X射线数字成象噪声特性及噪声消除方法研究.pdf

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1、X射线数字成象噪声特性及噪声 消除方法研究 陈树越路宏年 (华北工学院,山西太原 030051) (北京航空航天大学,北京 100083) 摘 要:X射线数字成象中存在着各种类型的噪声,它们来源于不同的成象环节,如CCD相机、 成象屏、 射线散射和控制电路噪声等,严重影响成象质量。用实验的方法研究了X射线数字成象系 统的噪声来源及其性质,给出了消除噪声的方法和实例,得到了较好的降噪效果。 关键词:射线检验;噪声;图象处理;数字化 中图分类号: TG115. 28+1; G202 文献标识码 :A 文章编号: 100026656(2001)0120009203 RESEARCH ON NO IS

2、E CHARACTERISTICS AND NO ISE DEPRESSI ON IN X-RAY D IGITAL RAD I OGRAPHIC SYSTEM CHEN Shu-yue (North China Institute of Technology, Taiyuan 030051, China) LU Hong-n ian (Beijing U niversity of A eronautics and A stronautics, Beijing 100083, China) Abstract: In X2ray digital radiographic system , the

3、re are many kinds of noiseswhich originate from different i maging elements,such as CCD camera,scintilator photoconvertor, X2ray scatter, control circuit and so on. These kinds of noises have serious influence on i maging quality. The origins and characteristicsof the noises in the system are studie

4、d bymeans of experi ments, and themethod of noise depression is presented.It is shown that the results of noise depression are effective. Keywords: Radiography; Noise; I mage processing; D igitalization 随着设备数字化时代的到来,射线数字成象 (DR)技术广泛应用于无损检测,在该领域起着非常 重要的作用。 但是,射线数字成象在工业探伤中仍然 存在许多问题,大部分射线数字成象系统的图象质 量仍然达

5、不到胶片照相的水平,其主要原因是射线 数字成象噪声大、 信噪比低。 影响成象质量的因素有 许多,如X射线转换屏、 扫描器件、 控制电路噪声及 射线散射等。 为降低成象系统噪声,可在系统各个环 节采取降噪措施,另外,图象处理也是消除噪声的很 有效手段。 本文通过实验研究了系统噪声特性及消除噪声 的方法。值得注意的是噪声对图象质量的影响往往 是在对试件缺陷的识别上,尤其是细微缺陷(如微小 的气孔及裂纹等 ), 这些细微缺陷的影象与噪声混合 在一起,难以辨认。然而,通常的图象增强方法不能 收稿日期: 2000205204 保证在不破坏缺陷细节的条件下降低噪声。本文针 对DR成象中影响图象质量的主要问

6、题,降低了成 象系统噪声,使图象质量有了较大的提高。 1 X射线数字成象系统噪声特性 1. 1 成象系统噪声来源 射线数字成象系统如图1所示。 在DR系统中, 根据图象噪声的来源,可将各个组成单元划分为 CCD芯片、 射线源、 成象光学系统(包括成象屏、 反 射镜和镜头)、 试件及控制系统(包括计算机与控制 器)等主要部分。 基于以下对射线数字成象系统中信 号噪声的分析,噪声可按其性质分类(图 2) 。 从图2可见, CCD响应不一致性来源于CCD 的暗电流不一致性和光响应不一致性,成象屏缺陷 主要来源于成象屏,图象渐晕性来源于光学镜头产 生的孔径切割和射线能量分布不均匀,正向脉冲噪 9 第2

7、3卷第1期 2 0 0 1年1月 无损检测 NDT Vol . 23 No. 1 Jan. 2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图1 DR成象检测系统 图2 射线数字成象系统噪声 声来源于X散射线对CCD的直接作用,高斯噪声 来源于CCD读出噪声、 控制系统噪声和射线源的量 子起伏噪声,而散射模糊噪声则主要来源于试件。 1. 2 CCD暗电流噪声 CCD暗电流是指在无光照的情况下,积累一定 时间后产生的载流子,在实际应用中,暗电流表现为 叠加在信号上的噪声。CCD暗电流引

