数字射线成像中原始图像数据的概念与保存

　　近年来,数字射线成像检测技术发展迅速,它具有成像速度快、检测效率高的突出优点。通过有效的质量控制措施,可望实现无胶片射线检测,有效代替胶片的使用。数字射线成像技术已在国内多个行业领域内获得广泛应用,但面临的问题是缺少相应标准的支撑。国际标准化组织、美国材料学会等已制定了相应的标准,对数字射线技术进行有效的规范,如ISO/DIS 17636-2标准对使用数字探测器进行焊缝 的 射 线 检 测 进 行 了 规 定,ASTM E2597、E2698、E2736和E2737标准对数字阵列探测器在射线检测中的应用进行了规定。

　　目前,相关标准化工作小组正在进行数字射线成像检测方法的国家标准制订工作。在一次标准讨论会中,针对“保存检测图像文件的原始数据”这一规定,与会专家存在争议,主要存在两个问题:①原始图像数据的定义是什么,如何对其进行准确的界定。②图像评定后是保存原始图像数据,还是保存经处理后的图像数据。

　　为此,笔者对数字射线成像中关于原始图像数据的定义与保存进行了分析。

　　1 射线检测结果的保存与追溯

　　传统射线照相技术使用胶片作为记录介质,经射线曝光后胶片感光形成潜影,之后通过显影、定影等暗室处理形成照相底片。在观片灯下对底片进行评定,从而判断被检工件内部缺陷的性质、数量等信息。

　　数字射线成像方法使用数字射线探测器为记录介质,经射线照射后形成光信号,经光导介质转化为电信号(或直接转化为电信号),接着由读取电路进行信息读取生成数字图像,在显示器上观察分析图像,从而判断出被检测工件的内部质量状况。

　　传统射线照相技术中,射线底片是检测结论的重要依据,评定后应按编号排序存入档案室,按档案管理的要求分类以便查找。一般要求在规定期限内妥善保存检测结果,以便特定情况下可对检测结果进行有效追溯,对检测结论的可靠性提供技术支撑。

　　JB/T 4730-2005标准中规定“检测记录和报告等保存期不得少于7年”,ASME规范第XI卷对在役检查的条件、检验过程及检验结果的记录与报告有严格的规定,一般均要求在核电站运行寿命期内长期保存。对于底片而言,它在射线照相完成后具有不可更改性,其中的影像信息对应于检测结果的原始状态。

　　同样的,数字射线成像技术也需要对数字检测图像进行有效的保存、查找及追溯。所追溯的应该是原始的不可更改的数字图像,其中“原始的”这一限定与“后期处理过的”、“人为更改过的”相对应。

　　当然,在对射线检测结果进行保存时,其一般前提是需满足规定的检测质量要求。对于射线底片而言,需要测量黑度范围、观测像质计影像、查看有无伪缺陷等。同样的,对于数字射线成像技术而言,也需要结果图像满足相关要求,如像质计指标、图像畸变与干扰影像的控制情况,有时还需要测量信噪比、最小灰度值等。

　　2 原始图像数据的含义

　　利用数字射线成像方法可获取到数字图像,但一般情况下并不能得到理想的视觉效果,此时可对图像应用多种图像处理方法,有效增强感兴趣的检测细节,但在使用图像处理方法时应注意保存原始图像数据。

　　Gary Barber提出在对图像文件进行存档时,需要以初始状态保留原始数据。

　　此外,观察评定时的参数,如对比度设置、滤波情况、放大情况等也应进行记录。通过这些操作,可以在检测的很多年后,方便地实现对检测结果的审核。在ASTM标准E1411“射线成像系统鉴定标准”中也有类似的规定,所使用的图像增强处理方法必须进行记录,保存图像的质量应与初始检测图像一致。

　　但是,什么才算是原始图像数据呢?

