本發(fā)明屬于磁性材料無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法。

背景技術(shù)：

無損檢測(nondestructivetesting)是指在不損害或者不影響被檢測對象內(nèi)部組織的前提，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常所引起的熱、聲、光、電、磁等反應(yīng)的物理量變化，即無損檢測利用了材料結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后引起的物理量的變化，測得物理量的變化值來反演材料結(jié)構(gòu)的變化。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)中得到的物理量變化值可能包含了眾多其他信息，因此根據(jù)需要排除其他的外界干擾，才能對材料內(nèi)部的異常情況做出可靠判斷。

無損檢測方法眾多，最常用的是射線檢測(radiographictesting)、超聲檢測(ultrasonictesting)、磁粉檢測(magneticparticletesting)、滲透檢測(penetranttesting)和渦流檢測(eddycurrenttesting)這五大種常規(guī)無損檢測方法。

近年來，碳鋼等磁性材料因其硬度高、強(qiáng)度大，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防等領(lǐng)域的重大裝備中，其結(jié)構(gòu)完整性關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)和社會安全。磁光成像檢測技術(shù)(magneto-opticimaging,moi)可以對這類磁性材料進(jìn)行缺陷檢測。

磁光成像檢測技術(shù)是法拉第磁光效應(yīng)、馬呂斯效應(yīng)與漏磁檢測的綜合應(yīng)用，基本原理為使用激勵線圈在被檢測的鐵磁性材料中出現(xiàn)磁力線分布，當(dāng)被檢測材料中存在缺陷時(shí)，磁力線在缺陷附近產(chǎn)生畸變形成漏磁場，引起了缺陷附近磁場的垂直分量變化。法拉第磁光效應(yīng)揭示了線偏振光在磁光介質(zhì)中受到漏磁場為主的外磁場作用發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)量與偏振光前進(jìn)方向上的外磁場強(qiáng)度與磁光介質(zhì)中的路徑長度相關(guān)；而馬呂斯效應(yīng)揭示光強(qiáng)亮度也會隨著磁場強(qiáng)度變化而產(chǎn)生變化，最終使得包含了缺陷信息的偏振光被圖像傳感ccd接收，實(shí)現(xiàn)了對鐵磁性材料試件的實(shí)時(shí)成像。磁光成像技術(shù)作為一種可視化研究，其主要特點(diǎn)有：

(1)探測結(jié)果可視易懂，作為結(jié)果的磁光圖像與視頻資料可以通過圖像傳感器存放于電腦中易于保存，操作相對簡單能縮短檢測人員的培訓(xùn)時(shí)間；

(2)與其他無損檢測方法如磁粉檢測方法相比，磁光成像技術(shù)不需要對表面進(jìn)行過多預(yù)處理，只需要保證檢測表面能放置磁光傳感器即可；

此外，磁光成像的優(yōu)點(diǎn)是不需要清除表面覆層，檢測速度快，結(jié)果直觀。

根據(jù)磁化激勵信號的不同，漏磁檢測可分為直流漏磁檢測和交流漏磁檢測。然而，由于直流激勵不僅磁化器體積大、能耗高，而且在恒定的磁化場下，漏磁場恒定，獲取的信息量有限，不利于缺陷特征的提取，抗干擾能力較弱；

交流漏磁檢測采用高頻信號，使得交流信號產(chǎn)生的磁場主要集中于試件表面與近表面，因此難于覆蓋到試件較深處的區(qū)域，這種現(xiàn)象被稱為趨膚效應(yīng)。一般情況下高頻信號激勵頻率在1khz以上，對應(yīng)檢測深度將小于1mm。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法，以提取更多的信息，并避免趨膚效應(yīng)的同時(shí)，減少干擾信息對缺陷識別的影響。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、磁光圖像的采集

在磁光圖像檢測中，采用0.1hz頻率的正弦交流電源作為激勵，通過圖像傳感器對如硅鋼片的磁性材料進(jìn)行拍攝，得到一組含有缺陷信息的磁光圖像；

(2)、圖像增強(qiáng)

