CC BY
16
УДК 535.66
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ ШАРОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Михаил Федорович Носков
Саяно-Шушенский филиал Сибирского федерального университета, 655619, Россия, Республика Хакасия, г. Саяногорск, р.п. Черемушки, 46, доктор технических наук, профессор кафедры фундаментальной подготовки, тел. (39042)3-40-61, e-mail: Eggl@rambler.ru
Целью данной работы является экспериментальное обоснование возможности сочетания оптических и компьютерных методов обработки изображений. Рентгеновский контроль является одним из самых эффективных методов контроля тепловыделяющих элементов. Рентгеновские лучи проходят сквозь исследуемый объект и вызывают большее или меньшее потемнение пленки, прикладываемой с противоположной стороны. При визуальном анализе рентгенограмм удается выявлять не все имеющиеся слои. Если улучшить распознаваемость слоев и границ между слоями, например, псевдоцветовым кодированием, то можно будет повысить информативность контроля. Псевдоцветовое кодирование может быть оптическим или компьютерным. Такое кодирование решает задачу выделения фрагментов изображения с близкими яркостями (в случае монохромных изображений) или цветами (для полноцветных изображений). Изображения являются источником информации не только в области рентгеновской техники. Именно поэтому вопросы повышения их информативности всегда находились в центре внимания специалистов, занимающихся разработкой средств и методов обработки изображений. В настоящей работе экспериментально сравниваются возможности оптического, компьютерного и комплексно оптико-компьютерного метода повышения качества изображения. В качестве объекта исследования выбрана черно-белая рентгенограмма мик-роТВЭЛа. Анализ рентгенограммы проводился четырьмя способами. В первом случае рентгенограмма освещалась стандартным образом, защитного циркониевого слоя не видно. Во втором случае рентгенограмма освещалась под углом 30 градусов. В этом случае был виден третий циркониевый слой. Во третьем случае первичная рентгенограмма обрабатывалась при помощи компьютерной программы Фемтоскан. Третий циркониевый слой не виден. В четвертом случае применялась последовательно оптическая и компьютерная обработка рентгенограммы. Отчетливо виден третий циркониевый слой. В случае анализа слабых изображений применение компьютерной программы Фемтоскан не позволяет выявить внешний циркониевый слой. Необходимо совместное применение двух способов - оптического и компьютерного. Это дает наибольший эффект.
Ключевые слова: черно-белая рентгенограмма, псевдоцветовое кодирование, цветовая чувствительность глаза, дополнительный цвет, повышение информативности рентгенограммы, шаровые элементы, изображение.
Введение
Проблема повышения чувствительности обнаружения изображений и их анализа на низкоконтрастных радиологических изображениях до сих пор является актуальной. Даже в настоящее время рентгенограммы первоначально регистрируют в черно-белом варианте, а уже затем их тем или иным способом переводят в псевдоцветовые и анализируют.
Данная процедура обуславливается комплексной взаимосвязью минимум трех факторов:
- психофизиологической сложностью визуального выделения границ «дефект - нормальное состояние»;
- крайней сложностью создания алгоритма, позволяющего без участия человека выделить границу проблемного участка;
- неспособностью усредненного человеческого глаза видеть более 10-12 ступенек перепадов яркости от максимальной к минимальной, в то время как даже стандартные мониторы черно-белых компьютеров позволяют выделять минимум 256 градаций серого, то есть отражают приблизительно 0,5 % перепада яркостей.
Наличие перечисленных выше факторов вызвало многообразие подходов к решению проблемы более достоверного анализа черно-белых рентгеновских изображений - метод виртуальной голографической интерферометрии, метод электронного псевдоцветового кодирования, например, при помощи программы Фемтоскан и т. п. Тем не менее проблема и до настоящего времени не является полностью решенной. В большинстве случаев исследователи предпочитают применять электронную обработку изображений, используя программу Фемто-скан или ей подобные [1-3]. Авторы данной работы тоже имеют опыт работы с данной программой [4-6]. Эти программы основаны на цветовом пространстве УиУ, которое широко применяется в телевещании и соответственно пришло на компьютер вместе с МРБО-форматом. Дело в том, что глаз человека наиболее чувствителен к цветности изображения и намного менее - к яркости. Недостатком программы Фемтоскан является низкое разрешение по полю, что зачастую приводит к потере мелких элементов на изображении.
