CN1321884A - 用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法,首先得到被测工件的透视图像,然后将工件的标准透视图像与透视图像比较,根据检测要求分析可能存在缺陷的区域,再获得被测工件待检测断层的投影数据,根据该投影数据重建指定区域,显示该指定区域的图像,再根据CT扫描投影数据,对被测工件的待测断层进行多分辨率重建检查,以检查被测工件待测断层的缺陷。本发明可缩短重建及检查时间,有利于缺陷的快速定位。

Description

用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法

本发明涉及一种用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法，高能工业CT(计算机层析成像)系统使用这种方法可以对大型工件的断层进行高分辨率的实时重建检查，该方法所属技术范畴为无损检测技术领域。

由于大型高能工业CT需要在很高的空间分辨率下检测大尺寸的工件，所以最终获得的断层图像非常巨大，如何在现有的硬件条件下实现断层图像的在线实时重建、处理以及显示是一个技术难题。通常有两种途径加速重建的过程。一是采用高性能的硬件设备，比如使用专用的卷积器或采用并行计算机；二是改善重建算法，但通常的快速算法需要使用平行束投影，由于工业医疗中实际应用的CT绝大多数采用扇形束，因此断层重建与扫描就不能同时进行。通过这些手段可以在一定程度上加快图像重建的速度得到的加速，但是重建的时间与断层图像尺寸成几何关系增长。

对于高精度的大型工业CT来说，由于被测工件通常较大，在检测所需要的空间分辨率要求下，断层图像尺寸非常巨大。这时重建时间将会很长，举例如下：目前医用X-CT中常用的512×512大小点阵基本上可以在5秒内完成重建，这个时间很容易被使用者接受，但如果在相同的软硬件环境下去处理工业CT中6000×6000大小的图像矩阵，原来可以视为实时完成的重建将会变成等待8640秒这样漫长的时间(如果考虑系统内存的限制，时间还会更长)。可以看到在现有的技术条件下按照医学CT的思路去设计高分辨率大型工业CT系统将遇到很大的困难。

本发明的目的是提出一种用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法，使用该检查方法可以大幅度缩短对大型高能工业CT系统所要处理的高分辨率断层图像进行重建及检查的时间，实现在线实时检测，同时还可以减少运算过程中系统硬件资源的开销。由于方案设汁结合了对工业CT特点的深入分析，使用该方法既能满足系统性能(密度分辨率、空间分辨率等等)的要求，又易于实现，同时还有利于缺陷的快速定位。

本发明提出的用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法，包括以下各步骤：

1．对被检测工件进行数字射线成像检测，得到被测工件的透视图像；

2．将工件的标准透视图像与上述得到的透视图像进行比较，根据工件的检测要求分析可能存在缺陷的区域：如果根据上述分析能够确定待测断层图像中可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域A(x,y)为待检测断层图像中可能存在缺陷的局部区域，同时定义对该断层图像进行多分辨率检查的最大分辨率等级k_max为1，如果根据上述分析无法确定待测断层图像中可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域A(x,y)为待检测断层图像中的重点检查区域，同时定义对该断层图像进行多分辨率检查的最大分辨率等级k_max为标准值；

3．对上述被测工件进行CT扫描，获得被测工件待检测断层的投影数据，并根据该投影数据重建步骤2中确定的指定区域A(x,y)。重建过程如下：

(1)    计算投影角为零时的反投影权重表和投影地址表；

(2)    将待重建区域A(x,y)转化为极坐标系下的表达形式，并清零；

(3)    取投影角的初值为0；

(4)    对该投影角下的投影数据进行加权处理；

(5)    对加权投影作卷积计算；

(6)    将上述结果按反投影权重累加到对应的像素上；

(7)    取下一个投影角；

(8)    如果投影角小于2π，转到步骤(4)；

(9)    对累加得到的图像进行归一化处理；

(10)   将归一化处理后的图像转化到直角坐标系下；

4．显示上述步骤3中重建出的指定区域A(x,y)的图像，然后检查该图像，判断被测工件的局部区域缺陷及缺陷的严重程度；

5．根据上述步骤3获得的被测工件的CT扫描投影数据，对上述被测工件的待测断层进行多分晰率重建检查，以检查被测工件待测断层的缺陷，具体过程如下：

(1)设置当前的分辨率等级k为0，设定下一步需要重建的区域为待测断层图像的低分辨率图像R₀(x,y)；

(2)重建上述设定的重建区域；

(3)合成待测断层图像的第k级分辨率图像R_k(x,y)：如果当前的分辨率等级k等于0,R_k(x,y)就是步骤2得到的重建图像；如果当前的分辨率等级k大于0,则把上面得到的指定区域图像与待测断层图像的第k-1级分辨率图像R_k-1(x,y)合成第k级分辨率图像R_k(x,y)；