　　ASTM标准E2007“计算机射线照相标准指南”中术语一章对原始数字图像(original digital im-age)进行了定义:在未做任何图像处理前,原始的二进制像素数据经查找表(LUT)映射后形成的灰度级别的数字图像。对于计算机射线照相技术(CR)而言,IP板在射线曝光后通过激光扫描而产生光致发光,光信号再通过A/D转换为电信号,通过初始的查找表将二进制数据转化数字图像数据。

　　对以面阵探测器、线阵探测器为成像介质的数字射线成像技术(DR)而言,原始图像数据还稍有不同,这主要表现为探测器与IP板在获取图像方面的差异。在数字射线成像技术中使用数字探测器阵列进行信号的转换,其中每个像素的电信号输出是不一致的,探测器的暗电流输出还受到环境温度的影响,因此在数字射线成像中可以并且也需要对探测器阵列输出的信号进行处理,以获取理想的检测图像。

　　为了避免数字射线探测器各个感光单元间的串扰,提高探测器的分辨率,探测器生产厂商将感光晶体加工成为非常细小的针状结构,就像光纤一样,作为光导管。针状晶体结构将射线能量转换为可见光,再通过光电二极管阵列生成与光强相关的电荷,每个光电二极管的输出对应于数字图像的一个像素点。数字探测器阵列在制造时的质量等级是不一样的,如某探测器生产厂商将其分为一般等级和优良等级,一般等级情况下探测器可能包含有一些行缺陷(行中有40%或者更多的像素输出是无效的),而优良等级不包含有缺陷的行或列。对于有缺陷的探测器单元,通常采用插值方式消除这些坏像素的输出。所谓坏像素,指的是数字射线探测器中表现不佳的探测单元,包括无响应像素、过响应像素、低响应像素、噪声像素等,在ASTM 2597中有相应的定义及识别方法。一般由探测器生产厂商提供探测器中坏像素的分布情况。

　　不难理解,即使在辐射场均匀的情况下,数字探测器阵列输出的信号也会存在不一致,而这很大程度上影响到数字图像的质量,影响缺陷的检出效果。

　　为解决这一问题,需要对探测器进行校准,可能包含偏移校正、增益校正、坏像素校正等。在没有射线照射时,探测器像素输出的信号形成了偏移校正图像(背景信号);在射线照射均匀物体时探测器所有像素的响应构成增益校正图像;根据坏像素分布情况表,分别读取相应的位置坐标,视其为缺失的像素输出,根据相邻的像素输出值进行线性方式等插值计算,把此计算值作为坏像素的输出。探测器经良好的校正后,可应用于检测,所获取的数字图像是进行上述校正后的结果。

　　因此,数字射线成像检测中的原始图像数据通常是经校正后输出的数字图像数据,而不是简单的经A/D转换后直接形成的数字图像数据;也就是说,数字射线成像检测的原始图像数据不应是偏移校正图像、增益校正图像或未经校正直接生成的图像,而是探测器经射线照射后生成的图像经过偏移校正、增益校正、坏像素映射计算后的结果图像。原始图像数据是与A/D转换位数相关,一般是高灰阶的灰度值图像。

　　在ISO/DIS 17636-2“焊缝无损检测—射线检测—第2部分:使用数字探测器的X射线和γ射线技术”中并没对原始图像进行明确定义,但进行了如下说明:原始图像应以最高分辨率进行存储,在存储这些原始数据前,只能应用与探测器校正有关的图像处理(如偏移校正、增益校正、坏像素校正)。

　　3 原始图像数据的处理与保存
　　
　　为使数字射线成像中检测图像达到理想的视觉效果,往往采用对比度调节、亮度调节等增强处理措施,这一过程需要较多的计算机图像处理技术与技巧。在对其进行处理时,有两个突出的问题:①如何保证处理时的力度;②处理好的图像需不需要保存。

