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摘 要 概述了计算机数字成像技术在X射线数字化实时成像无损检测应用情况，并介绍本厂开发的“XTV2000X射线数字化实时成像软件”的特点和在YSP－15型液化石油气钢瓶焊缝探伤中的应用情况及取得的良好经济效益。
关键词 计算机 数字图像 图像处理 X射线 无损检测
Introduction:
This article summarized the applied condition of computer digital image technique in X-Ray Real-Time Image Non-destructive Examination, and introduced the characteristic of the XTV2000 X-Ray Real-Time Image Software which exploited by our plant. The applied condition of this software in weld testing of YSP-15 Type LPG Container and it's favorable economy benefit was also involved.
Key words: Computer Digital Image Image Processing X-Ray Non-destructive Examination
无损检测是在不损坏被检测物体（例如锅炉压力容器承压焊缝）前提下对物体进行内在质量检测的一种科学的检测方法，是现代工业生产中质量检测、质量控制、质量保证的重要手段，在机械、石油、化工、航空、造船、国防军工等部门，特别是在锅炉压力容器焊缝的检测中有极为广泛的应用。射线检测是无损检测五大常规检测方法之一，粗糙度测量仪 http://www.cucaoduceliangyi.com 其中X射线胶片照相检测方法则更是目前常用方法，它的基本方法是：X射线穿透被检测工件（例如钢制焊缝）后，射线能量被衰减并使工件背面的胶片感光，胶片经显影处理后，通过观察底片黑白影像从而判断工件是否存在缺陷。X射线胶片照相方法具有检测结果直观、准确、底片存档可查等优点，但也不可避免地存在检测周期长、检测成本高等不足。随着计算机技术日益发展和普及，一种新兴的无损检测技术X射线数字化实时成像已应运而生，率先在锅炉压力容器焊缝检验中得到应用。
1. X射线数字化实时成像无损检测的基本原理
X射线数字化实时成像检测技术的原理可用两个“转换”来概述：X射线穿透金属材料后被图象增强器所接收，图像增强器把不可见的X射线检测信号转换为可视图像，称为“光电转换”；就信息量的性质而言，可视图像是模拟量，它不能为计算机所识别，如要输入计算机进行处理，需将模拟量转换为数字量，具体方法是用高清晰度电视摄像机摄取可视图像，输入计算机，进行Ａ／Ｄ转换，转换为数字图像，经计算机处理后，还原在显示器屏幕上显示出材料内部的缺陷性质、大小、位置等信息，按照有关标准对检测结果进行缺陷等级评定，从而达到检测的目的。数字图像的质量可以与X射线照相底片相媲美，因此可以代替胶片照相检测方法。X射线数字化实时成像无论在检测效率、经济效益、表现力、远程传送、方便实用等方面都比照相底片更胜一筹，因而具有良好的发展前景。
数字化实时成像的所谓“实时”是指图像的制式，图像采集速度能够达到25帧／秒（PAL制）或30帧／秒（NTSC制） ，即视为数字化实时成像。图像的制式，我国多采用PAL制式，欧美等国家多采用NTSC制式。
2. 检测系统设备的基本配置
X射线数字成象系统主要由X射线机、图象增强器、光学镜头、摄象机、计算机、图象处理器、图象显示器和图象储存单元及检测工装等设备组成。X射线机与常规射线机有所不同，通常是采用恒压式、小焦点、强制水循环冷却X射线探伤机。
