射线检测数字图像质量及其影响因素

摘要：射线检测的数字图像质量主要指标是检测灵敏度，检测灵敏度受图像清晰度和对比度及像素大三大因素影响；而三大因素又受不同工艺因素的影响。提高系统设备的配置水平、提高图像动态范围、降低图像噪声、减少散射线的影响和过滤硬射线等均有利于提高射线检测数字图像质量。

关键词：射线检测 数字图像 质量 影响因素

引言

射线数字成像检测技术包含计算机射线照相检测技术（CR）和计算机射线数字直接图像检测技术（DR），虽然成像方法和过程各有不同，但它们的共同点是最终检测结果显示的是数字图像。

1数字图像灵敏度及其影响因素

射线数字成像检测结果的载体是数字图像，经计算机处理后的图像质量可以与射线胶片照相底片质量相媲美。衡量数字图像质量的重要指标是灵敏度。图像灵敏度是指图像上能够发现细小影像的能力，粗糙度测量仪 http://www.cucaoduceliangyi.com 量值上是图像上可以识别的最小缺陷尺寸或最小细节尺寸；图像灵敏度用像质计测量。我国通常采用金属丝像质计，由此测得的灵敏度称为像质计灵敏度，虽然它并不完全等于自然缺陷的灵敏度，但它能较真实地表征自然缺陷检出的能力。

 

射线检测数字图像灵敏度受图像对比度、不清晰度和像素值三大因素的影响，而此三大因素又分别受不同工艺因素的影响。

2 图像对比度

图像对比度是描述图像相邻区域灰度的差异程度，它是识别图像重要参照系。在检测工件上如存在厚度差或工件中存在与母材密度不同的不连续（即缺陷）， 射线透照工件后，在检测图像中缺陷影像与其周围背景呈现灰度的差异，这就是检测图像的对比度。对比度高表征缺陷容易识别。为了检出细小缺陷，获得较高的检测灵敏度，应提高图像对比度。

2.1 从胶片对比度谈起

射线数字成像检测与胶片照相检测在透照原理上是相同的，因此，可以套用射线胶片照相对比公式来分析对图像比度的影响因素。

 

式中：ΔD-底片黑度差（相当于图像灰度差）； G-胶片平均梯度； ΔT-工件厚度差（相当于X射线透照方向下的缺陷深度尺寸）； n-散射比； μ-材料射线线衰减系数（与射线管电压成反比）。

简要的说：在保证穿透工件的条件下，适当降低X射线管电压，提高胶片平均梯度、减少散射线可以提高图像对比度，有利于发现细小缺陷。

 

（1） 宽容度（L）

宽容度是指胶片有效黑度（D）范围对应的曝光量（E）范围。

曝光量E=mAt(管电流X曝光时间)； 胶片平均梯度： G=tgα；

从图2可看出，α1＞α2；则G1＞G2，L1＜L2。表明：在黑度一定条件下，梯度大的胶片其宽容度小。

 

（2）动态范围（H）

从图3可以看出，当曝光量范围（L）一定时，由于G1＞G2,则h1＞h2。表明：在曝光量一定时，梯度大的胶片其动态范围也大。

2.2 图像对比度

在射线数字检测中，显示的图像是黑白图像，黑白之间为灰色。图像中某一点（像素）明暗程度称为灰度（H）。图像灰度值单位简称“级”。图像灰度范围由A/D转换采集卡或直接成像器所赋予。例如采集卡或成像器为8位（8bit=28=256）时，假设图像中全白时为0级，全黑时为255级，则图像的黑白范围为256级。在黑白之间的级别为灰度级。其实，图像太白或太黑都不利人眼的观察，应该将图像有效灰度级控制在一定范围内，这个范围称为动态范围。例如在8位灰度中将有效灰度范围控制在80%之内，则图像灰度上限、下限分别为26和230灰度级，其动态范围为204灰度级。

随着图像采集卡或成像器功能的不断提高，所赋予图像灰度位数（bit）也在增大，目前能够达到10bit（210=1024）、12bit(212=4096)、16bit（216=65536）。如将有效灰度控制在80%之内，则图像的动态范围分别为819、3276、52428灰度级。图像动态范围越大，则图像表现明暗层次更加分明和细腻，细小缺陷就更易识别，检测灵敏度就越高。图像（灰度）动态范围的提高，主要来自于图像采集卡或成像器功能的提高，虽然它们的价格会增加，但性价比也大幅提高。

