專利名稱：工業(yè)x射線底片的高分辨觀測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種工業(yè)X射線底片的高分辨觀測(cè)裝置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)焊縫檢測(cè) X射線底片的數(shù)字化處理。
背景技術(shù)：
自從X射線檢測(cè)技術(shù)出現(xiàn)以來，X射線檢測(cè)數(shù)字化技術(shù)就一直受到關(guān)注。隨著傳統(tǒng) 裝備制造業(yè)向信息化，智能化的提升與發(fā)展，提出了對(duì)工業(yè)X射線底片的數(shù)字化圖像獲取， 存儲(chǔ)管理及其自動(dòng)化評(píng)定的需求，其中，作為信息化的第一步，實(shí)現(xiàn)X射線底片的無損(不 丟失評(píng)定信息，無失真)、長期、有效的保存、傳輸和管理，對(duì)X射線底片數(shù)字化圖像獲取及 缺陷信息的自動(dòng)獲取技術(shù)的研究顯得尤為緊迫。已往的X射線底片數(shù)字化方法有以下一些形式一是采用基于制式攝像機(jī)對(duì)X射 線底片掃描采集將其轉(zhuǎn)換為全電視視頻信號(hào)進(jìn)入圖像采集卡，經(jīng)過圖像采集卡量化為一幀 數(shù)字圖像，并將結(jié)果存放在幀存儲(chǔ)器中，其中圖像采集卡由一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，輸入輸出查找 表LUT和兩個(gè)512X512象素的幀存儲(chǔ)器組成。在進(jìn)行圖像處理的同時(shí)，該系統(tǒng)同時(shí)可以進(jìn) 行圖像的顯示。由于基于幀頻的圖像采集系統(tǒng)需要針對(duì)幀存進(jìn)行“讀”和“寫”操作，速度受 到很大的限制，而且圖像的質(zhì)量比較差。較多的研究主要集中在后繼的圖像處理方面。從 已獲取的圖像信息來看，由于分辨率較低，底片上大量的細(xì)微缺陷，如微小裂紋，都在數(shù)字 化的過程中丟失了。大多數(shù)底片數(shù)字化系統(tǒng)研究的采像鏡頭，都采用普通的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，在光 學(xué)成像過程中，物距，像距，焦距均不可變，導(dǎo)致了成像放大倍率不可調(diào)節(jié)，也使得整個(gè)系統(tǒng) 無法實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。整個(gè)數(shù)字化的過程中，調(diào)焦，對(duì)焦等操作均由人為控制，也難免帶 來一些不必要的誤差。近年來，采用線陣相機(jī)和線性光源實(shí)現(xiàn)的底片數(shù)字化掃描方案已得到應(yīng)用，主要 是針對(duì)底片缺陷信息較為明顯的細(xì)長底片所研制的。在底片掃描過程中，掃描的分辨率，掃 描的動(dòng)態(tài)范圍的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)都受到限制。針對(duì)一些密度大，動(dòng)態(tài)范圍大，以及一些有局部微小 信息的X射線工業(yè)底片，很難實(shí)現(xiàn)獲取細(xì)節(jié)圖像信息。因此，需要一種專門針對(duì)X射線工業(yè)底片實(shí)現(xiàn)局部信息細(xì)節(jié)觀察的數(shù)字化系統(tǒng)。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種操作者可以通過計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng) 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底片采像的縮放并能自動(dòng)對(duì)焦的工業(yè)X射線底片的數(shù)字化裝置，以觀察底片 的局部細(xì)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取了如下技術(shù)方案工業(yè)X射線底片的高分辨 觀測(cè)裝置，包括光源、鏡頭、與鏡頭相連的工業(yè)數(shù)碼攝像頭、與數(shù)碼攝像頭連接的計(jì)算機(jī)。該 裝置還包括位于光源前面的可放置工業(yè)X射線底片的聚光罩、能使數(shù)碼攝像頭移動(dòng)的移動(dòng) 機(jī)構(gòu)、能夠?qū)︾R頭調(diào)焦的對(duì)焦機(jī)構(gòu)、在計(jì)算機(jī)控制下可驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和對(duì)焦機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電 機(jī)控制器。其中，所述聚光罩由漫反射透光板或菲涅爾透鏡及框架構(gòu)成；移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括可安
