专利名称：工业x射线底片的高分辨观测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种工业X射线底片的高分辨观测装置，用于实现对工业焊缝检测 X射线底片的数字化处理。
背景技术：
自从X射线检测技术出现以来，X射线检测数字化技术就一直受到关注。随着传统 装备制造业向信息化，智能化的提升与发展，提出了对工业X射线底片的数字化图像获取， 存储管理及其自动化评定的需求，其中，作为信息化的第一步，实现X射线底片的无损(不 丢失评定信息，无失真)、长期、有效的保存、传输和管理，对X射线底片数字化图像获取及 缺陷信息的自动获取技术的研究显得尤为紧迫。已往的X射线底片数字化方法有以下一些形式一是采用基于制式摄像机对X射 线底片扫描采集将其转换为全电视视频信号进入图像采集卡，经过图像采集卡量化为一帧 数字图像，并将结果存放在帧存储器中，其中图像采集卡由一个A/D转换器，输入输出查找 表LUT和两个512X512象素的帧存储器组成。在进行图像处理的同时，该系统同时可以进 行图像的显示。由于基于帧频的图像采集系统需要针对帧存进行“读”和“写”操作，速度受 到很大的限制，而且图像的质量比较差。较多的研究主要集中在后继的图像处理方面。从 已获取的图像信息来看，由于分辨率较低，底片上大量的细微缺陷，如微小裂纹，都在数字 化的过程中丢失了。大多数底片数字化系统研究的采像镜头，都采用普通的标准镜头，在光 学成像过程中，物距，像距，焦距均不可变，导致了成像放大倍率不可调节，也使得整个系统 无法实现较高的分辨率。整个数字化的过程中，调焦，对焦等操作均由人为控制，也难免带 来一些不必要的误差。近年来，采用线阵相机和线性光源实现的底片数字化扫描方案已得到应用，主要 是针对底片缺陷信息较为明显的细长底片所研制的。在底片扫描过程中，扫描的分辨率，扫 描的动态范围的实时调节都受到限制。针对一些密度大，动态范围大，以及一些有局部微小 信息的X射线工业底片，很难实现获取细节图像信息。因此，需要一种专门针对X射线工业底片实现局部信息细节观察的数字化系统。 发明内容本实用新型的目的在于提供一种操作者可以通过计算机发出控制指令，驱动运动 系统，实现对底片采像的缩放并能自动对焦的工业X射线底片的数字化装置，以观察底片 的局部细节。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案工业X射线底片的高分辨 观测装置，包括光源、镜头、与镜头相连的工业数码摄像头、与数码摄像头连接的计算机。该 装置还包括位于光源前面的可放置工业X射线底片的聚光罩、能使数码摄像头移动的移动 机构、能够对镜头调焦的对焦机构、在计算机控制下可驱动移动机构和对焦机构的步进电 机控制器。其中，所述聚光罩由漫反射透光板或菲涅尔透镜及框架构成；移动机构包括可安
3置数码摄像头的升降滑块、与升降滑块通过丝杠连接的平移台、带动丝杠旋转的步进电机; 所述对焦机构为步进电机通过对焦齿轮组合带动镜头调焦；所述步进电机控制器与步进电 机及计算机连接；另外，所述计算机含有清晰度判断及自动调焦程序。所述光源采用4颗大功率LED组成面阵白光光源。所述镜头采用三可变微距镜头(焦距可变，光圈可变，放大倍率可变)。所述数码摄像头采用工业用大动态CMOS面阵数码摄像头。所述清晰度判断及自动调焦程序采用如下方法编制1)对图像做二维傅里叶变换，得到图像的频谱图；2)以频谱图中点为圆心，图像高度为直径做一个圆；3)将圆内的频谱图灰度值相加得到函数值；4)记录当前的函数值，使步进电机正转一步；重复步骤1)至3)；将新的函数值与 记录的函数值做比较，当函数值大于记录的函数值，再次执行步骤4)；当函数值小于记录 的函数值，转至步骤5)；5)记录当前的函数值，使步进电机反转一步；重复步骤1)至3)；将新的函数值与 记录的函数值做比较，当函数值大于记录的函数值，再次执行步骤5)；当函数值小于记录 的函数值，转至步骤6)；6)使步进电机正转一步；输出清晰图像。本实用新型的积极效果采用均勻LED强光透射底片提供照明，并且使用三可变 微距镜头和工业用面阵数码摄像头对底片采像，采集图像实时传送至计算机。操作者可以 通过计算机发出控制指令，驱动运动系统，实现对底片采像的缩放，以观察底片的局部细 节。在缩放过程中，计算机通过清晰度判断和自动对焦算法，驱动对焦系统，实现实时自动 对焦，保证缩放过程中的图像不失真。
