張 帥，張國光（中國原子能科學研究院，北京102413）

石油管道X射線成像軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 帥，張國光
（中國原子能科學研究院，北京102413）

隨著我國石油管道更新?lián)Q代的提速，以及中俄石油管道訂單的簽約成功，我國在石油管道需求量上大幅提高，因此，在石油管道生產(chǎn)線上對管道進行實時成像及缺陷檢測變得尤為重要?；赪 indows消息機制以及軟件模塊化設(shè)計思想，按照X射線實時成像的系統(tǒng)功能進行線程劃分，軟件采用面向?qū)ο蟮腃++語言作為軟件編輯工具，并選擇Microsoft Visua1C++6.0集成開發(fā)環(huán)境完成軟件開發(fā)。在圖像處理方面對灰度校正、灰度變換等進行了研究。

石油管道；X射線；實時成像；VC++6.0

O 引言

石油管道作為石油運輸?shù)闹匾浇?，其完好程度直接關(guān)系到人身和設(shè)備安全，具有十分重要的經(jīng)濟和社會效益。傳統(tǒng)的檢測方法是拍片法，這樣會耗用大量的膠片，檢測周期長，費時費工。而利用X射線實時成像法來檢測石油管道可以彌補拍片法的缺陷，達到省時省工的目的。

1 X射線檢測原理［1］

X射線是波長介于10-5～10-11mm之間的電磁波，當X射線穿過金屬物質(zhì)后其強度會衰減，衰減規(guī)律可用下式表示：

其中，I0是X射線入射強度，I是X射線穿過物質(zhì)之后的強度，μ是X射線衰減系數(shù)，d是物質(zhì)的厚度。根據(jù)式（1）可知，不同厚度的同種物質(zhì)對相同能量的X射線吸收不同，因此可以根據(jù)I值來確定物質(zhì)厚度是否一樣，也就是石油管道管壁是否有缺陷。

穿過物質(zhì)后的X射線被線陣傳感器采集，使得傳感器上的閃爍體發(fā)光，通過光電倍增管轉(zhuǎn)化為微弱的電流信號，經(jīng)過積分放大處理，得到A/D轉(zhuǎn)換電路可以處理的電平范圍的模擬電壓信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后，這些表征著圖像信息的數(shù)字信號被送入計算機。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

檢測設(shè)備的軟件系統(tǒng)決定著整個設(shè)備的成敗，本系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，自上而下，將系統(tǒng)軟件按照功能劃分，各功能模塊間彼此獨立、協(xié)同工作。將軟件系統(tǒng)分為外部設(shè)備控制、圖像數(shù)據(jù)讀取、圖像數(shù)據(jù)處理和圖像顯示四個功能模塊。其中外部設(shè)備控制模塊主要包括X光源控制、采集卡設(shè)置等。圖像數(shù)據(jù)處理模塊主要包括計算數(shù)據(jù)、灰度校正、灰度變換和偽彩色處理。

2.1 灰度變換

灰度變換實質(zhì)上是一種對比度增強技術(shù)。檢測圖像的灰度值往往分布在幾個灰度區(qū)間內(nèi)，直接顯示既造成了灰度顯示空間的浪費，也造成了一部分細節(jié)信息的丟失。因此，需要對圖像進行灰度變換，系統(tǒng)設(shè)計了線性變換、對數(shù)變換和指數(shù)變換三種方法，以適應(yīng)不同特征圖像的處理。

線性變換是本系統(tǒng)默認的灰度變換方法，這里用的是比特窗技術(shù)。檢測圖像是16 bit的純灰度圖像，但是計算機無法直接顯示16 bit的純灰度圖像，計算機同時能顯示的灰度級只有8 bit，即256級，別外在檢測圖像的整個16 bit灰度段中，并不是所有的比特段都包含重要的信息。因此，為了提高圖像分析處理的效果和效率，采用了一種數(shù)據(jù)抽取機制，即比特窗技術(shù)［2］。