2.1 计算机的基本配置
X射线数字化实时成像系统对计算机的要求并不高， 486以上的IBM-PC系列兼容机便可实现图像的采集和处理。但为了加快计算机的运算速度，提高工作效率，提高图象的显示速度和显示质量，按照目前的计算机发展的水平，计算机的配置应不低于:
主板： Pentium CPU ： Intel MMX166 MHz
内存： 32M 硬盘： 2.0G
显示卡： 2D图形加速卡(带4M显存) 图像采集卡：采集频率768×576
显示器： 43cm(17英寸) 0.25逐行扫描 刷新速率85Hz 另配CD－R光盘刻录机
操作系统： 中文Windows 95或98
由于目前X射线数字化实时成像系统的图像评定仍以人工评定为主，故图像的显示质量对评定的效率与准确性影响很大，应尽量选择高清晰度、高对比度38cm（15英寸）0.25以上的显示器，屏幕分辨率不低于1024×768线。
2.2 网络管理
为了便于工作，一般把图像的采集与评定分开在两台计算机上进行，两台计算机之间用对等网的形式联接起来， 采集的图像直接存放在评片机的硬盘中。利用Windows95或98提供的网络支持，检测图像可实现远距离传输。
3. 计算机数字图像处理技术
X射线数字化实时成像无损检测技术能达到今天的实用水平，很大程度上无损检测资源网是成功地运用了计算机数字图像处理技术。计算机数字图像处理技术由图像采集、图像处理、图像显示与记录三部分组成。
3.1图像采集
X射线机发射的X射线穿过被检测件后，经图像增强器转换为输出屏上的可见图像，用摄像机摄取转换为视频信号（一般为标准的PAL或NTSC制式信号），传送至图像采集卡的A/D（模拟量/数字量）转换器进行数字化，形成数字图像数据，供计算机进行处理的过程。
图像采集有两个指标，灰度等级和采集分辩率。目前国内外生产的图像采集器一般都使用8Bit的A/D转换器，图像的灰度为256等级；选择较高的采集分辨率可有效地提高图像的分辨力和清晰度，但由于受摄像机扫描线数的限制，采集分辨率太高时只会使数据量增加，而不会进行一步提高图像质量。 对于PAL制式的视频信号， 采集分辨率以768×576或800×600为宜。
3.2 图像处理技术
图像处理实质是提取图像中的特征量或特殊信息，供计算机进行分析和识别，并图像的灰度进行变换，达到优化图像质量的目的。
3.2.1 图像叠加
图像在采集时不可避免地伴有随机噪声，影响图像质量，对于静止状态采集的检测线图像，消除噪声有效方法是连续帧叠加。由于图像的原始数据是不随时间变化的，而噪声是随机的，因此只要叠加的帧数足够多，可以将时间噪声完全过滤掉。连续帧叠加是图像采集过程中常用的图像处理方法。
连续帧叠加的方程为：
式中：g(x, y)为图像中某像素的灰度值，M为叠加帧数，fk(x,y)为第k帧图像象素的度值。
实验表明，当叠加帧数达到16时，效果已令人相当满意，在X射线数字化实时成像检测中，一般取M＝32。
3.2.2 灰度增强
灰度增强处理是利用灰度变换技术，通过按某种规律改善图像中的灰度变化来改善图像质量的。假如变换前某点(x,y)的灰度为f(x,y)，变换后同一点的灰度为g(x,y)，则：
式中K是由变换规律决定的某种变换函数。
一般情况下图像的灰度分布范围仅集中在一个较窄的区域内，使图像的对比度差，轮廓模糊， 并造成系统硬件资源的浪费，这时可通过线性变换使图像的灰度分布扩展到256个灰度级（0～255）提高图像的整体对比度，从而提高图像的分辨能力。设原图像的灰度分布范围为A1～A2，其变换方程式为：
此外，通过合适的非线性的灰度变换（如折线型、对数型、指数型等），可以突出图像中某个灰度范围内的目标。如采用正弦或余弦变换方法可有效地增加焊接缺陷与焊缝间的对比度，使缺陷轮廓变得清晰，其方程为：
式中：g2、g1分别是图像象素的最高灰度和最低灰度值。图像为正像时使用正弦变换, 图像为负像时使用余弦变换.