图1为本实用新型组成示意图；图2为本实用新型中软件系统框图。图中1.光源，2.聚光罩，3.镜头，4.对焦齿轮组合，5A、5B.步进电机，6.数码摄 像头，7.升降滑块，8.平移台，9.步进电机控制器，10.计算机。
具体实施方式
以下结合附图及优选实施例对本实用新型进行详细说明。本装置各部件装配如如图1所示，图中各部件具体说明如下1.光源1采用4颗大功率LED组成面阵白光光源。长度100mm，宽度50mm，功率 40w，驱动电压60V-72V，最大电流700mA，光通量2800LM-3200LM ；2.聚光罩2采用IOOmmX 50mm的毛玻璃或菲涅尔透镜，毛玻璃或菲涅尔透镜安装 在方形框架的上表面，框架罩在光源1上面；框架内表面为白色或设有反射镜。3.镜头3采用三可变微距镜头(焦距可变，光圈可变，放大倍率可变)，镜头3安 装在数码摄像头6上。4.对焦齿轮组合4采用1 4的铝合金直齿渐开线齿轮组，大齿轮直径100mm，小齿轮直径25mm。小齿轮与步进电机5A连接，大齿轮与镜头3连接，步进电机5A安装在数码 摄像头6上。5.步进电机5A、B采用两相混合式步进电机，与步进电机控制器9连接。6.数码摄像头6采用高速大动态范围的CMOS工业相机，数码摄像头6安装在升降 滑块7上。7.升降滑块7与安装在平移台8内的丝杠连接，丝杠与步进电机5B连接。8.步进电机控制器9采用步进电机通用控制器，步进电机控制器9通过串口与计 算机连接。9.计算机使用普通的PC机装配，内部装有采像软件和清晰度判断及自动调焦程 序，并与数码摄像头6连接。将X射线底片放置在聚光罩2上方，LED光源1发出强光通过聚光罩照亮底片。这 样，位于底片上方的镜头3与数码摄像头6，就可以采集到底片的图像。操作者可以通过计 算机10实时观察相机采集到的底片图像，并且还可以随时根据需求通过计算机发出指令 驱动平移台8带动数码摄像头6与镜头运动，实现对底片的缩放。在运动过程中，由于相机、
镜头与底片的相对运动使得物距改变。由物距(U)、相距(ν)与焦距(f)的关系i + i = +，
uvf
可以看出，当物距(U)改变，相距(V)不变的情况下，若不改变焦距(f)，就会失焦，造成采集 到的图像模糊。当计算机通过判断采集到的图像清晰程度为不清晰时，就会驱动步进电机5
通过对焦齿轮组合4调节镜头焦距(f)，使得物距、相距与焦距的关系重新满足1 + 1 = 4，
UVf
这样就可以采集到清晰的图像，实现实时自动对焦。为了实现计算机自动判断图像的清晰程度，就需要选择一个合适的图像清晰度函 数，计算机通过计算图像的清晰度函数值，就可以确定图像的清晰程度。在本实用新型中， 采用二维傅里叶变换后提取图像频谱高频部分的灰度值的总和作为图像清晰度函数。当计算机采集到图像时，首先对图像做二维傅里叶变换，得到图像的频谱图。众所 周知，图像越清晰，图像中线条与边缘这样灰度变化剧烈的部分就显示越明显，这种变化剧 烈的部分体现在频谱上就是频谱的高频部分。清晰的图像有更多的细节，在频域内其高频 的分量更多。而在二维傅里叶变换所得的图形频谱图中，高频部分正好位于频谱图的正中。 因此，以频谱图中点为圆心，图像高度为直径做一个圆，圆内就包含有图像的高频成分。如 果将圆内的频谱图灰度值相加，得到的值就可以认为是这个图像清晰度函数值。图像清晰， 频谱中高频成分就多，圆内灰度值相加所得的值就大。相反，图像模糊，频谱中高频成分就 少，圆内灰度值相加所得的值就小。根据此原理设计清晰度判断程序(清晰度函数)，利用 此函数调整对焦机构中的步进电机5A，直至得到最清晰图像，如图2所示。本实用新型中的 程序还包括“用户界面”，利用此程序人为调整镜头3与数码摄像头6相对工业X射线底片 距离，使底片的像缩小或放大，得到底片的全景像或细节像。使用本装置时，首先，将工业X射线底片放在聚光罩2上，光源1透过聚光罩将底 片照亮。此时，数码摄像头6通过镜头3实时地采集底片的图像，并将图像通过采集卡实时 传送至计算机10。图像通过计算机显示给操作者，同时，计算机始终通过一个图像清晰度判 定函数来判断所显示图像是否清晰。若图像不清晰，计算机将会驱动步进电机5通过对焦齿轮组4调节镜头3的焦距。直到计算机采集到的图像清晰度达到最大，物距、相距与焦距
