數(shù)字射線成像中歸一化信噪比指標(biāo)的分析討論

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(1.中國(guó)工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所 綿陽(yáng) 621900;2.蘭州瑞奇戈德測(cè)控技術(shù)有限公司 蘭州 730010；3.廣東盈泉鋼制品有限公司 清遠(yuǎn) 511538)

數(shù)字射線成像中歸一化信噪比指標(biāo)的分析討論

孫朝明1，孫忠誠(chéng)2，曾祥照3

(1.中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所綿陽(yáng)621900;2.蘭州瑞奇戈德測(cè)控技術(shù)有限公司蘭州730010；3.廣東盈泉鋼制品有限公司清遠(yuǎn)511538)

就數(shù)字射線成像技術(shù)中信噪比的內(nèi)涵、信噪比歸一化的意義、與補(bǔ)償原則的相互關(guān)聯(lián)等問(wèn)題進(jìn)行了分析與探討。膠片照相技術(shù)與數(shù)字射線照相技術(shù)中影像對(duì)比度的形成均為影像探測(cè)器對(duì)主因?qū)Ρ榷鹊某朔e變換，只是因子不同：在采用平板探測(cè)器的數(shù)字射線照相技術(shù)中因子為信噪比，而在膠片照相技術(shù)中則與梯噪比相關(guān)。依據(jù)信噪比參數(shù)可對(duì)工業(yè)射線膠片系統(tǒng)進(jìn)行分類處理，同時(shí)也用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)的分類，而歸一化信噪比指標(biāo)的提出，則將數(shù)字成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)在圖像信噪比測(cè)量方面進(jìn)行了等價(jià)處理。通過(guò)提高信噪比來(lái)補(bǔ)償固有不清晰度的方法似與歸一化信噪比的要求存在某種關(guān)聯(lián)，但應(yīng)注意區(qū)分探測(cè)器的基本空間分辨率指標(biāo)與圖像不清晰度指標(biāo)。而在實(shí)際的射線檢測(cè)中，應(yīng)關(guān)注探測(cè)器的特性及缺陷檢出需求，確定適用的檢測(cè)工藝方法。

數(shù)字射線成像技術(shù)；信噪比；歸一化；對(duì)比度噪聲比；補(bǔ)償原則

相對(duì)于膠片照相技術(shù)而言，數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)具有成像速度快、檢測(cè)效率高、檢測(cè)結(jié)果可用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、檢測(cè)過(guò)程便于自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)等突出優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用于汽車、鍋爐、壓力容器、電力電子等多個(gè)領(lǐng)域，可在一定程度上取代傳統(tǒng)的膠片照相技術(shù)。但數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用推廣的時(shí)間相對(duì)較短，且方法種類[1-3](廣泛地講，數(shù)字射線探測(cè)器包括圖像增強(qiáng)器、閃爍體與CCD組合型、平板探測(cè)器、線陣探測(cè)器、熒光成像板等)較多，技術(shù)更新較快，技術(shù)成熟度還有待提升。

為充分掌握數(shù)字射線成像檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)并進(jìn)行技術(shù)的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了不少研究工作。通過(guò)這些研究，逐步理清了數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)自身的特點(diǎn)，制訂了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范并形成了一定的體系。在歐盟聯(lián)合研究項(xiàng)目“FilmFree”的支持下，德國(guó)聯(lián)邦材料測(cè)試研究所(BAM)的專家進(jìn)行了較為深入的研究與試驗(yàn)分析工作：通過(guò)與膠片照相技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，突顯出數(shù)字射線成像技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)——圖像質(zhì)量更好、缺陷識(shí)別能力更優(yōu)[4]；建立了缺陷可識(shí)別性的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，提出使用信噪比、基本空間分辨率、等效射線衰減系數(shù)等3個(gè)核心參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)與控制[5]；提出了數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)中的3個(gè)補(bǔ)償原則[6-7]。在數(shù)字射線成像技術(shù)規(guī)范方面，美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)體系較為完整，包含基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)、器具標(biāo)準(zhǔn)等[8]。

