工业数字成像技术中“黑度”概念的嬗变
XVII
摘要：阐述工业射线成像法中采用数字成像技术时导致传统胶片成像技术中重要参数——黑度产生概念性变化；建立了黑度与灰度间的联系并给出了推荐值；同时对当前数字成像技术提出了建议并简单分析了数字成像的利弊。
关键词：胶片成像技术 数字成像技术 黑度 亮度 灰度
Redefinition the density when using RT digitizing technique
BABCOCK & WILCOX BEIJING COMPANY LTD
KONG CHENG
Abstract：when using RT digitizing technique, Some important parameter like density will be redefined. This paper make relationship with density and gray, and recommend the digital gray value. Also give some suggests for RT digitizing technique, and analyze advantages and disadvantages.
Keywords：RT Film Technique；RT Digitizing Technique；Density; brightness; Gray
随着数字成像技术的发展，数字影像已越来越多地在各领域中得以应用。2005年7月，世界传统影像业巨头伊士曼柯达公司决定大幅缩减其传统产品的规模，这预示着在民用市场上传统的胶片成像技术已经是日暮西山。同样，工业射线检测领域中数字成像技术近年来也飞速发展，在大趋势上数字成像将全面取代胶片成像已是不争的事实。由于两种成像技术在成像原理上的不同，当采用数字成像时，诸如胶片特性参数等一些在传统技术中对检测灵敏度极为重要的概念已不复存在，此外还有一些胶片技术中重要参数的概念已经改变，例如本文将着重探讨的——黑度。
一、传统胶片技术中黑度的定义与规定值
传统胶片技术的成像原理是射线穿透被检试件后在胶片上产生潜影，再经过显、定影化学处理后形成永久可见影像。底片上的影像由许多微小的氧化银颗粒所组成，不同部位黑化程度的大小与该部位被还原的银多少有直接关系，而这“黒化程度”则用黑度来表示。黑度的定义为照射光强与穿透光强之比的常用对数值，即：
式中：D——黑度
L0——照射光强
L——透射光强
黑度是射线检测传统胶片技术中一个相当重要的指标，直接影响影像的对比度，是影响射线照相灵敏度的最基本参数。黑度值是否在合适的范围内决定了缺陷能否被检出，因此国内外标准均对底片黑度值有着严格的规定：
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中外标准射线照相黒度的规定值 | ||||
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射线照相质量等级 |
JB/T4730-2005 |
ISO5579:1998 EN 1435-1997 |
ASME Sec.V：2004 | |
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X射线 |
γ射线 | |||
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A |
1.5≤D≤4.0 |
≥2.0 |
1.8～4.0 |
2.0～4.0 |
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AB |
2.0≤D≤4.0 |
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B |
2.3≤D≤4.0 |
≥2.3 | ||
值得注意的是，EN1435标准中对黑度上限要求是“取决于观片灯亮度”。
