基于区域相关的超声C扫描图像校正算法.pdf

28总第150 期声学与电子工程2023年第2 期基于区域相关的超声C扫描图像校正算法钟恺楼成塗（杭州瑞利超声科技有限公司，杭州，3 10 0 2 3）摘要针对超声C扫描系统在高速扫描中出现的误差进行了分析，对于图像中出现的错位纹，提出了一种基于区域相关的错位校正算法，算法可以在不牺牲图像分辨率的情况下，对C扫描图像中的错位误差进行修复，使图像平滑，优化成像效果。关键词超声C扫描；图像处理；超声显微镜；无损检测D0I:10.3969/j.issn.2096-2657.2023.02.07近年来，随着材料技术与高端制造领域拓展，无损检测技术也得到了广泛应用，基于声学的检测由于其成本低、速度快、检测范围广、对人体无害等优点得到重视和发展。其中超声C扫描检测弥补了普通超声检测直观性差、易漏检的缺点2 ，已作为无损检测领域常用检测手段之一，广泛应用在金属、陶瓷、复合材料、半导体等领域，成为质量控制中不可替代的一环。在制造业应用场景中，超声水浸C扫描自动检测系统可以根据实际需要自动设计扫查路径3 ，实现质量检测与自动化场景的结合，为大批量试件提供实时的C扫描图像。超声扫描显微镜（ScanninggAcousticMicroscopy，SA M）是将超声C扫描技术与高频超声波技术和高速高精度机电系统集成的高精度成像分析仪器，较高的分辨率可用于生物医学以及微电子等用途。超声显微镜技术涉及高频换能器制造机电控制、超声信号采集、数字信号处理、图像处理4 等领域。现阶段超声扫描图像中的数字图像处理技术主要应用于生物医学与工业领域：医学应用主要在临床诊断、医疗手术机器人等；工业应用中，图像处理技术与自动化技术相结合，可以在制造流程中对批量产品的缺陷进行快速高效的检测和评估5。实际场景中会有各种因素影响超声成像效果，需要对图像进行优化增强，故本文提出一种基于区域相关的超声C扫描图像校正算法。1超声C扫描成像误差分析超声C扫描设备主要由机械扫查系统、超声信号收发系统、数据采集处理系统与软件系统 组成。工作时上位机发送指令控制机械扫查系统进行S形往复直线运动，同时超声信号收发系统通过水浸式聚焦换能器实现信号自发自收，此时信号收发系统可支持软件触发、内部触发、外部触发三种信号触发方式。为了使绘制C扫描图像时像素点均匀，我们采用基于运动位置信息的同步触发。系统流程图如图1所示，上位机控制机械扫查系统开始工作，三轴运动平台进行逐行扫描，运动过程中光栅尺将位置信息发送至数据采集卡；数据采集卡根据起点终点位置和设定的成像分辨率进行等距触发；超声信号收发系统收到触发信号后，脉冲收发仪产生脉冲信号，换能器将脉冲信号转换成超声波从而对工件进行探测；换能器为自发自收模式，超声信号收发系统将回波信号返回至数据采集处理系统；数据采集处理系统采集到A扫描信号进行处理，同时提取当前光栅尺位置信息作为一组数据，在上位机通过软件绘制出该数据点；系统因此可以通过往复运动扫描绘制出试件完整的C扫描图像。上位机控制C扫描开始电机模组脉冲收发仪通过开始直线运动根据位置信息换能器发送超声将位置信息等距产生触发信号信号同步发送机械扫查系统数据采集处理系统超声信号收发系统对回波信号进行采光栅获取换能器与收发仪集处理，并与位置当前位置信息接收回波信号信息绑定根据点数据进行扫描绘图图1超声C扫描工作流程图上述成像过程之中，机械运动、信号收发采集、信号处理三个部分均有可能产生成像误差。首先是机械运动中可能由于系统整体刚度问题造成末端超声换能器与工件之间产生相互位移或偏转，以及机械系统机构以及安装中造成的固有误差，导致探测的实际位置与光栅尺记录位置数据不符。