陳樹越 路宏年
摘要：目的 討論數(shù)字射線成像技術在國內外的發(fā)展. 方法 根據(jù)目前國內外數(shù)字射線成像技術的發(fā)展，著重討論X射線轉換屏和 CCD 相機在成像系統(tǒng)中的地位，以及數(shù)字圖像處理在該領域的應用. 結果X射線轉換屏在成像質量上起著非常重要的作用；采用增加 CCD 內的累積電荷量和多幀疊加可以提高信噪比；數(shù)字圖像處理技術在改善X射線圖像上是*的. 結論 數(shù)字射線成像技術在無損檢測和評估方面將有很好的發(fā)展前景.
關鍵詞：數(shù)字式射線照相；無損檢測；圖像增強；圖像恢復
中圖分類號：TG115.281
文獻標識碼：A
Research and Development of Digital X-ray Radiography in Nondestructive Testing
CHEN Shu-yue，LU Hong-nian
（Dept. of Electronic Engineering and Information Science, North China Institute of Technology，Taiyuan 030051，China）
Abstract：Aim To discuss the development of digital radiography in internationality. Methods According to the development of digital radiography，to analyse chiefly the function of X-ray-to-light converters and CCD cameras in the imaging system，and the application of digital image processing in the field. Results X-ray-to-light converter plays an important role on image quality. To increase the accumulated charges in CCD and multiframe superposition can improve signal-noise ratio. Digital image processing is necessary for improvement image quaeity of X-ray radiograph. Conclusion Digital Radiography will develope widely in non-destructive testing and evaluation.
Key words：digital radiography；non-destructive testing；image enhancement；image restoration
0 引言
自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來，X射線就被廣泛應用于醫(yī)學，工業(yè)技術和科學研究等領域，利用X射線的無損檢測（NDT）技術是其重要應用之一. zui初的X射線無損檢測方法是膠片照相法，目前這種zui原始的成像方法仍然占有主導地位，其原因包括以下幾個方面：①高質量膠片可存貯的信息量大，可達到很高的空間分辨率；②根據(jù)檢測要求可以選擇膠片參數(shù)，如寬容度和顆粒度等；③人們具有長期使用膠片所積累的經(jīng)驗；④可以用數(shù)字化設備，如激光掃描儀和計算機接口的相機等，將膠片的黑度轉化為數(shù)字化圖像. 如ARCUSⅡ型AGFA掃描儀可掃描的膠片尺寸為255 mm×205 mm，動態(tài)范圍zui大為12bits. 但是，膠片照相并不能滿足實時成像，實時檢測與評估的要求，這是其zui主要的缺點. 而且，由于膠片照相需要高質量的膠片，因此成本高. 在膠片的保存和管理上，又受保存年限的限制并且不象電子檔案那樣易于管理. 本世紀50年代X射線像增強管和電視監(jiān)視器的產(chǎn)生，出現(xiàn)了電視屏直接觀察法，它是實時成像的先導.
至目前為止，利用X射線的無損檢測方法有許多，如熒光透視法，工業(yè)X射線電視法，閃光射線照相法，數(shù)字式射線照相法，射線實時成像，線掃描成像，自動射線照相法（Autoradiography），立體成像，背散射檢測法（Backscatter Detection），計算機層析技術等等（亦用于其它射線檢測）. 隨著計算機的發(fā)展，在圖像的獲取，分析和存貯上，包括圖像質量的改善，圖像重建，自動分析和識別以及數(shù)字圖像存貯技術，都有很大進展. 數(shù)字式X射線成像技術是在計算機技術的基礎上發(fā)展起來的，并且具有很大的發(fā)展?jié)摿?，通過使用高靈敏度的CCD相機和X射線轉換屏，可實現(xiàn)高質量的無損檢測，其動態(tài)范圍可達到3000以上，空間分辨率可達25 lp/mm，厚度靈敏度可達0.1%或更高[1]. 而基于真空管的X射線實時成像系統(tǒng)，其動態(tài)范圍低于250，因此，反差靈敏度很低，難用于對小缺陷的檢測. 使用像增強管的視頻相機系統(tǒng)，其空間分辨率只有大約（3～4） lp/mm，并且存在圖像畸形和陰影. 數(shù)字式X射線成像技術不使用膠片，而是利用可與計算機接口的CCD相機將X射線轉換屏上的可見光轉換成數(shù)字圖像，然后對圖像自動分析和識別，大大提高了檢測效率，并將所建立的圖像檔案存貯于光盤上，這對X射線的無損檢測和評估具有十分重要的意義，并將成為今后的發(fā)展趨勢[2]. 現(xiàn)就作者曾從事的實際工作作一評述.
