第1章 概论

1895年11月8日，正当伦琴（图1-1）在实验室里从事阴极放电的实验工作时，一个偶然事件引起了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严，他突然发现在不超过1m远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不住，有的能起到一定的阻挡作用。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有被观察到的射线，它具有特别强的穿透力。于是立刻集中全部精力进行彻底的研究。他一连许多天把自己关在实验室里，连自己的助手和家人都不告知。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的痕迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况。

他深深地沉浸在这一新奇现象的探讨中以致到了废寝忘食的地步。平时一直帮他工作的伦琴夫人感到他举止反常，以为他有什么事情瞒着自己，甚至产生了怀疑。六个星期过去了，伦琴已经确认这是一种新的射线，才告诉自己的亲人。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片，如图1-2所示。

几乎在X射线被发现的同时，射线成像技术便应运而生，其神奇的透视效果迅速在欧美地区受到追捧。1896年6月，李鸿章在其环球访问期间接受德国政府的建议，用X射线对其在马关谈判中被日本枪手击中的左颊进行透照，亲眼在一张胶片上看到了日本制造的铅弹是以何种姿势镶嵌在他左眼下的骨头上，从而被他称为“照骨术”。据史料记载，1897年12月底，苏州博习医院引进的X射线机是中国最早的一台X射线诊断机，被描述为“无论人身骨肉，以及竹木纸布内藏什物，照之无不毫丝毕露”，说明近代中国对世界科技新潮流非常敏感。

世界上首个无胶片图像装置被命名为“Fluoroscope”，是在伦琴发现X射线几个月后开发出来的，如图1-3所示。

该装置由一个磷光屏组成，该磷光屏在X射线的照射下能够发光。该屏被放置在一个黑暗观察环境中，以补偿磷光屏的亮度不足。操作者在屏的另外一侧进行观察，通过上下、左右移动磷光屏，实现对不同位置的检查。这类装置可称为第一代无胶片射线检测技术，是现代数字化射线检测技术的雏形。

20世纪50年代，随着图像增强器的出现，技术发生了巨大的变化，第一次得到了实时的清晰图像，可称为第二代无胶片射线检测技术，如图1-4所示。

通过图像增强器，将输入荧光屏上采集的低亮度X射线图像，聚焦在输出磷光屏上获得高亮度图像，可以人工直接观察或通过电视摄像机先获得视频信号，然后通过显示器观察，被称为“X射线电视系统”。由于电视摄像机可以输出25帧/s的电视图像，可以动态、实时地检查运动物体，后来常被称为“X射线实时成像系统”。在20世纪80年代初期，基于图像增强器的X射线实时成像技术已经在科研、工业领域开始应用，例如，用于液化石油气钢瓶对接焊缝检测、军工行业的火工品填充状态检测、焊接钢管检测等。编者在20世纪80年代初期，使用图像增强器和高速摄影系统对焊接熔滴过渡形态和飞溅产生机理进行了系统研究，在1000帧/s的拍摄速度下清晰地观察到熔滴内部气泡的生成、长大和爆炸过程。基于图像增强器的X射线实时成像技术至今日仍有应用，尤其在图像质量要求不高的场合，具有其他检测方法无可比拟的速度优势。但较大的图像噪声、较低的检测灵敏度一直是这种技术的弊端。

从20世纪80年代中期开始，随着微电子技术的逐渐兴起，数字图像处理技术被用来改善射线图像质量，形成了基于微计算机的软件处理和基于数字逻辑电路的硬件处理两种技术。硬件处理技术在当时计算机运算速度较低的条件下具有速度优势，但由于缺乏灵活性后来逐渐被软件处理技术淘汰。微计算机的应用，引领射线检测技术进入了数字图像处理时代，即第三代无胶片射线检测技术，如图1-5所示。

这种技术的特征是基于视频图像的后处理，最后的观察图像一般是在工件静止的条件下连续采集多帧图像数据经过叠加或平均后得到的，该技术明显改善了图像质量，极大推进了射线无胶片检测技术的发展，在一些重要的场合，如：钢管管端焊接接头、石油液化气钢瓶焊接接头、弹药密度检测等领域应用。1999年诞生了中国第一个射线数字成像技术代替胶片照相技术的国家标准GB/T 17925—1999（注：现行标准已更新为GB/T 17925—2011）。

在数字图像处理时代，还有两种技术值得关注。一种是被称为CR的计算机成像技术，它是用IP影像板替代胶片，将储存于IP的X射线信号用激光扫描转换为电信号并进行数字图像处理的一种技术，是一种离线的射线数字成像方法，如图1-6所示。

另一种是胶片数字化技术，如图1-7所示。这种技术严格来讲并不是一种检测方法，而仅是一种将射线照相底片影像信息转化为数字化图像进行存储的方法。

胶片数字化设备能将工业底片数字化后输入计算机，将胶片密度转换为计算机可识别的数字化图像灰度，并通过专用的图像处理软件，对其进行处理、分析、评价及储存管理。

无论是图像增强器成像技术还是CR或胶片数字化技术，其特点是系统结构噪声大、动态范围小，从本质上可以归入泛数字化射线检测系统，图像质量跟胶片系统相比仍有一定的差距。