(4)显示上面得到的第k级分辨率图像，以判断上述被测工件待测断层的缺陷及缺陷的严重程度；

(5)如果分辨率等级k还没有达到预设的最高等级k_max，并且通过分析上述显示的第k级分辨率图像无法确定可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域为待测断层图像的更高一级分辨率图像即R_k+1(x,y)-R_k(x,y)，同时令分辨率等级k=k+1；然后跳回到步骤(2)继续执行；

如果分辨率等级k还没有达到预设的最高等级k_max，并且通过分析上述显示的第k级分辨率图像已经能够确定待测断层中可能存在缺陷的区域，则重建可能存在缺陷的局部区域，然后检查该局部图像，判断被测工件该局部区域的缺陷及缺陷的严重程度。

本发明提出的用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法，具有以下优点：

1、可以在满足系统性能(密度分辨率、空间分辨率等等)的前提下大幅缩短重建及检查时间，基本上满足在线实时检测的需要。

2、减少运算过程中系统硬件资源的开销。

3、有利于缺陷的快速定位。

附图说明：

图1为本发明所采用的扇形束旋转扫描示意图。

图中1是X射线源，2是被测工件的带检测断层，3是探测器阵列。

图2为高分辨率工业CT系统图像重建几何结构的示意图。

图3为整个重建检查过程的流程图。

图4为重建指定区域断层图像的流程图。

图5为对工件的待测断层图像进行多分辨率重建检查的流程图。

下面结合附图详细介绍本发明的内容。

本发明提出的适用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法，包括以下各步骤：

1．对被检测工件进行数字射线成像(DR)检测，得到被测工件的透视图像T(x,y)；

2．比较上述得到的透视图像T(x,y)和工件的标准透视图像，根据工件的检测要求分析可能存在缺陷的区域：

如果根据上述分析能够确定待测断层图像中可能存在缺陷的区域为S(x,y)∈{x,y:x_min＜x＜x_max,y_min＜y＜y_max}，则设置下一步需要重建的区域A(x,y)为待检测断层图像中可能存在缺陷的局部区域S(x,y)，同时定义对该断层图像进行多分辨率检查的最大分辨率等级k_max为1；

如果根据上述分析无法确定待测断层图像中可能存在缺陷的区域，则设置下步需要重建的区域A(x,y)为待检测断层图像中的重点检查区域E(x,y)∈{x,y:x_min＜x＜x_max,y_min＜y＜y_max}，同时定义对该断层图像进行多分辨率检查的最大分辨率等级k_max为标准值。

3．对上述被测工件进行CT扫描，获得被测工件待检测断层的投影数据，并根据该投影数据重建步骤2中确定的指定区域A(x,y)。下面详细说明重建局部图像的具体方法：

大型高能高分辨率工业CT检测系统由以下六个分系统组成：加速器分系统，它可以受控产生高能X射线脉冲；扫描装置分系统，它能承载着被检物体按一定的扫描运动方式通过X射线束流区；探测器分系统，它把透过被检物体的X射线脉冲转化成电信号，并送到数据获取分系统；数据获取分系统，它同步地把探测器分系统送来的电信号转换成投影数据，并送到运行检查分系统；扫描控制分系统，它负责被检物体扫描过程的控制和辐射防护安全联锁；运行检查分系统，它负责整个系统的运行操作和被检物体图像的检查，断层图像重建、图像处理、图像数据的存储与管理均由它完成。

如图1所示，大型高能高分辨率工业CT检测系统采用扇形束旋转扫描方式，单个X射线源面对着足够多的弧形等角间隔排列的探测器，使探测器阵列和光源所张的角包含了整个重建区域。光源-探测器阵列的组合绕着物体旋转，同时采集一组投影数据。

