技术文章

关于建立我国射线数字成像无损检测标准的探讨

曾祥照

1 数字时代的到来
随着计算机技术的发展和普及，现在已进入数字化时代。Ｘ射线无损探伤作为一种常规的无损检测方法在工业领域应用已有近百年的历史, Ｘ射线无损探伤通常以胶片照相为主要方法，在检测速度和成本等方面已无法满足目前生产快速发展和竞争日益激烈的需要。我国经过十多年的发展，一种新兴的X射线无损检测方法——X射线数字成像检测技术已日臻成熟并已成功应用于我国的实践。X射线数字成像检测技术主要特点是无需胶片照相，这与数码相机可以代替普通相机技术一样，检测结果的载体是数字图像，标志着我国Ｘ射线检测技术进入无胶片时代，是无损检测技术的一次革命。
2 建立数字成像无损检测标准的必要性和紧迫性
经过广大无损检测工作者的十多年来坚持不懈的努力，现在我国射线数字化成像无损检测技术不论是在理论研究还是实际应用上都已取得了骄人的成绩，与无损检测同一领域的研究和应用水平基本保持同步。
目前我国在射线数字成像无损检测方面发布了三个标准：GB 17925-1999《气瓶对接焊缝 X射线实时成像检测》国家标准、GB/T 19293-2003《对接焊缝X射线数字成像检测法》国家标准和GJB 5346-2005《射线实时成像检测方法》国家标准。这三个标准的发布，为我国应用X射线数字成像检测技术开创了先河，标志着我国X射线数字成像无损检测技术的研究和应用迈向上了新台阶。目前美国和欧盟已基本形成了具有各自特点的射线数字化成像无损检测标准体系，与之相比，我国在这方面还存在较大的差距，因此，加快建立我国射线数字成像无损检测标准步伐显得十分必要。 
目前我国在射线数字成像无损检测方面发布了三个标准：GB 17925-1999《气瓶对接焊缝 X射线实时成像检测》国家标准、GB/T 19293-2003《对接焊缝X射线数字成像检测法》国家标准和GJB 5346-2005《射线实时成像检测方法》国军标标准。这三个标准的发布，为我国应用X 射线数字成像检测技术开创了先河，标志着我国 X 射线数字成像无损检测技术的研究和应用迈向上了新台阶。目前美国和欧盟已基本形成了具有各自特点的射线数字化成像无损检测标准体系，与之相比，我国在这方面还存在较大的差距，因此，加快建立我国射线数字成像无损检测标准步伐显得十分必要。
现在射线数字成像无损检测标准问题已成为制约射线数字成像检测新技术进一步发展的瓶颈。经过十多年的努力，目前射线数字成像无损检测技术在承压容器制造行业和油气长输管线焊缝无损检测应用条件已经成熟，但是由于缺少承压设备射线数字成像无损检测标准而望而却步。2001年开工的长达4000km的西气东输管线未能用射线数字成像无损检技术令人遗憾；长达7000km的第二条西气东输管线已确定2008年开工，川气东送、俄气南输工程也即将开工，射线数字成像无损技术因具有省时、省力、成本低、进度快、有原始检测图像档案可长期保存备查等优点，成为油气管线的焊缝无损检测项目的，但是因目前暂时缺少标准而举棋不定。现在标准问题已成为推广射线数字成像无损技术的拦路虎，因此，加快制订射线数字成像无损检测标准已成当前的紧迫任务。我们应抓住当前有利机遇，在总结我国十多年来成功经验的基础上，参照美国标准和欧盟标准，加快制订射线数字成像无损检测标准的步伐，建立我国的射线数字成像无损检测标准化体系。
3 原子与比特
为了加快标准制订步伐，原先设想在“射线胶片照相检测”标准上增加“数字成像检测”附录，作为射线检测方法的补充，看似是一条捷径，但实际行不通。因为“胶片照相检测”和“数字成像检测”两者成像的载体不同，射线胶片照相检测的载体是胶片（金属原子），数字成像检测的载体是数字编码（比特），两者在成像技术和检测方法上有许多不同之处，因此，有必要建立独立的射线数字成像无损检测标准。
3.1 原子和比特(bit)
原子是工业化时代的标志。钢铁是工业化时代的标志，构成钢铁的zui基本的物质是原子。
“比特”是数字化时代的标志。比特（bit）是由 “0”和“1”的数字组合二进制编码，是构成数字化的zui基本要素。