信噪比是數(shù)字射線成像技術(shù)的核心圖像質(zhì)量指標(biāo)之一，在進(jìn)行數(shù)字射線檢測(cè)成像時(shí)需加以特別關(guān)注。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.11-2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第11部分: X射線數(shù)字成像檢測(cè)》確定了信噪比測(cè)試及歸一化處理的方法，并規(guī)定了多種材料在不同透照厚度時(shí)歸一化信噪比指標(biāo)所需滿足的最低要求；制訂中的數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(無(wú)損檢測(cè) X射線數(shù)字成像檢測(cè)：導(dǎo)則、系統(tǒng)特性、檢測(cè)方法)對(duì)于這一指標(biāo)也進(jìn)行了規(guī)定和要求。但目前來(lái)看，不少檢測(cè)人員就歸一化信噪比指標(biāo)的認(rèn)識(shí)和理解還明顯不夠，存在概念不清晰、認(rèn)知模糊的問(wèn)題。為此，筆者就數(shù)字射線成像技術(shù)中信噪比的內(nèi)涵、信噪比歸一化的意義、與補(bǔ)償原則的相互關(guān)聯(lián)等問(wèn)題進(jìn)行了分析與探討。

1 數(shù)字射線成像中信噪比指標(biāo)的分析

1.1信噪比的定義

信噪比指的是信號(hào)與噪聲的比值。ASTM標(biāo)準(zhǔn)[2,9-11]中將信噪比定義為某量值的平均值(信號(hào))與量值標(biāo)準(zhǔn)差(噪聲)的比值；ISO17363-2Non-destructiveTestingofWelds-RadiographicTesting-Part2:x-andGamma-RayTechniqueswithDigitalDetectors中將量值明確為圖像灰度值，且圖像灰度值與探測(cè)器所受的曝光量成正比關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013中將信噪比術(shù)語(yǔ)定義為“圖像感興趣區(qū)域的信號(hào)平均值與信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差之比”；不過(guò)，筆者感覺(jué)這一定義不夠完善，沒(méi)有解釋清楚何為信號(hào)、何為噪聲。

信噪比通常寫作SNR，可用下式表示。

式中：S為信號(hào)，為平均量值；而N為噪聲，為量值的標(biāo)準(zhǔn)差σ。

具體到數(shù)字射線圖像，在進(jìn)行信噪比評(píng)估時(shí)可選取包含有n個(gè)像素點(diǎn)的某一測(cè)量區(qū)域(如20像素×55像素的矩形評(píng)定區(qū))，依據(jù)每一像素點(diǎn)的灰度值GVi，統(tǒng)計(jì)可得：

在數(shù)字射線成像檢測(cè)中，信噪比指標(biāo)具有重要的意義，它與射線檢測(cè)時(shí)的像質(zhì)計(jì)靈敏度密切相關(guān)。如ASTM E 2698StandardPracticeforRadiologicalExaminationUsingDigitalDetectorArrays所指出的，若在檢測(cè)中像質(zhì)計(jì)靈敏度不能滿足檢測(cè)要求，則需要提高信噪比，之后再測(cè)試像質(zhì)計(jì)靈敏度直到滿足要求為止。

1.2信噪比的影響因素

目前，數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)的主流應(yīng)用是基于平板探測(cè)器的檢測(cè)方式。在給定射線輻射量的情況下，平板射線探測(cè)器的響應(yīng)輸出可視為信號(hào)；在相同射線輻射量下，平板射線探測(cè)器響應(yīng)輸出的偏差可視為噪聲。按來(lái)源的不同，噪聲又分為量子噪聲(X射線/光)、電子噪聲(結(jié)構(gòu)噪聲)兩大類。

綜合來(lái)看，影響信號(hào)的因素包括：平板探測(cè)器內(nèi)轉(zhuǎn)換材料的性能、探測(cè)器像元的填充系數(shù)、射線檢測(cè)時(shí)的參數(shù)設(shè)置(包括曝光時(shí)間、幀積分、射線輻射量、源到探測(cè)器的距離等)。影響噪聲的因素包括：平板探測(cè)器內(nèi)轉(zhuǎn)換材料的類型、探測(cè)器的校準(zhǔn)狀態(tài)、射線檢測(cè)時(shí)的參數(shù)設(shè)置(包括像素合并、幀平均、射線散射因素等)。

1.3信噪比與缺陷檢出能力間的關(guān)系

數(shù)字射線成像檢測(cè)中，對(duì)比度噪聲比(CNR)這一指標(biāo)描述了缺陷的檢出能力，用下式表示。

式中：ΔS為信號(hào)的差異，此差異可視為由材料厚度的差異所引起。

CNR指標(biāo)表征了成像系統(tǒng)對(duì)信號(hào)間差異即材料內(nèi)部不連續(xù)的檢出能力。一般認(rèn)為，要使缺陷可識(shí)別，最低的對(duì)比度噪聲比(不應(yīng)與信噪比混淆)需達(dá)到3～5。