如图2所示，给出了高分辨率工业CT系统图像重建几何结构的示意图，系统采用扇形射线束，N个探测器等角间隔排列，在扫描过程中共取M个投影。在以待测工件旋转中心为原点的直角坐标系中，β是扇束中心射线SO与y轴的夹角，δ是投影射线与扇束中心射线SO的夹角，s_β(δ)表示扇束投影，D是射线源到旋转中心O的距离。待重建的像素点C在直角坐标系中的坐标为(x,y)，在极坐标中为(r,φ),δ′是射线SC与SO的夹角，射线源到待重建的像素点C的距离为L。同时把对应于像素点C的1/L²称为反投影权重，δ′称为投影地址，W(r,φ),A(r,φ)分别是投影角β为零时的反投影权重和投影地址，可以用以下公式计算。 $1/L^2=\frac{1}{{(D+r\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\φ}))}^2+{\left(r\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\φ})\right)}^2}$ ${\mathrm{\δ}}^{\′}=\mathrm{arctg}\frac{r\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\φ})}{D+r\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\φ})}$

(1)计算投影角β为零时的反投影权重表W(r,φ)和投影地址表A(r,φ)；

(2)将待重建区域A(x,y)转化为极坐标系下的表达形式f(r,φ)，并清零；

(3)取投影角β的初值为0；

(4)对该投影角下的投影数据 进行加权处理，得到经过加权的扇束投影 $s_{{\mathrm{\β}}_1}^{\′}\left(\mathrm{\δ}\right)=s_{{\mathrm{\β}}_1}\left(\mathrm{\δ}\right)\left(D\cos \mathrm{\δ}\right);$

(5)对加权投影作卷积计算得到反投影数据 $Q({\mathrm{\δ}}^{\′},{\mathrm{\β}}_1)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_{{\mathrm{\β}}_1}^{\′}\left(\mathrm{k\δ}\right)h^{\′}({\mathrm{\δ}}^{\′}-\mathrm{k\δ}),$ 采用的卷积核为 $h^{\′}\left(t\right)={\left(\frac{1}{\sin t}\right)}^2{\∫}_{-\∞}^{\∞}\left|\mathrm{\ω}\right|\exp \left(j2\mathrm{\π\ωt}\right)\mathrm{d\ω};$

(6)将上述反投影数据Q(δ′,β_i)按反投影权重累加到对应的像素上，即：f(r,φ)=f(r,φ)+W(r,β_i-φ)Q(A(r,β_i-φ),β_i)

(7)取下一个投影角β=β+2π/M；

(8)如果投影角β小于2π，转到步骤(4)；

(9)对累加得到的图像进行归一化处理，即 $f(r,\mathrm{\φ})=\frac{2\mathrm{\π}}{M}f(r,\mathrm{\φ});$

(10)将归一化处理后的图像f(r,φ)转化到直角坐标系下，即为要求的的A(x,y)。

4．显示上述步骤3中重建出的指定区域A(x,y)的图像，然后检查该图像，判断被测工件该局部区域的缺陷及缺陷的严重程度。

5．根据上述步骤3获得的被测工件的CT扫描投影数据，对上述被测工件的待测断层进行多分辨率重建检查，具体过程如下：

(1)设置当前的分辨率等级k为0，设定下一步需要重建的区域为待测断层图像的低分辨率图像R₀(x,y)；

这里R_k(x,y)∈{x,y:(x mod resolution[k])=0,(y mod resolution[k])=0}为第k级低分辨率图像，其中k=0,1…k_max是分辨率等级，resolution[k]表明分辨率大小。对于高分辨率工业CT来说，典型的取值为k_max=5,resolution[k]={15,10,8,4,2}；

(2)重建上述设定的重建区域，具体方法参见步骤3；

(3)合成待测断层图像的第k级分辨率图像R_k(x,y)：如果当前的分辨率等级k等于0,R_k(x,y)就是步骤2得到的重建图像；如果当前的分辨率等级k大于0，则把上面得到的指定区域图像与待测断层图像的第k-1级分辨率图像R_k-1(x,y)合成第k级分辨率图像R_k(x,y)；