事实上各标准对黑度值上限做出规定正是出自观片灯亮度不能无限增强的无奈之举。随着黑度的增加，底片噪声（颗粒度）不断减小而梯度不断增大，高黑度区段是高梯噪比区段，也是影像质量最佳和缺陷检出率很高的区段，因此提高黑度对射线照相灵敏度和检出灵敏度是非常有利的。但是底片的判读是用人眼进行的，而人眼对底片影像的识别能力则取决于透过底片的光亮度，当透过光亮度小于10cd/m2时人眼的识别能力就会随光亮度的减弱而急剧降低。目前观片灯自身亮度由于制造技术的限制一般都只有15万cd/m2至20万cd/m2，而欲使黑度值为4.0的底片透过亮度达到10cd/m2则观片灯亮度需在30万cd/m2以上，所以4.0的黑度值已是现有技术条件下底片黑度的上限。
二、数字成像技术中的影像“黑度”
目前工业应用领域内的数字成像技术主要分为CR（Computer Radiography）与DR（Digital Radiography）两大类（也有部分观点将采用底片扫描仪扫描的普通底片影像也归类为“数字成像”，但笔者认为一则扫描底片主要目的是为了存贮而非判读，再则底片扫描只是传统胶片技术的附加工序，因此只能勉强算做数字影像，而不应归属在数字成像技术种类之中）。
CR技术是用一种含有微量元素铕的钡氟溴化合物结晶体制成的感光IP板（Image Plate）,接受透过工件的X线,使IP板感光,形成潜影（这一潜影其实是不同区域所束缚的不同数量电子），然后CR 读片机用激光激发 IP 板发出荧光，由自动跟踪的集光器收集，复经光电转换器转换成电信号，放大后，由模拟/数字转换器转换成数字化影像信息。
DR技术分为间接能量转换DR（IDR）和直接能量转换DR（DDR），其原理都是将射线转换为电荷（IDR先由闪烁晶体产生可见光后再转换为电荷）再在计算机上显示出图像。
无论采用何种技术，最后所得的都是显示在计算机屏幕上的一幅图像，对这一图像的判读过程中无所谓“照射光强”与“透过光强”，因而也就无所谓“黑度”。然而黑度的概念在传统胶片技术中是如此重要——包括笔者个人在内的部分射线工作者早已习惯了以底片黑度来寻找合适的照射条件——以至于相当多的数字成像技术使用者迷失在数字成像技术的洪流之中。
在黑度概念实际上已不存在的数字成像时代，如何确定适合的曝光条件，这是一个问题。针对这一困扰，常见的解决方法无非两种：1、直接套用胶片技术的曝光条件；2、凭借评片员的经验。
直接套用胶片技术的曝光条件，是传统胶片技术向数字成像转换初期最简单的方法。意即根据现有经验套用胶片技术中适合黑度值的曝光条件直接应用于数字成像技术。但这一方法只适用于已有胶片技术曝光条件的工件，同时数字成像由于其自身的特点最佳曝光条件并不等同于胶片。
凭借评片员的经验即是借助评片员对传统技术的底片黑度视觉经验来确定数字成像技术的曝光条件，即屏幕上显示图像的“黑度”与传统胶片在观片灯下观测效果相近似。这种方法虽然可以完全脱离胶片，但人为因素影响极大，不适用于没有大量底片评片经验的射线工作人员，最关键的是评片员的底片视觉经验并不完全适合于数字影像。
那么究竟有没有一种标尺可以用来衡量数字影像的曝光条件是否满足要求？
由黑度的定义及表达式可知，黑度实质上是透光率的比值，也就是从完全透明到不透明过程中的一个度量，反映到具体图像上，即是从全白（透明）到全黑（不透明）。数字影像中，用来表述从白至黑的变化过程有一个新的概念来阐述——灰度或称为灰阶级数。
当前常见的显示器包括CRT（阴极射线管）、LCD（液晶）、等离子及DLP（背投）四种，应用于工业领域的一般为CRT和LCD。显示器的灰度通常按级数来划分，例如CRT与LCD均为8位灰度，意为28＝256级灰度，即从白至黑分为256个等级。需要注意的是灰度虽然是一个很流行但也是被广泛误解的参数，它描述的是显示器的灰色色标从黑色向峰值白色上升的陡峭度。灰度不是线性的，而是对数的(它在数学上实际上被称作是幂指数律，其在对数坐标系中呈线性变化)。通常我们看到的是被绘制成线性的灰度线，但这种灰度线实际上并不适合于使用，因为对眼睛有意义的是亮度比而非亮度差——在比较两种光强或混合两种颜色时，决定眼睛所看到之东西的是它们之间的亮度比。
到这里，我们已经可以看出底片黑度与图像灰度之间的联系甚至是对应关系，但具体该如何操作？