顯示圖像數(shù)據(jù)的灰度范圍為0～255，原始圖像數(shù)據(jù)的灰度范圍為0～65 535，比特窗是在原始圖像數(shù)據(jù)0～65 535灰度范圍內(nèi)的一個灰度窗口。比特窗左端點由基線決定，寬度由對比度決定。由原始圖像數(shù)據(jù)到顯示圖像數(shù)據(jù)的灰度映射算法如下：原始圖像數(shù)據(jù)中灰度值低于基線的像素，轉(zhuǎn)換后在顯示圖像數(shù)據(jù)中的灰度為0；原始圖像數(shù)據(jù)中灰度值處在比特窗范圍內(nèi)的像素，轉(zhuǎn)換后在顯示圖像數(shù)據(jù)中的灰度是將比特窗按線性關(guān)系映射到0～255之間的結(jié)果；原始圖像數(shù)據(jù)中灰度高于比特窗高端的像素，轉(zhuǎn)換后在顯示圖像數(shù)據(jù)中的灰度為255。

除了默認的線性變換方法外，系統(tǒng)還提供了非線性變換方法，即對數(shù)變換和指數(shù)變換［3］。

對數(shù)變換是對原始圖像數(shù)據(jù)中各像素的灰度值或該灰度值的某個線性變換值取對數(shù)，然后將該對數(shù)值作為顯示圖像數(shù)據(jù)中該像素的灰度。對數(shù)變換是將原始圖像的低灰度區(qū)拉寬、高灰度區(qū)壓縮的算法，適合對像素灰度集中在低灰度區(qū)的圖像進行處理。指數(shù)變換與對數(shù)變換是相對的，是將原始圖像的高灰度區(qū)拉寬，低灰度區(qū)壓縮，適合對像素灰度集中在高灰度區(qū)的圖像進行處理。所用的對數(shù)、指數(shù)變換形式分別如式（2）、式（3）：

其中，Amax是原始圖像數(shù)據(jù)中所有像素的最大灰度，Am in是原始圖像數(shù)據(jù)中所有像素的最小灰度，A是要進行變換的像素在原始圖像數(shù)據(jù)中對應(yīng)的灰度，A′是要進行變換的像素在顯示圖像數(shù)據(jù)中對應(yīng)的灰度。

2.2 偽彩色處理［4］

根據(jù)人類的視覺特性，人眼對于彩色的敏感程度遠遠高于灰度，因此，把原始圖像各個像素的灰度值分別按照某種映射關(guān)系轉(zhuǎn)換成RGB三原色的組合，使圖像層次豐富，更加易于識別。

2.3 灰度校正

石油管道X線檢測系統(tǒng)是一種一維陣列探測器掃描成像系統(tǒng)，探測器由320個探測單元組成，每一個探測單元都有自己獨立的測量電路。但是每個探測單元的效率、靈敏度、靈敏區(qū)等不可能完全一致，從而會造成輸出電流信號存在差別，另外每個測量電路的零點、增益也各不相同，最終導(dǎo)致圖像出現(xiàn)明暗不均的條帶。因此系統(tǒng)正式使用前，必須先進行灰度校正。

灰度校正方法主要有線性校正［5］、分段線性校正和非線性校正［6］，具體方法的選用需要根據(jù)探測器輸出的線性情況來決定。本系統(tǒng)分別對分段線性校正和非線性校正兩種方法進行了測試。分段線性校正相當于把探測器響應(yīng)曲線分段看成直線，是線性校正的改進方法。而線性校正的方法是在校正之前先定標，即測定響應(yīng)曲線，得到斜率和截距。首先在沒有射線（本底）的條件下，測量探測器的輸出，即截距V0i，然后讓射線照射探測器（空載），測量輸出Vi（t），然后計算：

其中，V（t）-V0表示Vi（t）-V0i對所有探測器取平均，ki稱為校正參數(shù)。于是有校正公式：

式（5）中，Vi（t）和V′i（t）分別是校正前后第i個探測器的輸出信號。物理意義是把各個響應(yīng)曲線平移后使其通過原點，再旋轉(zhuǎn)至平均斜率處。

分段線性校正就是對響應(yīng)曲線分段定標，每一段生成一個校正參數(shù)，相當于把探測器響應(yīng)曲線分段看成直線。采用不同厚度的衰減物遮擋射線，可以確定多個定標點，從而得到多個校正參數(shù)。

