專利名稱：一種輪胎層析成像檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及工業(yè)CT機(jī)用于輪胎檢測中，獲取質(zhì)量穩(wěn) 定的重建圖像。
背景技術(shù)：
工業(yè)CT(ICT)的全稱是工業(yè)計算機(jī)層析掃描成像，這門技術(shù)是放射學(xué)和計算機(jī)科 學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生的一門新的成像技術(shù)。在工業(yè)應(yīng)用方面特別是在無損檢測(NDT)與無損評價 (NDE)領(lǐng)域更加顯示出了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)CT是在無損傷狀態(tài)下得到被檢測斷層的二維灰 度圖像，它以圖像的灰度來分辨被檢測斷面的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成、裝配情況、材質(zhì)狀況、有無 缺陷、缺陷的性質(zhì)和大小等。只需沿掃描線掃得足夠多的斷層二維圖像就可以得到被檢測 物的三維圖像。國際無損檢測界把CT稱為最先進(jìn)的無損檢測手段。工業(yè)CT是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的先進(jìn)無損檢測技術(shù)，它是針對醫(yī)用CT不適 用檢測大尺寸高密度物體的需求，從80年代初期開始，由美國軍方首先提出，制造檢測大 型火箭發(fā)動機(jī)或小型精密鑄件的CT設(shè)備。經(jīng)過大約20年的發(fā)展，工業(yè)CT研究已成為一個 專門的分支，并取得了飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍或領(lǐng)域也越來越廣泛。CT技術(shù)在航空航天領(lǐng)域可用來檢測精密鑄件的內(nèi)部缺陷、評價燒結(jié)件的多孔性、 檢測復(fù)合材料件的結(jié)構(gòu)并控制其制造工藝。近年來已將射線CT技術(shù)引入更高層次的探測 對象。如美國肯尼迪空間中心研究的射線CT裝置，可用來檢測火箭發(fā)動機(jī)中的電子束焊 縫、飛機(jī)機(jī)翼的鋁焊縫，可發(fā)現(xiàn)渦論葉片內(nèi)0. 25mm的氣孔和夾雜物，也可用來檢測航天飛 機(jī)出口錐等。CT技術(shù)的應(yīng)用日漸增多，例如用來檢測反應(yīng)堆元件的密度和缺陷，確定包殼管內(nèi) 芯體的位置，檢測核動力裝置及其零部件的質(zhì)量，并用于設(shè)備的故障診斷和運(yùn)行監(jiān)測。中子 CT還可用來檢查燃料棒中鈾分布的均勻性和廢物容器中鈾屑的位置。CT技術(shù)在鋼鐵工業(yè)中的應(yīng)用也十分廣泛，從分析礦石含量到冶煉過程中各項技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)，以及各種鋼材的質(zhì)量程度，都可以通過CT掃描進(jìn)行檢測。美國和德國用中子 CT裝置進(jìn)行鋼管在線質(zhì)量監(jiān)測，每隔Icm給出一組層析數(shù)據(jù)和圖像。當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏心、厚度不均 勻和缺陷時，由計算機(jī)自動調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)。陶瓷是新一代耐熱、耐腐蝕并有良好的化學(xué)穩(wěn)定性的材料，但其中的微小缺陷會 嚴(yán)重影響其使用，因此需要檢測其中微米級的缺陷，并需要確定其所在位置。采用射線CT 技術(shù)顯得非常必要。目前在檢測三氧化鋁、碳化硅等陶瓷材料時可以準(zhǔn)確地檢出ΙΟμπι到 100 μ m的缺陷和極其微小的密度分布。在機(jī)械工業(yè)上，CT技術(shù)常用來檢測和評價鑄件和焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量?？