В цветовом пространстве УИУ есть один компонент, который представляет яркость (сигнал яркости), и два других компонента, которые представляют цвет (сигнал цветности). В то время как яркость передается со всеми деталями, некоторые детали в компонентах цветоразностного сигнала, лишенного информации о яркости, как правило, удаляются путем понижения разрешения отсчетов (фильтрация или усреднение), что делается несколькими способами (таким образом, есть много форматов для сохранения изображения в цветовом пространстве УИУ).
Цели и задачи
Целью настоящей работы является описание и экспериментальная демонстрация возможностей оптического анализа рентгенограмм микроТВЭлов в диффузном свете и последующей электронной обработки.
Большинство современных АЭС содержит ядерные реакторы со стержене-выми ТВЭЛами. В этих стержнях присутствует ядерное топливо в форме таблеток. Анализ аварийных ситуаций показал, что такие стержни являются радиа-ционно опасными объектами. Более безопасным топливом считаются стержни с шаровыми микроТВЭЛами. Такой микроТВЭЛ диаметром около 2 мм содержит центральное топливное ядро, покрытое защитными оболочками. Функция
оболочек - разделить топливо и теплоноситель. Внешняя оболочка должна быть выполнена из нитрида циркония, или титана, или хрома.
Стандартный микроТВЭЛ содержит ядро из двуокиси урана диаметром 1,5 мм и защитную многослойную оболочку толщиной около 150 мкм. Активная зона с ТВС с микроТВЭЛами вписывается в реакторы типа ВВЭР без изменения конструктивных параметров и мощности. При возникновении аварийной ситуации цепная реакция деления прекращается [7-9].
Указанный принцип был предложен ранее [10-13] для анализа интерференционных картин и микроТВЭЛов. Принцип действия был разработан для фотослоев и состоял в следующем. Микрокристаллы галоидного серебра и поглощают, и рассеивают падающий на них свет, причем изображение в рассеянном свете является дополнительным к изображению в свете проходящем - а именно, черные и белые участки изображения меняются местами.
Напомним, что стандартный тепловыделяющий элемент представляет собой стержень из оксида урана, помещенный в цилиндрический корпус. При эксплуатации в ядерном реакторе стержни разогреваются и расширяются, поэтому конструкторы вынуждены оставлять между стержнями компенсационный зазор. При работе реактора температура различных стержней, а также каждого стержня по длине не является постоянной величиной. Поэтому в работающем реакторе всегда имеется небольшой зазор между стержнем и корпусом.
В НИИ НПО «Луч» (бывший ПНИТИ) была разработана новая технология изготовления ТВЭЛов [14, 15]. Суть ее состоит в том, что стержни изготавливают не сплошными. Основой стержня являются микросферы из оксида урана диаметром около 1,5 мм. Снаружи такой сферы находится оболочка из пористого микроуглерода, затем слой карбида, а снаружи - защитная пленка из циркониевого сплава.
Толщины слоев и присутствие или отсутствие дефектов в слоях необходимо контролировать с точностью, по крайней мере, на порядок меньше измеряемых величин, то есть от 5 до 10 мкм. При этом в поле зрения находится одновременно около десяти тысяч контролируемых микроТВЭЛов. Напомним, что такие величины соответствуют разрешающей способности около 100 линий на миллиметр при поле зрения 10 см, а таких качеств изображения не может обеспечить ни один фотоприемник.
Для получения первичного рентгеновского снимка использовался рентгеновский аппарат типа УРС-0,02М с трубкой БСМ с фокусным расстоянием 40 мм. Для регистрации использовались серийные фотопленки ФТ-31, ФТ-41, ФТ-111, Микрат-900, а также экспериментальные фотопленки О-390 и О-648. Оказалось, что из всех перечисленных фотопленок реальное, а не паспортное разрешение 2 мкм обеспечила только пленка О-648.