缺陷引起的射線強(qiáng)度差異示意如圖1所示，在射線檢測(cè)中，因材料厚度差異所引起的射線強(qiáng)度差異可用下式來(lái)描述。

式中:ΔT為射線透照方向上材料的厚度差異;ΔI為因工件厚度差ΔT所引起的射線強(qiáng)度差值;I為射線透過(guò)檢測(cè)工件后的射線強(qiáng)度;μ為材料的射線線衰減系數(shù);n為散射比。

公式(5)描述了射線檢測(cè)中產(chǎn)生缺陷對(duì)比度的根本原因，而ΔI/I則稱為射線檢測(cè)的主因?qū)Ρ榷取?/p>

圖1 缺陷引起的射線強(qiáng)度差異

對(duì)于通常的數(shù)字射線探測(cè)器而言，其響應(yīng)輸出與射線輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系[15-16]。因此存在：

根據(jù)式(6)可知：

由式(7)可知，數(shù)字射線檢測(cè)中缺陷的檢出能力與主因?qū)Ρ榷群托旁氡鹊某朔e相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 2698中提到在數(shù)字射線成像檢測(cè)中使用提高信噪比方法來(lái)增加像質(zhì)計(jì)的可識(shí)別性，這符合式(7)所描述的物理規(guī)律。應(yīng)該指出的是，采用數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)時(shí)，高的信噪比不一定能夠表征缺陷檢出能力強(qiáng)(尤其是受到較強(qiáng)散射干擾時(shí))；但若要提高缺陷的檢出能力，就需要提高信噪比指標(biāo)。另外，根據(jù)像質(zhì)計(jì)類型的不同，標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 2698提出了射線檢測(cè)所需的最低對(duì)比度噪聲比的限值為2(線型像質(zhì)計(jì))或2.5(孔型像質(zhì)計(jì))。

總的來(lái)看，數(shù)字射線檢測(cè)中的對(duì)比度噪聲比與材料厚度差ΔT、射線線衰減系數(shù)μ、散射因素n和信噪比SNR存在以下關(guān)系：

從式(8)可知，射線檢測(cè)時(shí)射線能量的增高會(huì)引起射線線衰減系數(shù)μ的降低，這給缺陷識(shí)別能力帶來(lái)了不利影響，但可借助于提高信噪比的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這一補(bǔ)償方法在ISO 17636-2中被規(guī)定為數(shù)字射線檢測(cè)的第一個(gè)補(bǔ)償規(guī)則。

2 膠片照相技術(shù)中信噪比的分析

有專家對(duì)數(shù)字射線成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)進(jìn)行過(guò)等價(jià)性研究分析[4,17]。通常在應(yīng)用數(shù)字射線成像方法時(shí)，檢測(cè)人員會(huì)參照膠片照相技術(shù)去進(jìn)行圖像品質(zhì)比對(duì)。

在射線檢測(cè)成像過(guò)程中，以膠片或數(shù)字射線探測(cè)器為著眼點(diǎn)，均是接收射線并形成檢測(cè)結(jié)果的過(guò)程。到達(dá)膠片或數(shù)字射線探測(cè)器前的射線強(qiáng)度差異(主因?qū)Ρ榷?對(duì)于兩種射線檢測(cè)技術(shù)而言，可認(rèn)為是沒(méi)有本質(zhì)差別的；所不同的是膠片與數(shù)字射線探測(cè)器對(duì)射線強(qiáng)度的響應(yīng)特性有所區(qū)別。

急性腎功能損傷（acute kidney injury，AKI）是一類臨床綜合征，多種因素均可能會(huì)造成急性腎功能損傷[1]，很多研究顯示，在急性腎功能損傷的腎臟組織中會(huì)出現(xiàn)氧自由基代謝紊亂的情況，脂質(zhì)氧化物的濃度明顯升高，所以我們認(rèn)為觀察急性腎損傷及藥物對(duì)小鼠體內(nèi)氧化應(yīng)激水平的影響具有重要的臨床意義[2]。