3.2.3 边界锐化
锐化是用某种方法突出图像的轮廓，使图像比较清晰，易于识别。锐化的实质是一种高通滤波技术。图像的锐化可通过模板运算的方式来实现。模板（亦称作算子）实质是一个具有确定元素个数的二维数组，模板中每一个元素被赋以某一数值，模板运算就是用模板的每个元素的数值对图像每一象素的邻域内的相应象素的灰度值相乘，取其加权平均值作为象素处理后的值。模板运算具有效果明显、算法简单的特点，选择合适的模板就能实现边缘锐化、边界检测、抽取特征、平滑滤波等目的。
3.2.4 图像反转
为适应检测人员的观察习惯，对X射线图像的色调进行反转，使得显示的图像与一般X射线负片的图像相似。假设反转前及反转后象素点的灰度值分别为f(x,y)、g(x,y)，则反转方程为：
3.2.5 伪彩色处理
由于彩色颜色的种类比灰度级别大得多，如果将黑白图像的灰度值按一定的函数关系映射为对应的彩色，则可大大提高人眼对图像内容的分辨能力，这就是伪彩色处理。
3.3 图像显示与记录
经处理后的图像显示在显示器屏幕上，对检测图像进行评定。
3.3.1 焊缝缺陷的计算机识别
图像经预处理，二值化后，利用计算机对缺陷的边界进行跟踪，从而计无损检测资源网算出缺陷的周长、长径、短径和面积等特征参数，根据这些特征参数即可由计算机按一定的经验公式自动识别出缺陷的名称和尺寸。目前焊缝缺陷的计算机识别技术仍处于试验阶段，缺陷的评定仍以人工方式为主。
3.3.2 图像数据的压缩编码
数字图像的数据量是十分庞大的，为了有效地进行图像的通信和储存，可以对图像数据进行压缩，减少数据的冗余度，节省存储空间。
图像压缩编码可分为无失真编码和有失真编码，无失真编码可以完全恢复原图，有失真编码则允许复原出的图像与原图像有一定的失真。X射线数字化实时成像系统只能采用无失真的编码方式，适用于X射线数字化实时成像系统的常见的压缩编码方式为RLE8方式或LZW方式。
3.3.3 图像存储及文件格式
为了便于日后的核查和检索，X射线数字化实时成像系统的图像数据必须以图像文件的形式储存在计算机光盘等大容量存储介质中，并保存在防磁、防潮、防尘、防挤压的环境下。计算机图像存储的文件格式较多，不同的文件格式的主要差异在于: 识别信息的种类和数量，以及图像数据的压缩和存储的方式。目前在计算机中最流行的图像格式有五种，即PCX、BMP、GIF、 TIFF和JPEG；其中TIFF文件格式更具有优点，故在X射线数字化实时成像系统中使用这种图像存储格式。
3.3.4 图像存储设备
焊缝检测图像通常先存储在硬盘上，待达到一定容量后刻录机转录到CD-R光盘上。CD-R为一次写入型光盘，容量650MB，盘片价格非常便宜（目前每张售价25元左右），一片CD-R盘片大约可存储4200幅X射线数字化实时成像图像，且具有可移动性，保存期长达30年以上，是目前理想的检测图像资料存储介质。
4. X射线数字化实时成像检测系统程度设计
根据计算机数字成像技术原理和在原有成像程度的基础上，我厂在1998年底至1999年初开发了一套新的X射线数字化实时成像检测软件即“XTV2000数字化实时成像软件” ，该软件由图像摄像程序和图像辅助评定程序两大部份组成。
4.3 XTV2000数字化实时成像软件的特点：
4.3.1.采用Visual Basic及Borland C++ 32位混合编程技术，巧妙结合了VB编程容易、调试方便、 界面美观和C++运算速度快、访问硬件能力强的优点，编制的程序界面美观、操作简便、效率很高，在奔腾MMX166电脑上采集一幅图像（进行32次连续帧叠加）仅需1.7秒。
4.3.2. 采用高精度Gen Lock技术和线性箝位技术， 采集图像点阵精度高；亮度、对比度软件可调，并通过直接调节模拟放大器的零点和放大倍数，实现最佳调节；采集分辨率高达800×600×8Bits，图像清晰度和分辨力大大提高，分辨率≥20线对/厘米、灵敏度≥13像质指数，图像质量达到LD108-1998标准《气瓶对接焊缝X数字化实时成像检测》规定的要求。