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1 數(shù)字式X射線成像技術
數(shù)字式X射線成像系統(tǒng)可有兩種結構形式[1]，如圖1，圖2所示. 該系統(tǒng)的主要組成部分是X射線到可見光的轉換屏和CCD相機，其性能直接影響成像質量. 圖1的結構是通過反射鏡用CCD相機獲取圖像，反射鏡防止了X射線對CCD相機的直接照射所造成的噪聲增大和縮短CCD相機壽命的影響，這種結構形式可對視場大小進行調節(jié)，因此可以滿足對較大試件的檢測. 圖2的結構用光纖直徑為（6～16） μm的光纖耦合，將可見光轉換屏與CCD相機進行直接耦合，而不需要鏡頭，其等效數(shù)值孔徑優(yōu)于使用透鏡轉像，但有不可變視場的缺點
1——X 射線源；2——準直；3——物體；4——不透明層;
5——可見光轉換屏；6——X 射線與光防護罩;
7——防護罩；8——反射鏡；9——CCD 相機
圖 1 使用反射鏡的數(shù)字式X射線成像系統(tǒng)[1]
1——X 射線源；2——準直；3——物體；4——X 射線閘門;
5——X 射線防護罩；6——可見光轉換屏；7——X 射線防護
8——光纖耦合器；9——CCD 相機；10——X 射線與光防護；11——不透明層
圖 2 使用光纖耦合的數(shù)字式X射線成像系統(tǒng)[1]
性能優(yōu)良的X射線轉換成像屏在數(shù)字式X射線成像系統(tǒng)中起著非常重要的作用，可以說它是系統(tǒng)成像質量的瓶頸. 目前已有許多種，包括不同材料和結構形式的屏，可應用于從低能到MeV以上的高能X射線檢測. 使用真空管的圖像增強器系統(tǒng)是較早的一種實時成像系統(tǒng)，只有（3～4） lp/mm的空間分辨率，后來在使用CCD相機的實時成像系統(tǒng)中，使用較多的是多晶熒光屏來作為從X射線到可見光的轉換屏，這種屏由熒光物微晶粒與有機粘合劑混合并涂于塑料襯板而成，由于成像過程中粒子間光的散射，使其空間分辨率降低. 而玻璃屏 （如鋱玻璃屏\\，硫氧化釓屏等） 不存在這一問題. 新型閃爍晶體可以提高X射線的轉化效率，高密度的玻璃閃爍體能夠改善X射線的衰減損失率，提高空間分辨率和信噪比，它比通常所用的顆粒狀熒光屏更為*，它所產(chǎn)生的光比磷光體的光更強. 在玻璃屏中，硫氧化釓屏對X射線的轉換率比鋱玻璃屏要高，使用它時，空間分辨度可達（12～13） lp/mm，但在高能X射線下，由于二次散射其空間分辨率不超過3 lp/mm.