圖2 膠片與數(shù)字射線探測(cè)器的響應(yīng)特性對(duì)比示意

圖2所示為膠片與數(shù)字射線探測(cè)器在接收射線時(shí)的響應(yīng)特性對(duì)比示意[18]。從圖2可知，數(shù)字射線探測(cè)器的響應(yīng)與射線輻照量呈線性關(guān)系，而膠片的響應(yīng)曲線呈現(xiàn)S形(非增感膠片的特性曲線呈現(xiàn)J形，膠片特性曲線可用指數(shù)關(guān)系擬合[19])。就動(dòng)態(tài)范圍而言，數(shù)字射線探測(cè)器遠(yuǎn)優(yōu)于膠片。在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，數(shù)字射線探測(cè)器因射線強(qiáng)度差異ΔI引起的輸出響應(yīng)差值不受射線強(qiáng)度的影響，然而對(duì)膠片而言情況就有所不同——因射線強(qiáng)度差異ΔI引起的輸出響應(yīng)差值則與射線強(qiáng)度I密切相關(guān)。膠片的動(dòng)態(tài)范圍小，對(duì)應(yīng)于不同曝光量差值的響應(yīng)輸出會(huì)有所不同，因此膠片照相技術(shù)對(duì)于曝光量的控制更為嚴(yán)格。

膠片的梯度指標(biāo)是重要的膠片特性參數(shù)，表征了膠片在不同曝光量差值下顯示不同黑度差的固有能力，可用膠片特性曲線上某點(diǎn)切線的斜率表示。膠片的梯度如式(9)表示。

式中：G為膠片的梯度；Δ(log10E)指示曝光量的差異；ΔD為對(duì)應(yīng)曝光量差異所得到的黑度差。

從式(9)，(5)可推導(dǎo)出射線照相技術(shù)中，缺陷所形成的黑度差為：

式(10)為檢測(cè)人員所熟知的射線照相對(duì)比度公式。

式(4)中，將黑度差異作為信號(hào)差異，膠片顆粒度作為噪聲，結(jié)合式(10)，可知膠片照相中的對(duì)比度噪聲比為

式中:σD為膠片的顆粒度。

將式(11)統(tǒng)一為式(8)的形式，可認(rèn)為膠片照相技術(shù)中的信噪比參數(shù)為：

德國(guó)聯(lián)邦材料測(cè)試研究所(BAM)的專家曾指出膠片照相技術(shù)中的黑度指標(biāo)對(duì)應(yīng)于數(shù)字射線成像技術(shù)中的信噪比指標(biāo)[4，6]，但這一說(shuō)法并不很準(zhǔn)確；實(shí)際上，膠片照相技術(shù)中的梯噪比指標(biāo)對(duì)應(yīng)于數(shù)字射線成像技術(shù)中的信噪比指標(biāo)，膠片梯度對(duì)應(yīng)于信號(hào)，膠片的顆粒度對(duì)應(yīng)于噪聲。

從信噪比的角度上來(lái)講，在特性曲線的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，應(yīng)使膠片/數(shù)字射線探測(cè)器的輸出響應(yīng)盡可能得高。如在膠片射線照相技術(shù)中，選取的射線曝光參數(shù)應(yīng)使底片的黑度不小于2.0(A級(jí))、2.3(B級(jí))。

3 信噪比進(jìn)行歸一化處理的分析

3.1依據(jù)信噪比對(duì)工業(yè)射線膠片系統(tǒng)進(jìn)行的分類處理

工業(yè)射線膠片由片基、結(jié)合層、感光乳劑層、保護(hù)層等組成，感光乳劑層中鹵化銀微粒的含量、大小形狀決定了膠片的感光速度。鹵化銀粒度對(duì)膠片特性有重要影響，較大的粒度將會(huì)提高膠片的感光度、信噪比，但同時(shí)會(huì)降低檢測(cè)的分辨率。

早先的膠片分類方法依照膠片粒度和感光速度的不同，將膠片分為微粒、細(xì)粒、中粒、粗?；蚝艿退佟⒌退?、中速、高速等不同類別。新的膠片分類方法則依據(jù)膠片的梯度、顆粒度、梯噪比等4個(gè)特性參數(shù)分為4個(gè)類別[20]，如表1所示。

表1 膠片的分類

通過(guò)膠片的分類，可便于檢測(cè)人員根據(jù)不同的檢測(cè)需求去選用合適的膠片類型。

3.2依據(jù)信噪比對(duì)計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)的分類

如前所述，膠片照相技術(shù)中的梯噪比指標(biāo)對(duì)應(yīng)于數(shù)字射線成像技術(shù)中的信噪比指標(biāo)。因此，按照信噪比指標(biāo)可對(duì)數(shù)字射線成像系統(tǒng)進(jìn)行分類。GB/T 21355《無(wú)損檢測(cè)計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)的分類》中將計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)分為IP s/Y,IP Ⅰ/Y,IP Ⅱ/Y,IP Ⅲ/Y等4類,其最小信噪比分別為130，65，52，43。