蓹z測微小氣 孔、縮孔、夾雜和裂縫等缺陷。在電子工業(yè)方面，可采用CT裝置檢測多層印刷電路板的內(nèi)部 裂紋，測量同軸和帶狀電纜的金屬線空間分布，檢查電子附件箱中缺損的組件和檢查封裝 的微機(jī)芯片中的斷裂線等。美國華盛頓州立大學(xué)機(jī)械和材料工程系的研究者指出，CT探測器的空間分辨率達(dá)到0.27mm就可以滿足檢測短裂紋的要求。而目前平板探測器的象素尺寸已達(dá)到0. 127mm, 生成的斷層重建圖像矩陣可以達(dá)到2560X3072。CT掃描方式也從斷層掃描發(fā)展到體積掃 描，能同時掃描幾十個斷層甚至數(shù)百個斷層并具有均勻的空間分辨率。另據(jù)報導(dǎo)，美國已研 制出一種X射線層析顯微裝置，可以對材料的微觀組織進(jìn)行研究，分辨力比普通CT高100 倍，可以使研究人員親眼看到當(dāng)試樣變形時，裂紋和分層的形成和發(fā)展，這在判明復(fù)合材料 主要失效機(jī)理時已證明是非常有用的。由于工業(yè)CT技術(shù)屬高技術(shù)范疇，各國在研究CT的同時對別國都采取技術(shù)保密、封 鎖，尤其在高能工業(yè)CT方面，美國明令禁止2Mev以上的CT設(shè)備出口國外尤其是中國。由 于種種原因，國內(nèi)工業(yè)CT技術(shù)研究和設(shè)備研制相對滯后于國外。1988年9月清華大學(xué)關(guān) 于“X射線工業(yè)CT試驗系統(tǒng)的研究”的博士論文標(biāo)志我國CT技術(shù)研究的開端，隨后清華大 學(xué)、重慶大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等多家單位完成了工業(yè)CT實驗系統(tǒng)的研制。重慶大學(xué)于1993 年10月率先研制成功我國第一臺實用型工業(yè)CT機(jī)，并在工業(yè)CT重建理論與應(yīng)用方面開展 了廣泛的研究；清華大學(xué)研制了檢驗陶瓷零件的微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)；華北工學(xué)院在九五 期間開展了高能X射線無損檢測技術(shù)的研究；西北工業(yè)大學(xué)從1994年開始，在國內(nèi)率先嘗 試將工業(yè)CT技術(shù)應(yīng)用于CAD/CAM領(lǐng)域，在基于CT圖像的零件和裝配體反求，以及基于工業(yè) CT和RP&M的計算機(jī)輔助產(chǎn)品快速仿制系統(tǒng)方面做了大量深入的研究。清華大學(xué)采用高能 加速器研制的15Mev大型高能工業(yè)CT系統(tǒng)，在檢測大直徑工件的系統(tǒng)設(shè)備方面，填補(bǔ)了我 國高能工業(yè)CT系統(tǒng)產(chǎn)品的空白。中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研制成功我國首 套高精度工業(yè)CT，該設(shè)備從面體上可檢測最小達(dá)0. 002mm3的設(shè)備內(nèi)部缺陷，從線上可檢測 出10 μ m的內(nèi)部裂縫，分辨能力比國外公布的同類設(shè)備高出近10倍。目前國內(nèi)具備生產(chǎn)工業(yè)CT的機(jī)構(gòu)主要有德國的菲尼克斯(主要生產(chǎn)X射線系 統(tǒng))，德國的依科視朗(YXLON)(目前已被瑞士康姆艾德(COMET AG)收購)，丹東奧龍射線 儀器有限公司，重慶大學(xué)ICT中心等。但是通過查新發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外目前尚沒有人從事高性能 輪胎ICT的研究與開發(fā)的工作，因此如果我們現(xiàn)在啟動該項研究將會在一定程度上占領(lǐng)先 機(jī)，處于有利的地位。