對采集的磁光圖像進(jìn)行灰度化處理，然后采用金字塔光流算法對磁光圖像進(jìn)行迭代處理，其中，金字塔光流算法迭代算子最大迭代次數(shù)20，收斂閥值0.3，金字塔窗口大小5x5；

金字塔光流算法追蹤動態(tài)特征產(chǎn)生的光流運(yùn)動，對產(chǎn)生光流運(yùn)動的特征點(diǎn)進(jìn)行累加，即對發(fā)生動態(tài)運(yùn)動的特征點(diǎn)進(jìn)行記錄，得到光流增強(qiáng)圖像。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法，采用低頻交流激勵放對磁軛進(jìn)行激勵，利用周期性的變化磁場得到不同信號強(qiáng)度下的圖像集，而低頻信號使得磁力線能穿透被測物體較深區(qū)域，使得磁光圖像能反應(yīng)出最較深度的缺陷信息，降低了趨膚效應(yīng)的影響，同時(shí)，能在一個周期內(nèi)多點(diǎn)采樣拍攝(采集)，豐富了磁光圖像的數(shù)據(jù)信息；然而，這樣得到的磁光圖像存在低頻交流信號作用下磁疇運(yùn)動產(chǎn)生的干擾噪音，易與缺陷信息混淆降低圖像檢測精度，為此，本發(fā)明采用金字塔光流算法對磁光圖像進(jìn)行迭代處理，對產(chǎn)生光流運(yùn)動的特征點(diǎn)進(jìn)行累加，得到光流增強(qiáng)圖像。增強(qiáng)后的圖像，其圖像梯度變化更為明顯，干擾也大幅度降低，缺陷信息更加直觀。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法的流程圖；

圖2是磁性材料缺陷處的漏磁場示意圖，其中，(a)為無缺陷，(b)為有缺陷；

圖3是磁性材料為一字形缺陷的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是針對一字形缺陷采集的部分磁光圖像，其中，(a)～(l)是間隔一定時(shí)間的采集圖像；

圖5是磁光圖像的缺陷信息示意圖，其中，(a)為采集的磁光圖像，(b)為干擾標(biāo)注的磁光圖像；

圖6是磁光圖像增強(qiáng)光流增強(qiáng)圖像；

圖7是磁光圖像光流增強(qiáng)前后對比圖，其中，(a)為采集的磁光圖像，(b)為增強(qiáng)后磁光圖像即光流增強(qiáng)圖像；

圖8是采集的磁光圖像和光流增強(qiáng)圖像的網(wǎng)線面，其中，(a)為采集的磁光圖像，(b)為光流增強(qiáng)圖像；

圖9是一復(fù)雜缺陷圖像；

圖10是圖9所示復(fù)雜缺陷的磁光圖像，其中，(a)為采集的磁光圖像，(b)為基于形態(tài)學(xué)的增強(qiáng)磁光圖像；

圖11是對采集的復(fù)雜缺陷的磁光圖像進(jìn)行金字塔光流跟蹤效果圖；

圖12是復(fù)雜缺陷磁光圖像光流增強(qiáng)前后的對比圖，其中，(a)為采集的磁光圖像，(b)為光流增強(qiáng)圖像；

圖13是采集的復(fù)雜缺陷磁光圖像和光流增強(qiáng)圖像的網(wǎng)線面，其中，(a)為采集的磁光圖像，(b)為光流增強(qiáng)圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

圖1是本發(fā)明基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法的流程圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明基于光流算法的磁光圖像增強(qiáng)方法包括兩個大的步驟，即：

步驟s1：磁光圖像的采集

在磁光圖像檢測中，采用0.1hz頻率的正弦交流電源作為激勵，通過圖像傳感器對如硅鋼片的磁性材料進(jìn)行拍攝，得到一組含有缺陷信息的磁光圖像。

步驟s2：圖像增強(qiáng)

