圖 1 DR圖像處理系統架構
分享：管道環焊縫數字射線檢測圖像處理系統開發
數字射線成像檢測技術的應用時間相對較短，但是隨著其在各行業的推廣，其優勢逐漸得到業界認可[1-3]。DR檢測結果可以在計算機上進行分析、判讀，能夠實時遠程傳輸，方便疑難缺陷的會診和分析；結合輔助智能評片技術，可以節省評片時間；結合數字圖像處理技術，能夠更好地識別圖像中的有效信息；結合圖像后處理可以提高圖像的視覺效果，從而提高評片的準確度[4]。與射線膠片相比，DR解決了膠片易污損、易劃傷、難儲存等系列問題；DR的實時成像功能可以對焊接工藝質量進行即時反饋，顯著提高施工效率，節約時間成本[5-6]。
為了滿足工程建設需要，國內外已發布了多項相關標準，為DR檢測技術的應用提供了規范依據[7-11]。近年來，隨著我國石油天然氣管道的大規模建設，長輸管道的缺陷檢測正朝著數字化和智能化方向發展，以滿足更可靠、更高效的建設需求[12-14]。
DR檢測質量主要由探測器硬件、射線成像條件[15]、噪聲以及圖像增強技術等因素決定[16]。DR檢測要獲得可以和膠片媲美的檢測質量，不僅要采用先進的數字探測器等硬件設備，優化成像條件和圖像處理算法也同等重要[17]。
中國石油天然氣管道科學研究院（以下簡稱研究院）在十多年前已完成了管道環焊縫DR設備的研制，實現了管道環焊縫DR檢測的實時顯示和電子存儲[18]。近年來，研究院一直致力于該設備的性能優化和工程應用研究，包括研發一套功能完整、標準統一且符合行業和應用場景需求的配套軟件。基于MFC多文檔視圖框架，研發了具有自主知識產權的圖像處理與評價系統，其具有良好的適應性和可操作性，可實現對長輸管道環焊縫DR檢測結果的完整分析和高效準確評價。
1. 軟件架構
在石油天然氣管道環焊縫DR檢測中，標準SY/T 4109—2020《石油天然氣鋼質管道無損檢測》中第5部分“射線數字成像檢測”對現場施工給予了明確且具體的要求，包括檢測系統、檢測工藝和檢測質量。這些要求涉及圖像存儲格式、系統功能、圖像灰度范圍、靈敏度、系統分辨率、圖像信噪比、報告輸出等方面。
基于行業標準，結合長輸管道環焊縫DR檢測的實際需求，研發了DR檢測系統圖像處理系統。該系統主要包括數字圖像存取顯示模塊、圖像后處理模塊和成像分析模塊，其基礎架構如圖1所示。
數字圖像存取顯示模塊用于解析無損檢測圖像，并以可視化方式顯示詳細數據，使用戶能夠方便地查看圖像信息。該模塊具備解析和存儲數字圖像的功能，并提供用戶界面以顯示圖像。圖像后處理模塊包括直方圖均衡、卷積濾波等功能，旨在提升圖像質量。成像分析模塊能夠對原始圖像進行分辨率、信噪比和缺陷類型等方面的分析。
2. 圖像存取顯示模塊
2.1 DICONDE格式讀取
常用的數字圖像存儲格式有JPG、PNG、BMP、TIF等，而行業標準規定的DR圖像存儲格式為DICONDE格式。因此，系統除了通用格式的讀寫，還必須包含DICONDE文件讀取功能。
系統可在借助DCMTK開源庫完成對DICONDE文件中圖像數據、工程、人員、設備、檢測工藝數據等附加信息的讀取。結合MFC框架，系統可在打開數字射線圖像的同時顯示該圖像的附加信息。圖像附加信息的顯示界面如圖2所示。
圖 2 圖像附加信息的顯示界面
2.2 多視圖顯示
在長輸管道環焊縫的DR檢測過程中，受平板探測器尺寸的限制，完成單條環焊縫的DR檢測需要實施多次透照[19]，最終需對多幅檢測數據圖像進行拼接以形成整條焊縫的檢測圖像，因此圖像處理系統需具備多幅圖像的同時顯示、處理與拼接功能。
2.2.1 視圖數據存儲
在多圖顯示功能的基礎上，文章系統還可進行圖像質量分析和后處理變換等操作。在存儲視圖數據時，可完整保存不同狀態下的數據類型。系統自頂向下依次進行圖像處理后，在MFC窗口進行顯示。視圖數據存儲層次如表1所示。