將計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)分類的信噪比數(shù)據(jù)與表1的梯噪比數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可知數(shù)據(jù)間存在0.434∶1的關(guān)系。0.434即梯噪比到信噪比的轉(zhuǎn)換系數(shù)如式(12)所述。

3.3信噪比歸一化的分析

應(yīng)注意的是，計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)分類的信噪比指標(biāo)為歸一化的信噪比(或稱為標(biāo)稱化信噪比、規(guī)格化信噪比)。歸一化信噪比按下式計(jì)算。

式中:SR_b[21]為系統(tǒng)基本空間分辨率(單位為μm)。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21355中指出，數(shù)字射線成像技術(shù)獲得的結(jié)果與膠片照相技術(shù)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)不一致的情況[7]，其主要原因在于兩種技術(shù)在空間分辨能力與散射敏感性方面存在差異。在工業(yè)射線膠片中鹵化銀尺寸約在0.5～10 μm范圍內(nèi)，因而膠片照相技術(shù)的空間分辨能力很高；數(shù)字射線成像技術(shù)中探測(cè)單元的尺寸通常大于100 μm，其空間分辨能力較膠片照相技術(shù)明顯要低。

在射線檢測(cè)中，工件中的缺陷可分為體積型缺陷、分散型細(xì)小缺陷、面狀缺陷。體積類缺陷的可檢出性受到射線能量、膠片類型、缺陷大小及散射比等因素的影響，這些因素影響的規(guī)律可用式(10)來(lái)描述；除去影響體積類缺陷可檢出性的那些因素外，分散型細(xì)小缺陷、面狀缺陷的可檢出性還與射線檢測(cè)的不清晰度因素相關(guān)[22]，分別如式(14)，(15)所示。

式(14)中將缺陷近似為直徑為d的球形，式(15)中將缺陷近似為深度為l、寬度為w，與入射射線束角度夾角為θ的窄縫。公式中U為不清晰度，F(xiàn)為常數(shù)。

射線檢測(cè)不清晰度包括幾何不清晰度與固有不清晰度，由于數(shù)字射線探測(cè)器的像元尺寸較大，在固有不清晰度方面與膠片存在較大差別。由此可知，數(shù)字射線成像技術(shù)與膠片成像技術(shù)在體積性缺陷檢出能力方面的差異應(yīng)該不大，而在檢測(cè)分散型細(xì)小缺陷、面狀缺陷時(shí)則會(huì)存在差別。因而在應(yīng)用數(shù)字射線成像技術(shù)時(shí)，需要關(guān)注射線檢測(cè)的不清晰度并加以合理控制。

在相同的射線檢測(cè)條件下，像元尺寸較大的數(shù)字射線探測(cè)器，單個(gè)像元能夠得到更多的射線輻射量，因而信噪比會(huì)更高。但較大像元尺寸會(huì)增加固有不清晰度，從而降低分散型細(xì)小缺陷、面狀缺陷的檢出能力。因此，不能一味追求高的信噪比，而要綜合考慮像元尺寸的影響。

按照式(13)，歸一化信噪比的意義是將數(shù)字射線成像技術(shù)中的信噪比指標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為像元尺寸為88.6 μm時(shí)的信噪比指標(biāo)，轉(zhuǎn)換時(shí)的修正因子系數(shù)為88.6/SR_b；當(dāng)像元尺寸為88.6 μm時(shí)，測(cè)量的信噪比等同于經(jīng)過(guò)歸一化處理后的信噪比。射線檢測(cè)時(shí)單個(gè)像元所接收的輻照量與其面積成正比，因此，像元尺寸為SR_b的射線輻照量與像元尺寸為88.6 μm的輻照量的比值為(SR_b/88.6)的平方；如前所述，探測(cè)器的信噪比與射線輻射量的平方根成正比關(guān)系。因此，像元尺寸為SR_b的信噪比SNR與像元尺寸為88.6 μm的信噪比SNR_N的比值為(SR_b/88.6)，即：

測(cè)量信噪比轉(zhuǎn)換為歸一化信噪比時(shí)的修正因子系數(shù)為88.6/SR_b。之所以采用88.6 μm,在于將圓形像元轉(zhuǎn)化為正方形的像元——直徑100 μm的圓形像元與邊長(zhǎng)88.6 μm的方形像元在面積上是相同的。之所以采用直徑100 μm的圓形像元作為轉(zhuǎn)換，在于測(cè)量膠片的顆粒度指標(biāo)σD時(shí)，顯微光密度計(jì)的測(cè)量孔為直徑100 μm的圓。從這個(gè)意義上說(shuō)，歸一化信噪比指標(biāo)將數(shù)字成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)在圖像信噪比測(cè)量方面進(jìn)行了等價(jià)處理。