對采集的磁光圖像進(jìn)行灰度化處理，然后采用金字塔光流算法對磁光圖像進(jìn)行迭代處理，其中，金字塔光流算法迭代算子最大迭代次數(shù)20，收斂閥值0.3，金字塔窗口大小5x5；

金字塔光流算法追蹤動態(tài)特征產(chǎn)生的光流運(yùn)動，對產(chǎn)生光流運(yùn)動的特征點(diǎn)進(jìn)行累加，即對發(fā)生動態(tài)運(yùn)動的特征點(diǎn)進(jìn)行記錄，得到光流增強(qiáng)圖像。

一、下面對兩個步驟結(jié)合具體實(shí)例，進(jìn)行詳細(xì)描述。

1、磁光圖像的采集

1.1、漏磁檢測

漏磁檢測的基礎(chǔ)在于磁性材料的高磁導(dǎo)率特性之上，利用磁敏元件做成的探頭檢測鐵磁性材料表面的漏磁場。如圖2所示，磁性材料在材質(zhì)是均勻連續(xù)的情況時(shí)，材料中的磁力線將被約束在材料的內(nèi)部。而當(dāng)鐵磁性材料的表層或內(nèi)部不均勻連續(xù)(如存在缺陷)的時(shí)候，缺陷處的磁導(dǎo)率降低、磁阻加大，使得磁力線將改變路徑：改變路徑的磁力線優(yōu)先通過磁阻較小的材料內(nèi)部，而當(dāng)缺陷附近的材料難以通過更大的磁通時(shí)，部分磁通會從缺陷的部位溢出，穿越磁性材料(相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1)上方的空氣(空氣的相對磁導(dǎo)率為1.0000004)再進(jìn)入工件，從而在工件外形成漏磁通。

漏磁場會受到很多因素影響，如磁性材料所含的磁化強(qiáng)度與剩磁、被測試件材質(zhì)(導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性)、磁極間距等等。外加磁場強(qiáng)度與被測件中感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系為非線性。磁性材料被永磁體磁化之后能否在缺陷處產(chǎn)生漏磁場，主要取決于磁性材料的磁化強(qiáng)度。當(dāng)磁場強(qiáng)度較低的時(shí)候、磁性材料缺陷處變薄的部分仍可能承擔(dān)全部的磁通，也就不會有磁通泄露到磁性材料表面，所以在磁性材料磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和的時(shí)候，才能確保產(chǎn)生缺陷漏磁場。

漏磁場包含了豐富的缺陷信息，知磁場對于偏振光的偏振面角度有偏轉(zhuǎn)作用。漏磁檢測與法拉第磁光效應(yīng)構(gòu)成磁光檢測平臺的理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了缺陷信息到漏磁場信息、漏磁場信息到光的偏轉(zhuǎn)角度信息、偏轉(zhuǎn)角度信息到磁光圖像亮度信息的轉(zhuǎn)化。

在本實(shí)施例中，采用了u形硅鋼片纏繞導(dǎo)電線圈制成的磁軛即u形磁軛，u形磁軛高為60mm，兩極靴分別形成n極與s極的磁路且長寬分別為50mm*25mm，兩極靴間距為40mm，纏繞了線徑為0.5mm的銅線。

磁性材料為含有一字形缺陷的鐵磁性材料硅鋼片。如圖3所示，該硅鋼片試件尺寸長160mm寬30mm厚0.5mm，其中缺陷寬1mm深0.2mm。

采用0.1hz頻率的正弦交流電源作為激勵，vq-310g-m120b0型號圖像傳感器對準(zhǔn)圖3所示的一字形缺陷進(jìn)行拍攝，部分含有缺陷的磁光圖像如4(a)～(l)所示。從圖4，可以明顯觀察到隨激勵變化，磁光圖像也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了光流的運(yùn)動，低頻正弦交流信號可以獲得豐富的磁光圖像信息。單幀磁光圖像中，圖像亮度與漏磁場垂直方向的分量呈現(xiàn)正比關(guān)系。

