué)位論文 圖2 2 工作原理圖 2 2 3x 射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)的特點(diǎn) 快速、高效、動(dòng)態(tài)、多方位在線(xiàn)檢測(cè)時(shí)應(yīng)用射線(xiàn)實(shí)時(shí)成像的最大優(yōu)點(diǎn)。實(shí)時(shí)成像用 于對(duì)裝配線(xiàn)上的工件進(jìn)行快速檢測(cè)，改變工件位置的遙控裝置使檢測(cè)者可以隨意觀察工 件的細(xì)節(jié)或隨意移動(dòng)工件進(jìn)行檢測(cè)，這樣，驗(yàn)收與否可以立即決定，無(wú)需拖延時(shí)間或浪 費(fèi)膠片。 對(duì)實(shí)際缺陷，特別是裂紋類(lèi)平面狀缺陷的檢出能力，早期的電視熒光檢測(cè)設(shè)備，由 于原始圖像是在多晶體轉(zhuǎn)換屏上形成的，固有不清晰度很大，成像質(zhì)量遠(yuǎn)低于膠片法。 由于轉(zhuǎn)換屏和x 射線(xiàn)圖像增強(qiáng)器的改進(jìn)，再加計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，能將電視圖像轉(zhuǎn)換成 數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字圖像存儲(chǔ)和數(shù)字圖像處理，射線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)性能有了顯著提高。圖像 識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，還可實(shí)現(xiàn)焊接缺陷自動(dòng)或半自動(dòng)評(píng)判。 2 3 本章小節(jié) 本章主要分析和建立了x 射線(xiàn)檢測(cè)缺陷原理及成像系統(tǒng)，討論了x 射線(xiàn)成像系統(tǒng)的 組成，分析了x 射線(xiàn)圖像的特點(diǎn)，為后續(xù)的圖像預(yù)處理工作打下理論基礎(chǔ)。 1 4 中北大學(xué)學(xué)位論文 3x 射線(xiàn)檢測(cè)焊縫圖像的預(yù)處理技術(shù) 在x 射線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)中，其檢測(cè)圖像中存在著大量的隨機(jī)噪聲，圖像分辨率低，缺 陷區(qū)域灰度不均勻，邊緣模糊，與周?chē)尘皡^(qū)域的空間對(duì)比度低，甚至在一些惡性隨機(jī) 噪聲的影響下，灰度對(duì)比度較弱的缺陷可能完全消失。加上焊縫自身的一些特點(diǎn)，如焊 縫的厚度、形狀不規(guī)則等，這些不利因素影響了根據(jù)射線(xiàn)圖像對(duì)被檢測(cè)構(gòu)件進(jìn)行分析和 提高對(duì)比度，從而有利于將焊縫內(nèi)的缺陷成功提取出來(lái)。x 射線(xiàn)檢測(cè)圖像是一種特征微 弱的高噪圖像，為進(jìn)一步的缺陷識(shí)別，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，提供良好的圖像處理基礎(chǔ)。 在本章節(jié)中，根據(jù)射線(xiàn)焊縫圖像的特點(diǎn)，討論一套對(duì)氣孔等常見(jiàn)缺陷有效的圖像預(yù) 處理方法，包括圖像的降噪、增強(qiáng)和分割等，從而使原始圖像更易于被計(jì)算機(jī)識(shí)別分類(lèi)。 3 1x 射線(xiàn)檢測(cè)圖像的特點(diǎn) ( 1 ) 噪聲大，對(duì)比度低 在攝取焊縫射線(xiàn)圖像過(guò)程中，由于時(shí)間和空間等因素的影響，圖像存在明顯的時(shí)間 噪聲和空間噪聲。時(shí)間噪聲主要是由于x 射線(xiàn)源輸出特性的不穩(wěn)定性引起的?？臻g噪聲 主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一方面是x 射線(xiàn)數(shù)字成像系統(tǒng)本身造成的；另一個(gè)方面是工件的不 均勻和焊縫表面魚(yú)鱗紋、飛濺等外部原因造成的。由于x 射線(xiàn)數(shù)字成像系統(tǒng)自身?xiàng)l件的 限制，獲取的圖像存在對(duì)比度低的缺點(diǎn)，在灰度直方圖上表現(xiàn)為窄的凸峰，灰度范圍很 小，缺陷邊緣變得模糊。 如圖3 2 所示，焊縫圖像存在對(duì)比度低的缺點(diǎn)，在灰度直方圖上表現(xiàn)為窄的凸峰， 灰度分布范圍很小，缺陷邊緣變得模糊，在焊縫區(qū)域其灰度范圍更窄。 ( 2 ) 缺陷邊緣幾何不清晰 所有的x 射線(xiàn)源的焦點(diǎn)都是有一定的尺寸的，根據(jù)射線(xiàn)的直線(xiàn)投影原理，缺陷所得 的圖像的邊緣無(wú)疑會(huì)有一定的寬度，從而產(chǎn)生幾何不清晰度，而且隨著工件與攝像機(jī)之 間距離的增大而被放大。如圖3 1 所示。 1 5 中北大學(xué)學(xué)位論文 圖3 1 原始焊縫檢測(cè)圖像 圖3 2 焊縫整體直方圖 3 2x 射線(xiàn)檢測(cè)焊縫圖像的降噪技術(shù) 對(duì)任一個(gè)圖像處理系統(tǒng)，包括圖像的獲取、處理、發(fā)送、傳輸、接受、輸出( 顯示) 等，每個(gè)環(huán)節(jié)都存在不同程度的噪聲，使圖像質(zhì)量降低。射線(xiàn)數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)中，量 子和起伏噪聲等因素造成圖像信號(hào)弱、信噪比低、對(duì)比度差、清晰度低，影響了根據(jù)射 線(xiàn)圖像對(duì)被檢測(cè)構(gòu)件進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的效果。因此，如何對(duì)這些“降質(zhì)圖像或受到噪 聲污染的圖像進(jìn)行處理，提取有用信號(hào)抑制噪聲，提高信噪比，以滿(mǎn)足圖像處理的要求， 一直是圖像預(yù)處理的熱點(diǎn)問(wèn)題。 1 6 中北大學(xué)學(xué)位論文 3 2 1x 射線(xiàn)圖像噪聲的來(lái)源 噪聲按其產(chǎn)生的來(lái)源可分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲。外部噪聲是指受處理系統(tǒng)外來(lái)的 影響產(chǎn)生的噪聲，像天線(xiàn)干擾或電磁波從電源線(xiàn)竄入系統(tǒng)的噪聲。內(nèi)部噪聲是在圖像采 集、輸入過(guò)程中由內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲，有四中常見(jiàn)的形式h 引： ( 1 ) 由光和電的基本性質(zhì)所引起的噪聲；如電流可看作電子或空穴運(yùn)動(dòng)，這些粒子 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)顆粒噪聲，導(dǎo)體中電子流動(dòng)的熱噪聲，光量子運(yùn)動(dòng)的光量子噪聲等； ( 2 ) 電器的機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲：接頭振動(dòng)使電流不穩(wěn)，磁頭或磁帶、磁盤(pán)抖動(dòng)等； ( 3 ) 元器件本身引起的噪聲：如正片的、負(fù)片的表面顆粒性和磁帶磁盤(pán)表面缺陷所 產(chǎn)生的噪聲； ( 4 ) 系統(tǒng)內(nèi)部電路噪聲：如c r t 的偏轉(zhuǎn)電路二次發(fā)射電子的噪聲。 3 2 2 傳統(tǒng)降噪方法 圖像降噪是圖像處理中的常用技術(shù)，其過(guò)程是根據(jù)一些已知的“降質(zhì)模型”，從降 質(zhì)圖像恢復(fù)原圖像，即求在某種最優(yōu)意義下的原圖像估計(jì)。數(shù)字圖像噪聲處理方法一般 可分為空域處理和頻域處理?？沼蛟肼曁幚矸椒ㄖ饕ǎ侯I(lǐng)域平均法、中值濾波、維 納濾波等“4 4 5 l 。頻域處理方法是指處理方法是指圖像經(jīng)過(guò)傅立葉變換( f f t ) ，然后利用 已設(shè)計(jì)好的低通濾波器濾除高頻噪聲h 引。下面是從空域和頻域兩方面分別對(duì)兩種典型的 降噪方法進(jìn)行比較研究。 ( 1 ) 領(lǐng)域平均法 領(lǐng)域平均法是空域平滑噪聲技術(shù)，是一種線(xiàn)性濾波技術(shù)。設(shè)一副數(shù)字圖像為f ( x ，y ) ， 其大小為m x n ，平滑后的圖像為g ( x ，y ) 。g ( x ，y ) 的任一像素( x ，y ) 的灰度由其領(lǐng)域像素 灰度級(jí)的均值決定，即有： g ( 五y ) 2 i 1 ( 磊二( “) 。1 ) 式( 2 1 ) 中x - - 1 ，2 ，m ，y - - 1 ，2 ，n ，s 是( x ，y ) 像素點(diǎn)的領(lǐng)域，k 是s 內(nèi)的像素 數(shù)。 1 7 中北大學(xué)學(xué)位論文 設(shè)噪聲為e ( x ，y ) ，其均值為0 ，方差為仃2 ，且噪聲與圖像廠( 工，y ) 互不相關(guān)。