Table 1. 視圖數據存儲層次
| 圖像名稱 | 數據類型 | 作用 |
|---|---|---|
| ImgSrc | Mat，1通道16位深度 | 原始圖像，用于計算成像質量 |
| ImgLUT | Mat，1通道16位深度 | 原始圖像加載查找表 |
| ImgDst | Mat，1通道16位深度 | LUT圖像執行后處理算法 |
| WindowSrc | Mat，1通道16位深度 | Dst圖像通過線性插值縮放，用于視口顯示 |
| ViewSrc | Mat，3通道8位深度 | WindowSrc線性變換，用于顯示 |
| ViewDst | Mat，3通道8位深度 | ViewSrc疊加圖像標注 |
2.2.2 圖像與視窗坐標轉換
ImgDst圖像依舊為原圖像真實尺寸，MFC視窗顯示前需要規定圖像顯示尺寸。軟件默認顯示時盡可能填滿MFC視窗。因此WindowSrc的短邊像素長度EWindowSrc將和MFC視窗對應邊像素長度EImgSrc相等，則基礎映射倍率α可表示為
| (1) |
規定在此α下，視窗放大倍率β為1。由此得到WindowSrc圖像尺寸SWindowSrc與ImgSrc圖像尺寸SImgSrc的關系可表示為
| (2) |
當WindowSrc在MFC視窗進行顯示時，WindowSrc視窗尺寸往往大于MFC視窗尺寸，因此需要借助滑動條控制圖像顯示位置。滑動條通過一個Point2f類型數據Pslider控制。因此視窗坐標系Pview與圖像坐標系Pimg轉換公式為
| (3) |
2.2.3 線性變換
DICONDE數字射線圖像像素通常為14 bit或16 bit，需要映射到8 bit以用于屏幕顯示。默認使用線性變換映射，簡單的線性變換公式為
| (4) |
式中：
2.2.4 多視圖加載與歷史變換加載
MFC多文檔視圖架構可同時打開多幅數字射線圖像，并選擇其中一幅進行激活操作。多視圖場景下，休眠視圖僅需要保存“視圖數據存儲”中前3項數據，在切換視圖時將休眠視圖的“ImgSrc，ImgLUT，ImgDst”進行保存，活躍視圖的“ImgSrc，ImgLUT，ImgDst”通過轉換算法重新轉換為“WindowSrc，ViewSrc，ViewDst”進行顯示。
對于每一視圖，文章系統將通過TreeCtrl樹控件記錄歷史操作，不同的歷史操作將修改ImgDst，因此每當ImgDst在修改后，軟件將當前ImgDst拷貝進TreeCtrl控件作為葉節點暫存。在回溯操作時葉節點暫存圖像將重新覆蓋ImgDst，并進一步轉換為“WindowSrc，ViewSrc，ViewDst”進行顯示。多視圖顯示視圖列表示例如圖3所示，列表可顯示當前打開的所有圖像路徑、名稱以及正負片、濾波等歷史操作記錄，可提供便利的圖像查看、選擇、另存、關閉方案。
圖 3 多視圖顯示視圖列表示例
2.3 快捷響應
MFC框架具有消息響應機制，為適應現場檢測評價需求，圖像的縮放、拖動、后處理區域框選等操作均以鼠標快捷操作為主。
2.3.1 縮放
圖像縮放通過鼠標滾輪實現。規定上滾動為視窗圖像放大，下滾動為圖像視窗縮小。因此在捕獲到上滾動消息后，增大視窗放大倍率β；捕獲到下滾動消息后，減小視窗放大倍率β。當β修改后重新計算SWindowSrc，并通過ImgDst插值運算求得新的WindowSrc用于顯示。
2.3.2 拖動
圖像拖動通過鼠標右鍵實現。當鼠標右鍵按下后進入圖像拖動狀態，此時鼠標移動發生在視窗坐標下，且鼠標移動方向與圖像顯示方向相反。若鼠標移動距離為Pmouse，則新滑動條坐標
2.3.3 選區