Режим просвечивания составил 30 киловольт, рабочий ток 10 ампер, время экспозиции 10 минут.
Методы экспериментального исследования рентгенограмм
Объектом исследования была черно-белая рентгенограмма микроТВЭЛа. В качестве прибора для анализа рентгенограммы оптическим способом был использован стереоскопический микроскоп МБС 10. Данный микроскоп был выбран как самый массовый микроскоп, на долю которого и сейчас приходится около 70 % микроскопов. Поскольку в распоряжении другого исследователя может не оказаться именно данного микроскопа, приведем его параметры для замены на аналогичный. Оптическая схема микроскопа построена по схеме Аб-бе. Эта схема сформирована одним большим объективом, через который проходит два параллельных световых пучка. Свет, прошедший сквозь исследуемую рентгенограмму, после выхода из объектива разделяется на два пучка, наклоненный относительно друг друга примерно на 15 градусов.
Главным достоинством микроскопа МБС 10, кроме его массовости, является великолепная цветопередача.
Анализ рентгенограммы проводился четырьмя способами. В первом случае рентгенограмма освещалась стандартным образом, защитного циркониевого слоя не видно. Во втором случае рентгенограмма освещалась под углом 30 градусов. В этом случае был виден третий циркониевый слой. В третьем случае первичная рентгенограмма обрабатывалась при помощи компьютерной программы Фемтоскан. Третий циркониевый слой не виден. В четвертом случае применялась последовательно оптическая и компьютерная обработка рентгенограммы. Отчетливо виден третий циркониевый слой. Опишем полученные результаты более подробно.
На стандартной рентгенограмме (рис. 1) раздельно видно только две первые внутренние оболочки. Это внутренняя сфера из оксида урана и средняя сфера из пористого микроуглерода. Внешняя оболочка из циркония не видна. Об ее присутствии можно только догадываться, поскольку какая-то причина не позволяет микроТВЭЛам сблизиться друг с другом.
На рис. 2 представлена та же самая рентгенограмма, восстановленная в наклонных пучках. Отчетливо виден циркониевый внешний слой.
Рис. 1. Исходная черно-белая рентгенограмма микроТВЭЛа
Рис. 2. Инвертированная черно-белая рентгенограмма микроТВЭЛа
Рис. 3. Черно-белая рентгенограмма микроТВЭЛа, обработанная при помощи программы Фемтоскан
Рис. 4. Инвертированная оптически черно-белая рентгенограмма микроТВЭЛа, обработанная затем при помощи программы Фемтоскан
На рис. 3 представлена первая черно-белая рентгенограмма, обработанная при помощи программы Фемтоскан.
На рис. 4 представлена черно-белая рентгенограмма, сначала восстановленная в наклонных пучках, а затем обработанная при помощи программы Фемтоскан.
Результаты и дискуссия
Сверхслабые изображения не распознаются при помощи программы Фемтоскан. Данная программа позволяет переводить черно-белые изображения в псевдоцветовые, только начиная с некоторого порогового контраста. Для определения величины такого контраста рентгенограммы 1 и 2 были просканиро-ваны поперек сечения одного микроТВЭЛа. В результате автором было показано, что применение компьютерной обработки неэффективно, если на исходном снимке контраст составляет менее 1 %. В этом случае автор рекомендует сначала произвести оптическую обрабоку изображения в наклонных пучках, а затем компьютерную обработку. Также автор считает компьтерную обработку менее эффективной, чем оптическую, так как в результате первой на снимке появляются артефакты. Объем первого снимка - 91 КБ, второго - 110 КБ. За счет наклонного наблюдения мы дополнительно получили около 20 % информации. Но объем третьего снимка уже 14 МБ, а четвертого - 735 КБ. Автор считает, что в данном случае мы имеем дело с артефактами.