3置數(shù)碼攝像頭的升降滑塊、與升降滑塊通過絲杠連接的平移臺(tái)、帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī); 所述對(duì)焦機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)通過對(duì)焦齒輪組合帶動(dòng)鏡頭調(diào)焦；所述步進(jìn)電機(jī)控制器與步進(jìn)電 機(jī)及計(jì)算機(jī)連接；另外，所述計(jì)算機(jī)含有清晰度判斷及自動(dòng)調(diào)焦程序。所述光源采用4顆大功率LED組成面陣白光光源。所述鏡頭采用三可變微距鏡頭(焦距可變，光圈可變，放大倍率可變)。所述數(shù)碼攝像頭采用工業(yè)用大動(dòng)態(tài)CMOS面陣數(shù)碼攝像頭。所述清晰度判斷及自動(dòng)調(diào)焦程序采用如下方法編制1)對(duì)圖像做二維傅里葉變換，得到圖像的頻譜圖；2)以頻譜圖中點(diǎn)為圓心，圖像高度為直徑做一個(gè)圓；3)將圓內(nèi)的頻譜圖灰度值相加得到函數(shù)值；4)記錄當(dāng)前的函數(shù)值，使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一步；重復(fù)步驟1)至3)；將新的函數(shù)值與 記錄的函數(shù)值做比較，當(dāng)函數(shù)值大于記錄的函數(shù)值，再次執(zhí)行步驟4)；當(dāng)函數(shù)值小于記錄 的函數(shù)值，轉(zhuǎn)至步驟5)；5)記錄當(dāng)前的函數(shù)值，使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)一步；重復(fù)步驟1)至3)；將新的函數(shù)值與 記錄的函數(shù)值做比較，當(dāng)函數(shù)值大于記錄的函數(shù)值，再次執(zhí)行步驟5)；當(dāng)函數(shù)值小于記錄 的函數(shù)值，轉(zhuǎn)至步驟6)；6)使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一步；輸出清晰圖像。本實(shí)用新型的積極效果采用均勻LED強(qiáng)光透射底片提供照明，并且使用三可變 微距鏡頭和工業(yè)用面陣數(shù)碼攝像頭對(duì)底片采像，采集圖像實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)。操作者可以 通過計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底片采像的縮放，以觀察底片的局部細(xì) 節(jié)。在縮放過程中，計(jì)算機(jī)通過清晰度判斷和自動(dòng)對(duì)焦算法，驅(qū)動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng) 對(duì)焦，保證縮放過程中的圖像不失真。

圖1為本實(shí)用新型組成示意圖；圖2為本實(shí)用新型中軟件系統(tǒng)框圖。圖中1.光源，2.聚光罩，3.鏡頭，4.對(duì)焦齒輪組合，5A、5B.步進(jìn)電機(jī)，6.數(shù)碼攝 像頭，7.升降滑塊，8.平移臺(tái)，9.步進(jìn)電機(jī)控制器，10.計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。本裝置各部件裝配如如圖1所示，圖中各部件具體說明如下1.光源1采用4顆大功率LED組成面陣白光光源。長度100mm，寬度50mm，功率 40w，驅(qū)動(dòng)電壓60V-72V，最大電流700mA，光通量2800LM-3200LM ；2.聚光罩2采用IOOmmX 50mm的毛玻璃或菲涅爾透鏡，毛玻璃或菲涅爾透鏡安裝 在方形框架的上表面，框架罩在光源1上面；框架內(nèi)表面為白色或設(shè)有反射鏡。3.鏡頭3采用三可變微距鏡頭(焦距可變，光圈可變，放大倍率可變)，鏡頭3安 裝在數(shù)碼攝像頭6上。4.對(duì)焦齒輪組合4采用1 4的鋁合金直齒漸開線齒輪組，大齒輪直徑100mm，小齒輪直徑25mm。小齒輪與步進(jìn)電機(jī)5A連接，大齒輪與鏡頭3連接，步進(jìn)電機(jī)5A安裝在數(shù)碼 攝像頭6上。5.步進(jìn)電機(jī)5A、B采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，與步進(jìn)電機(jī)控制器9連接。6.數(shù)碼攝像頭6采用高速大動(dòng)態(tài)范圍的CMOS工業(yè)相機(jī)，數(shù)碼攝像頭6安裝在升降 滑塊7上。7.升降滑塊7與安裝在平移臺(tái)8內(nèi)的絲杠連接，絲杠與步進(jìn)電機(jī)5B連接。8.步進(jìn)電機(jī)控制器9采用步進(jìn)電機(jī)通用控制器，步進(jìn)電機(jī)控制器9通過串口與計(jì) 算機(jī)連接。9.計(jì)算機(jī)使用普通的PC機(jī)裝配，內(nèi)部裝有采像軟件和清晰度判斷及自動(dòng)調(diào)焦程 序，并與數(shù)碼攝像頭6連接。將X射線底片放置在聚光罩2上方，LED光源1發(fā)出強(qiáng)光通過聚光罩照亮底片。這 樣，位于底片上方的鏡頭3與數(shù)碼攝像頭6，就可以采集到底片的圖像。操作者可以通過計(jì) 算機(jī)10實(shí)時(shí)觀察相機(jī)采集到的底片圖像，并且還可以隨時(shí)根據(jù)需求通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令 驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)8帶動(dòng)數(shù)碼攝像頭6與鏡頭運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底片的縮放。在運(yùn)動(dòng)過程中，由于相機(jī)、