幾年前，美國加利福尼亞Lawrence Livermore國家實驗室研究人員研制出密度為3.75 g/cm3的鋱激活硅酸釓玻璃屏[13]在150 kV射線能量下，空間分辨率可達（20～25） lp/mm，在9 MeV射線能量下達到2 lp/mm. 加利福尼亞Lockheed公司無損檢測實驗室研制的新型玻璃纖維閃爍屏[12]可大大提高對X射線的吸收，并且可降低余輝和二次散射的影響. 尤其是在1 MeV以上的高能X射線下對降低二次散射提高空間分辨率能夠起到一定的效果. 這種屏比硫氧化釓屏的空間分辨率更高，可達到20 lp/mm，反差靈敏度為0.2%～0.5%，在1 MeV以上的X射線下空間分辨率為3 lp/mm，密度范圍在（2.85～3.83） g/cm3之間，以圖1和圖2兩種方式工作. 該公司通過美國*Wright實驗室利用光纖閃爍屏（Fiber-optic Scintillator）研制的半自動高分辨率實時成像檢測系統(tǒng)[14]，在對飛機構件中的腐蝕和裂紋等缺陷以及渦輪發(fā)動機和復合材料的缺陷檢測中取得了很好的效果，對一件較大的飛機構件可在（10～30） s內完成檢測. 但是，該檢測系統(tǒng)于低能X射線的條件，對大型構件的高能X射線高分辨率的實時成像系統(tǒng)目前尚未見報導，而在高能下成像屏的空間分辨率在很大程度上影響整個檢測系統(tǒng)的成像質量.
目前，CCD技術已取得很大發(fā)展，具有大規(guī)模像元的科學級數(shù)字CCD相機，圖像規(guī)格包括1024×1024×12 bits，2048×2048×12 bits，3072×2048×12 bits和4096×4096×12 bits像元數(shù)，有些成像面的面積可達2000 mm2或更高，可直接與閃爍屏配合使用，也可以通過光纖耦合或標準鏡頭連接使用. 使用這種相機，可獲得*的分辨率，幾乎與膠片接近. CCD的動態(tài)范圍是在一個CCD像元中滿勢阱電子容量與阱底噪聲電子之比，因此希望CCD像元中滿勢阱電子多，而阱底噪聲電子少. 若CCD滿勢阱容量為85000個電子，阱底噪聲電子為17，由此計算出的動態(tài)范圍是5000∶1，與此相應地由于材料密度或厚度引起的zui大反差靈敏度為0.02%，*可以滿足工業(yè)檢測的需要. 表1給出了三種型號的CCD相機的性能，我們目前使用的CCD相機是PXL6300型，這種相機可由軟件設置不同的讀出速率，冷卻溫度和增益，并且像元多，暗電流極小.
表1 三種型號的CCD相機的性能
| 型號 | Thomson | Tektronix | PXL 6300 |
| 格式（像元數(shù)） | 1 024×1 024 | 2 048×2 048 | 3 072×2 048 |
| 像元尺寸/μm\\+2 | 19×19 | 24×24 | 9×9 |
| 滿勢阱電子數(shù) e | 290 000 | 235 000 | 85 000 |
| 讀出噪聲/e | 15 | 28 | 17 |
| 讀出速率/（kPixels*s\\+\\） | 200 | 500 | 500～2 000（可軟件選定） |
| 暗電流/（e/Pixel*s\\+\\） | 16.6 | 1.0 | 0.012 |
| A/D 轉換 bits | 14 | 12 | 12 |
| 冷卻溫度/℃ | -45 | -40 | -5～-45（可軟件選定） |
在簡單的CCD系統(tǒng)中，CCD經(jīng)快速掃描后傳輸出來，如果傳輸給電視系統(tǒng)，一般曝光時間為每幀33 ms，也可以經(jīng)A/D變換電路轉化成數(shù)字量存儲，顯示和處理. 對于一般的CCD相機，通常在給定的曝光時間內所產(chǎn)生的電子數(shù)達不到滿勢阱電子，并且成像中的噪聲很高，如行，場的同步抖動噪聲，熱噪聲，量化噪聲等. 而讀出放大器的噪聲是隨CCD的掃描速率而增加的. 如果要檢測被檢物厚度或密度的微小變化，那么就應增加光量子的數(shù)量，在CCD內增加有用電子的數(shù)量提高信噪比. 因此，在提高成像質量上，可以采用增加CCD內的累積電荷量，增加曝光來改善噪聲特性. 另外一種提高成像質量的方法是采用多幅疊加，可以連續(xù)采集十幾幅到幾百幅的圖像進行疊加（可由軟件或硬件實現(xiàn)），它能夠將信噪比提高N倍（N為疊加幅數(shù)），以改善圖像質量. 但是，在疊加時，只有當每幀中的像元達到或接近滿勢阱時才有效，否則應當采用延長曝光時間來積累電荷. 另外，用模擬疊加比用數(shù)字疊加所獲圖像的精度更高，因為數(shù)字疊加有量化誤差的影響. 這些方法在滿足實時性要求的情況下，對提高成像質量是很有效的.