Выводы
1. Предлагаемый автором оптический способ улучшения качества изображений ни в коем случае не предполагает отказа от методов электронной обработки изображений, а дополняет их возможности и претендует на свою нишу в области обработки низкоконтрастных рентгеновских изображений, представленных, например, в работах [16-18].
2. Представление изображения в модели RGB предпочтительнее представления в пространстве YUV. Это обусловлено тем, что в модели RGB большая часть изображения представлена в зеленой области спектра.
3. Выполненное в эксперименте оптико-электронное преобразование позволяет визуально выделять элементы миктроТВЭЛа, невидимые на изображении, обработанном в программе Фемтоскан.
4. Очевидно, что при любой обработке исходного изображения объем информации может только уменьшаться. В рамках данной работы этот вопрос не рассматривается. Автор рекомендует обратиться к работе [19]. Результаты данной работы планируется использовать при проведении лабораторных работ по курсу «Общая физика» в НГПУ [20].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Немировский В. Б., Стоянов А. К. Сегментация цветных изображений природных объектов с помощью рекуррентной нейронной сети // Известия Томского политехнического университета. - 2013. - Т. 323, № 1. - С. 212-215.
2. Немировский В. Б., Стоянов А. К. Повышение информативности полноцветных изображений с помощью нейросетевого алгоритма многошаговой сегментации // Современные наукоемкие технологии. - 2015. - № 3. - С. 55-60.
3. Немировский В. Б., Стоянов А. К. Сегментация изображений с помощью рекуррентной нейронной сети // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 321, № 5. - С. 205-210.
4. Измерение микрорельефа поверхности с помощью компьютерной обработки интерференционной картины / М. Ф. Носков, А. В. Букатов, С. С. Овчинников, Ю. А. Мальцев // Международный научный журнал. - 2015. - № 5. - С. 115-119.
5. Носков М. Ф., Букатов А. В., Овчинников С. С. Способ повышения чувствительности измерений микрорельефа периодической поверхности // М1жнародний науковий журнал. - 2015. - № 6. - С. 95-97.
6. Носков М. Ф. Обращение многолучевой интерференционной картины // Успехи современного естествознания. - 2014. - № 5/2. - С. 193-194.
7. Перспективы развития микроТВЭЛов в ВВЭР / Н. Н. Пономарев-Степной, Н. Е. Кухаркин, А. А. Хрулев, Ю. Г. Дегальцев // Атомная энергия. - 1999. - Т. 86, № 6. - С. 443-449.
8. Гришанов Е. И., Денисов Е. Е. Разработка математической модели для расчета параметров теплоносителя в тепловыделяющей сборке легководородного реактора с мик-роТВЭЛами // Тяжелое машиностроение. - 1995. - № 9. - С. 11-20.
9. Авдеев А. А., Балунов Б. Ф., Рыбин Р. А. Гидродинамическое сопротивление при течении двухфазной смеси в шаровой засыпке // Теплофизика высоких температур. - 2003. -№ 3. - С. 432-438.
10. Kondpatev A. I., Noskov M. F., Raxmanov V. F. Separation of the extrrema of interference bands photographic recording // Instruments and Experimetal Reviev. - 1983. - Vol. 26. -No 2. - P. 481.
11. Skokov I. V., Noskov M. F. Nonlinear photografik recording of double beam interference patterns // Instruments and Exsperimental Reviev. - 1984. - No. 50 (1). - P. 42-46.
12. Skokov I. V., Noskov M. F. Optimisation of photographic recording of interference patterns // Instruments and Exsperimental Reviev. - 1986. - Vol. 28. - No. 5. - P. 1226-1228.
13. Носков М. Ф. Выбор критерия чувствительности оптического интерферометра // Современные наукоемкие технологии. - 2014. - № 4. - С. 173.
14. Носков М. Ф., Ордынцев В. А., Таубин М. Л. А.с. СССР № 1452307. Способ анализа снимков при радиографическом контроле изделий с большим радиографическим контрастом; Заявл. № 4280472 от 13 июля 1987 г., зарегистрировано 15 сент. 1988 г.
