CN101718912B - 放大倍率可变的工业x射线底片数字化细节观察仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，用于实现对工业焊缝检测X射线底片的数字化处理。本装置包括光源(1)、三可变镜头(3)、与镜头(3)相连的数字摄像头(6)、与数字摄像头(6)连接的计算机(10)，还包括聚光罩(2)、移动机构、对焦机构、步进电机控制器(9)；并且，所述计算机(10)含有清晰度判断及自动调焦程序。采用均匀LED强光透射底片提供照明，并且使用三可变微距镜头和工业用面阵数字摄像头对底片采像，采集图像实时传送至计算机。操作者可以通过计算机发出控制指令，驱动运动系统，实现对底片采像的缩放，以观察底片的局部细节。在缩放过程中，计算机通过清晰度判断和自动对焦算法，驱动对焦机构，实现实时自动对焦，保证缩放过程中的图像不失真。

Description

放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪

技术领域

本发明是一种放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，用于实现对工业焊缝检测X射线底片的数字化处理。

背景技术

自从X射线检测技术出现以来，X射线检测数字化技术就一直受到关注。随着传统装备制造业向信息化，智能化的提升与发展，提出了对工业X射线底片的数字化图像获取，存储管理及其自动化评定的需求，其中，作为信息化的第一步，实现X射线底片的无损(不丢失评定信息，无失真)、长期、有效的保存、传输和管理，对X射线底片数字化图像获取及缺陷信息的自动获取技术的研究显得尤为紧迫。

已往的X射线底片数字化方法有以下一些形式：一是采用基于制式摄像机对X射线底片扫描采集将其转换为全电视视频信号进入图像采集卡，经过图像采集卡量化为一帧数字图像，并将结果存放在帧存储器中，其中图像采集卡由一个A/D转换器，输入输出查找表LUT和两个512×512象素的帧存储器组成。在进行图像处理的同时，该系统同时可以进行图像的显示。由于基于帧频的图像采集系统需要针对帧存进行“读”和“写”操作，速度受到很大的限制，而且图像的质量比较差。较多的研究主要集中在后继的图像处理方面。从已获取的图像信息来看，由于分辨率较低，底片上大量的细微缺陷，如微小裂纹，都在数字化的过程中丢失了。大多数底片数字化系统研究的采像镜头，都采用普通的标准镜头，在光学成像过程中，物距，像距，焦距均不可变，导致了成像放大倍率不可调节，也使得整个系统无法实现较高的分辨率。整个数字化的过程中，调焦，对焦等操作均由人为控制，也难免带来一些不必要的误差。

近年来，采用线阵摄像头和线性光源实现的底片数字化扫描方案已得到应用，主要是针对底片缺陷信息较为明显的细长底片所研制的。在底片扫描过程中，扫描的分辨率，扫描的动态范围的实时调节都受到限制。针对一些密度大，动态范围大，以及一些有局部微小信息的X射线工业底片，很难实现获取细节图像信息。

因此，需要一种专门针对X射线工业底片实现局部信息细节观察的数字化系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作者可以通过计算机发出控制指令，驱动运动系统，实现对底片采像的缩放并能自动对焦的工业X射线底片的数字化装置，以观察底片的局部细节。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：设计一套放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，包括光源、镜头、与镜头相连的工业数字摄像头、与数字摄像头连接的计算机；还包括位于光源前面的可放置工业X射线底片的聚光罩、能使数字摄像头移动的移动机构、能够对镜头调焦的对焦机构、在计算机控制下可驱动移动机构和对焦机构的步进电机控制器；其中，所述聚光罩由漫反射透光板或菲涅尔透镜及框架构成；移动机构包括可安置数字摄像头的升降滑块、与升降滑块通过丝杠连接的平移台8、带动丝杠旋转的步进电机5A；所述对焦机构为步进电机5B通过对焦齿轮组合带动镜头调焦；所述步进电机控制器与步进电机5A、5B及计算机连接；另外，所述计算机含有清晰度判断及自动调焦程序。

所述光源采用4颗大功率LED及电源组成面阵白光冷光源。并且采用两种发光模式：1)小功率持续照明；2)与数字摄像头联动大功率瞬间照明。

所述镜头采用三可变微距镜头(焦距可变，光圈可变，放大倍率可变)。

所述数字摄像头采用工业用大动态CMOS面阵数字摄像头。

本方案中的计算机中设计有清晰度判断及自动调焦程序，程序采用如下方法编制：

1)对图像做二维傅里叶变换，得到图像的频谱图；

2)以频谱图中点为圆心，图像高度为直径做一个圆；

3)将圆内的频谱图灰度值相加得到函数值；

4)记录当前的函数值，使步进电机正转一步；重复步骤1)至3)；将新的函数值与记录的函数值做比较，当函数值大于记录的函数值，再次执行步骤4)；当函数值小于记录的函数值，转至步骤5)；

5)记录当前的函数值，使步进电机反转一步；重复步骤1)至3)；将新的函数值与记录的函数值做比较，当函数值大于记录的函数值，再次执行步骤5)；当函数值小于记录的函数值，转至步骤6)；