满足关系ι。对焦完成，计算机发出指令停止步进电机运动。同时继续通过图像清晰 uvf
度判定函数判断所采集到的图像清晰度。由于有部分底片细节信息十分微小，需要通过放大来观察其细节。操作者可以通 过计算机发出控制指令，驱动平移台8，使升降滑块7带动镜头3与数码摄像头6向底片方 向移动。此时，采集到的图像就会随着镜头与底片之间相对距离的减小而放大，图像的视场 会随之缩小，实现细节观察。由于镜头与底片之间的距离变化，造成物距变化，采集到的图 像由于失焦而变的模糊。当计算机计算出所采集图像的清晰度函数值减小量达到5%时，认 为图像不清晰，启动自动对焦程序。通过串口想步进电机驱动器发出指令控制步进电机5 带动对焦齿轮组4调节镜头3的焦距，使图像清晰度达到最大，再停止对焦程序，转为监视 状态。如此，系统始终通过监视-对焦的方式保持所采集到的图像始终是清晰的。当需要采集底片全景时，操作者通过计算机发出指令，驱动平移台8，使升降滑块 7带动镜头3与数码摄像头6向上运动，远离底片。此时，图像会缩小，而视场会增大。由于 物距变化，图像失焦而变的模糊，计算机启动对焦程序，自动对焦，使图像保持清晰状态。操作者在整个操作过程中，可以随时将采集到的图像保存至数据库中，实现工业X 射线底片的数字化。
权利要求工业X射线底片的高分辨观测装置，包括光源(1)、镜头(3)、与镜头(3)相连的工业数码摄像头(6)、与数码摄像头(6)连接的计算机(10)；其特征在于该装置还包括位于光源(1)前面的可放置工业X射线底片的聚光罩(2)、能使数码摄像头(6)移动的移动机构、能够对镜头调焦的对焦机构、在计算机控制下可驱动移动机构和对焦机构的步进电机控制器(9)；其中，所述聚光罩(2)由漫反射透光板或菲涅尔透镜及框架构成；移动机构包括可安置数码摄像头(6)的升降滑块(7)、与升降滑块(7)通过丝杠连接的平移台(8)、带动丝杠旋转的步进电机(5A)；所述对焦机构为步进电机(5B)通过对焦齿轮组合(4)带动镜头(3)调焦；所述步进电机控制器(9)与步进电机(5A、5B)及计算机连接。
2.如权利要求1所述的工业X射线底片的高分辨观测装置，其特征在于所述光源(1) 采用4颗大功率LED组成面阵白光光源。
3.如权利要求1或2所述的工业X射线底片的高分辨观测装置，其特征在于所述镜 头(3)采用焦距可变、光圈可变、放大倍率可变的三可变微距镜头。
4.如权利要求3所述的工业X射线底片的高分辨观测装置，其特征在于所述数码摄像头(6)采用工业用大动态CMOS面阵数码摄像头。
专利摘要工业X射线底片的高分辨观测装置涉及拍摄和数字化装置，用于实现对工业焊缝检测X射线底片的数字化处理。本装置包括光源(1)、三可变镜头(3)、与镜头(3)相连的数码摄像头(6)、与数码摄像头(6)连接的计算机(10)，还包括聚光罩(2)、移动机构、对焦机构、步进电机控制器(9)；并且，所述计算机(10)含有清晰度判断及自动调焦程序。采用均匀LED强光透射底片提供照明，并且使用三可变微距镜头和工业用面阵数码摄像头对底片采像，采集图像实时传送至计算机。操作者可以通过计算机发出控制指令，驱动运动系统，实现对底片采像的缩放，以观察底片的局部细节。在缩放过程中，计算机通过清晰度判断和自动对焦算法，驱动对焦机构，实现实时自动对焦，保证缩放过程中的图像不失真。
文档编号H04N5/232GK201681056SQ20092027110
公开日2010年12月22日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者刘阳, 宋永伦, 闫志鸿 申请人:北京工业大学