目前，在國內(nèi)沒有查到關(guān)于應(yīng)用ICT機(jī)對輪胎進(jìn)行在線檢測的專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種輪胎層析成像檢測方法，其目的在于解決人工檢驗造成的漏檢或 誤檢，能夠檢查出胎圈、胎側(cè)及胎面區(qū)域的缺陷，然后剔除有缺陷的輪胎，降低檢測時的勞 動強(qiáng)度、提高檢測結(jié)果的一致性，并可提供質(zhì)量方面的自動統(tǒng)計數(shù)據(jù)；利用投影數(shù)據(jù)迭代的 重建CT圖像，改進(jìn)重建算法以最終獲得穩(wěn)定的重構(gòu)圖像。本發(fā)明的上述目的是這樣實現(xiàn)的，其說明如下1)在一方面是X射線源與另一方面是掃描區(qū)域或位于其中的目標(biāo)之間的螺旋相 對運(yùn)動期間，使用X射線源來生成經(jīng)過該掃描區(qū)域或目標(biāo)的平行波束，該螺旋相對運(yùn)動包 括圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)和平行于旋轉(zhuǎn)軸的位移；2)在螺旋相對運(yùn)動期間X射線束已越過的掃描區(qū)域的位置處，結(jié)合在X射線源與 掃描區(qū)域或目標(biāo)之間的環(huán)形相對運(yùn)動，使用X射線源來生成經(jīng)過該掃描區(qū)域或目標(biāo)的大面 積平行束；
3)在螺旋相對運(yùn)動期間使用探測器單元獲取投影數(shù)據(jù)，該投影數(shù)據(jù)取決于在掃描 區(qū)域的一側(cè)處波束的強(qiáng)度；但在進(jìn)行實際測量獲得投影數(shù)據(jù)的過程中，會產(chǎn)生各種不同的 誤差，主要有以下幾個方面①由于X射線光子的產(chǎn)生、光子和物質(zhì)相互作用以及光子檢測等過程的統(tǒng)計特 性，使測量數(shù)據(jù)不可避免地存在誤差。檢測器的光子計數(shù)可認(rèn)為服從Poisson分布，當(dāng)均 值較大時，近似為Gauss分布。因為測量誤差也是一隨機(jī)變量，可近似地認(rèn)為服從零均值的 Gauss分布。某些重建算法就利用了這些性質(zhì)。②在CT中，一般所用的X射線是由不同能量的光子組成，稱為多色X射線。對于低 能量的光子來說，在確定點(diǎn)的衰減量一般是比較大的，因此當(dāng)X射線通過物體時，它的能量分 布譜就發(fā)生了改變。這一現(xiàn)象稱為射束的硬化。而在ICT中，衰減系數(shù)的重建要求射束在確 定點(diǎn)上以相同的方式衰減，這只有使用單色X射線才能滿足要求。通常，單色投影數(shù)據(jù)是通過 對實驗獲得的多色投影數(shù)據(jù)進(jìn)行校正而得到的。對射束硬化的校正也使數(shù)據(jù)產(chǎn)生了誤差。③光源焦點(diǎn)和檢測器的大小所產(chǎn)生的所謂部分體積效應(yīng)，檢側(cè)器的效率以及設(shè)備 的穩(wěn)定性都是數(shù)據(jù)采集時的誤差來源。有些誤差可通過硬件作適當(dāng)校正，有些則還需在算法上進(jìn)行校正。由于測量數(shù)據(jù) 存在這些不可避免的誤差，所以需要對重建算法進(jìn)行改進(jìn)。4)對投影圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪一排序濾波、均值濾波、維納濾波；幾何校 正一校正參數(shù)計算、旋轉(zhuǎn)軸及中心偏移校正；5)利用迭代算法進(jìn)行圖像重建；迭代重建法中假設(shè)斷層截面是一個未知的數(shù)字 矩陣組成，然后由測量到的投影數(shù)據(jù)建立未知矩陣元素的一個代數(shù)方程組。迭代重建法的 優(yōu)點(diǎn)在于，對于不完全投影數(shù)據(jù)，或投影數(shù)據(jù)不是均勻分布在180° (360° )范圍的情形， 是一種比較有效的算法。而這兩個條件恰恰是以變換為基礎(chǔ)的方法達(dá)到需要精確性所必需 的。另外，當(dāng)輻射源和接收器之間能量傳播的路徑因出現(xiàn)折射引起的射線彎曲時，或在放射 CT中，沿射線路徑能量傳播經(jīng)受非均勻衰減時，變換法就不太適用了，這種類型的問題由迭 代法求解比較好。在迭代法重建的各種正則化方法中，求解過程通常都是通過迭代來完成的。由于 投影矩陣的維數(shù)很高，導(dǎo)致迭代重建的速度太慢，重建時間延長。保證成像的精度和分辨 率，提高重建速度，是迭代重建法必須考慮的重要因素。本發(fā)明所提供的技術(shù)方案的積極效果是和現(xiàn)有的大部分輪胎由人工檢驗相比， 本發(fā)明利用ICT技術(shù)對輪胎進(jìn)行檢測，可以降低檢測時的勞動強(qiáng)度，提高輪胎的檢測效率， 并且保證輪胎質(zhì)量檢驗的可靠性、一致性和穩(wěn)定性。