值得指出的是由于射线穿透工件后射线强度已大幅衰减，胶片曝光要较长时间，胶片曝光是时间积累（积分）的过程，而射线数字成像（DR）采集一幅图像的时间很短（1/10 S～1/25 S），无损检测资源网图像采集是时间是实时（微分）过程。图像采集主要考虑射线强度（mA），曝光时间很短不是主要考虑因素，因此，在射线数字成像检测中通常考虑动态范围而不考虑宽容度。然而，在计算机射线照相（CR）过程中，IP成像板的感光仍然是积累过程，因此，在CR检测中要更加考虑IP板的宽容度因素。

 

在DR检测中，当透照较厚工件或较大厚度差工件时，采用较高位数（例如12bit）或高位数（16bit）的成像器进行检测，在射线能量（管电压）不变的条件下，采用大的射线强度（mA）进行透照，可获得不同层次的范围的缺陷。这是射线数字成像（DR）检测的明显优点。

3 图像不清晰度

从图像质量角度来说，是求追求图像的高清晰度。为便于清晰度的量化计算，引伸出与图像清晰度相对应的概念是图像不清晰度。图像不清晰度是指影像轮廓边缘灰度过渡区的宽度尺寸（U）。图像不清晰度与几何不清晰度（Ug））和系统固有不清晰度（Ui）及移动不清晰度（Uf）有关。根据成像原理，它们之间的关系不是简单算术和的关系，而是平方和或立方和的关系。当检测工件和成像器固定时，移动不清晰度（Uf）为0，这时它们的关系式是：U3=Ug3+Ui3

3.1 系统不清晰度（Ui）

系统不清晰度（Ui）由检测系统所构成的设备所决定。Ｘ射线数字成像系统主要由X射线机、成像器、PC计算机、图像采集卡、检测工装、系统软件等组成。系统确定之后，系统不清晰度随之确定，因此，系统不清晰度是客观的或固有的。

在X射线实时成像检测中，成像器（图像增强器或线阵列探测器或者平板探测器）不可能紧贴被检工件，因此，所得检测图像必然是放大的，如下图。

 

当X射线源焦点尺寸很小时，图像放大倍数M为：M=(L1+L2)/L1=1+(L2/L1)

式中：L1 - 射线源到工件表面的距离；L2 - 工件表面到成像器表面的距离。

3.2 几何不清晰度（Ug）

几何不清晰度（Ug）仅与透照的几何尺寸有关：Ug=dL2/L1=d(M-1)

3.3 图像放大的作用

实验表明，图像放大后图像不清晰度会减小，有利于提高与影像细节尺寸的检出。图像放大后的有效清晰度(U0)为：U0=U/M，U0 -决定图像细节最小可检测尺寸的有效不清晰度。

但是，由于受几何不清晰度和系统不清晰度的综合影响，无损检测资源网图像放大倍数不是越大越好，解微分方程，得出最佳放大倍数Mopt：Mopt=1+(Ui/d)3/2

通常在确定检测工艺时，取工艺放大倍数M≈Mopt。

3.4 最小缺陷尺寸

在最佳放大倍数的条件下，成像系统可检测出的最小缺陷尺寸dmin为：dmin=Ui/M2/3

3.5 不清晰度的测试

系统固有不清晰度和图像不清晰度可用图像分辨率测试卡客观测出。

4 像素

像素是构成影像的最小单元。数字图像由多条均匀排列的水平线组成，每条水平线均匀排列多个像素，众多规则排列的像素构成显示的图像。如17英寸显示器像素的排列是 1600×1280=2048000，表示具有2M的像素。排列的像素越多，表示图像越清晰。

4.1 宜采用高清晰度、高亮度液晶显示器

随着显示技术的进步，液晶显示器取代传统显示器已是显示技术的发展趋势。由于数字成像检测图像是灰阶图像，为提高图像显示质量，在射线数字成像检测系统中（CR和DR）宜采用高清晰度、高亮度的灰阶液晶显示器。例如：