15. Материалы выставки «Высокие технологии-2006» в Экспоцентре на Красной Пресне // Наука и Жизнь. - 2006. - № 6. - С. 29.
16. Levko V. A. Calculation of surface roughness in abrasive-extrusion machining of the basis of contact-interaction model // Russian Aeronautics. - 2009. - Vol. 52, No. 1. - P. 94-98.
17. Влияние наноструктурированных порошков-модификаторов на структуру сварного шва / М. А. Кузнецов, С. П. Журавков, Е. А. Зернин, Д. Е. Колмогоров, Н. А. Яворовский // Изв. вузов. Физика. - 2013. - Т. 56, № 7-2. - С. 260-264.
18. Application of nanostructured povderts characteristics of electrode metal transfer and the process weld structurization / M. A. Kuznetsov, E. A. Zernin, D. S. Karzev, V. I. Danilov // Applied Mechanics and Materials. - 2013. - Vol. 379. - P. 199-203.
19. Трофимов В. М. Информационные системы: путь к разрешению парадоксов // Вестник Новосибирского государственного педагогического университета. - 2015. - № 3 (25). - С. 64-73.
20. Новосибирский государственный педагогический университет: курс на инновации / Н. В. Алтынникова, А. Д. Герасев, Н. А. Ряписов, Б. О. Майер, С. А. Гижицкая // Вестник Новосибирского государственного педагогического университета. - 2013. - № 1 (11). - С. 5-20.
Получено 31.10.2016
© М. Ф. Носков, 2016
OPTO-ELECTRONIC PROCESSING OF IMAGES OF SPHERICAL ELEMENTS
Mikhail F. Noskov
Sayano-Shushenskaya branch of Siberian Federal University, 655619, Republic of Khakassia, Russia, Sayanogorsk, 46 i. c. Cheryomushki, D. Sc., Professor, Department of Basic Training, tel. (39042)3-40-61, e-mail: Eggl@rambler.ru
The aim of this work - experimental substantiation of the benefits of optical image processing above computer in the case of weak images. Radiography is one of the most effective methods of controlling the fuel elements. X-rays pass through the object under investigation and cause a greater or lesser darkening of the film exerted on the opposite side. The visual analysis radiograph to identify all elements of. If you improve the recognizability of the layers and the boundaries between them, for example, pseudocolor encoding, it will be possible to increase the information content of the control. Pseudocolor coding may be an optical or computer. This solves the problem of encoding the selected image fragment with similar brightness (in the case of monochrome images) or colors (for color images). In this paper experimentally compares the possibilities of optical, computer and computer-integrated optical method of image enhancement. As the object of study chosen black and white X-ray microfuel.- The object of the study was a black-and-white X-ray microTVEL. X-ray analysis was carried out in four ways. In the first case, the radiograph was light in a standard way, the protective layer of zirconium is not visible. In the second case, X-ray was illuminated at an angle of 30 degrees. In this case, the third layer of zirconium was seen. In the third case, the primary X-ray treated using FemtoScan computer program. Third zirconium layer is not visible. In the fourth case it is applied consistently optical and computer processing of radiographs.Clearly visible the third layer of zirconium. In the case of weak image analysis application FemtoScan computer program does not allow to identify the external zirconia layer. It should be a joint use of two methods - optical and computer. It is most effective.
Key words: black-and-white roentgenogram, pseudocolor encoding, eye's color response, complementary color, roentgenogram informativeness increasing, spherical elements, images.
REFERENCES
1. Nemirovskiy, V. B., & Stoyanov, A. K. (2013). Segmentation of Color Images natural objects with recurrent neural network. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the TomskPolytechnik University], 323(1), 212-215 [in Russian].
2. Nemirovskiy, V. B., & Stoyanov, A. K. (2015). More informative full-color images using a neural network algorithm multistage segmentation. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern High Technologies], 3, 55-60 [in Russian].
