CN101957329A - 一种轮胎层析成像检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮胎层析成像检测方法，涉及图像处理技术领域，其目的在于解决人工检验造成的漏检或误检，能够检查出胎圈、胎侧及胎面区域的缺陷，然后剔除有缺陷的轮胎，降低检测时的劳动强度、提高检测结果的一致性，并可提供质量方面的自动统计数据；利用投影数据迭代的重建CT图像，改进重建算法以最终获得稳定的重构图像。

Description

一种轮胎层析成像检测方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及工业CT机用于轮胎检测中，获取质量稳定的重建图像。

背景技术

工业CT(ICT)的全称是工业计算机层析扫描成像，这门技术是放射学和计算机科学结合而产生的一门新的成像技术。在工业应用方面特别是在无损检测(NDT)与无损评价(NDE)领域更加显示出了独特的优点。工业CT是在无损伤状态下得到被检测断层的二维灰度图像，它以图像的灰度来分辨被检测断面的内部的结构组成、装配情况、材质状况、有无缺陷、缺陷的性质和大小等。只需沿扫描线扫得足够多的断层二维图像就可以得到被检测物的三维图像。国际无损检测界把CT称为最先进的无损检测手段。

工业CT是20世纪80年代发展起来的先进无损检测技术，它是针对医用CT不适用检测大尺寸高密度物体的需求，从80年代初期开始，由美国军方首先提出，制造检测大型火箭发动机或小型精密铸件的CT设备。经过大约20年的发展，工业CT研究已成为一个专门的分支，并取得了飞速发展，其应用范围或领域也越来越广泛。

CT技术在航空航天领域可用来检测精密铸件的内部缺陷、评价烧结件的多孔性、检测复合材料件的结构并控制其制造工艺。近年来已将射线CT技术引入更高层次的探测对象。如美国肯尼迪空间中心研究的射线CT装置，可用来检测火箭发动机中的电子束焊缝、飞机机翼的铝焊缝，可发现涡论叶片内0.25mm的气孔和夹杂物，也可用来检测航天飞机出口锥等。

CT技术的应用日渐增多，例如用来检测反应堆元件的密度和缺陷，确定包壳管内芯体的位置，检测核动力装置及其零部件的质量，并用于设备的故障诊断和运行监测。中子CT还可用来检查燃料棒中铀分布的均匀性和废物容器中铀屑的位置。

CT技术在钢铁工业中的应用也十分广泛，从分析矿石含量到冶炼过程中各项技术标准的实现，以及各种钢材的质量程度，都可以通过CT扫描进行检测。美国和德国用中子CT装置进行钢管在线质量监测，每隔1cm给出一组层析数据和图像。当发现偏心、厚度不均匀和缺陷时，由计算机自动调整生产工艺参数。

陶瓷是新一代耐热、耐腐蚀并有良好的化学稳定性的材料，但其中的微小缺陷会严重影响其使用，因此需要检测其中微米级的缺陷，并需要确定其所在位置。采用射线CT技术显得非常必要。目前在检测三氧化铝、碳化硅等陶瓷材料时可以准确地检出10μm到100μm的缺陷和极其微小的密度分布。

在机械工业上，CT技术常用来检测和评价铸件和焊接结构的质量。可检测微小气孔、缩孔、夹杂和裂缝等缺陷。在电子工业方面，可采用CT装置检测多层印刷电路板的内部裂纹，测量同轴和带状电缆的金属线空间分布，检查电子附件箱中缺损的组件和检查封装的微机芯片中的断裂线等。

美国华盛顿州立大学机械和材料工程系的研究者指出，CT探测器的空间分辨率达到0.27mm就可以满足检测短裂纹的要求。而目前平板探测器的象素尺寸已达到0.127mm，生成的断层重建图像矩阵可以达到2560×3072。CT扫描方式也从断层扫描发展到体积扫描，能同时扫描几十个断层甚至数百个断层并具有均匀的空间分辨率。另据报导，美国已研制出一种X射线层析显微装置，可以对材料的微观组织进行研究，分辨力比普通CT高100倍，可以使研究人员亲眼看到当试样变形时，裂纹和分层的形成和发展，这在判明复合材料主要失效机理时已证明是非常有用的。

