Разработка алгоритмов цифровой обработки данных для радиографических и томографических систем неразрушающего контроля

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4
ГЛАВА 1. СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ РАДИОГРАФИИ И ТОМОГРАФИИ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО
КОНТРОЛЯ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ …………………………………………………………………………….. 11
1.1. Системы цифровой радиографии и томографии для неразрушающего контроля ……………………………. 11
1.2. Цифровая обработка рентгеновских изображений………………………………………………………………………… 15
1.2.1.Введение ……………………………………………………………………………………………………………………………. 15
1.2.2. Общая процедура обработки ……………………………………………………………………………………………… 15
1.2.3. Оцифровка и форматы изображений ………………………………………………………………………………….. 16
1.2.4. Гистограмма изображения …………………………………………………………………………………………………. 17
1.2.5. Lookup-таблица и повышение контраста ……………………………………………………………………………. 17
1.2.6. Удаление фона ………………………………………………………………………………………………………………….. 20
1.2.7. Усреднение кадров…………………………………………………………………………………………………………….. 22
1.2.8. Калибровка изображений по черному, белому и опорному каналу (фону) ……………………………. 22
1.2.9.Геометрические преобразования…………………………………………………………………………………………. 24
1.2.10. Сшивание изображения …………………………………………………………………………………………………… 27
1.2.11. Фильтрация изображений ………………………………………………………………………………………………… 28
1.2.12. Обнаружение крёв …………………………………………………………………………………………………………… 32
1.2.13. Сегментация ……………………………………………………………………………………………………………………. 34
1.2.14. Изображение дуальной энергии ……………………………………………………………………………………….. 37
1.3. Методы обработки данных в томографических системах неразрушающего контроля для небольшого
числа рентгеновских проекций ………………………………………………………………………………………………………….. 41
1.4. Выводы по главе 1 ………………………………………………………………………………………………………………………. 44
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СШИВКИ ЦИФРОВОГО ПАНОРАМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
СВАРНОГО ШВА ИЗ ОТДЕЛЬНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ СНИМКОВ ………………………………………………………. 46
2.1. Постановка задачи радиографии сварного шва …………………………………………………………………………….. 46
2.2. Алгоритм автоматической сшивки панорамного изображения………………………………………………………. 46
2.3. Алгоритм ……………………………………………………………………………………………………………………………………. 48
2.3.1. Определение угла поворота кадра………………………………………………………………………………………. 48
2.3.2. Выравнивание яркости кадров …………………………………………………………………………………………… 50
2.3.3. Попиксельное совмещение кадров …………………………………………………………………………………….. 52
2.3.4. Альфа смешивание яркости в области перекрытия……………………………………………………………… 54
2.4. Результаты численных расчетов…………………………………………………………………………………………………… 55
2.5. Выводы по главе 2 ………………………………………………………………………………………………………………………. 57
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ РЕКОНСТРУКЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ С НЕБОЛЬШИМ ЧИСЛОМ ПРОЕКЦИЙ … 59
3.1. Постановка задачи рентгеновской томографии …………………………………………………………………………….. 59
3.2. Алгоритмы томографической реконструкции ………………………………………………………………………………. 61
3.3. Алгоритм адаптивной итерационной реконструкции на основе синограмм для небольшого числа
рентгеновских проекций ……………………………………………………………………………………………………………………. 62
3.3.1. Адаптивная итерационная реконструкция ………………………………………………………………………….. 64
3.3.2. Результаты, полученные с помощью предлагаемой адаптивной итерационной реконструкции69
3.3.3. Оптимизации…………………………………………………………………………………………………………………….. 72
3.4. Алгоритм быстрой коррекции аналитической реконструкции для небольшого числа рентгеновских
проекций ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 74
3.4.1. Фильтрованная обратная проекция…………………………………………………………………………………….. 76
3.4.2. Рандомизированная итерационная реконструкция ……………………………………………………………… 77
3.4.3. Результаты коррекции ……………………………………………………………………………………………………….. 82
3.4.4. Тестирование рандомизированной итерационной реконструкции ……………………………………….. 84
3.4.5. Генерация непересекающихся рентгеновских лучей …………………………………………………………… 84
3.5. Выводы по главе 3 ………………………………………………………………………………………………………………………. 85
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ……………………………………………………………………………………………. 87
4.1. Постановка задачи контроля стальных отливок большой толщины ………………………………………………. 87
4.2. Экспериментальная установка – инспекционно-досмотровый комплекс ……………………………………….. 88
4.3. Результаты по радиографии …………………………………………………………………………………………………………. 91
4.4. Анализ экспериментальных результатов………………………………………………………………………………………. 99
4.5. Выводы по главе 4 …………………………………………………………………………………………………………………….. 104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 105
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ …………………………………………………………………… 107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………………………………………………… 108
ПРИЛОЖЕНИЕ А. «АЛГОРИТМ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ
ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ СРЕДНЕАРИФМЕТИЧЕСКОГО СРЕДНЕГО В ФИЛЬТРАХ
СКОЛЬЗЯЩЕГО ОКНА»………………………………………………………………………………………………………………………… 128
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. «АЛГОРИТМ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРИЖЕНИЯ ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ
ФОНА И ПОДЧЕРКИВАНИЯ ДЕФЕКТОВ» …………………………………………………………………………………………… 129
ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТ ВНЕДРЕНИЯ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ТПУ …………………………………………………….. 130
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. АКТ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС ………………………………………… 131

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан алгоритм автоматического создания цифрового панорамного

изображения сварного шва. Алгоритм выравнивает ориентацию и фон каждого

кадра, а затем попиксельно совмещает соседние кадры, минимизируя

среднеквадратичную невязку яркости в области перекрытия кадров. Алгоритм

реализован на языке С++ в виде DLL (динамически линкуемой библиотеки) для

программы управления автоматизированным мобильным дефектоскопом АМД

производства ОАО «ТЭМЗ» (г. Томск).

2. Разработан алгоритм адаптивной итерационной реконструкции на основе

синограмм для небольшого числа рентгеновских проекций. Предложенный

адаптивный итерационный алгоритм реконструкции дает потенциальное

уменьшение числа проекций на 50% при времени реконструкции, сопоставимом с

алгоритмом SAFIRE.

3. Разработан алгоритм быстрой коррекции аналитической реконструкции для

небольшого числа рентгеновских проекций, который обеспечивает значительное

улучшение реконструкции по сравнению с результатами, полученными только с

помощью аналитических алгоритмов. Данный алгоритм может использоваться для

ускорения расчетов, так как требует на 35% меньшего количества проекций, для

получения сравнимого качества реконструкции.

4. Проведены эксперименты по исследованию возможностей применения

бетатронов в качестве источника и линейных рентгеновских детекторов различного

типа для контроля крупногабаритных литых изделий. Показано, что энергия
квантов бетатрона МИБ-9 достаточна, чтобы получить сигнал на заданной

радиационной толщине. Однако, при проектировании установки желательно

обеспечить увеличение сигнала в месте наибольшей толщины.

Также показано, что принципиально возможна как радиография, так и

томография таких крупногабаритных изделий. При проектировании установки

необходимо стремиться к увеличению пространственного разрешения получаемых

снимков путем использования максимально возможного числа элементов

детектора.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АМД – автоматизированный мобильный дефектоскоп

КТ – компьютерная томография

МИБ – мобильный импульсный бетатрон

ОК – объект контроля

ОСШ – отношение сигнал/шум

РИ – радиационное изображение

ТПУ – Томский политехнический университет

ФОП – фильтрованная обратная проекция

ЦРиТ – цифровая радиография и томография