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2 X射線檢測中的數(shù)字圖像處理技術
在60年代早期，人們就開始研究射線檢測中的圖像處理技術，從60年代中期至70年代，首先應用圖像處理算法來解決醫(yī)學成像檢測問題. 這些算法在其它射線檢測領域中也是非常實用的. 在70年代后期至80年代初期，隨著膠片圖像數(shù)字化設備的發(fā)展及微處理器的不斷成熟，射線檢測的數(shù)字圖像處理技術取得了很大的進展. 到80年代中期，在獲取圖像的途徑上，全面開發(fā)了膠片數(shù)字化系統(tǒng)和數(shù)字射線成像技術，并使其得到了實際應用，數(shù)字化射線檢測已占到了總檢測量的26%[3]. 在此期間，主要的問題是如何獲得高分辨率的灰度圖像. 人們從電視系統(tǒng)中可獲得的數(shù)字化圖像陣列達到了1024×1024×8或×10bits. 隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，大大提高了計算機的運算速度，存貯容量和顯示分辨率，而半導體 CCD 器件的發(fā)展又為數(shù)字式射線檢測技術注入了新的活力，使相機像元可達4096×4096×12bits或更高，并具有*的信噪比，在此期間圖像處理算法也層出不窮. 使得此項技術出現(xiàn)了飛躍發(fā)展.
圖像增強技術是使處理過的圖像看上去比未處理的圖像更加能夠顯示圖像的固有特征，它可以改善人或機器對一幅圖像的視覺效果. 目前還沒有一種準則來定義所謂“圖像”效果，這是因為還沒有一種統(tǒng)一的圖像增強的理論來衡量所謂“圖像”，這必須根據(jù)某種準則對實際對象采取不同方法. 在對射線檢測的圖像進行處理時，由于所檢測的缺陷類型，位置，尺寸，成像條件不同等諸因素的影響，造成圖像的視覺效果是千差萬別的，因此，圖像增強技術是針對對象的處理技術. 一般來說，圖像增強技術可用來處理圖像對比度低，灰度分布不均或椒鹽噪聲，量子起伏噪聲等等.
在圖像增強技術中，常用點處理技術，如灰度反轉，灰度拉伸，按函數(shù)要求的直方圖修正等等. 另外，還通過參考某像素鄰域的灰度來校正該像素的灰度. 如果有噪聲的像素位置是已知的，那么就可以對其鄰域像素來加權平均來取代該噪聲的灰度. 而實際上，這種信息一般是未知的，因此，這種平均化方法可以用掩模窗去處理整幅圖像，這種運算是用窗與圖像進行卷積，因此，可在空間域或頻率域中處理，這種中值濾波的方法對噪聲的處理往往是有效的[4].
對于射線檢測中的圖像增強，一般來說，下列幾種方法是很有效的:
（1）圖像的灰度拉伸和直方圖均衡可以擴展圖像的動態(tài)范圍，提高對比度;
（2）多幀采集后經(jīng)疊加和平均可以消除隨機噪聲，提高信噪比;
（3）高通濾波來突出圖像中缺陷的細節(jié);
（4）對比度和亮度的調節(jié)，以及偽彩色處理可以改善視覺效果.