8、起的噪声可分 为两部分,一部分是载流子的热噪声,它是一种泊松 分布的随机过程,表现为白噪声信号,该噪声形成了 暗电流的背景噪声,降低CCD的工作温度可减小这 种热噪声;另一部分是由CCD象元晶体中缺陷的大 量集中引起的脉冲尖峰,本文称为暗电流不一致性, 它是暗电流噪声的主要因素,直接影响成象质量。 对CCD相机进行了暗电流实验, CCD积分时 间为60s,图 3a 是单幅暗电流图象某行的灰度曲 线,图 3b 是25幅暗电流图象叠加平均后在与图 3a 同一行上的灰度曲线,图 3c 是图 3a 减去图 3b 的曲 线,图中灰度值是以12bit计量的(以下同)。图 3b 表明通过图象的多幅叠加平均,

9、降低了暗电流背景 噪声,但并不能降低暗电流不一致性,从而证明暗电 流不一致性属于CCD的固有不变特性。图 3c 表明 暗电流不一致性得到了校正。 图3 暗电流图象灰度曲线 实验证明,暗电流不一致性的幅值随曝光时间 的增加而增大,且与曝光时间呈线性关系。 根据这种 线性关系,可以用某一曝光时间的暗电流图象对任 意曝光时间下的图象进行暗电流不一致性校正。 由上述结论可得暗电流校正后的图象I 为 I=I- t tdD (1) 式中 ICCD相机曝光时间为t时的被校正灰 度图象 D全暗情况下经过td时间CCD相机得 到多幅叠加的暗电流图象 1. 3 CCD象元光响应不一致性 CCD象元响应不一致性是指

10、在均匀光照的条 件下,各CCD象元响应的不均匀程度,它与CCD芯 片材料的均匀性和工艺过程有关1。 在成象过程中, 这种不一致性体现为象元之间响应比例的不变性。 由于各CCD象元对均匀光的响应不一致性是随机 的,因此,在图象上反映出灰度空间分布的随机性。 然而,每个CCD象元每次产生的响应灵敏度不一致 性是有规律的。 为了验证CCD象元响应灵敏度不一致性不变 的性质,我们对某试件进行了射线数字成象实验,用 单幅图象减去多幅叠加平均后不一致性成分,可得 到消除响应不一致性噪声的结果(图 4) 。图 4a 为某 一幅图象某行的灰度曲线,图 4b 为其18幅图象叠 加平均后的灰度曲线,图 4c 为图

11、 4a 减去不一致性 后的曲线,可见,图象噪声情况得到了明显改善。 01 陈树越等: X射线数字成象噪声特性及噪声消除方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图4 图象灰度曲线 1. 4 成象屏对X射线响应的不一致性 成象屏对X射线响应的不一致性是指成象屏 的生产制作工艺等原因使闪烁晶体在不同的空间位 置上对相同X射线辐射所产生发光效率的不同,这 主要是由闪烁晶体在空间分布的厚度和密度不同造 成的。较为严重的不一致性使成象屏内出现纹路和 杂质,甚至气泡,而在图象上会出现相应的明显条

12、 纹、 亮斑、 暗斑以及气泡等虚假缺陷,因此,很有必要 对这种伪缺陷进行去除。由于每次射线数字成象时 这种不一致性的空间位置保持不变,因此可以校正。 1. 5 图象灰度的渐晕性 图象灰度的渐晕性是指图象中心灰度向边缘方 向递减的现象,通常由CCD相机镜头产生光线孔径 切割和射线束能量空间分布不同(中心能量最高)而 引起。 对图象灰度渐晕性的处理可以校正图象灰度, 且能改善图象的视觉效果。 文献2先用多项式拟合 出渐晕背景光,然后用被校正图象减去渐晕图象获 得校正后的图象。这种方法只有在渐晕背景图象与 被校正图象灰度级相当的条件下,才会取得好的效 果。本文采用相除的方法则无需这种条件。 1. 6

13、 正向脉冲噪声 在X射线数字成象中,由于试件和内视仪本身 对X射线都是散射体,一部分散射线往往作用在 CCD芯片上,在图象上造成许多脉冲噪声。图5为 相机盖上镜头盖时,在220kV管电压条件下对 10mm厚均匀钢板曝光10s(图5a), 30s(图 5b)和 6 0s(图5c)情况下,图象某一行的灰度曲线。 可见, 图5 不同曝光时间情况下图象某一行的灰度曲线 这种脉冲噪声在图象的空间位置分布上是随机的, 且呈正向脉冲,而不是盐椒噪声。随着CCD受辐射 时间和能量的增加,脉冲噪声的数量和幅度也会增 加,它们对图象质量影响较大。采用33窗口的次 小值排序滤波或中值滤波可有效抑制这种噪声,采 用基