二进制数字编码是由多个 “0”和“1”的数字组合， 其基本的编码称之为bit，(bit 读音为“比特”。 bit是由binary（二进制的）和digit（数字）两个词压缩而成的，bit意为“二进制数字”。bit是数字二进制中的zui小单位，有时也用一位比特来表示，即二进制的一位（21 bit=2bit）。
3.2 颗粒与像素
胶片的载体是溴化银颗粒, 显影后生成的银颗粒是构成底片影像的zui小单元。颗粒由众多原子和分子构成的。
数字影像屏幕上在水平方向上有若干行，在垂直方向有若干列，横平竖直的交点就为一个像素，整个屏幕的像素则由行数乘列数组成；像素是构成数字图像的zui小单元。成像器中行数与列数越多，则成像器中的像素就越大，例如，通常所说的300万像素的数码相机，有 2048×1536＝3145728像素。
3.3 黑度与灰度
在胶片照片方法中，胶片经曝光、显影、定影后，胶片上的颗粒被还原为黑色的银团，曝光越充分，底片就越黑，底片黑白的程度在胶片照相方法中称为黑度。
在数字图像中，每个像素具有一定的亮度值，一般称为灰度，全黑的值设定为0，全白的值设定为zui高灰度值，如：255、1023、4095等，其他值都介于这两者之间。数字图像的灰度范围是由A/D转换器的位数（比特）来决定的，如：8bit对应28=256灰度等级，称之为8位比特灰度级；10bit对应210=1024灰度等级，称之为10位比特灰度级；12bit对应212 =4096灰度等级。一般说来，比特位数越大，图像灰度变化范围越宽，也就是动态范围越宽、信息越丰富，视觉效果越好，但数据量也越大。
3.4 底片与图像
如同胶片显影技术使底片得以实现一样，计算机图像采集技术和图像处理使得图像得以实现。
原子是构成物质的基本颗粒，而比特不是物质，客观上是存在的一组数字的组合；为发挥人们的想象力，可将比特想象成“虚拟原子”。在射线胶片照相检测技术中，构成底片影像的基本物质是溴化银原子显影后的银颗粒，它所产生的图像是模拟图像，不能为计算机所识别；在射线数字化检测技术上，构成数字图像基本要素是像素，它所产生的图像是数字化图像，很容易为计算机所识别，因此应用计算机图像处理技术，就能产生与胶片照相底片相媲美的数字图像。射线数字成像检测技术正是建立在计算机图像处理技术基础上而发展起来的无损检测新技术。
4 数字成像检测技术的分类
随着计算机技术和图像处理技术的迅速发，现在数字成像技术像如同雨后春笋一样发展起来。数字成像技术有以下分类方法。
4.1 按成像方法分
1) 直接数字成像方法，简称DR；
2) 计算机照相成像方法，简称CR；
3) 底片扫描数字化。
4.2 按图像采集速度分
1）实时成像方法， 图像采集速度≥24帧/秒；
2）非实时成像方法，图像采集速度＜24帧/秒。
4.3 按探测器分
1）图像增强器式；
2）线阵列式；
3）平板式。
4.4 现有射线数字成像无损检测标准的性质
1）GB 17925-1999《气瓶对接焊缝 X射线实时成像检测》是基于图像增强器的实时成像标准；
2）GB/T 19293-2003《对接焊缝X射线数字成像检测法》是基于线型阵列探测器的数字成像标准；
3）GJB 5346-2005 《射线实时成像检测方法》是数字成像方法标准。
4.5 正在制订或计划的射线数字成像无损检测标准
1）GB/T 17925-XXXX《气瓶对接焊缝X射线实时成像检测》，正在修订；
2）GB/T XXXX-XXXX《无损检测 计算机射线照相系统分类》，正在制订；
3）JB/T XXXX-XXXX《承压设备X射线数字成像检测》，计划制订；
4）SY/T XXXX-XXXX《石油天然气钢质管道 射线数字成像无损检测》，计划制订；
5）GB/T XXXX-XXXX《无损检测 汽车铸件射线数字成像无损检测》，计划制订；
6) GB/T XXXX-XXXX《无损检测 射线数字成像无损检测系统配置导则》，计划制订；
7) GB/T XXXX-XXXX《无损检测 射线数字成像无损检测计算机应用程序导则》，计划制订；
8）GB/T XXXX-XXXX《无损检测 射线数字成像无损检测图像处理及数据传输导则》，计划制订；
9）GB/T XXXX-XXXX《无损检测 射线数字成像无损检测质量控制准则》，计划制订；
10) ………………
5 制订X射线实时成像无损检测标准的构想