2M:1600×1200，200万像素，适用于显示图像增强器的图像

3M:2048×1536，300万像素，适用于显示数字化的DR、CR的图像

5M:2560×2048，500万像素，适用于显示更高分辨率的图像。

4.2 宜采用较高像素的成像器

在DR检测目前常用的射线成像器有图像增强器、线阵列探测器和平板探测器。

图像增强器：图像增强器是光电光电器件，将不可见的检测潜在影像转换为可见的摸拟影像，经CCD（电荷耦合器）摄像机摄取，经A/D转换为数字信号，输入计算机进行数字处理得到数字图像。以往工业用CCD摄像器其芯片像素较底，通常是768×576，仅40万像素，图像清晰度不高；随着CCD技术的进步，现在已有1M（1024×1024）和2M（1600×1200）工业用CCD摄像机，与高清晰度的显示器相配套，所显示的图像质量大大提高。

线阵列探测器和平板探测器本身具有较高的像素，能获得较高的图像质量。但是，它们直接输出数字信号，因信号未经增强，所显示和是微弱可见光图像。

5 图像分辨力（率）

为了更好地描述图像清晰度，在检测理论中引起分辨力（率）的概念。分辨力表述为显示影像中细小线条人眼能分辨清楚的程度，通常用两线条的分离程度表示；两线条能分开表示图像清晰，两线条重叠表示图像不清晰；两线条的间距表示图像清晰度。 

在射线胶片照相检测中，检测结果的载体是照相底片，构成底片影像的基本单元是银盐颗粒。单个感光颗粒显影产生的黑色银团颗粒不大于0.01mm，甚至更小，远低于人眼可见的界限，因此，底片清晰程度是不言而喻的，在底片质量中往往不直接测量影像不清晰度，例如在JB/T 4730.2标准中通过诺模图确定焦点至工件表面最小距离即可。然而，在射线数字成像检测中，构成影像的基本单元是像素，像素的大小用点距表示。在一定宽度范围内排列像素越多表示点距越小，图像越清晰。显示器的点距通常为0.28、0.25、0.21、0.16mm，或者更小。尽管像素尺寸能够做到很小，但都远远大于胶片银团颗粒尺寸，图像清晰程度会受到较大的影响同，所以，图像分辨力也是影响图像质量的一个重要因素。单位宽度范围内的分辨力称为分辨率。

分辨率在图像学中是个多元化的概念，在射线数字成像检测中分辨率的单位是线对数每毫米（LP/mm）。线对由两条线条组成，线条的间距等于线条的宽度。图像分辨率可用分辨率测试卡（或其他测试器具）客观地测出。下图是一种典型的分辨率测试卡。

 

5.1 分辨率与清晰度的换算关系

图像清晰度和图像分辨率从概念的来说，虽然两者表述的侧重点各有不同，一个是客观的描述， 一个是主观的描述；一个边界半影的宽度，一个是两线条间的间距，但是它们界定的都是图像细节的清晰程度和分辨能力，所表达问题的本质是一样的，可以说图像清晰度和图像分辨率是“一个问题的两种表述”、或者说是 “一个问题的两个方面”， 它们之间必然存在有一个换算关系。分辨率可用分辨率测试卡客观地测出，单位是LP/mm，图像清晰度（或不清晰度）无损检测资源网的单位是mm。图像清晰度与图像分辨率的对应关系是“互为倒数的二分之一”。有了这一换算关系就能很好地计算系统不清晰度、图像不清晰度及最佳放大倍数。

5.2 有关分辨率指标的规定

我国制订(修订)有关射线数字成像检测的标准对系统分辨率和图像分辨率作出了规定：成像系统和图像检测的分辨率均应≥3.0 LP/mm。

6 信噪比（SNR）

成像系统在工作过程中总会伴随着一些随机噪声出现。“噪声”的简单定义就是：“在处理过程中设备自行产生的信号”。噪声信号与输入（或输出）检测信号无关。噪声信号是随机的，会图像干扰图像质量。

信噪比（SNR）：最大信号与噪声信号的比为信噪比，通常用分贝数表示。AB级的图像信噪比应不低于 65dB。

提高信噪比对提高图像质量有利。提高信噪比的方法：（1）提高图像动态范围，即提高图像像素的灰度值。（2）降低噪声信号，降低噪声的方法有帧平均叠加、邻域处理等。

图像像素均方差σ 能够表征图像噪声：

式中：σ- 图像象素均方差；n - 测量范围内的象素总数；Pi - 测量范围内的象素值；- 测量范围内的象素平均值。

7 提高图像质量的有效途径

提高图像质量的途径有：适当增加曝光量、提高图像动态范围、降低图像噪声、减少散射线的影响和过滤硬射线等。

采用光栅限束、遮挡等方法可有效降低散射线对图像质量的影响。

采用密度较大的金属箔（例如铜箔）过滤硬射线。