1995年，在纪念伦琴发现X射线100周年之际，射线直接数字成像技术得到了广泛的研究并迅速实现了商品化，从而带动射线无胶片检测技术进入了完全数字化时代，即第四代数字化射线检测技术。图1-8所示的非晶硅数字平板探测器，是以数字探测器阵列（DDA）为代表的新型射线探测器，集成了材料、微电子、通信、软件等现代技术，极大地提升了检测图像的动态范围和信噪比，使得非胶片射线检测技术发生了质的飞跃，人们开始意识到真正的胶片替代技术已经来临。

射线数字成像检测技术与射线胶片照相技术之间的差别是显而易见的。一是DDA探测器的基本成像单元是像素，不同探测器之间像素尺寸的差别较大，与胶片相比空间分辨率较低；二是DDA探测器检测时，由于受工件形状限制或出于设备安全考虑存在一定的几何放大倍数，几何不清晰度对图像质量的影响更加明显；三是胶片系统可以满足不同厚度工件的检测要求，但一套DDA探测器因为设计原因可能适用的材料厚度范围受限而需要两种甚至多种探测器才能满足较大厚度范围的物体检测要求。

射线数字成像技术与胶片照相技术的等价性问题是无论如何都无法绕开的话题，尤其是在一些使用胶片照相法的传统行业。等价性问题，归根结底是对细节的检出能力问题，或者是细节的可识别性问题。它主要包括两个方面的内容，一是DDA探测器系统与胶片系统的等价性，它需要建立合适的技术参数来解决，具体还会涉及探测器系统的分级方法；二是检测标准的等价性，通过规定具体的检测工艺和方法，来保证检测结果的一致性。对于大多数X射线胶片照相检测标准，一般都是通过控制最小焦距的办法来控制图像几何不清晰度（胶片的固有不清晰度或基本空间分辨率值较小），没有在图像质量标准中提出明确要求。对于DDA探测器，产生的是离散化数字图像，探测器基本空间分辨率相对于胶片系统较低，因此确立分辨率指标和这些指标与胶片系统的等效性等则是方法标准必须解决的课题。

随着数字化射线检测技术的应用普及，许多标准化组织相继发布了射线数字成像检测标准。毫不夸张地讲，没有建立在细节可识别性理论、像质补偿理论和等价性理论基础之上的射线数字成像检测标准都是不完善的，这些标准规定的方法和技术指标都存在一定的主观性，在实际应用中按照标准规定的程序作业并不能获得理想的效果，有时甚至与实际情况完全相反。

射线数字成像技术的春天已经到来，但技术的发展却永无止境。

现有的技术和设备能力还远不能满足产品生产的检测需要。在未来几年，可以预见射线数字成像技术和基于该技术的应用将会在以下几个方面得到突破：

1.DDA探测器的技术发展

首先是智能DDA探测器的开发。现有的DDA探测器是在基于PC的软件控制下完成数据采集工作的。智能DDA探测器将是一种高度集成化的微小型射线视觉系统，它将图像的采集、处理与通信功能集成于探测器内，从而提供具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的数字成像解决方案。同时，由于应用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种射线数字成像的应用需求。

其次是具有一定弧度的曲面探测器的开发。现有的DDA探测器都是在玻璃基板上利用非晶硅薄膜技术（a-Si TFT）进行图像传感器电路制作的，属于无机薄膜晶体管技术。目前有机薄膜晶体管（OTFT）的综合性能已经达到商用非晶硅水平，其鲜明的低生产成本和高功能优点已显示出巨大的市场潜力和产业化价值，将很快成为新一代平板探测器制造的核心技术。

2.智能化射线数字成像设备

随着许多国家将人工智能（AI）确定为国家发展战略，满足工业4.0标准的智能射线检测设备将会在不久的将来被广泛采用。这些设备将以缺欠自动识别（ADR）技术为基本特征，利用机器人和机器视觉技术自动识别工件类别、自动抓取检测工件、实现“OK”“NG”产品的自动分选；大量的设备故障预警和设备故障诊断模型将会被开发出来，利用传感器技术和物联网技术实现设备的自动维护。

图1-9a所示为人工识别灵敏度为3%的原始图像，图1-9b所示为利用图像复原技术和缺欠自动识别技术提取的灵敏度约1.0%的缺欠。

3.在线CT检测技术

尤其是在铸造零件检测领域，在生产线上利用快速CT重建技术进行工件的在线检测将会升级现有的DR成像技术，促使CT技术从象牙塔上走下来成为一种常规的无损检测技术，使得产品质量得到更好的保证。

4.质量追溯系统

基于检测数据云存储的质量追溯系统会成为质量监理和管理部门的首选技术，由此可能会改变现有的质量管理模式，可能会出现专门的图像评估公司代替各个机构现有的专业评估人员，实现第三方评估和社会高级检测人员的资源共享。