5.1 GB/T 17925-XXXX《气瓶对接焊缝 X射线实时成像检测》标准修订简介
GB17925-1999《气瓶对接焊缝 X 射线实时成像检测》发布已有8 年，在气瓶行业及其他行业推广应用X射线实时成像检测技术起到了很大的作用。但随着实时成像技术的快速发展，原标准的技术水平已显落后，因此很有必要对GB17925-1999标准进行修订。
为保持标准的延续性，修改后标准框架基本保持不变。
修订后的标准稿增大适用范围，由原来的2.0~20.0mm的钢及有色金属材料增大为2~30mm。X 射线检测的穿透厚度主要取决于X射线的强度（管电压），目前国产X射线机都能满足此母材厚度的要求，因此，增大适用范围对成像技术并无影响。
修订后的标准方稿保持了原GB17925-1999的图像增强器成像技术路线。由于成像技术中的关键设备——图像采集器CCD的功能大幅提高，现在工业级图像增强器CCD的采集功能可达到100万以上像素，使得系统分辨率和图像分辨率大大提高，检测图像质量更加，这就为继续保持图像增强器技术路线有了坚实的保证。
X射线实时成像的图像质量按照JB/T 4730.2 AB级像质指数考核图像质量受图像分辨率（清晰度）和动态范围（对比度）影响。由于CCD分辨率大幅提高，标准方案提高了系统分辨率指标和图像分辨率指标；由于计算机采集功能的大幅提高，图像的动态范围由原来的8 bit（256灰度级）提高到10bit（1024灰度级），从而大大提高了检测图像的质量。 
由于X射线实时成像检测标准属于方法标准，因此将原标准由强制性标准改推荐性标准。虽然标准的性质改为推荐性标准，但质量指标仍为强制性指标。
对于初次使用X射线实时成像检测技术的单位，未能很好地掌握X射线实时成像检测技术X射线实时成像检测技术，为了确保射线实时成像无损检测技术应用的正确性和准确性，修改后的标准稿增加了对初次使用单位实行型式认可评审的要求。
5.2 JB/ XXXX-XXXX《承压设备X射线数字成像无损检测》标准制订构想
由于检测对象和检测条件的不同，承压设备X射线数字成像检测标准结构可分为五部分：
1）承压设备X射线数字成像无损检测 通用技术条件
2）承压设备X射线数字成像无损检测 基于图像增强器的检测技术条件
3）承压设备X射线数字成像无损检测 基于线型阵列探测器的检测技术条件
4）承压设备X射线数字成像无损检测 基于平面阵列探测器的检测技术条件
5）承压设备X射线数字成像无损检测 应用指南
根据以上构想分别编写《承压设备X射线数字成像无损检测》标准五个方面的技术条件。在检测方法上可借鉴JB/T 4730.2-2005《承压设备无损检测 第2部分 射线检测》标准，在成像工艺和图像质量方面应充分考虑X射线数字成像无损检测的特点，在焊缝缺陷评定分级方面可引用JB/T 4730.2-2005 标准的规定。
5.3 SY/T XXXX-XXXX《石油天然气钢质管道 射线数字成像无损检测》标准编制构想
根据石油天然气钢质管道的特点，在检测方法上主要采用基于平面阵列探测器的检测技术或基于图像增强器检测技术，在检测方法可借鉴JB/T 4730.2-2005 标准和SY/T 4109-2005 《石油天然气钢质管道无损检测》，在成像工艺和图像质量方面应充分考虑X射线数字成像无损检测X射线数字成像无损检测技术的特点，在焊缝缺陷评定分级方面可引用SY/T 4109-2005的规定。
5.4 GB/T XXXX-XXXX《无损检测 汽车铸件射线数字成像无损检测》标准编制构想
汽车铸件主要是指汽车用铸钢件和铝合金铸件，根据汽车制造行业的特殊要求，宜采用基于图像增强器的射线实时成像检测技术对汽车用铸钢件和铝合金铸件进行快速检查，可参照美国和欧盟相关标准制订。
5.5 GB/T XXXX-XXXX《无损检测 射线数字成像无损检测系统配置导则》标准编制构想
………………
6 团结协作尽快建立我国数字成像无损检测标准
射线数字成像无损检测技术在我国已有近二十年历史，经过广大无损检测工作者的辛勤努力，在理论研究取得了重要的进展，实际应用方面也积累了丰富的经验，现在只差一步之遥（标准）就可以全面迈向生产实际的各个领域，让我国广大无损检测工作者充分发挥聪明才智和团结协作，为尽快建立我国射线数字成像标准作出贡献。