焊縫底片數字化系統及其評價方法

管玉超，閆志鴻，武 靜，周貴強，盧振洋

（1．北京工業大學 機械工程及應用電子技術學院，北京 100124；2．中國航天科技集團公司長征機械廠，四川 成都 600100）

焊縫底片數字化系統及其評價方法

管玉超1，閆志鴻1，武 靜2，周貴強2，盧振洋1

（1．北京工業大學 機械工程及應用電子技術學院，北京 100124；2．中國航天科技集團公司長征機械廠，四川 成都 600100）

建立了一套針對焊縫底片的數字化系統，該系統由企業級CCD相機、高亮線形LED光源、底片傳送機構、STM32嵌入式控制器、PC等組成。針對工業底片數字化的高空間分辨力、高密度對比靈敏度、大動態范圍、高光學密度、大位深、高效率等要求，開展了各項關鍵技術的研究，實現了X射線焊縫底片的高質量數字化。對底片數字化設備的評價方法進行了研究，分析底片數字化設備的關鍵指標及其評價實現方法，利用數字圖像處理方法對底片數字化系統進行客觀評價。

焊縫底片；數字化；大動態；高空間分辨率；評價方法

0 前言

自X射線檢測技術出現以來，X射線檢測在焊接領域對于焊縫缺陷識別和質量評定有著廣泛的應用。目前，以底片作為信息載體的射線檢測數字化仍是工業領域廣泛使用的無損檢測方法之一，較之DR（Direct Radiography）、CR（Computer Radiography）等無損檢測方法，X射線具有分辨率高、動態范圍大、成本低等特點。但焊縫底片無法長期保存、管理繁縟，對底片信息的評定需要借助專業的觀燈片燈和專業的評定人員[1]，因此，底片數字化已經成為一種迫切需求的技術。

在國外，底片數字成像已經是很成熟的技術，在歐洲已經擁有專門用于工業底片數字化的標準EN14096，通用公司和柯達公司都有各自的工業底片數字化設備，但這些設備價格昂貴。如通用公司的FS50B底片數字掃描議[2]，該掃描儀采用激光點掃描方式，其優點是可以透射光學密度較大的底片，但空間分辨率會受到激光光斑的限制，掃描速度也較慢，且器件壽命有限。在國內，隨著數字化圖像技術的發展，越來越多的研究人員對焊縫底片數字化做出了一些嘗試，并且在后繼的圖像處理方面進行了研究。最初的數字化，人們采用簡單的底片掃描儀或者數碼相機來實現[3-4]，從底片數字圖像來看，圖像輪廓模糊，質量低，焊縫底片中的大量信息在數字轉化過程中已經丟失，無論后續采用多好的圖像處理算法意義都不大。后期市面上出現了掃面黑度較高（4.0）的中晶底片掃描儀[5-6]，即使掃描黑度為4以下的底片，但成像質量還是不好。該掃描儀的特點是采用攝影膠片掃描儀的掃描方式，對大光學密度的底片掃描速度較低，空間分辨率也不高。近些年，由西安交通大學高建民等人設計工業射線檢測底片數字化裝置[6-9]，通過改善進片機構、遮光裝置、傳動裝置、光路設置，確保了底片數字化的質量，自動化程度更強，但仍有一些問題需要改善，如圖片傳輸速度、不同黑度的底片適應性問題、圖像智能評定等問題。

為了保證圖像質量，提高圖像傳輸速度，優化圖像處理算法，本研究基于嵌入式控制系統開發了一套高質量、自動化程度高、適應范圍廣、傳輸速度快、智能評定于一體的高性能焊縫底片數字化系統。實現了底片的高空間分辨率、高光學密度分辨率、大光學密度、大動態范圍、快速數字化。