進行像素計算有關的操作，如信噪比計算，動態對比度增強等操作時需要在視窗坐標下操作，以修改圖像坐標下的數據，此時需要進行視窗坐標至圖像坐標的轉換。MFC監聽鼠標左鍵按下消息，通過鼠標左鍵拖動得到視窗坐標下感興趣區域（ROI）。使用式（3）將視窗圖像中ROI區域映射到ImgSrc圖像中的ROI區域，并進行計算。
2.4 加速繪圖
當操作者對ImgDst進行連續變換（例如局部灰度均衡時調整選區，調整窗寬窗位值等）時，計算量很大，屏幕頻繁刷新會使得響應時間增長，故系統使用懶加載（見圖4）與緩沖策略來減少響應時間。
圖 4 懶加載示意
2.4.1 懶加載策略
當操作者進行連續調整時，圖像顯示窗口位置是不變的。因此當ImgDst需要進行連續變換時，僅對窗口位置的ImgDst進行變換，記為ImgDstRoi。操作者在視窗范圍內僅觀察到ImgDstRoi，如圖5所示。當ImgDst連續變換結束，ImgDstRoi中的最終變換方法應用到ImgDst全局并銷毀ImgDstRoi。記變換次數為n，總像素變換量由原來的
圖 5 尺寸校準及測量操作示意
2.4.2 緩沖策略
在MFC繪圖時，需要進行視窗刷新，系統使用ViewSrc擦除背景，在背景上完成進一步繪制，假設某操作序列需要進行n次屏幕繪制。每進行一次繪制需要刷新n+1次視窗，即ViewSrc擦除背景->繪制1->繪制2->繪制…->繪制n，總像素變換量為
3. 成像質量分析
在管道環焊縫DR檢測應用中，SY/T 4109標準在圖像質量評價方面，對單絲、雙絲、標記帶等輔助評價工具的布置進行了規定，針對不同的管道規格，對系統靈敏度、分辨率、信噪比、缺陷驗收方法等都給予了具體要求和說明。基于此，文章系統集成了圖像質量分析的相關參數測量功能，包括尺寸校準測量、雙絲測量、信噪比測量、缺陷評價4種功能。
3.1 尺寸校準測量
影像形成圖片后，單位像素代表的工件尺寸并不準確，因此需要對像素尺寸進行校準，標定出像素間距，再進行尺寸測量。
校準通過尋找已知尺寸參考物作為標定基準，一般利用雙線型像質計在寬度方向的15 mm處進行標定。文章系統在進行尺寸校準時，沿參考物長度方向繪制灰度曲線，操作示意如圖5所示，添加游標尋找參考物邊沿。統計游標范圍內像素數量，由用戶輸入參考物實際長度，即可計算出單位像素對應的實際尺寸。完成校準后，游標便可準確測量目標尺寸。
3.2 雙絲測量
雙絲測量用于測量圖像空間分辨率，包括手動測量和自動測量。
3.2.1 灰度直方圖20%下凹法
通過軟件雙絲測量工具，沿垂直線對方向從第一根線對開始拉出一定寬度的輪廓線至最后一根線對，輪廓線覆蓋區域至少覆蓋線對區域60%面積，得到絲對圖像的截面灰度分布輪廓曲線，如圖6所示。
圖 6 灰度直方圖20%下凹法得到的灰度曲線
測定雙絲峰谷比R作為評價依據，其可表示為
| (5) |
式中：a，b分別為雙絲中絲對對應各像素的最小灰度的平均值；c為雙絲對中像素最高灰度值的平均值。
當R小于并最接近20%時，則認為這一線對是可識別線對。因此測量雙絲像質計的達標線對時需要系統繪制輔助雙絲測量的剖面分析工具，并添加可識別率算法。系統設計方案為：在雙絲測量模式下，沿雙絲像質計方向繪制一條角度可旋、寬度可調的窄帶矩形框；角度可旋轉需要用戶拖動過程中確保矩形框與像質計邊框平行；拖動中在矩形框中間繪制一條垂直輔助線，通過與絲徑貼合輔助矩形框角度調整，如圖7所示。矩形框內圖像用于實時繪制灰度剖面圖，如圖8所示，剖面圖橫坐標方向為矩形框延伸方向，縱坐標為矩形框寬度范圍內每列像素的平均灰度值。標準要求測量區域寬度不應少于21個像素，因此矩形框寬度是可以調整的。剖面圖內繪制3條游動輔助線，調整輔助線位置到關注線對，即可自動計算出R值。
圖 7 雙絲測量輔助線示意
圖 8 雙絲測量示例
3.2.2 內插值20%下凹法