則受 噪聲干擾的圖像為： g ( x ，y ) = f ( x ，j ，) + e ( x ，y ) 經(jīng)領(lǐng)域平均法處理后的圖像g ( x ，y ) 為： ( 3 2 ) g ( x ，y ) = 去。，萎5 廠( z ，力+ 去。，萎二砸，力 ( 3 3 ) 處理后殘余噪聲的平均值為： 殘余噪聲的方差為： e 去。磊二嘶棚 = 。 。 去。，萎s 砸 - 2 上式表明領(lǐng)域平均處理后，殘余噪聲的方差減小為原來(lái)的1 k 。 原始圖像 圖3 3 領(lǐng)域平均法降噪結(jié)果 平均濾波后圖像 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 由圖3 3 可以看出，平均領(lǐng)域法對(duì)圖像的降噪效果不是很明顯。由于焊縫射線(xiàn)圖像 本身的特點(diǎn)對(duì)圖像降噪方法提出更高的要求。 3 2 3 小波降噪方法 在數(shù)學(xué)上，小波降噪問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是一個(gè)函數(shù)逼近問(wèn)題，即如何在由小波母函數(shù)伸縮 1 8 中北大學(xué)學(xué)位論文 和平移版本所展成的函數(shù)空間中，根據(jù)提出的衡量準(zhǔn)則，尋找對(duì)原信號(hào)的最佳逼近，以 完成原信號(hào)和噪聲信號(hào)的區(qū)分。因此，小波降噪方法也就是尋找從實(shí)際信號(hào)空間到小波 函數(shù)空間的最佳映射，以便得到原信號(hào)的最佳恢復(fù)。 近年來(lái)，小波理論得到了非常迅速的發(fā)展，而且由于其具備良好的時(shí)頻特性，因而實(shí) 際應(yīng)用也非常廣泛。小波變換具有如下特點(diǎn)：( 1 ) 低熵性；小波系數(shù)的稀疏分布，使得圖像 變換后的熵降低；( 2 ) 多分辨率；由于采用了多分辨率的方法，所以可以非常好地刻畫(huà)信 號(hào)的非平穩(wěn)特征，如邊緣、尖峰、斷點(diǎn)等；( 3 ) 去相關(guān)性；因?yàn)樾〔ㄗ儞Q可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行 去相關(guān)，且噪聲在變換后有白化趨勢(shì)，所以小波域比時(shí)域更利于降噪；h ) 選基靈活性；由 于小波變換可以靈活選擇變換基，從而對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)不同的研究對(duì)象，可以選用不 同的小波母函數(shù)，以獲得最佳的效果。 小波降噪的原理在于噪聲信號(hào)與有效信號(hào)的小波變換在空間上的局部模極大值點(diǎn) 呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律啼”。就射線(xiàn)圖像而言，缺陷的量子噪聲信息在空間頻域內(nèi)表現(xiàn)為高 頻分量，趨勢(shì)項(xiàng)表現(xiàn)為低頻分量，而不同尺寸的缺陷在不同尺寸中的小波系數(shù)也有所不 同。本論文根據(jù)這一特點(diǎn)利用小波變換對(duì)射線(xiàn)圖像進(jìn)行降噪處理的，在不損失有用信息 情況下使需識(shí)別的缺陷信息與噪聲得到有效分離。 定義：設(shè)吵( f ) 是一平方可積的函數(shù)，也即y ( f ) r 俾) ，若其傅立葉變換滿(mǎn)足條件 憚d 緲 ( 3 6 ) 蓋i e o i 則稱(chēng)少( f ) 為一個(gè)基本小波或小波母函數(shù)，并稱(chēng)式( 3 6 ) 為小波函數(shù)的可容許性條件。 根據(jù)小波函數(shù)的定義，小波函數(shù)一般在時(shí)域具有緊支集或近似緊支集，即函數(shù)的非 零值定義域具有有限的范圍，這即所謂“小 的特點(diǎn)：另一方面，根據(jù)可容許性條件可 知y ( 動(dòng)f 瀘。= 0 ，即直流分量為零，因此小波又具有正負(fù)交替的波動(dòng)性。 定義：將母函數(shù)沙( f ) 經(jīng)伸縮和平移后，就可以得到一個(gè)小波序列為： 心，2 南y 學(xué) 啪咄刪， 7 ， 其中a 為伸縮因子，b 為平移因子。稱(chēng)，。( ) 為依賴(lài)于參數(shù)口，b 的小波基函數(shù)。由 1 9 中北大學(xué)學(xué)位論文 于尺度因子口，平移因子6 是連續(xù)變化的值，因此稱(chēng)，。( t ) 為連續(xù)小波基函數(shù)。它們是 由同一母函數(shù)y