1 焊縫底片數字化系統的構建

1.1 系統的總體組成

焊縫底片數字化系統主要是實現X射線底片的數字化，該系統由企業級CCD相機、高亮線形LED光源、底片傳送機構、STM32嵌入式控制器、工業PC、光闌機構等組成，實物如圖1所示。上位機實時調整和監控數字化成像過程，控制板實時接收并將信息反饋給上位機，同時數字化圖像快速的傳輸到上位機進行保存，確保了工業底片數字化的高空間分辨力、高密度對比靈敏度、大動態范圍、高光學密度、大位深、高效率的數字化，系統框圖如圖2所示。

1.2 嵌入式控制板處理系統

設計了一套以STM32為核心的嵌入式控制系統，具有成本低、擴展性強等優點，其主要功能包括控制相機掃描模式、與PC端的數據交互、傳動機構控制、光源亮度控制、光闌機構的控制。

圖1 焊縫底片數字化系統實物Fig.1 Physical figure of the digital film system

圖2 焊縫底片數字化系統框圖Fig.2 Block diagram of the digital film system

企業級線陣CCD相機通過寬動態掃描模式進行掃描，實現了曝光時間的精確控制，更加確保了掃描圖像的質量。寬動態掃描模式是通過定時器發送PWM控制信號，控制相機的曝光時間，通過上位機設置參數，控制曝光時間的周期性變化。寬動態掃描模式下相機曝光控制脈沖如圖3所示，這樣的掃描模式使系統對不同黑度的焊縫底片適應性更強，同一張底片，避免了不同位置黑度有差異造成過曝光或者曝光不足等問題。同時，為保證曝光時間的準確性，本研究采用具有斯密特觸發器的74LS14六反相器，對控制信號的波形進行整合。

圖3 寬動態模式相機控制信號Fig.3 Wide dynamic mode camera control signal

采用W5500芯片與上位機PC端的數據傳輸通過網口通信。W5500是一款嵌入式以太網控制器，可以為嵌入式系統提供更加簡易的以太網鏈接方案，支持TCP、UDP等協議，提供了SPI（外設串行接口）通信接口。PC將發出的設置指令傳輸到下位機STM32控制板，同時控制板將數據經分析處理后通過SPI傳輸至W5500，W5500將接收到的數據進行打包處理后通過TCP通信協議反饋至PC。

STM32控制板通過A/D轉換控制LED光源亮度，由繼電器輸出，控制步進電機、伺服電機、光源、散熱風扇啟停，通過光電信號輸入，做到信息的準確反饋。

1.3 上位機多文檔控制界面

建立了一套基于MFC的多文檔上位機控制軟件，實現對焊縫底片掃描過程的實時控制和對掃描圖像的實時監控。主要功能包括參數設置、掃描過程實時控制以及圖像實時顯示，上位機控制軟件界面如圖4所示，圖4a包含參數設置、實時控制和圖像實時顯示，圖4b是圖4a中參數設置的放大圖。

圖4 上位機軟件控制界面Fig4 Control interface of PC software

參數設置部分可以設置嵌入式系統的工作參數，只需設置底片密度值，系統會根據不同的焊縫底片密度值匹配相應的光源亮度、光闌寬度、相機曝光模式和傳動機構轉速。PC的設置參數通過網絡通訊的方式發送到下位機嵌入式控制板，實現精確的自動化控制。

掃描過程實時控制和圖像實時顯示采用CCD光電傳感器，光電傳感器將焊縫底片的光信號轉換成電信號進行存儲，再將圖像傳輸給上位機PC進行實時顯示。使用企業級CCD相機，以適應焊縫X射線底片細長的特點，滿足了底片數字化及動態范圍的要求。同時圖像數據的準確傳輸和實時顯示，方便操作人員了解掃描過程中系統的工作情況，發現異常及時處理，保證了焊縫底片數字化的質量。

1.4 傳動機構、光源結構、光闌機構

傳動機構部分由控制板根據不同黑度的焊縫底片發出不同頻率的脈沖信號控制步進電機轉動，黑度越大轉動越慢，并且利用齒輪傳動帶動滾輪傳動機構，避免了同步帶打滑效率低等問題。同時，在步進電機與傳動機構之間加裝了臺達ZDS090減速機，提高傳動可靠性，確保底片可靠穩定平動送入。