灰度直方圖20%下凹法中，需要保證測量矩形框與像質計邊框水平，且需進行多次調整游動輔助線以計算多個R值。該操作比較繁瑣，某種程度上對操作人員并不友好。因此借助雙絲像質計形態學特性，使用內插值20%下凹法對雙絲區域進行自動選區與自動計算。
（1）自動選區
雙絲像質計由多條平行的雙絲對組成，雙絲對與垂直方向的偏離角度即為矩形框與水平方向的偏離角度。因此自動選區算法按如下步驟實現。① 灰度拉伸：通過線性變換，將雙絲區域圖像灰度映射到0~65 535，用于提升對比度；② 二值化：使用二值化算法，使得雙絲對灰度值變為65 535，背景灰度值變為0；③ 霍夫變換：使用霍夫變換算法尋找所有的直線；④ 初次篩選：篩選長度合理的直線，去除過短直線；⑤ 二次篩選：求出所有直線的偏轉角度，同時求出平均偏轉角度與標準差，篩選出偏轉角度在0.5倍標準差范圍內的直線（理想狀態下標準差應為0）；⑥ 角度計算：對篩選后的所有直線求平均偏轉角度，輸出平均偏轉角度與垂直方向的偏離角度作為矩形框與水平方向的偏離角度。
（2）自動計算
計算R值時，對于每一組雙絲對，A與B點必然是灰度曲線的極小值，C點必然是灰度剖面圖的極大值（見圖6），且C點必然出現在A與B點之間。因此可以根據上述特點尋找到所有雙絲對的A，B，C點。自動計算算法按如下步驟實現。① 內插值：對灰度曲線進行內插值，增加灰度曲線點的數量，便于計算；② 判斷方向：判斷雙絲像質計方向，第一對雙絲最粗最明顯，灰度值最小，因此尋找灰度曲線中數值最小的兩個點作為第一對雙絲所在位置，判斷該位置與頭尾距離即可判斷雙絲像質計的擺放方向，調整方向使得第一對雙絲處于x坐標較小位置，后續雙絲對沿x坐標增大的方向排布；③ 尋找極小值：尋找并保存灰度曲線中所有極小值點，該極小值點要求灰度值小于左側的點，小于等于右側的點，同時邊界點也將被認為是極小值點；④ 篩選極小值點：從所有極小值點中，按照灰度值從小到大遍歷，每次取2個點，認為此2個點組成一個雙絲對，并存儲這2個點的灰度值與x坐標，存儲后再次遍歷所有極小值點，刪除部分點，這些點的x值小于存儲點的x坐標，設雙絲對數量為n，則重復上述步驟n次，最終得到n個極小值點對，2n個極小值點；⑤ 篩選極小值點對的有效性：雙絲對距離非常近，因此極小值點對的x坐標應相近，遍歷所有極小值點對，合法的極小值點對間的x坐標應該滿足
3.3 信噪比測量
信噪比標準強調的是歸一化信噪比SNRn，在圖像上取面積不小于（20×55）像素的矩形興趣區域進行計算，軟件系統對標準要求的歸一化信噪比算法進行加載，則有
| (6) |
| (7) |
式中：
若寬度為20，將寬度方向上20個像素視為一組，計算每組像素灰度值的平均值和修正標準差，每組的灰度平均值和標準差平均值取中位值Imedian，σmedian，再根據式（6），（7）計算歸一化信噪比。
在整條焊縫上，隨鼠標移動，軟件實時響應鼠標位置，并計算所在位置在設置區域大小范圍內的歸一化信噪比，結果示例如圖9所示。操作人員可任意取點觀察近焊縫母材區域的信噪比是否滿足標準要求。
圖 9 信噪比測量結果示例
4. 結語
基于長輸管道環焊縫DR檢測的需求，研發了適用性強的圖像處理、分析與評價系統。介紹了從圖像讀取到報告生成的整體設計架構，系統地闡述了各個模塊的設計目的、功能要點、應用效果。特別是涉及DICONDE圖像數據及標簽信息的讀取方式，針對環焊縫圖像特征，研究了特異性圖像處理辦法，對分辨率、信噪比等標準評價指標，提供了具體的算法和解決方案。現場應用結果表明該系統完全滿足長輸管道環焊縫DR檢測設備的圖像讀取、處理、分析、評價等方面的要求。自研與國產硬件相配套的軟件，不僅會促進環焊縫DR檢測系統的推廣與普及，同時也可為高效、準確地進行質量評價奠定基礎。
文章來源——材料與測試網
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