14、于行列处理消除正向脉冲滤波器抑制这类噪声 效果更好3。 2 射线数字成象系统噪声校正 2. 1 成象系统固有噪声的校正 如上所述 , X 射线数字成象中存在着多种系统 固有噪声。 这些噪声在空间上是随机的,但在时间上 有规律地变化,因此可以事先获得成象系统的先验 知识,用这种先验知识来校正实际检测的图象。 建立校正线性模型有如下关系式 y(i,j ) = x(i,j)g(i,j ) + b(i,j)(2) 式中 (i,j)图象中象元坐标点 g线性比例因子,与成象系统固有噪 声有关 b暗电流项 x理想图象(输入) y实测图象(待校正图象,输出) 照射等厚均匀钢板所获得的实测图象设为y0, 理想图

15、象为x0=c(c为常数 ), 根据式(2)有 y0(i,j ) = cg(i,j ) + b(i,j) 由此可得 11 陈树越等: X射线数字成象噪声特性及噪声消除方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. g(i,j ) = y0(i,j ) - b(i,j) c 代入式(2)得到校正后的图象 x(i,j ) = c y(i,j ) - b(i,j) y0(i,j ) - b(i,j) (3) y0也可称为背景图象。 2. 2 应用实例 在图1所示的射线数字成象系统上首先用均匀 等厚

16、钢板获取了25幅背景图象,然后叠加平均消除 随机噪声,得到修正矩阵,即背景图象。实验条件为 射线源管电压200kV ,管电流5mA ,钢板厚度 10mm , CCD相机曝光时间78s,暗电流图象采集时 间60s。图 6a 为分辨力板的X射线数字成象原始图 象,图 6b 为校正后的图象,图中四组分辨力线为1, 1. 6, 2和2. 5lp?mm。 应用式(1)和式(3)校正该图象 的固有特性噪声,然后滤除射线引起的脉冲噪声。 校 正后,可明显看出成象屏的缺陷和图象灰度的渐晕 性得到了有效校正,改善了图象质量。 3 结论 通过实验研究了X射线数字成象中存在的噪 声源及其特性,并探讨了消除成象系统噪

17、声的方法。 实验与分析表明,在射线数字成象中,成象系统 的一部分噪声是有规律的,并非完全随机分布,而这 种有规律的噪声在总的噪声中可能占有很大的成 分。 采用本文提出的方法,能够有效消除成象系统的 (a) (b) 图6 分辨力板校正前后图象 固有特征噪声,大大提高图象质量,有利于识别缺陷 和改善视觉效果。得出结论如下: (1)X射线数字成象系统的噪声主要来源于 CCD相机、 成象屏和射线对CCD的作用。 (下转第18页) (上接第5页) 随着无损检测技术更深入、 更广泛地参与到国计民 生的各领域,我们应当从更深的层次上来推进我国 无损检测事业的发展。 参考文献: 1 Klyuev VV.Eco

18、logical diagnosticsone of the most i mportant NDT activities in the 21stcenturyM? CD .Proc of 15thWCNDT. Rome: 2000. 451. 2 Raj B.NDT for realizing better quality of life in emerging econom ics like IndiaM?CD .Proc of 15th WCNDT. Rome: 2000. 905. 3 Green RE.A dvances in non2destructive materials cha

19、racterization M?CD .Proc of15thWCNDT. Rome: 2000. 906. 4 孔凡庚.从第14届世界无损检测会议看射线检测技术 的应用和发展J .无损检测, 1997, 19(11): 328- 330. 5 M orro F.Computed radiography:the future of radiographicinspection M?CD .Proc of15th WCNDT. Rome: 2000. 56. 6 Casagrande JM , Koch A et al . H igh resolution digital flat2panelX

20、2raydetector2performanceandNDT applications M?CD .Proc of 15thWCNDT.Rome: 2000. 615. 7 Kersting T, Oesterlein L.Application of film less radiography during the production of large diameter pipesM?CD .Proc of 15thWCNDT.Rome: 2000. 799. 8 Buckley J.A ir2coupled ultrasounda m illennial review M?CD .Pro

21、c of 15thWCNDT. Rome: 2000. 507. 9 Bourne S.Novel solid contact ultrasonic couplants based on hydrophilic polymersM?CD .Proc of 15th WCNDT. Rome: 2000. 406. 10 Farley JM. Harmonisation and mutual recognition of personnelcertificationcooperationor competition? M?CD . Proc of 15thWCNDT. Rome: 2000. 90