光源采用大功率線形LED冷光源，它具有發光效率高、響應速度快、體積小便于集成、易控制、功耗低等特點，同時經透鏡聚光，亞克力板散射，確保了光源高亮、線性、均勻、可靠，同時控制板會根據不同黑度的底片調整光源亮度，為底片數字化的質量提供了保障，提高焊縫底片的適應性。

光闌機構的設計增強了對不同尺寸的焊縫底片的適應性，根據底片的寬度，控制板控制伺服電機帶動遮光板移動，達到一個合適的光照寬度，避免了雜散光對成像的影響。

2 焊縫底片數字化設備的評價指標

焊縫底片數字化即在傳統的工業膠片射線成像的基礎上，再將膠片掃描成為數字圖像。

數字化的底片圖像與物理底片之間只要確保有效信息的完整傳遞，即可認為底片的數字化是信息無損的。例如，任何膠片都有一定的顆粒度，致使底片的空間分辨率（靈敏度）不可能無限高，同時X射線的焦點尺寸也會影響到底片的靈敏度，而當底片數字化系統的空間分辨率不低于底片的空間分辨率時，則可認為數字化過程是有效信息無損的。

隨著觀片燈亮度的提高，焊縫底片的光學密度也有逐步增大的趨勢，最大可達到4.0D～5.0D，因此要求掃描設備必須有較強的透射成像能力。為實現以上要求，必須要有很強的透射光源，提高透射成像能力的方法可以從提高光源的亮度和提高感光器件的靈敏度著手。

為了獲取較高對比度的底片數字圖像，上述標準對數字化底片的光學密度分辨率也有較高的要求，即分辨率必須達到0.02ΔD/ΔG（D為光學密度，G為圖像的灰度階）。

工業底片的有效光學密度范圍一般較大，也就是說，一張底片的有效信息可能既包含光學密度較低的部分，也包含光學密度較高的部分，這就要求底片數字化設備必須有較大的動態范圍；從另一方面講，為了提高掃描時的工作效率，不用在掃描底片時不停調整掃描設備的感光靈敏度，也需要解決大動態范圍的問題。在滿足了最大光學密度和大動態范圍的基礎上，掃描設備還必須有較大的位深，以滿足底片數字化對光學密度分辨率的要求。

3 底片數字化設備關鍵指標的測試

3.1 空間分辨率評價測試

調制傳遞函數MTF（ModulationTransferFunction）是目前分析成像設備空間分辨率常用的方法。GB/T 26141.1-2010/ISO14096-2:2005《無損檢測 射線照相底片數字化系統的質量鑒定第1部分：定義、象質參數的定量測量、標準參考底片和定性控制》規定了MTF的計算方法，該方法采用標準密度階梯塊實現，這就要求密度階梯塊在底片上呈理想階躍，較難實現，因此本研究借助于一般成像的MTF計算方法，即光柵成像法。

采用GB/T 26141.1-2010/ISO14096-2：2005標準推薦的標準參考底片，底片上放置用于測量空間分辨率的標準光柵，如圖5所示。

圖5 標準底片光柵Fig.5 Standard negative film grating

圖5中相鄰的黑白兩條線可以稱為一個線對，每毫米能夠分辨出的線對數就是分辨率，用線對/毫米（lp/mm）表示。首先通過測量標準焊縫底片中黑白相間的柵格的照度的最大值和最小值，其中光柵的疏密程度被稱為“空間頻率”（Spatial Frequency）。

引入調制度M的概念：

當焊縫底片的空間頻率很低時，測量出的調制度M幾乎等于焊縫光柵的調制度；當焊縫底片的空間頻率提高時，數字化成像的調制度逐漸下降。數字化成像的調制度隨空間頻率變化的函數稱為調制度傳遞函數MTF（ModulationTransferFunction）。對于原來調制度為M的焊縫光柵規定，當空間分辨率為2 lp/mm時，調制度的數值為1，當空間分辨率變化時成像的調制度為M'。則MTF函數值為