圖1是CT系統(tǒng)裝置框圖。圖2為試件成像裝置系統(tǒng)框圖。圖3為工業(yè)CT圖像重建與處理流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種利用ICT技術(shù)進(jìn)行輪胎檢測的方法，用以排除人為因素的干擾，提高輪胎檢測效率；在投影數(shù)據(jù)獲取上充分考慮到實際測量時可能存在的誤差，并采用 改進(jìn)的重建方法進(jìn)行重構(gòu)，提高重構(gòu)圖像的質(zhì)量。以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的 技術(shù)方案。在本發(fā)明中，一條輪胎的檢測具體包括如下的步驟當(dāng)爬坡運(yùn)輸帶上有待檢的輪胎時，輸送帶電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將輪胎送到載物臺中心位置， 定中抱臂采用氣缸驅(qū)動抱住輪胎將其定中心，然后將輪胎送到尺寸測量裝置上，通過尺寸 測量，系統(tǒng)便知道所測輪胎的規(guī)格。如果CT檢測機(jī)檢測工位沒有此輪胎規(guī)格，輪胎進(jìn)入鉛房門打開，檢測機(jī)構(gòu)通過檢 測到的輪胎尺寸進(jìn)行自動調(diào)整，伺服電機(jī)驅(qū)動兩自動調(diào)整定中滾子調(diào)整到工作位置，處于 待工作狀態(tài)，同時鉛房門關(guān)閉。操作員首先對CT檢測工位上的輪胎進(jìn)行定位調(diào)整，做一次定位掃描或“偵察掃 描”，確定輪胎的解剖學(xué)標(biāo)記，以確定CT掃描的精確位置和范圍。掃描啟動后，運(yùn)動控制計算機(jī)發(fā)出指令，使機(jī)架旋轉(zhuǎn)到操作員規(guī)定的指定位置，然 后計算機(jī)發(fā)指令給檢查工位、X射線發(fā)生系統(tǒng)、X射線探測系統(tǒng)和圖像生成系統(tǒng)執(zhí)行一次掃 描。X射線源生成經(jīng)過該掃描區(qū)域或目標(biāo)的平行波束，X光管產(chǎn)生X射線束流，X光子被X 射線探測器測到，生成電信號。同時數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)以均勻的采樣速率采集探測器的輸出，把 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后采集的數(shù)據(jù)被送到圖像生成系統(tǒng)處理。典型的系統(tǒng)包括高 速計算機(jī)和數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)。獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理和增強(qiáng)后，被送到顯示設(shè)備 供操作員觀看和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備存檔。精確定位和掃描范圍決定后，操作員就基于既定方案預(yù)定CT掃描指令，確定準(zhǔn)直 器孔徑、探測器孔徑、X光管電壓電流、掃描模式、機(jī)架運(yùn)動速度、重建視野(FOV)及其它許 多參數(shù)。根據(jù)掃描方案，運(yùn)行控制計算機(jī)按照類似定位掃描所描述的方式，發(fā)出一系列命 令給機(jī)架、X射線發(fā)生系統(tǒng)、X射線探測系統(tǒng)和圖像生成系統(tǒng)。在此方式下X射線機(jī)架不再 保持靜止，它要達(dá)到一個恒定的旋轉(zhuǎn)速度并在整個運(yùn)行期間保持這個速度。當(dāng)完成輪胎一圈檢測后，X光管停發(fā)射線，這時圖像重建系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖像 重建和顯示，完成一個斷層的圖像采集和顯示；然后，輪胎調(diào)整位置，進(jìn)行下一個斷層的數(shù)據(jù)采集和顯示操作，結(jié)束后X光管裝 置、探測器裝置分別復(fù)位，輸送帶上升，鉛房門打開，輸送帶電機(jī)旋轉(zhuǎn)將輪胎送出，完成一條 輪胎的檢測過程。