通過上述4種處理可以改善圖像質量，即能夠提高圖像的對比度，清晰度和降低噪聲[5].
數(shù)字圖像恢復技術起始于60年代末，到達70年末期已經(jīng)形成較為成熟的一門圖像處理技術. 美國科學家H C Andrews和B R Hunt對本領域發(fā)展作出了杰出的貢獻[6]. 圖像恢復的方法有許許多多，其中有兩種zui基本的方法，即逆濾波法和維納濾波法. 兩種方法相比，逆濾波法更為直接，簡單，但它的zui大缺點是容易出現(xiàn)病態(tài)解，若出現(xiàn)這種情況，則恢復出來的效果極差. 為克服這種現(xiàn)象，B R Hunt建議[7]事先研究一下光學傳遞函數(shù)是否存在零點，若有零點則對其進行校正，則可獲得較好的效果. 維納濾波恢復則不會出現(xiàn)病態(tài)解，但需要計算噪聲和信號的功率譜，因此計算量較大. B R Hunt指出[7]，有75%的圖像恢復問題可以用這兩種zui簡單辦法來解決，而剩下的25%的恢復問題需用其它方法. 圖像恢復即為從降質圖像中估計恢復圖像原貌的過程. 圖像恢復包括消除以下兩個方面的圖像降質因素：
（1）系統(tǒng)降質因素，如光學散焦，大氣湍流和運動模糊. 在射線檢測中的系統(tǒng)降質因素，有由于射線源尺寸有限大小造成的圖像幾何不清晰度以及由于試件缺陷方位與射線方向有一定偏角造成的幾何畸變等;
（2）由于噪聲所引起的圖像統(tǒng)計規(guī)律上的降質因素，如量子起伏噪聲，射線散射噪聲和量化噪聲等. 在射線檢測中，散射線對圖像的降質是zui為突出的因素之一.
在圖像恢復過程中為消除這兩種形式的降質因素所設計的濾波器通常是相沖突的，因為消除隨機噪聲一般是低通過程，因此很難保證圖像的細節(jié)（通常含有較強的高頻成份）信息不受損失. 因而，高性能的濾波器是這兩方面的合理折衷. 圖像恢復的質量在很大程度上取決于以下兩方面的因素:
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（1）成像系統(tǒng)建模應盡可能準確，包括對系統(tǒng)的線性與非線性分析和系統(tǒng)空間頻率響應移變性的分析，用理論和實驗方法確定各個環(huán)節(jié)以及系統(tǒng)的點擴展函數(shù)，另外還要考慮到系統(tǒng)統(tǒng)計規(guī)律所引起的降質因素，如研究隨機噪聲的統(tǒng)計特征，設計濾波器類型和參數(shù);
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（2）根據(jù)觀察者或視覺系統(tǒng)確定圖像質量準則.
針對射線成像系統(tǒng)的圖像恢復方法，很重要的一個環(huán)節(jié)是確定系統(tǒng)點擴展函數(shù)（PSF），它反映了成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即系統(tǒng)的特性. 而決定點擴展函數(shù)因素主要來源于兩個方面：一方面射線源的有限尺寸造成的幾何不清晰度和射線方向與缺陷存在的夾角造成的幾何畸變及圖像灰度分布的不均勻性；另一方面則是由于散射線對成像質量的影響. 使得成像系統(tǒng)的對比度和清晰度降低. 對于這兩方面所造成的圖像降質的恢復問題從 70 年代就開始了研究\\+\\{ 8,9\\]\\}. 對于高能X射線檢測，散射影響是zui突出的因素. 目前，在高能X射線下的圖像恢復研究已取得較好的效果[10,11]，但針對不同對象和條件的圖像恢復問題有待進一步研究和探索.
作者單位：華北工學院 電子信息工程系，山西 太原 030051
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