3.4探測(cè)器性能的比較

信噪比經(jīng)歸一化處理后，可在同一基準(zhǔn)下，對(duì)數(shù)字射線成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)進(jìn)行圖像質(zhì)量的比對(duì)分析。

對(duì)于膠片照相技術(shù)、計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)而言，檢測(cè)時(shí)可達(dá)到的信噪比受制于結(jié)構(gòu)噪聲。相較而言，采用平板陣列探測(cè)器的數(shù)字射線成像技術(shù)，經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)后，結(jié)構(gòu)噪聲可以很大程度上得到抑制，從而達(dá)到很高的信噪比；如果采用多幅圖像平均的處理方式，可達(dá)到更高的信噪比。通過(guò)歸一化信噪比指標(biāo)，BAM專家對(duì)膠片、IP成像板、平板探測(cè)器進(jìn)行了性能對(duì)比[14]，凸顯出平板陣列探測(cè)器(基本空間分辨率為50 μm)在信噪比方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

4 圖像不清晰度補(bǔ)償技術(shù)的討論

4.1圖像不清晰度的補(bǔ)償方法

目前，數(shù)字射線探測(cè)器的主要劣勢(shì)在于固有不清晰度值較大，從而影響到數(shù)字射線成像技術(shù)的應(yīng)用，BAM的專家則通過(guò)研究指出了相應(yīng)的補(bǔ)償辦法[5]。ISO 17636和NB/T 47013中有相應(yīng)的規(guī)定：探測(cè)器不清晰度值大，可通過(guò)提高信噪比補(bǔ)償——如果圖像質(zhì)量不能達(dá)到W14和D11，則可用W15和D10的圖像質(zhì)量來(lái)代替。

4.2補(bǔ)償原則的理解

有專家在分析這一補(bǔ)償原則[7]時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)圖像的不清晰度與對(duì)比度存在相互關(guān)系，如下式所述。

式中:CNR_0為不清晰度為0時(shí)的細(xì)節(jié)圖像的對(duì)比度;w為細(xì)節(jié)圖像的寬度;U為檢測(cè)圖像的不清晰度。

但筆者認(rèn)為，式(17)的合理性還有待確認(rèn)。

從式(14)，(15)來(lái)看，通過(guò)提高膠片梯度(信噪比)的方式，可彌補(bǔ)不清晰度所帶來(lái)的對(duì)缺陷識(shí)別的不利影響，不過(guò)信噪比與不清晰度并不存在嚴(yán)格的比例關(guān)系。

從線型像質(zhì)計(jì)和雙線型像質(zhì)計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)看，相鄰編號(hào)的線徑均滿足1.2589倍的關(guān)系。因此，從這一理解來(lái)看，圖像不清晰度的補(bǔ)償原則似與按式(13)要求歸一化信噪比為一定數(shù)值的意義相符。從探測(cè)像元感光的角度上講，式(13)所描述的信噪比等價(jià)轉(zhuǎn)換是準(zhǔn)確可信的。不過(guò)，在實(shí)際射線檢測(cè)中，雙線型像質(zhì)計(jì)是放在工件位置的，測(cè)量得到的相應(yīng)結(jié)果是圖像不清晰度，這與探測(cè)器的基本空間分辨率指標(biāo)并不是一個(gè)概念；因此如果將圖像不清晰度指標(biāo)替換為探測(cè)器的基本空間分辨率指標(biāo)，再經(jīng)式(13)進(jìn)行歸一化后并要求數(shù)值不改變，該處理方法的合理性是值得商榷的。

4.3缺陷識(shí)別的影響因素分析

在射線檢測(cè)中，工件中的材料厚度差異能否被識(shí)別出來(lái)，與兩個(gè)因素相關(guān)[23]——對(duì)比度噪聲比、缺陷的直徑，可下式表示。