6)使步进电机正转一步；输出清晰图像。

在本方案中还包含一种照片的处理方法——对不同曝光量的同一底片的照片进行数字合成的方法：首先，对同一底片进行曝光量由小至大的多次拍摄(10次以内)，每次曝光量增加10％，得到一系列灰度值不同的照片；然后，将一系列灰度值不同的图像利用C语言图像处理算法进行合成。这样得到的图像对于明暗不均匀的原底片，其亮度都是一致的，从而得到清晰的照片。

本发明的积极效果：采用均匀LED强光透射底片提供照明，并且使用三可变微距镜头和工业用面阵数字摄像头对底片采像，采集图像实时传送至计算机。操作者可以通过计算机发出控制指令，驱动运动系统，实现对底片采像的缩放，以观察底片的局部细节。在缩放过程中，计算机通过清晰度判断和自动对焦算法，驱动对焦系统，实现实时自动对焦，保证缩放过程中的图像不失真。

附图说明

图1为本发明组成示意图；

图2为本发明中软件系统框图；

图3为本发明中大动态采像的程序框图。

图中：1.光源；2.聚光罩；3.镜头；4.对焦齿轮组合；5A、5B.步进电机；6.摄像头；7.升降滑块；8.平移台；9.步进电机控制器；10.计算机。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明进行详细说明。

本装置各部件装配如如图1所示，图中各部件具体说明如下：

1.光源1采用4颗大功率LED组成面阵白光光源。长度100mm，宽度50mm，功率40w，驱动电压60V-72V，最大电流700mA，光通量2800LM-3200LM；

2.聚光罩2采用100mm×50mm的毛玻璃或菲涅尔透镜，毛玻璃或菲涅尔透镜安装在方形框架的上表面，框架罩在光源1上面；框架内表面为白色或设有反射镜。

3.光源照明有两种工作模式，一种是小电流驱动长时间照明工作模式；另一种是大电流瞬间驱动照明模式，这种照明模式与摄像头采像同步触发。

4.镜头3采用三可变微距镜头(焦距可变，光圈可变，放大倍率可变)，镜头3安装在数字摄像头6上。

5.对焦齿轮组合4采用1∶4的铝合金直齿渐开线齿轮组，大齿轮直径100mm，小齿轮直径25mm。小齿轮与步进电机5A连接，大齿轮与镜头3连接，步进电机5A安装在数字摄像头6上。

6.步进电机5A、B采用两相混合式步进电机，与步进电机控制器9连接。

7.数字摄像头6采用高速大动态范围的CMOS工业摄像头，数字摄像头6安装在升降滑块7上。

8.升降滑块7与安装在平移台8内的丝杠连接，丝杠与步进电机5B连接。

9.步进电机控制器9采用步进电机通用控制器，步进电机控制器9通过串口与计算机连接。

10.计算机使用普通的PC机装配，内部装有采像软件和清晰度判断及自动调焦程序，并与数字摄像头6连接。

将X射线底片放置在聚光罩2上方，LED光源1发出强光通过聚光罩照亮底片。这样，位于底片上方的镜头3与数字摄像头6，就可以采集到底片的图像。操作者可以通过计算机10实时观察摄像头采集到的底片图像，并且还可以随时根据需求通过计算机发出指令驱动平移台8带动数字摄像头6与镜头运动，实现对底片的缩放。在运动过程中，由于摄像头、镜头与底片的相对运动使得物距改变。由物距(u)、相距(v)与焦距(f)的关系 $\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f},$ 可以看出，当物距(u)改变，相距(v)不变的情况下，若不改变焦距(f)，就会失焦，造成采集到的图像模糊。当计算机通过判断采集到的图像清晰程度为不清晰时，就会驱动步进电机5通过对焦齿轮组合4调节镜头焦距(f)，使得物距、相距与焦距的关系重新满足 $\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f},$ 这样就可以采集到清晰的图像，实现实时自动对焦。

为了实现计算机自动判断图像的清晰程度，就需要选择一个合适的图像清晰度函数，计算机通过计算图像的清晰度函数值，就可以确定图像的清晰程度。在本发明中，采用二维傅里叶变换后提取图像频谱高频部分的灰度值的总和作为图像清晰度函数。

当计算机采集到图像时，首先对图像做二维傅里叶变换，得到图像的频谱图。众所周知，图像越清晰，图像中线条与边缘这样灰度变化剧烈的部分就显示越明显，这种变化剧烈的部分体现在频谱上就是频谱的高频部分。清晰的图像有更多的细节，在频域内其高频的分量更多。而在二维傅里叶变换所得的图形频谱图中，高频部分正好位于频谱图的正中。因此，以频谱图中点为圆心，图像高度为直径做一个圆，圆内就包含有图像的高频成分。如果将圆内的频谱图灰度值相加，得到的值就可以认为是这个图像清晰度函数值。图像清晰，频谱中高频成分就多，圆内灰度值相加所得的值就大。相反，图像模糊，频谱中高频成分就少，圆内灰度值相加所得的值就小。根据此原理设计清晰度判断程序(清晰度函数)，利用此函数调整对焦机构中的步进电机5A，直至得到最清晰图像，如图2所示。本发明中的程序还包括“用户界面”，利用此程序人为调整镜头3与数字摄像头6相对工业X射线底片距离，使底片的像缩小或放大，得到底片的全景像或细节像。