鏡頭與底片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得物距改變。由物距(U)、相距(ν)與焦距(f)的關(guān)系i + i = +，
uvf
可以看出，當(dāng)物距(U)改變，相距(V)不變的情況下，若不改變焦距(f)，就會(huì)失焦，造成采集 到的圖像模糊。當(dāng)計(jì)算機(jī)通過判斷采集到的圖像清晰程度為不清晰時(shí)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)5
通過對(duì)焦齒輪組合4調(diào)節(jié)鏡頭焦距(f)，使得物距、相距與焦距的關(guān)系重新滿足1 + 1 = 4，
UVf
這樣就可以采集到清晰的圖像，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)判斷圖像的清晰程度，就需要選擇一個(gè)合適的圖像清晰度函 數(shù)，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算圖像的清晰度函數(shù)值，就可以確定圖像的清晰程度。在本實(shí)用新型中， 采用二維傅里葉變換后提取圖像頻譜高頻部分的灰度值的總和作為圖像清晰度函數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)采集到圖像時(shí)，首先對(duì)圖像做二維傅里葉變換，得到圖像的頻譜圖。眾所 周知，圖像越清晰，圖像中線條與邊緣這樣灰度變化劇烈的部分就顯示越明顯，這種變化劇 烈的部分體現(xiàn)在頻譜上就是頻譜的高頻部分。清晰的圖像有更多的細(xì)節(jié)，在頻域內(nèi)其高頻 的分量更多。而在二維傅里葉變換所得的圖形頻譜圖中，高頻部分正好位于頻譜圖的正中。 因此，以頻譜圖中點(diǎn)為圓心，圖像高度為直徑做一個(gè)圓，圓內(nèi)就包含有圖像的高頻成分。如 果將圓內(nèi)的頻譜圖灰度值相加，得到的值就可以認(rèn)為是這個(gè)圖像清晰度函數(shù)值。圖像清晰， 頻譜中高頻成分就多，圓內(nèi)灰度值相加所得的值就大。相反，圖像模糊，頻譜中高頻成分就 少，圓內(nèi)灰度值相加所得的值就小。根據(jù)此原理設(shè)計(jì)清晰度判斷程序(清晰度函數(shù))，利用 此函數(shù)調(diào)整對(duì)焦機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)5A，直至得到最清晰圖像，如圖2所示。本實(shí)用新型中的 程序還包括“用戶界面”，利用此程序人為調(diào)整鏡頭3與數(shù)碼攝像頭6相對(duì)工業(yè)X射線底片 距離，使底片的像縮小或放大，得到底片的全景像或細(xì)節(jié)像。使用本裝置時(shí)，首先，將工業(yè)X射線底片放在聚光罩2上，光源1透過聚光罩將底 片照亮。此時(shí)，數(shù)碼攝像頭6通過鏡頭3實(shí)時(shí)地采集底片的圖像，并將圖像通過采集卡實(shí)時(shí) 傳送至計(jì)算機(jī)10。圖像通過計(jì)算機(jī)顯示給操作者，同時(shí)，計(jì)算機(jī)始終通過一個(gè)圖像清晰度判 定函數(shù)來判斷所顯示圖像是否清晰。若圖像不清晰，計(jì)算機(jī)將會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)5通過對(duì)焦齒輪組4調(diào)節(jié)鏡頭3的焦距。直到計(jì)算機(jī)采集到的圖像清晰度達(dá)到最大，物距、相距與焦距
滿足關(guān)系ι。對(duì)焦完成，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令停止步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)繼續(xù)通過圖像清晰 uvf
度判定函數(shù)判斷所采集到的圖像清晰度。由于有部分底片細(xì)節(jié)信息十分微小，需要通過放大來觀察其細(xì)節(jié)。操作者可以通 過計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)8，使升降滑塊7帶動(dòng)鏡頭3與數(shù)碼攝像頭6向底片方 向移動(dòng)。此時(shí)，采集到的圖像就會(huì)隨著鏡頭與底片之間相對(duì)距離的減小而放大，圖像的視場(chǎng) 會(huì)隨之縮小，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)觀察。由于鏡頭與底片之間的距離變化，造成物距變化，采集到的圖 像由于失焦而變的模糊。當(dāng)計(jì)算機(jī)計(jì)算出所采集圖像的清晰度函數(shù)值減小量達(dá)到5%時(shí)，認(rèn) 為圖像不清晰，啟動(dòng)自動(dòng)對(duì)焦程序。通過串口想步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令控制步進(jìn)電機(jī)5 帶動(dòng)對(duì)焦齒輪組4調(diào)節(jié)鏡頭3的焦距，使圖像清晰度達(dá)到最大，再停止對(duì)焦程序，轉(zhuǎn)為監(jiān)視 狀態(tài)。