式中:d為圓形缺陷的直徑。

類似地，針對(duì)孔型像質(zhì)計(jì)的識(shí)別性[5]，BAM的專家給出如下公式。

式中:dvisible為圖像中可以識(shí)別到的孔型像質(zhì)計(jì)的孔徑;PT為檢測(cè)的感知閾值限。

考慮到圖像采樣過(guò)程，進(jìn)一步得到：

與式(14),(15)不同，式(20)中沒(méi)有考慮投影不清晰度的因素，只是分析了圖像采樣時(shí)的像素大小因素。

對(duì)比式(18),(19)可以看到公式表達(dá)的意義基本一致，但對(duì)比式(19),(20)則發(fā)現(xiàn)存在問(wèn)題。一定尺寸的像質(zhì)計(jì)孔徑表現(xiàn)在數(shù)字圖像上，為相應(yīng)的像素集合，而每一像素所代表的幾何尺寸，則由圖像的分辨率決定。對(duì)于數(shù)字射線成像檢測(cè)技術(shù)而言，探測(cè)器的像素間距偏大導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的分辨率偏低，但可以借助于投影放大技術(shù)來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。如果投影放大的倍數(shù)為M，探測(cè)器固有像素大小為SR_b，則檢測(cè)圖像中像素的大小為SR_b/M，由此檢測(cè)的分辨能力得以提高，原先像質(zhì)計(jì)孔只占少量像素，采用投影放大后則占有更多像素面積。而在實(shí)際的射線檢測(cè)中，雙線型像質(zhì)計(jì)放在工件側(cè)，測(cè)量得到的圖像基本空間分辨率SR_image_b受到射線源焦點(diǎn)尺寸的影響，SR_image_b與式(20)中圖像像素為SR_b/M的要求并不相符。

在歸一化信噪比的計(jì)算公式(13)中，視探測(cè)器基本空間分辨率指標(biāo)為圖像不清晰度指標(biāo)，然后要求歸一化信噪比為一定數(shù)值，似乎符合補(bǔ)償原則的闡述。但這一處理方式是不合理的，它與信噪比受制于感光像元面積的規(guī)律不符，也與缺陷經(jīng)探測(cè)器采樣形成像素集合的實(shí)際不符。信噪比或者對(duì)比度噪聲比進(jìn)行歸一化處理時(shí)，應(yīng)著眼于探測(cè)器的實(shí)際感光像元的尺寸變化；或者考慮，在進(jìn)行圖像的基本空間分辨率測(cè)試時(shí)，應(yīng)該明確排除幾何不清晰度的影響。

4.4討論

BAM的專家曾給出試驗(yàn)結(jié)果，表明通過(guò)提高信噪比的方法可使數(shù)字射線成像技術(shù)的檢測(cè)能力達(dá)到亞像素精度；但試驗(yàn)結(jié)果圖像只是基于對(duì)單個(gè)條形物體(線型像質(zhì)計(jì))的對(duì)比度分析，并不能因此說(shuō)明對(duì)檢測(cè)物體均能夠適用，這一結(jié)論應(yīng)有更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)包含分散型細(xì)小缺陷、面狀缺陷、成組缺陷的驗(yàn)證結(jié)果。此外，在對(duì)信噪比進(jìn)行歸一化處理時(shí)，一定要區(qū)分探測(cè)器的基本空間分辨率與圖像基本空間分辨率的不同，否則會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的推論。

筆者認(rèn)為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)靈敏度補(bǔ)償不清晰度的方法在應(yīng)用時(shí)受到多個(gè)因素的限制，應(yīng)慎重處理。如在透照放大倍數(shù)為1、探測(cè)器固有不清晰度大于點(diǎn)狀缺陷尺寸時(shí)，通過(guò)提高信噪比的方法很難達(dá)到好的缺陷識(shí)別效果。這里，一個(gè)常識(shí)就是低分辨率的顯示設(shè)備，無(wú)論如何增加信噪比都很難看到更多細(xì)節(jié)。另外，從圖像處理的角度上來(lái)說(shuō)，圖像不清晰的形成原因可認(rèn)為是系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與理想輸入信號(hào)的卷積結(jié)果。因此，提高對(duì)比度靈敏度的補(bǔ)償方式可能對(duì)于部分信號(hào)有一定增強(qiáng)效果，但對(duì)于已產(chǎn)生混疊效應(yīng)的采樣信號(hào)而言可能是無(wú)效的，而建立圖像退化模型再進(jìn)行反濾波處理則可能解決這一問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 數(shù)字射線成像技術(shù)中信噪比參數(shù)是一個(gè)重要的指標(biāo)，應(yīng)在實(shí)際檢測(cè)時(shí)給予充分重視。經(jīng)理論分析可知，通常情況下，數(shù)字射線成像技術(shù)中缺陷的可識(shí)別性與信噪比參數(shù)密切相關(guān)；因此，數(shù)字射線成像技術(shù)中可以使用提高信噪比的方法，來(lái)補(bǔ)償射線能量增高帶來(lái)的不利影響。實(shí)際射線檢測(cè)中的信噪比參數(shù)可能受到散射等因素的影響，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為圖像中高的信噪比就代表缺陷檢出能力高；不過(guò)，高靈敏度的缺陷檢出需要高的信噪比。