该误差会导致C扫描中出现错位条纹，通过加强运动平台各部分连接与零件的刚性、增加整体惯量等方式可29基于区域相关的超声C扫描图像校正算法钟恺等：以减小或消除误差。其次是信号收发采集过程中可能会由于电机模组磁片及电机驱动线路中高压电流对信号线路产生电磁干扰，系统绝缘不佳以及换能器安装不良等原因也可能导致采集到的超声回波信号中引入无关噪声。此误差在C扫描图像中的主要表现形式为椒盐噪声，常用的中值滤波可对其进行有效去除在信号处理过程中由采集卡控制信号的触发与采集，由于“换能器接收到回波信号传递至采集卡”以及“光栅尺记录运动信息发送至采集卡”过程均具有一定时延，导致采集卡记录的运动位置信息不能够准确地代表超声波透射入工件并产生回波时的实际位置。如图2 所示，当某一时刻采集卡获取一组回波与位置信息时，其对应的检测实际位置为ti时间之前换能器所处位置，而获取的位置信息实际为t2时间之前换能器所在位置，二者存在一定偏移，因此会产生扫描信号的失真。此误差也会使C扫描图像中出现与机械运动误差相似的错位条纹，并且由于信号传输时延只能减小而无法避免，所以需要后期图像处理算法对C扫描图像错位进行校正。数据采集卡回波信号位置信息运动方向，2运动机构t1TT与换能器超声波工件图2 数据采集过程示意图2基于区域相关的错位校正算法对错位误差进行分析包括三个部分：其一为运动中机械结构运动误差Em，此部分与机械结构受力即运动时加速度有关；其二为机械结构固有误差E。，此部分为恒定值；其三为信号时延误差Es，由于线路传输时延为固定值，所以此部分与运动速度有关。对三个部分进行分析：由于机械结构往复运动时采用相同的加减速度参数，故运动至同一位置时，机构产生的运动误差Em为同向相同值互相抵消。信号时延误差在往复运动中会互相叠加，但由于每次运动时速度变化曲线相同，故每行之间错位误差具有相同规律。E=E,-E,=Em+EeI+Es-Em2-Ee2-Es2E 2E,+(Ect-Ec2)EV式中，E表示某一列相邻两行之间的错位误差，E1表示两行中正向运动中产生的误差，E2表示两行中负向运动中产生的误差，V表示换能器处于该列时的运动速度。处于同一列时，每一组往复运动中正向与负向的运动速度均相同，故误差也相同，由此可对错位图像的每一列进行校正。如图3 所示，通常C扫描图绘制的点单元为横纵像素值相等的正方形，故先根据绘制C扫描图时设置的分辨率大小将待处理图像进行降采样，使得错位纹的单行宽度为单个像素，此降采样不会降低系统的检测分辨率。降采样后图像以单个像素为一行呈现出错位纹，为了避免常用高斯滤波等算法导致图像信息丢失，针对相邻两行之间错位进行修正。图3 对C扫描图像进行降采样首先使用恒定值对错位行修复，处理结果如图4所示，可见在图像中横向位置不同的各部分错位误差分布不均匀，需要对偏移量进行区域自适应计算。因此定义一个区域相关系数：1PDZR(xy)(x+n,y+1)nrows65536式中，Px）)表示坐标为（xy）的点的像素值，Pey+则表示下一行，偏移n 个像素点的值，像素P值的范围为0 2 55，计算中以第一行第一个像素点为基准开始，对一列中所有奇数行与对应偶数行进行计算求和后除以总行数，以便于比较。进行错位校正时，从图像第五列开始，计算n从-5 5共11列的区域相关系数，取最大值对应的n作为修正偏移量，并对列中的偶数行基于横向相邻的三个像素进行相关系数加权修正，修正方法如下式：PRPk=-1,0,1(x+n+k,y)n+kP(x.y)Rk=-1,0,1n+k30钟恺一基于区域相关的超声C扫描图像校正算法式中，Rn-1和Rn+1表示相关系数最大的第x+n列左右两列对应的相关系数。