由于工业CT技术属高技术范畴，各国在研究CT的同时对别国都采取技术保密、封锁，尤其在高能工业CT方面，美国明令禁止2Mev以上的CT设备出口国外尤其是中国。由于种种原因，国内工业CT技术研究和设备研制相对滞后于国外。1988年9月清华大学关于“X射线工业CT试验系统的研究”的博士论文标志我国CT技术研究的开端，随后清华大学、重庆大学、合肥工业大学等多家单位完成了工业CT实验系统的研制。重庆大学于1993年10月率先研制成功我国第一台实用型工业CT机，并在工业CT重建理论与应用方面开展了广泛的研究；清华大学研制了检验陶瓷零件的微焦点X射线CT系统；华北工学院在九五期间开展了高能X射线无损检测技术的研究；西北工业大学从1994年开始，在国内率先尝试将工业CT技术应用于CAD/CAM领域，在基于CT图像的零件和装配体反求，以及基于工业CT和RP&M的计算机辅助产品快速仿制系统方面做了大量深入的研究。清华大学采用高能加速器研制的15Mev大型高能工业CT系统，在检测大直径工件的系统设备方面，填补了我国高能工业CT系统产品的空白。中国工程物理研究院应用电子学研究所研制成功我国首套高精度工业CT，该设备从面体上可检测最小达0.002mm³的设备内部缺陷，从线上可检测出10μm的内部裂缝，分辨能力比国外公布的同类设备高出近10倍。

目前国内具备生产工业CT的机构主要有：德国的菲尼克斯(主要生产X射线系统)，德国的依科视朗(YXLON)(目前已被瑞士康姆艾德(COMET AG)收购)，丹东奥龙射线仪器有限公司，重庆大学ICT中心等。但是通过查新发现，国内外目前尚没有人从事高性能轮胎ICT的研究与开发的工作，因此如果我们现在启动该项研究将会在一定程度上占领先机，处于有利的地位。

目前，在国内没有查到关于应用ICT机对轮胎进行在线检测的专利。

发明内容

本发明提供一种轮胎层析成像检测方法，其目的在于解决人工检验造成的漏检或误检，能够检查出胎圈、胎侧及胎面区域的缺陷，然后剔除有缺陷的轮胎，降低检测时的劳动强度、提高检测结果的一致性，并可提供质量方面的自动统计数据；利用投影数据迭代的重建CT图像，改进重建算法以最终获得稳定的重构图像。

本发明的上述目的是这样实现的，其说明如下：

1)在一方面是X射线源与另一方面是扫描区域或位于其中的目标之间的螺旋相对运动期间，使用X射线源来生成经过该扫描区域或目标的平行波束，该螺旋相对运动包括围绕旋转轴的旋转和平行于旋转轴的位移；

2)在螺旋相对运动期间X射线束已越过的扫描区域的位置处，结合在X射线源与扫描区域或目标之间的环形相对运动，使用X射线源来生成经过该扫描区域或目标的大面积平行束；

3)在螺旋相对运动期间使用探测器单元获取投影数据，该投影数据取决于在扫描区域的一侧处波束的强度；但在进行实际测量获得投影数据的过程中，会产生各种不同的误差，主要有以下几个方面：

①由于X射线光子的产生、光子和物质相互作用以及光子检测等过程的统计特性，使测量数据不可避免地存在误差。检测器的光子计数可认为服从Poisson分布，当均值较大时，近似为Gauss分布。因为测量误差也是一随机变量，可近似地认为服从零均值的Gauss分布。某些重建算法就利用了这些性质。

②在CT中，一般所用的X射线是由不同能量的光子组成，称为多色X射线。对于低能量的光子来说，在确定点的衰减量一般是比较大的，因此当X射线通过物体时，它的能量分布谱就发生了改变。这一现象称为射束的硬化。而在ICT中，衰减系数的重建要求射束在确定点上以相同的方式衰减，这只有使用单色X射线才能满足要求。通常，单色投影数据是通过对实验获得的多色投影数据进行校正而得到的。对射束硬化的校正也使数据产生了误差。

③光源焦点和检测器的大小所产生的所谓部分体积效应，检侧器的效率以及设备的稳定性都是数据采集时的误差来源。

有些误差可通过硬件作适当校正，有些则还需在算法上进行校正。由于测量数据存在这些不可避免的误差，所以需要对重建算法进行改进。

4)对投影图像进行预处理，包括去噪—排序滤波、均值滤波、维纳滤波；几何校正—校正参数计算、旋转轴及中心偏移校正；

5)利用迭代算法进行图像重建；迭代重建法中假设断层截面是一个未知的数字矩阵组成，然后由测量到的投影数据建立未知矩阵元素的一个代数方程组。迭代重建法的优点在于，对于不完全投影数据，或投影数据不是均匀分布在180°(360°)范围的情形，是一种比较有效的算法。而这两个条件恰恰是以变换为基础的方法达到需要精确性所必需的。另外，当辐射源和接收器之间能量传播的路径因出现折射引起的射线弯曲时，或在放射CT中，沿射线路径能量传播经受非均匀衰减时，变换法就不太适用了，这种类型的问题由迭代法求解比较好。

在迭代法重建的各种正则化方法中，求解过程通常都是通过迭代来完成的。由于投影矩阵的维数很高，导致迭代重建的速度太慢，重建时间延长。保证成像的精度和分辨率，提高重建速度，是迭代重建法必须考虑的重要因素。