如此，系統(tǒng)始終通過監(jiān)視-對(duì)焦的方式保持所采集到的圖像始終是清晰的。當(dāng)需要采集底片全景時(shí)，操作者通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)平移臺(tái)8，使升降滑塊 7帶動(dòng)鏡頭3與數(shù)碼攝像頭6向上運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離底片。此時(shí)，圖像會(huì)縮小，而視場(chǎng)會(huì)增大。由于 物距變化，圖像失焦而變的模糊，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)對(duì)焦程序，自動(dòng)對(duì)焦，使圖像保持清晰狀態(tài)。操作者在整個(gè)操作過程中，可以隨時(shí)將采集到的圖像保存至數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)工業(yè)X 射線底片的數(shù)字化。
權(quán)利要求工業(yè)X射線底片的高分辨觀測(cè)裝置，包括光源(1)、鏡頭(3)、與鏡頭(3)相連的工業(yè)數(shù)碼攝像頭(6)、與數(shù)碼攝像頭(6)連接的計(jì)算機(jī)(10)；其特征在于該裝置還包括位于光源(1)前面的可放置工業(yè)X射線底片的聚光罩(2)、能使數(shù)碼攝像頭(6)移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠?qū)︾R頭調(diào)焦的對(duì)焦機(jī)構(gòu)、在計(jì)算機(jī)控制下可驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和對(duì)焦機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)控制器(9)；其中，所述聚光罩(2)由漫反射透光板或菲涅爾透鏡及框架構(gòu)成；移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括可安置數(shù)碼攝像頭(6)的升降滑塊(7)、與升降滑塊(7)通過絲杠連接的平移臺(tái)(8)、帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)(5A)；所述對(duì)焦機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)(5B)通過對(duì)焦齒輪組合(4)帶動(dòng)鏡頭(3)調(diào)焦；所述步進(jìn)電機(jī)控制器(9)與步進(jìn)電機(jī)(5A、5B)及計(jì)算機(jī)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的工業(yè)X射線底片的高分辨觀測(cè)裝置，其特征在于所述光源(1) 采用4顆大功率LED組成面陣白光光源。
3.如權(quán)利要求1或2所述的工業(yè)X射線底片的高分辨觀測(cè)裝置，其特征在于所述鏡 頭(3)采用焦距可變、光圈可變、放大倍率可變的三可變微距鏡頭。
4.如權(quán)利要求3所述的工業(yè)X射線底片的高分辨觀測(cè)裝置，其特征在于所述數(shù)碼攝像頭(6)采用工業(yè)用大動(dòng)態(tài)CMOS面陣數(shù)碼攝像頭。
專利摘要工業(yè)X射線底片的高分辨觀測(cè)裝置涉及拍攝和數(shù)字化裝置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)焊縫檢測(cè)X射線底片的數(shù)字化處理。本裝置包括光源(1)、三可變鏡頭(3)、與鏡頭(3)相連的數(shù)碼攝像頭(6)、與數(shù)碼攝像頭(6)連接的計(jì)算機(jī)(10)，還包括聚光罩(2)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、對(duì)焦機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)控制器(9)；并且，所述計(jì)算機(jī)(10)含有清晰度判斷及自動(dòng)調(diào)焦程序。采用均勻LED強(qiáng)光透射底片提供照明，并且使用三可變微距鏡頭和工業(yè)用面陣數(shù)碼攝像頭對(duì)底片采像，采集圖像實(shí)時(shí)傳送至計(jì)算機(jī)。操作者可以通過計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)底片采像的縮放，以觀察底片的局部細(xì)節(jié)。在縮放過程中，計(jì)算機(jī)通過清晰度判斷和自動(dòng)對(duì)焦算法，驅(qū)動(dòng)對(duì)焦機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦，保證縮放過程中的圖像不失真。
文檔編號(hào)H04N5/232GK201681056SQ20092027110
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者劉陽, 宋永倫, 閆志鴻 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)