權(quán)利要求
一種輪胎層析成像檢測方法，主要具有以下步驟(1)在一方面是X射線源與另一方面是掃描區(qū)域或位于代掃描區(qū)域的目標(biāo)之間的螺旋相對運(yùn)動期間，使用X射線源來生成經(jīng)過該掃描區(qū)域或目標(biāo)的平行波束，該螺旋相對運(yùn)動包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)和平行于旋轉(zhuǎn)軸的位移；(2)在螺旋相對運(yùn)動期間X射線束已越過的掃描區(qū)域的位置處，結(jié)合在X射線源與掃描區(qū)域或目標(biāo)之間的環(huán)形相對運(yùn)動，使用X射線源來生成經(jīng)過該掃描區(qū)域或目標(biāo)的大面積平行束；(3)在螺旋相對運(yùn)動期間使用探測器單元獲取投影數(shù)據(jù)，該投影數(shù)據(jù)取決于在掃描區(qū)域的一側(cè)處波束的強(qiáng)度(4)對投影數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪一排序濾波、均值濾波、維納濾波；幾何校正一校正參數(shù)計算、旋轉(zhuǎn)軸及中心偏移校正；(5)利用投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，并對重建迭代算法進(jìn)行改進(jìn)，通過融合遺傳算法和Landweber迭代算法的優(yōu)點(diǎn)來提高算法的收斂速度和重建圖像的質(zhì)量。
2.如在權(quán)利要求1中要求的輪胎層析成像檢測方法，其中在螺旋相對運(yùn)動期間由X射 線源發(fā)射的波束中的劑量大大的小于在環(huán)形相對運(yùn)動期間的劑量。
3.一種用于實行如在權(quán)利要求1中要求的方法的輪胎層析成像，具有-X射線源，用于生成經(jīng)過掃描區(qū)域或位于其中的目標(biāo)的平行波束；-機(jī)械載物臺，用于裝載輪胎并使輪胎可以相對運(yùn)動，相對運(yùn)動包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn) 和平行于旋轉(zhuǎn)軸的位移；-探測器單元，用于獲取投影數(shù)據(jù)；-圖像重建單元，用于利用從探測器單元獲取的測量值來重建在掃描區(qū)域內(nèi)的吸收的 空間分布；-后處理單元，對重建出的切片數(shù)據(jù)(圖像)再進(jìn)行處理，主要包括對圖像的去躁，偽跡 消除，對感興趣區(qū)域的剪裁等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輪胎層析成像檢測方法，涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，其目的在于解決人工檢驗造成的漏檢或誤檢，能夠檢查出胎圈、胎側(cè)及胎面區(qū)域的缺陷，然后剔除有缺陷的輪胎，降低檢測時的勞動強(qiáng)度、提高檢測結(jié)果的一致性，并可提供質(zhì)量方面的自動統(tǒng)計數(shù)據(jù)；利用投影數(shù)據(jù)迭代的重建CT圖像，改進(jìn)重建算法以最終獲得穩(wěn)定的重構(gòu)圖像。
文檔編號G01N23/18GK101957329SQ20091001684
公開日2011年1月26日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月15日
發(fā)明者于新文, 曹常利, 杭柏林, 趙文倉, 高彥臣 申請人:軟控股份有限公司