22、2. 11 Onoe M.ICNDTnetInternet for ICNDT M? CD .Proc of 15thWCNDT. Rome: 2000. 114. 21 陈树越等: X射线数字成象噪声特性及噪声消除方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 头摆动时,管材表面的壁厚脉冲稳定,显示圆周的不 均匀数据精确到0. 05mm;同时管材以15m?m in速 度穿过检测区,各探头点之间距离为0. 16mm ,壁厚 变化精度不低于0. 1mm。 在检测线上,管材经过八通道喷淋水耦合

23、摆动 探头超声高速检测装置,测出了其各点壁厚,剔除了 带折叠缺陷管材,其后的水压试验基本不再出现管 材带折叠缺陷而产生爆裂的现象。 4 结论 由喷淋水耦合器、 摆动高能量多探头聚焦超声 检测装置、 冲击脉冲激励电路和脉宽线性放大电路 等相关信号处理装置组成的管材壁厚及折叠缺陷高 速检测系统,能同时精确检测刚性管材各点壁厚和 管材内部的折叠缺陷,在实验和应用中取得了良好 的效果。 参考文献: 1 李克明等.超声波探伤M .北京:电力工业出版社, 1980. 315- 329. 2 何辅云.漏磁探伤中多路缺陷信号的滑环传送方法 J .合肥工业大学学报(自然科学版), 1998, 21(3): 12

24、8- 131. 3 云庆华.无损探伤M .北京:劳动出版社, 1982. 449- 460. (上接第12页) (2)CCD相机象元光电特性不一致性,是造成 图象噪声的重要因素,这种噪声属于象元的固有特 性,因此采用多幅叠加处理并不能得到消除。 (3)暗电流不一致性是暗电流噪声的主要原 因,表现为尖峰脉冲,它在幅值上远大于暗电流背景 噪声,是影响图象质量的重要因素。 (4)暗电流尖峰脉冲的幅值与CCD电荷的累 积时间成正比,由于它在CCD相机各次曝光中的不 变性,可利用本文的方法进行校正。 (5)CCD象元光子响应不一致性在现象上呈 现随机分布噪声,但它是CCD固有的特性。 (6)图象中大部分

25、脉冲噪声来源于X射线对 CCD的作用,脉冲噪声的密度和幅度随CCD曝光 时间和射线辐射能量增加而增大,因此应当加强对 CCD相机的屏蔽。 参考文献: 1 王以铭编著.电荷耦合器件原理与应用M .北京:科 学出版社, 1987. 157- 159. 2 Burch S.D igital enhancement of video i mages for NDT J . NDT International, 1987, 20(1): 51- 56. 3 陈树越,路宏年.基于行列处理消除正向脉冲噪声非线 性滤波器J .仪器仪表学报, 2000(5): 458- 463. 2001年全国射线检测技术及加

26、速器无损检测设备 和应用技术交流会征文通知 中国机械工程学会无损检测分会射线专业委员 会、 河南省无损检测学会和粒子加速器学会定于 2001年10月在河南省郑州市联合举办2001年全 国射线检测技术及加速器无损检测设备和应用技术 交流会。 除一般技术交流外,会议将组织有关专家作 技术研究和设备研制的专题报告,会议期间还将同 时举办无损检测仪器、 设备、 器材展示会。热诚欢迎 从事无损检测技术研究、 设备与器材研制人员踊跃 参加,具体事宜请与会议组委会联系,会议具体时间 地点将另行通知。 征文范围 射线检测新技术、 新方法、 新标准、 新设备、 新仪器、 新材料等 加速器无损检测设备及应用技术

27、射线检测技术应用的经验和体会 人员培训、 资格考核、 教材编写 无损检测技术发展综述及其它 论文要求 (1)用五号宋体字激光打印在A 4纸上, 40行? 页, 42字? 行,并将图一并排入或贴好。文责自负。 (2)论文请于2001年7月10日前寄往会议组 委会。 联系人:冉启芳 郭润香 地址:郑州市兴华南街5号 郑州中南无损检 测仪器厂 邮编: 450052 电话: 037128976176, 8973542 传真: 037128973542 电子信箱:w cnpublic. zz . hy. cn 网址:www. ndt. com. cn 会议有关事宜也可与北京自动化所,冬晓平联 系,电话: 010262372962。 无损检测分会射线专业委员会 河南省无损检测学会 粒子加速器学会 81 何辅云等:管材折叠缺陷及壁厚的同时高速检测方法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.