使用本装置时，首先，将工业X射线底片放在聚光罩2上，光源1透过聚光罩将底片照亮。此时，数字摄像头6通过镜头3实时地采集底片的图像，并将图像通过采集卡实时传送至计算机10。图像通过计算机显示给操作者，同时，计算机始终通过一个图像清晰度判定函数来判断所显示图像是否清晰。若图像不清晰，计算机将会驱动步进电机5通过对焦齿轮组4调节镜头3的焦距。直到计算机采集到的图像清晰度达到最大，物距、相距与焦距满足关系 $\frac{1}{u}+\frac{1}{v}=\frac{1}{f}.$ 对焦完成，计算机发出指令停止步进电机运动。同时继续通过图像清晰度判定函数判断所采集到的图像清晰度。

由于有部分底片细节信息十分微小，需要通过放大来观察其细节。操作者可以通过计算机发出控制指令，驱动平移台8，使升降滑块7带动镜头3与数字摄像头6向底片方向移动。此时，采集到的图像就会随着镜头与底片之间相对距离的减小而放大，图像的视场会随之缩小，实现细节观察。由于镜头与底片之间的距离变化，造成物距变化，采集到的图像由于失焦而变的模糊。当计算机计算出所采集图像的清晰度函数值减小量达到5％时，认为图像不清晰，启动自动对焦程序。通过串口想步进电机驱动器发出指令控制步进电机5带动对焦齿轮组4调节镜头3的焦距，使图像清晰度达到最大，再停止对焦程序，转为监视状态。如此，系统始终通过监视-对焦的方式保持所采集到的图像始终是清晰的。

当需要采集底片全景时，操作者通过计算机发出指令，驱动平移台8，使升降滑块7带动镜头3与数字摄像头6向上运动，远离底片。此时，图像会缩小，而视场会增大。由于物距变化，图像失焦而变的模糊，计算机启动对焦程序，自动对焦，使图像保持清晰状态。

本发明也可实现大动态范围的图像采集，即对于亮暗不均匀的底片，也能通过摄像头或后期处理得到曝光均匀的图像。大动态范围的实现通过两种方式：第一种方式，通过采用大动态范围的CMOS传感器来直接获取图像；第二种方式，通过对不同曝光模式下采集的图像，运用图像叠加的方法来实现图像的合成(如图3)。

操作者在整个操作过程中，可以随时将采集到的图像保存至数据库中，实现工业X射线底片的数字化。

Claims (5)

1.放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，包括光源(1)、镜头(3)、与镜头(3)相连的工业数字摄像头(6)、与数字摄像头(6)连接的计算机(10)；其特征在于：该装置还包括位于光源(1)前面的可放置工业X射线底片的聚光罩(2)、能使数字摄像头(6)移动的移动机构、能够对镜头调焦的对焦机构、在计算机控制下可驱动移动机构和对焦机构的步进电机控制器(9)；其中，

所述聚光罩(2)由漫反射透光板或菲涅尔透镜，以及框架构成；

所述移动机构包括可安置数字摄像头(6)的升降滑块(7)、与升降滑块(7)通过丝杠连接的平移台(8)、带动丝杠旋转的第一步进电机(5B)；

所述对焦机构为第二步进电机(5A)通过对焦齿轮组合(4)带动镜头(3)调焦；所述步进电机控制器(9)与第一和第二步进电机(5B、5A)及计算机连接；

所述计算机(10)含有清晰度判断及自动调焦程序，该程序包含以下步骤，

1)对图像做二维傅里叶变换，得到图像的频谱图；

2)以频谱图中点为圆心，图像高度为直径做一个圆；

3)将圆内的频谱图灰度值相加得到函数值；

4)记录当前的函数值，使第二步进电机(5A)正转一步；重复步骤1)至3)；将新的函数值与记录的函数值做比较，当新的函数值大于记录的函数值，再次执行步骤4)；当新的函数值小于记录的函数值，转至步骤5)；

5)记录当前的函数值，使第二步进电机(5A)反转一步；重复步骤1)至3)；将新的函数值与记录的函数值做比较，当新的函数值大于记录的函数值，再次执行步骤5)；当新的函数值小于记录的函数值，转至步骤6)；

6)使第二步进电机正转(5A)一步；输出清晰图像。

2.如权利要求1所述的放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，其特征在于：所述光源(1)采用4颗大功率LED及电源组成面阵白光冷光源。 

3.如权利要求1或2所述的放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，其特征在于：所述镜头(3)采用焦距可变、光圈可变、放大倍率可变的三可变微距镜头。

4.如权利要求3所述的放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，其特征在于：所述数字摄像头(6)采用工业用大动态CMOS面阵数字摄像头。

5.如权利要求2所述的放大倍率可变的工业X射线底片数字化细节观察仪，其特征在于：所述光源(1)采用两种发光模式：

1)小功率持续照明；

2)与数字摄像头(6)联动大功率瞬间照明。 

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