4.3.3.利用图像处理技术为图像评定提供了灰度增强、锐化、反转等多种辅助评定手段，有效地提高了焊缝缺陷的分辨能力，确保图像评定的准确性。
4.3.4.实现图像与程序界面在电脑显示器上同屏显示，取代落后的双屏显示方式，不仅可减少设备投资，而且大大提高了图像的显示质量，降低了评定人员眼睛的疲劳程度。
4.3.5. 在Win98中文平台的基础上，采集窗口大小可调，充分满足不同用户的需要。而且界面更加清晰、友好。
4.3.6.可实现同一焊缝中多幅图像的连续自动采集，检测一只YSP-15型钢瓶焊缝仅需要3分钟（其中钢瓶转动时间 2分钟）。
4.3.7.充分利用计算机程序，对焊缝检测图像进行辅助评定，除缺陷性质由RTⅡ级人员定性以外，缺陷的定量、定位、定级由计算机辅助程序完成，使焊缝缺陷评定工作准确性和速度大大提高，评定结果纳入检测数据库管理，检测图像由光盘刻录机刻录到CD光盘里，长期保存。
4.3.8.图像的采集和评定按照ＧＢ××××-××××《气瓶对接焊缝X射线数字化实时成像检测》标准（报批稿）进行。
4.3.9.程序运行可靠、容易维护和扩充，不存在“千年虫”问题。
5. X射线数字化实时成像无损检测技术在我厂的应用
我厂是国内率先应用X射线数字化实时成像无损检测技术的企业之一，早在1993年底引进X射线数字化实时成像技术，1994年初开始安装、调试设备，进行人员培训，随后在YSP-15型液化石油气钢瓶环焊缝探伤上做了大量的X射线数字成像工艺试验和胶片照相对比试验，积累了大量的试验数据，初步掌握了X射线数字成像技术的基本规律。1995年3月经上级主管部门同意，我厂1995起在钢瓶焊缝探伤中试用该技术。从1997年5月份起正式应用X射线数字化实时成像无损检测技术，按照中华人民共和国劳动部【1997】劳安锅局函3035号批文：同意我厂连续生产50只钢瓶抽一只进行X射线数字化实时成像检测，同时进行无损检测资源网必要的X射线拍片复验。 到1999年3月底止一共检测钢瓶共 21010只，用X射线数字化实时成像方法检测的结果与用X射线拍片检测的结果相对照，符合率达99.6％；图像质量均能达到DL108－1998标准规定的要求，X射线数字化实时成像方法检测对缺陷的检出率为100％。1999年5月国家质量监督局批准我厂在钢瓶制造过程中正式实施X射线实时成象检测技术，并全面代替原来的X射线拍片检测方法。
6. 经济效益分析
根据当前物价水平，如果是采用X射线拍片，检测一只钢瓶所需成本为20.80元，以1998年为例，我厂共检测YSP-15液化石油气瓶10600只， 需耗用220480.00元，而实际上是采用X射线数字化实时成像技术进行检测， 全年仅耗用了80张CD-R光盘，所需成本仅有2000.00元，X射线数字化实时成像的检测成本仅为X射线拍片检测成本的1％， 一年可节约21.8万元，我厂上X射线数字化实时成像检测技术共投资61万元，按1998年节约价值计算，3年即可收回全部投资；本套设备已使用5年，性能至今良好，还可继续使用多年，可见经济效益十分可观。过去用X射线拍片检测一只钢瓶需要2小时，而现在采用X射线数字化实时成像检测一只钢瓶仅需要3分钟， 工作效率大大提高，间接效益也十分显著。
7.标准化
前些年由于我国尚无X射线实时成象的国家标准，我们根据实践经验制订了企业标准，在此基础上制订了检测工艺文件和关键工序质量控制等文件，建立了文件化的实时成象质量体系并纳入全厂质量体系之中，定期进行审核，从而使本体系得到有效的运转，保证了检测质量。1999年初我厂承担了国家质量技术监督局下达的制订强制性国家标准的任务,负责制订《气瓶对接焊缝X射线实时成象检测》国家标准，这是国内第一个关于X射线时成象的技术标准。相信随着本标准的发布和实施，X射线实时成象这一新技术会在全国得到进一步的推广和应用。
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