非線性校正可以由2個定標點的數(shù)據(jù)和實際掃描時探測器的輸出，經(jīng)過插值確定該輸出點理論上對應(yīng)的校正參數(shù)。

設(shè)2種衰減物的厚度分別為d1、d2，對應(yīng)的探測器輸出為Vi（t1）、Vi（t2），校正參數(shù)為ki（t1）、ki（t2），被掃描物的厚度為d及對應(yīng)的探測器輸出為Vi（t），一般可以考慮采用線性插值法來獲得ki（t），即：

事實上d是未知的，因此需要用已知的探測器輸出Vi（t）表示厚度d，這需要利用射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律。

強度為I0的X射線透過厚度為d的物質(zhì)后，其強度變?yōu)椋?/p>

則有：

同理可得：

所以有：

式（10）的物理意義是對探測器輸出去除本底后進行對數(shù)插值，由已知衰減物厚度時的校正參數(shù)得到探測器任意輸出對應(yīng)的校正參數(shù)ki（t）。圖1、圖2分別為分段線性校正和對數(shù)插值校正的效果圖。

圖1 分段線性校正效果圖

圖2 對數(shù)插值校正效果圖

通過兩種灰度校正方法效果的比較，對數(shù)插值灰度校正效果會稍微好一些，所以本系統(tǒng)選擇對數(shù)插值方法來進行灰度校正。

3 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 功能介紹

石油管道檢測軟件是一款X射線成像軟件，運行于Windows操作系統(tǒng)下。主要功能包括：系統(tǒng)設(shè)置、陣列探測器的不一致性校正、單幀掃描、連續(xù)掃描、顯示模式調(diào)整等。軟件主界面如圖3所示。

3.2 采集卡設(shè)置

圖3 軟件主界面

Integration Times（μs）：積分時間；

Bias：偏置電壓設(shè)置，范圍0～255，對應(yīng)偏置電壓0～2.5 V。

Gain Low：低能增益，范圍0～7，值越大返回的低能數(shù)據(jù)越小。

Gain High：高能增益，范圍0～7，值越大返回的低能數(shù)據(jù)越小。

PD Modu1es：每串所連接的PD陣列模塊數(shù)；

Seria1s：串數(shù)。

3.3 圖像采集

圖4 采集卡設(shè)置

3.4 閾值調(diào)節(jié)

圖5 圖像閾值調(diào)節(jié)

3.5 圖像顯示

圖像分高低能顯示，如圖6所示。調(diào)節(jié)左側(cè)的灰度上下閾值，可改變圖像亮度。

圖6 高低能圖像顯示

3.6 偽彩色調(diào)節(jié)

默認圖像以灰度顯示，用戶也可選擇其他編碼顯示，如彩虹編碼、熱金屬編碼、逆灰度編碼。

3.7 陣列探測器的不一致性校正

校正方法為：

亮度1和2表示中間放置了不同厚度的衰減物。

校正之后就可以進行正常的圖像掃描了。

4 實驗結(jié)果

最后，本文用厚度均為2 mm、寬度均為10 mm、長度不等的鋁片做階梯成像實驗。效果如圖7所示。

Design and imP1ementation of X-ray imaging software system based on the oi1PiPe

Zhang Shuai，Zhang Guoguang
（China Institute of Atomic Energy，Beijing 102413，China）

With the acce1eration of China's oi1PiPe renewa1，and the sign uP success of China-Russia oi1PiPe order，China's oi1PiPe demand is great1y increasing.So，it's imPortant for the rea1 time imaging to detect defection when the oi1PiPe on the Production 1ine.The PaPer is based on Windows'smessagemechanism and softwaremodu1ar thought.Divising thread is in accordancewith the system function of X-ray rea1 time imaging.The software uses C++as editing too1，and se1ects integrated deve1oPment environment of M icrosoft Visua1C++6.0.Last，the PaPer rsearchs some methods of image Processing，such as gray sca1e correction，gray sca1e transformation and so on.

oi1PiPe；X-ray；rea1 time imaging；VC++6.0

TL99

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.005

張帥，張國光.石油管道X射線成像軟件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微型機與應(yīng)用，2016，35（9）15-17，23.