(2) 分析可知，膠片與數(shù)字射線探測(cè)器的響應(yīng)特性對(duì)射線檢測(cè)結(jié)果具有重要影響。膠片照相技術(shù)與數(shù)字射線照相技術(shù)中影像對(duì)比度的形成均為影像探測(cè)器對(duì)主因?qū)Ρ榷鹊某朔e變換，只是因子不同。在采用平板探測(cè)器的數(shù)字射線照相技術(shù)中因子為信噪比，而在膠片照相技術(shù)中則與梯噪比相關(guān)。

(3) 依據(jù)信噪比參數(shù)可對(duì)工業(yè)射線膠片系統(tǒng)進(jìn)行分類處理，可便于檢測(cè)人員根據(jù)不同的檢測(cè)需求選用合適的膠片類型。信噪比參數(shù)同時(shí)也用于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)射線照相系統(tǒng)的分類。而歸一化信噪比指標(biāo)的提出，則將數(shù)字成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)在圖像信噪比測(cè)量方面進(jìn)行了等價(jià)處理。

(4) 目前，數(shù)字射線探測(cè)器的主要劣勢(shì)在于固有不清晰度值較大，從而影響到數(shù)字射線成像技術(shù)的應(yīng)用。為此，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了通過(guò)提高信噪比的方法來(lái)補(bǔ)償探測(cè)器不清晰度的不利影響。這一補(bǔ)償原則似與歸一化信噪比的要求存在某種關(guān)聯(lián)，但應(yīng)注意探測(cè)器的基本空間分辨率指標(biāo)與圖像不清晰度指標(biāo)并不相同。同時(shí)，這種補(bǔ)償方法在應(yīng)用時(shí)受到多個(gè)因素的限制，應(yīng)慎重處理。

(5) 對(duì)比分析可知，數(shù)字射線成像技術(shù)與膠片照相技術(shù)在探測(cè)器響應(yīng)特性及固有不清晰度方面存在不同，這是兩種檢測(cè)結(jié)果或許存在差異的根本原因。對(duì)于射線檢測(cè)中的體積型缺陷，兩種技術(shù)在缺陷檢出能力方面的差異可能不大；而對(duì)于分散型細(xì)小缺陷、面狀缺陷則應(yīng)關(guān)注不清晰度的影響。因此，在實(shí)際的射線檢測(cè)中，應(yīng)熟知檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，根據(jù)缺陷檢出需求，確定適用的檢測(cè)工藝方法。

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AnalysisandDiscussiononNormalizedSignal-to-NoiseRatioinDigitalRadiography

SUNChaoming1,SUNZhongcheng2,ZENGXiangzhao3

(1.InstituteofMachineryManufacturingTechnology,ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China；2.LanzhouRich-GoldenTestandControlTechnologyCo.,Ltd.,Lanzhou730010,China;3.GuangdongYingquanSteelProductsCo.,Ltd.,Qingyuan511538,China)

Some problems were analyzed and discussed, which include the meaning of SNR in DR and the purpose of normalization of signal-to-noise ratio (SNR) and the relationship between SNR and compensation principles (CP). Contrast in the testing result of film radiography and DR is both the product of a certain factor and the main subject contrast, and the factor in DR using flat panel detector is SNR, while that in film radiography is related with gradient-to-noise ratio. Film system in radiography testing can be classified according to the SNR parameters (gradient-to-noise ratio), and computed radiography (CR) system can be classified by SNR parameter likewise. With the help of normalized SNR, the image quality in DR and film radiography can be measured and evaluated equivalently. DR technique suffers from inherent detector unsharpness at present, but the unsharpness can be compensated by increased SNR, which is called CP II. This compensation principle seems to have relation with requirement of normalized SNR, but we should know that basic spatial resolution of a digital detector and the measured unsharpness in the testing is different. In the practical testing, we should know the properties of the detector used and the requirement of detection of certain flaws thus ensuring that applicable process is adopted consequently.

digital radiography; signal-to-noise ratio; normalization; contrast-to-noise ratio; compensation principles

TG115.28

A

1000-6656(2017)10-0042-07

2017-03-02

孫朝明(1977-),男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)工作

孫朝明,chm_sun@sohu.com

10.11973/wsjc201710010