　　以调窗方式进行对比度、亮度调节为例,在处理时可以选取直方图中的某一段进行增强显示,所设定的从暗到亮区间范围越窄,则调节后图像的反差就越强。在图像评定时,对图像的处理要适度,不能无限制地提高图像的反差,以致于将探测器的噪声信号认为是缺陷影像。一个可行的办法是充分利用图像处理技术,在不同对比度情况下分别观察图像,首先确定出可疑缺陷影像,然后以标准物质影像作为参考进一步判定。在对检测图像进行增强像处理时,应注意方法的有效性,避免对图像的过度处理。在一次CR检测试验时,检测人员发现了明亮的不规则异常影像,非常像是重金属夹渣。但用胶片对工件进行射线照相却没有发现该问题。究其原因,是获取CR检测图像后自动使用了某种图像增强处理方法,而在原始图像中却表现为规则的干扰影像(IP板上附着物形成的)。在图像获取完成后,有必要对原始图像立即进行妥善保存,后续的处理都以原始图像为出发点进行,并避免后续处理对其中内容的改写。

　　针对原始检测图像进行处理,并不能马上就达到理想的效果,利用图像处理技术不断进行调节,这易给人以处理随意性太大的印象。因此,是否直接保存处理后的图像以避免这一问题?其实,在射线照相技术中,底片的观察与评定也并不是一目了然的,对于环境条件有要求,对于人的观察能力有要求,在观察时也需要调节观片灯的亮度进行动态判别。经图像处理后的结果虽然是比原始图像视觉效果好,但它是原始图像派生的,对原始图像使用不同的处理方法将产生不同的效果,以处理后的结果代替原始图像,无疑减少了对检测结果信息识别的可能途径。不过,将图像处理方法及参数进行记录,将有助于评定图像的快速获取。因此,对于原始图像数据的处理方法要适当有效,只需要保存原始图像数据而不需要保存处理后的图像,对图像评定时所用的图像处理方法及参数应进行记录。

　　4 原始图像数据的管理

　　为保证射线检测结果图像的真实性与完整性,需要采取有效的措施对数字化图像进行有效的管理,数据库技术无疑是一个很好的工具。

　　在利用数字射线成像检测实践中,笔者开发过一个图像数据库软件,可及时将检测参数进行保存,并与检测结果图像建立关联。通过专用格式存储与定期光盘刻录方法保证检测结果图像的原始状态,并可对检测图像进行多种形式检索,可以树状列表形式显示出工件的检测情况。但在信息的输入效率、数据的维护可靠性方面还略显不足。

　　图片存档和通信系统PACS(Picture Archivingand Communication System)已成熟应用于医学射线检测图像管理,并制定了统一的图像传输规范DICOM(Digital Imaging and Communications inMedicine)。将DICOM规范引入工业无损检测领域,则称之为DICONDE,可对多种形式的无损检测数据进行有效的归档存储,保证数据不会荒废或无法访问,简化了信息的标记过程,使数据的检索变得容易,便于多用户远程访问。DICONDE更多的是对检测系统生产商提出了相关要求,需要保证其系统输出图像、数据的有效、及时存储,并可在不同平台上读取与显示出来。基于DICONDE规范,可望有效实现数字射线检测图像的规范管理与存储:

　　它按分 等 级、系 统 化 的 结 构 对 数 据 进 行 管 理,即“study→series→instance”。具体到一个工件检测需求(study),它可以按时间先后顺序进行多次的透照检测(series),检测时可以不同的参数获取图像(instance)。

　　对于数字射线成像而言,DICONDE的价值在于保证检测结果格式的统一,避免了不同厂商设计的检测系统所提供的结果数据格式专用、封闭的不足,提供了一个统一的接口来规范数据的采集、存储;基于DICONDE的软件平台,可使用户对于检测数据及信息实现及时、便捷、有效、安全的管理。

　　5 结语

　　对数字射线成像方法而言,需要对原始数字成像的规定及其正确使用有统一正确的认识。数字射线成像方法与胶片照相技术的区别最主要在于其检测结果是数字图像而不是底片。

　　数字射线成像方法中对检测结果的处理与保存需要更多的注意事项,对原始图像数据要进行有效的存储与保护,在应用图像处理技术时既要避免改写原始图像数据,又要避免图像处理技术的不当使用。基于DICONDE规范,可望实现数字射线成像方法检测结果图像的有效管理、存档与检索。