图4错位误差分布不均由于误差累积是均匀变化的，为避免校正处理结果发生突变，故从第六列开始，以上一列最佳偏移量左右共三个像素范围计算相关系数。校正操作的流程如图5所示，cols表示图像的总列数，完成错位校正后可对图像进行后续滤波以及其他图像处理。输入C扫描图像灰度化与降采样初始化n-5计算第n列中对应的区域相关函数取得该列最佳修正n+1偏移量对偶数行像素进行加权修正Ncols-n5Y输出图像图5校正算法流程图3实验结果与分析本实验借助前期已搭建的RU-19000双通道水浸式超声波扫描系统进行测试，对陶瓷-金属复合材料中粘胶层进行检测。本系统最大扫查速度8 0 0mm/s，定位精度5m，重复定位精度土0.5m，频带宽度0.1 3 0 0 MHz，重复频率最高50 kHz。对此试件采用2 0 MHz水浸式超声聚焦换能器进行扫描，扫描步进设置为50 m。图6（b）为C扫描结果，图中可见陶瓷材料裂纹以及粘胶层不均匀现象(a)超声显微镜(b)陶瓷-金属复合材料图6 使用水浸式超声波扫描系统进行测试对扫描结果中错位误差进行修复处理，如图7（b）所示，错位纹已经得到了较好地校正，并且相对于图7（c）高斯滤波结果不会造成分辨率降低、检测裂纹变宽的问题。对处理后图像进行直方图分析，可知本算法可较好地保留图像在横向上的高频成分。提取不同算法的处理结果，如图7（f）所示（横坐标为图像中穿过小孔的一列的行像素坐标，纵坐标为单个像素灰度值大小），可知本文算法可以较好的保留原始数据中的峰值与梯度，有利于缺陷检测的进行，而高斯滤波与NL_means 非局部均值滤波则会受到噪声的影响使得峰值衰减，在图像中特征比较细小微弱时则会直接导致分辨率的降低，（a）C扫描原始图像（b）区域相关校正(c）高斯滤波（d）本算法处理直方图（e）高斯滤波直方图31钟恺等：基于区域相关C扫描图像校正算法的超原始数提杰文筑盗商斯湾液NL-means牌液（f）校正算法对比效果图7 图像处理效果使用分辨率试块对系统分辨率进行检测，该试块为使用激光在硅片基底上蚀刻了多组不同尺寸的坑洞。C扫描的分辨率定义为试块扫描图像上一系列尺寸圆孔中能够分辨的最小尺寸孔，由于采用直接观察法，故图像中错位纹会对观察造成较大影响。对圆孔图像进行修复的结果如图8（d）所示，可见，基于区域相关的超声C扫描图像校正算法可明显提高成像效果，并对系统整体分辨率的优化有所帮助。（a）试块实物图(b）试块C扫描图（c）小孔C扫描原图（d）小孔校正效果图8 试块扫描与处理效果4结论本文通过对超声C扫描成像过程进行建模分析，提出了一种对于高速运动下超声C扫描图像中产生错位纹的校正算法。实验表明本文基于区域相关的校正算法效果较好，在校正处理中可以有效保留原图像的高频部分以及梯度信息，优化成像效果，有助于系统分辨率的提高。在后续处理中，可使基于梯度计算提取的缺陷边缘轮廓更加连贯，有利于缺陷识别与分析工作的进行。参考文献：1肖婷,李杨,赵岩,等.基于超声C扫描技术的形貌重构 .无损探伤,2 0 2 2,46(0 4):10-14.2陈剑.基于超声显微镜的薄层材料多参量一体化定征关键技术研究 D.浙江大学，2 0 13.3马蒙源,曹弘毅,姜明顺，等.水浸超声C扫描系统的构建与试验验证 J.铁道车辆,2 0 2 1,59(0 6):49-53+7 2.4】连红运,吴定允,李南工业超声显微镜高速信号采集系统的研制 J.仪表技术与传感器,2 0 0 8,.3 0 7(0 9)：50-52+57.5罗雄彪,陈铁群超声无损检测的发展趋势 无损检测,2 0 0 5(0 3):148-152.6】耿喆,祝海江,杨平,等超声C扫描设备定量评价方法研究 J.计量学报,2 0 19,40(0 5):8 9 3-8 9 9.