(4)显示上面得到的第k级分辨率图像，并进行检查，以判断上述被测工件待测断层的缺陷及缺陷的严重程度。

(5)如果分晰率等级k还没有达到预设的最高等级k_max，并且通过分析上述显示的第k级分辨率图像无法确定可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域为待测断层图像的更高一级分辨率图像即R_k-1(x,y)-R_k(x,y)，同时令分辨率等级增加一级，即k=k+1；然后跳回到步骤(2)继续执行。

如果分辨率等级k还没有达到预设的最高等级k_max，并且通过分析上述显示的第k级分辨率图像已经能够确定待测断层中可能存在缺陷的区域为S(x,y)∈{x,y:x_min＜x＜x_max,y_nin＜y＜y_max}，则按照步骤3的方法重建可能存在缺陷的局部区域S(x,y)，然后检查该局部图像，判断被测工件该局部区域的缺陷及缺陷的严重程度。

Claims (1)

1、本发明提出的用于检查大型工件缺陷的断层实时重建检查方法，包括以下各步骤：

1．)对被检测工件进行数字射线成像检测，得到被测工件的透视图像；

2．)将工件的标准透视图像与上述得到的透视图像进行比较，根据工件的检测要求分析可能存在缺陷的区域：如果根据上述分析能够确定待测断层图像中可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域A(x,y)为待检测断层图像中可能存在缺陷的局部区域，同时定义对该断层图像进行多分辨率检查的最大分辨率等级k_max为1，如果根据上述分析无法确定待测断层图像中可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域A(x,y)为待检测断层图像中的重点检查区域，同时定义对该断层图像进行多分辨率检查的最大分辨率等级k_max为标准值；

3．)对上述被测工件进行CT扫描，获得被测工件待检测断层的投影数据，并根据该投影数据重建步骤2中确定的指定区域A(x,y)，重建过程如下：

(1)计算投影角为零时的反投影权重表和投影地址表；

(2)将待重建区域A(x,y)转化为极坐标系下的表达形式，并清零；

(3)取投影角的初值为0；

(4)对该投影角下的投影数据进行加权处理；

(5)对加权投影作卷积计算；

(6)将上述结果按反投影权重累加到对应的像素上；

(7)取下一个投影角；

(8)如果投影角小于2π，转到步骤(4)；

(9)对累加得到的图像进行归一化处理；

(10)将归一化处理后的图像转化到直角坐标系下；

4．)显示上述步骤3中重建出的指定区域A(x,y)的，然后检查该图像，判断被测工件的局部区域缺陷及缺陷的严重程度；

5．)根据上述步骤3获得的被测工件的CT扫描投影数据，对上述被测工件的待测断层进行多分辨率重建检查，以检查被测工件待测断层的缺陷，具体过程如下：

(1)设置当前的分辨率等级k为0，设定下一步需要重建的区域为待测断层图像的低分辨率图像R₀(x,y)；

(2)重建上述设定的重建区域；

(3)合成待测断层图像的第k级分辨率图像R_k(x,y)：如果当前的分辨率等级k等于0,R_k(x,y)就是步骤2得到的重建图像；如果当前的分辨率等级k大于0,则把上面得到的指定区域图像与待测断层图像的第k-1级分辨率图像R_k1(x,y)合成第k级分辨率图像R_k(x,y)；

(4)显示上面得到的第k级分辨率图像，以判断上述被测工件待测断层的缺陷及缺陷的严重程度；

(5)如果分辨率等级k还没有达到预设的最高等级kmax，并且通过分析上述显示的第k级分辨率图像无法确定可能存在缺陷的区域，则设置下一步需要重建的区域为待测断层图像的更高一级分辨率图像即R_k+1(x,y)-R_k(x,y)，同时令分辨率等级k=k+1；然后跳回到步骤(2)继续执行；

如果分辨率等级k还没有达到预设的最高等级k_max，并且通过分析上述显示的第k级分辨率图像已经能够确定待测断层中可能存在缺陷的区域，则重建可能存在缺陷的局部区域，然后检查该局部图像，判断被测工件该局部区域的缺陷及缺陷的严重程度。

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