MTF曲線如圖6所示，調制度M總是介于0和1之間，調制度越大，反差越大。當空間頻率很低時，MTF趨于1，這時的MTF值可以反映出圖像分辨率高。當空間頻率提高，也就是光柵的密度提高時，MTF值逐漸下降。

圖6 MTF曲線Fig.6 Curve of MTF

3.2 光學密度分辨力測試

采用標準底片上的階梯密度測試塊來測試系統的光學密度分辨力。分別對光學密度1.0、2.0、3.0、4.0的底片進行掃描分析，并且對每個標準底片光學密度相差0.02的臺階塊進行灰度值計算。不同光學密度的臺階塊如圖7所示。圖7a的臺階塊是光學密度為1.0的焊縫底片，左側部分光學密度是0.99，右側部分光學密度是1.01，光學密度相差0.02。

圖7 不同光學密度臺階塊Fig.7 Different optical density step fast

對不同光學密度的臺階塊進行灰度值計算，以標準片光學密度為1.0的臺階塊為例，繪制了灰度值曲線變化圖，如圖8所示，灰度值曲線圖可以清楚地顯示臺階塊灰度變化，階梯灰度差值明顯。同時為了求得相鄰臺階塊的灰度值，選取1～100像素區間和201～300像素區間進行均值分析。

圖8 灰度值曲線Fig.8 Gray scale curve

求出每個臺階塊相鄰區域的灰度值D1、D2，同時對每個臺階塊的噪聲進行分析，取得噪聲平均誤差DE1、DE2。

根據臺階差值，可以得出每個臺階塊的臺階差值，如表1所示。

表1 階梯密度測試圖像分析結果Table 1 Film gray value of step block

由表1可知，臺階差值遠大于噪聲的平均值，因此光學密度相差0.02的底片可以清晰地分辨，高質量的數字化圖像為后期的智能評定奠定了基礎。

高密度對比靈敏度和大動態成像都需要數字化底片具有較大的位深，本系統采集得到的圖像位深為16 bit，滿足要求。

4 結論

（1）采用企業級CCD相機、高亮線形LED光源、底片傳送機構、STM32嵌入式控制器、工業PC、光闌機構等器件，構建了一套焊縫底片數字化系統，實現了焊縫底片大動態范圍成像。

（2）根據工業底片的特點，分析空間分辨率的測試方法，采用調制度傳遞函數作為工業底片數字化設備空間分辨率的評價指標，并結合標準測試底片，給出了該指標的測試方法。

（3）利用標準測試底片對所構建的工業底片數字化設備的性能參數進行了測試，測試結果表明該設備具有較高的空間分辨力和密度對比靈敏度。

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Digital system of welding film and its evaluation method

GUAN Yuchao1，YAN Zhihong1，WU Jing2，ZHOU Guiqiang2，LU Zhenyang1
（1．Department of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2．Changzheng Machinery Factory of China Aerospace Science and Technology Co.，Chengdu 600100，China）

A digital system for the weld film is established，and it consists of enterprise CCD camera，highlight linear LED light source，film transfermechanism，STM32embeddedcontroller，PCandothercomponents.Aimingattherequirementsofhighspatialresolution，highdensity contrast sensitivity，large dynamic range，high optical density，large bit depth and high efficiency of industrial film digitization，the research of key technologies has been carried out to realize the high quality digitization.In this paper，the evaluation method of the digital equipmentisstudied，thekeyindexesofthedigitalequipmentareanalyzedandtheevaluationmethodisrealized.Thedigitalimageprocessing methodisusedtoevaluatethedigitalsystem.

weldfilm；digital；largedynamic；highspatialresolution；evaluationmethod

TG441.7

A

1001－2303（2017）08－0048-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.09

2017-03-10；

2017-04-15

管玉超（1990—），男，在讀碩士，主要從事主要從事焊接自動化、嵌入式控制、硬件電路設計等方面的研究。E-mail:guanyuchao319@126.com。

本文參考文獻引用格式：管玉超，閆志鴻，武靜，等.焊縫底片數字化系統及其評價方法[J].電焊機，2017，47（08）：48-52.