本发明所提供的技术方案的积极效果是：和现有的大部分轮胎由人工检验相比，本发明利用ICT技术对轮胎进行检测，可以降低检测时的劳动强度，提高轮胎的检测效率，并且保证轮胎质量检验的可靠性、一致性和稳定性。

附图说明

图1是CT系统装置框图。

图2为试件成像装置系统框图。

图3为工业CT图像重建与处理流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用ICT技术进行轮胎检测的方法，用以排除人为因素的干扰，提高轮胎检测效率；在投影数据获取上充分考虑到实际测量时可能存在的误差，并采用改进的重建方法进行重构，提高重构图像的质量。以下结合附图进一步详细描述本发明的技术方案。

在本发明中，一条轮胎的检测具体包括如下的步骤：

当爬坡运输带上有待检的轮胎时，输送带电机运转，将轮胎送到载物台中心位置，定中抱臂采用气缸驱动抱住轮胎将其定中心，然后将轮胎送到尺寸测量装置上，通过尺寸测量，系统便知道所测轮胎的规格。

如果CT检测机检测工位没有此轮胎规格，轮胎进入铅房门打开，检测机构通过检测到的轮胎尺寸进行自动调整，伺服电机驱动两自动调整定中滚子调整到工作位置，处于待工作状态，同时铅房门关闭。

操作员首先对CT检测工位上的轮胎进行定位调整，做一次定位扫描或“侦察扫描”，确定轮胎的解剖学标记，以确定CT扫描的精确位置和范围。

扫描启动后，运动控制计算机发出指令，使机架旋转到操作员规定的指定位置，然后计算机发指令给检查工位、X射线发生系统、X射线探测系统和图像生成系统执行一次扫描。X射线源生成经过该扫描区域或目标的平行波束，X光管产生X射线束流，X光子被X射线探测器测到，生成电信号。同时数据获取系统以均匀的采样速率采集探测器的输出，把模拟信号转换成数字信号。然后采集的数据被送到图像生成系统处理。典型的系统包括高速计算机和数字信号处理(DSP)系统。获取的数据经过预处理和增强后，被送到显示设备供操作员观看和数据存储设备存档。

精确定位和扫描范围决定后，操作员就基于既定方案预定CT扫描指令，确定准直器孔径、探测器孔径、X光管电压电流、扫描模式、机架运动速度、重建视野(FOV)及其它许多参数。

根据扫描方案，运行控制计算机按照类似定位扫描所描述的方式，发出一系列命令给机架、X射线发生系统、X射线探测系统和图像生成系统。在此方式下X射线机架不再保持静止，它要达到一个恒定的旋转速度并在整个运行期间保持这个速度。

当完成轮胎一圈检测后，X光管停发射线，这时图像重建系统进行数据处理、图像重建和显示，完成一个断层的图像采集和显示；

然后，轮胎调整位置，进行下一个断层的数据采集和显示操作，结束后X光管装置、探测器装置分别复位，输送带上升，铅房门打开，输送带电机旋转将轮胎送出，完成一条轮胎的检测过程。

Claims (3)

1.一种轮胎层析成像检测方法，主要具有以下步骤：

(1)在一方面是X射线源与另一方面是扫描区域或位于代扫描区域的目标之间的螺旋相对运动期间，使用X射线源来生成经过该扫描区域或目标的平行波束，该螺旋相对运动包括围绕旋转轴的旋转和平行于旋转轴的位移；

(2)在螺旋相对运动期间X射线束已越过的扫描区域的位置处，结合在X射线源与扫描区域或目标之间的环形相对运动，使用X射线源来生成经过该扫描区域或目标的大面积平行束；

(3)在螺旋相对运动期间使用探测器单元获取投影数据，该投影数据取决于在扫描区域的一侧处波束的强度：

(4)对投影数据进行预处理，包括去噪一排序滤波、均值滤波、维纳滤波；几何校正一校正参数计算、旋转轴及中心偏移校正；

(5)利用投影数据进行图像重建，并对重建迭代算法进行改进，通过融合遗传算法和Landweber迭代算法的优点来提高算法的收敛速度和重建图像的质量。

2.如在权利要求1中要求的轮胎层析成像检测方法，其中在螺旋相对运动期间由X射线源发射的波束中的剂量大大的小于在环形相对运动期间的剂量。

3.一种用于实行如在权利要求1中要求的方法的轮胎层析成像，具有：

-X射线源，用于生成经过扫描区域或位于其中的目标的平行波束；

-机械载物台，用于装载轮胎并使轮胎可以相对运动，相对运动包括围绕旋转轴的旋转和平行于旋转轴的位移；

-探测器单元，用于获取投影数据；

-图像重建单元，用于利用从探测器单元获取的测量值来重建在扫描区域内的吸收的空间分布；

-后处理单元，对重建出的切片数据(图像)再进行处理，主要包括对图像的去躁，伪迹消除，对感兴趣区域的剪裁等。

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