以笔者所接触到的实际数字成像设备及介绍资料来看，目前数字成像技术普遍采用12位灰度图像，212＝4096，将图像从白到黑划分为4096个等级。在这一灰度范围内，笔者由本单位IDR试验与使用经验得出的结论是：当图像控制在平均灰度3000左右时，可以获得相对最佳的视觉效果与相对最大的信号容纳能力。这一灰度数值经笔者单位的使用验证效果良好。
三、对当前数字成像技术的建议
1、灰度级数与伪彩
前文所述目前的数字成像系统普遍采用4096级灰度，但笔者认为在当前的使用条件下实际意义并不大。主要限制来源于现有的CRT与LCD显示器均只能支持8位即256级灰度，PDP（等离子显示器）虽然能支持16位甚至24位灰度，但现在的计算机系统很少采用PDP显示器。此外图像最终由人眼判读，而人眼能够分辨的灰度等级则仅仅只有二十级左右，因此单纯提高灰度等级并不能对评判产生积极的影响。
在其它领域内，有着非常值得借鉴的解决方案——伪彩。伪彩是通过程序将黑白图像转变为彩色显示方式，即对图像中不同的灰度由计算机处理后“涂”以不同的颜色。由于人眼对色彩极为敏感，色彩分辨力达1670万种之多，因此伪彩技术在天文、气象、军事、医学等领域内得以广泛的应用。相对人眼于几十级的灰度分辨力，1670万的色彩分辨会对评判结果产生革命性的影响。最常见伪彩应用实例是央视气象预报节目中的气象图，以及医学上的“彩超”，这些都是针对人眼功能而进行扬长避短的绝妙应用。
在工业数字成像技术领域内，超声C扫描与磁记忆方法均广泛地使用伪彩，但在射线数字成像技术上伪彩的应用还十分少见。可以预见到的是伪彩技术必将应用于这一领域内并将对图像判读应生巨大而卓有成效的影响。
2、影像处理
业内对数字影像进行计算机处理的认识上存在相当大的差异，甚至有部分观点还认为由于数字影像可以方便地进行处理而产生排斥和拒绝，笔者也曾见过某品牌的数字成像系统费尽心机将图像处理权限锁定（操作者无法对所得影像进行调整修改），并以此作为卖点来宣传。以笔者个人的观点，这是标准的因噎废食。
图像处理本来是数字影像的优势所在，适当调整图像亮度、对比度对缺陷评判极为有利，而使用一些特殊图像处理其效果更是可以大大提高缺陷检出率。业内已有大量论文对这一观点进行支持，笔者在此不再赘述，下图所展示的是经过降噪处理的数字影像效果对比。
降噪处理前 降噪处理后
图1 降噪处理前后效果对比
拒绝对图像进行处理的根本原因，来自于对操作者诚信度的怀疑。但必须要看到的是，作为一名无损检测工作者，良好的职业操守是从业的第一准则，对此管理者应给予充分的信任，如果仅仅因为怀疑操作者弄虚作假而放弃数字影像的技术优势，实在是得不偿失。退一步讲，即便是传统胶片技术，也并不能完全杜绝非诚信现象的发生。
四、数字成像技术的利弊
从射线检测技术上，数字成像与胶片相比最大优势在于动态范围广而具有良好的宽容度（见图2）。对于厚度差较大的工件曝光极为有利，基本上需采用双胶片技术的工件都可以由数字成像技术一次曝光完成，简化了底片评定时双片重叠观察的复杂操作。
图2 数字成像高宽容度效果展示
但是发展了百余年的胶片技术却还不会就此退出历史舞台。与数字影像相比，胶片影像在分辨率，适用范围上仍有前者无法取代的优势。中等颗粒胶片的分辨率即在每平方英寸2000万像素以上，而目前最高级别的CR也不过近千万像素，DR受成像CCD或COMS的限制则也在千万像素以下。在适用范围上，胶片系统根据影像质量和感光速度的不同可以划分为多个系列与级别，例如JB4730-2005就将胶片系统分为T1、T2、T3、T4等四个不同类别，实际使用中可以根据不同照射对象的检测要求来选用合适的胶片类别。而数字成像技术在对不同照射对象的成像选择应用上则显得单一和不足了。
总体来说，目前国内数字成像技术在工业应用上还属于新技术的推广阶段，任何一种新兴技术在投入使用的初期都会产生许多新的问题。笔者以对数字成像的一点浅见付诸此文，希望可以起到一个抛砖引玉的作用，让更多的数字成像技术研究者、使用者将自我的心得与经验发表以供同行交流，推动数字成像技术在国内无损检测行业内的发展进步。
参考文献：
[1]《射线检测》云南科技出版社强天鹏主编
[2]《<JB/T4730.1~4730.6承压设备无损检测>学习指南》新华出版社强天鹏主编
[3]《美国无损检测手册射线卷》世界图书出版社美国无损检测学会编