3. Nemirovskiy, V. B., & Stoyanov, A. K. (2012). Segmentatsiya izobrazheniy s pomoschyu rekurrentnoy neyronnoy seti. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tomsk Polytechnik University], 321(5), 205-210 [in Russian].
4. Noskov, M. F., Bukatov, A. V., Ovchinnikov. S. S., & Maltsev, Yu. A. (2015). Measurement of the microrelief of the surface with the help of computer processing of the interferential picture. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal [The International Scientific Journal], 5, 115-119 [in Russian].
5. Noskov, M. F., Bukatov, A. V., & Ovchinnikov, S. S. (2015). Method of increasing measurement sensitivity microrelief periodic surface. Mezhdunarodnyy nauchnyy zhurnal [The International Scientific Journal], 6, 95-97 [in Russian].
6. Noskov, M. F. (2014). Handling multi-beam interference pattern. Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya [The Success of Modern Science], 5/2, 193-194 [in Russian].
7. Ponomarev-Stepnoj, N. N., Kuharkin, N. E., Hrulev, A. A., & Degal'cev Yu. G. (1999). Prospects for the development of microTVEL elements in VVER. Atomnaya energiya [Atomic Energy], 86(6), 443-449 [in Russian].
8. Grishanov, E. I., & Denisov, E. E. (1995). Development of mathematical model for calculating the parameters of the coolant in light water reactor fuel assembly with microfuel. Tyazheloe mashinostroenie [Heavy engineering], 9, 11-20 [in Russian].
9. Avdeev, A. A., Balunov, B. F., Rybin R. A. (2003). Pressure drop in the flow of a two-phase mixture in the ball filling. Teplofizika vysokikh temperatur [High Temperature], 3, 432-438, [in Russian].
10. Kondpatev, A. I., Noskov, M. F., & Raxmanov, V. F. (1983). Separation of the extrrema of interference bands photographic recording. Instruments andExperimetal Reviev, 26(2), 481-483.
11. Skokov, I. V., & Noskov, M. F. (1984). Nonlinear photografik recording of double beam interference patterns. Instruments and Exsperimental Reviev, 50(1), 42-46.
12. Skokov, I. V., & Noskov, M. F. (1986). Optimisation of photographic recording of interference patterns. Instruments and Exsperimental Reviev, 28(5), 1226-1228.
13. Noskov, M. F. (2014). Selecting the sensitivity test of the optical interferometer. Sovremennye naukoemkie tekhnologii [Modern High Technologies], 4, 173 [in Russian].
14. Noskov, M. F., Ordyncev, V. A., & Taubin, M. L. (1988). Patent SSSR № 1452307.
15. Materials Exhibition 2006 High technology in Expocentre on Krasnaya Presnya (2006). Nauka i zhizn' [Journal of Science and Life], No. 6, p. 29 [in Russian].
16. Levko, V. A. (2009). Calculation of surface roughness in abrasive-extrusion machining of the basis of contact-interaction model. Russian Aeronautics, 52(1), 94-98.
17. Kuznetsov, M. A., Zhuravkov, S. P., Zernin, E. A., Kolmogorov, D. E., & Yavorovskiy, N. A. (2013). The impact modifier of nanostructured powders to the weld structure. Izvestiya vuzov. Fizika [Russian Physics Journal], 56(7-2), 260-264 [in Russian].
18. Kuznetsov, M. A., Zernin, E. A., Karzev, D. S., & Danilov, V. I. (2013). Application of nanostructured povderts characteristics of electrode metal transfer and the process weld structurization. Applied Mechanics and Materials, 379, 199-203.
19. Trofimov, V. M. (2015). Information systems: a way to resolve the paradoxes. Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta [Novosibirsk State Pedagogical University Bulletin], 3(25), 64-73 [in Russian].
20. Altynnikova, N. V., Gerasev, A. D., Ryapisov, N. A., Majer, B. O., &, Gizhickaya, S. A. (2013). Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universiteta [Novosibirsk State Pedagogical University Bulletin], 1(11), 5-20 [in Russian].
Received 31.10.2016
© M. F. Noskov, 2016