在本實(shí)施例中，磁軛u部底端放置于操作臺上，磁軛的結(jié)構(gòu)并不能保證實(shí)驗(yàn)平臺完全穩(wěn)定，施加交流信號后正負(fù)交變的外磁場會使得磁軛發(fā)生微小的轉(zhuǎn)動，反映在磁光圖像上則為左右半圖像不一的情況。

通過matlab工具箱對磁光圖像進(jìn)行等高線處理，所得結(jié)果如圖5所示，理想的磁光圖像應(yīng)該其他區(qū)域保持平滑不變的基礎(chǔ)上、在且僅在缺陷附近有較大梯度差，但在圖像附近區(qū)域有大量“斷裂”現(xiàn)象，這個現(xiàn)象體現(xiàn)在磁光圖像中即是圖像的干擾。

觀察圖5，可見磁光圖像除了中間的缺陷信息，左右部分還含有了條狀與斑狀的空洞現(xiàn)象，反映在磁光圖像上即為“明”、“暗”相間的干涉條紋與圓形斑狀圖案。條紋缺陷主要來自平臺光路設(shè)計(jì)中磁光傳感器與反射玻璃之間存在的物理間隙。

在本發(fā)明中，圖像傳感器采用黑白輸出即磁光圖像為黑白圖像，這樣擁有更大的圖像梯度變化。

2、圖像增強(qiáng)

傳統(tǒng)的光流算法常應(yīng)用于運(yùn)動目標(biāo)檢測(movingobjectdetection)和視覺目標(biāo)跟蹤(visualobjecttracking)，目的在于描述相對于觀察者所造成的觀測目標(biāo)表面或邊緣的運(yùn)動。光流法在三維物體投射在二維平面后，給圖像中每一個像素點(diǎn)賦予了一個速度矢量，從而形成矢量運(yùn)動場，從而根據(jù)各個像素點(diǎn)的速度矢量特征對圖像進(jìn)行動態(tài)分析。本發(fā)明利用光流場中豐富數(shù)據(jù)信息，分析缺陷光流、運(yùn)動光流的不同，提取出磁光薄膜中動態(tài)特性并分離出缺陷產(chǎn)生的圖像信息，達(dá)到增強(qiáng)磁光成像檢測圖像的效果。

在本發(fā)明中，采用的是金字塔光流算法，該算法是基于lk光流法的一種改進(jìn)算法。當(dāng)兩幀圖像間光流差別較大時(shí)，可以通過對兩幀圖像進(jìn)行分層使得光流變小從而滿足光流約束條件，再經(jīng)過傳遞迭代出原始層磁光圖像的光流信息，從而完成光流跟蹤。實(shí)驗(yàn)證明金字塔光流法能穩(wěn)定跟蹤磁光圖像集中光流的變化。

金字塔光流算法中的圖像金字塔是一系列圖像分辨率不同但是與原始圖像覆蓋范圍相同的圖像集，通過分辨率較低的圖像進(jìn)行層層遞推，求得真實(shí)尺寸圖像的光流矢量，對大運(yùn)動的光流實(shí)現(xiàn)拆分從而求解。

在本實(shí)施例中，采用opencv計(jì)算機(jī)視覺庫，金字塔光流中迭代算子最大迭代次數(shù)20，收斂閥值0.3，金字塔窗口大小5x5。與lk光流法不同，金字塔光流法能準(zhǔn)確的追蹤動態(tài)特征產(chǎn)生的光流運(yùn)動，對產(chǎn)生光流運(yùn)動的特征點(diǎn)進(jìn)行累加，發(fā)生動態(tài)運(yùn)動的特征點(diǎn)的記錄結(jié)果如圖6所示。

從圖6，可以看出圖像兩側(cè)分布稠密光流運(yùn)動特征點(diǎn)，但中間位置存在空缺，沒有動態(tài)特征運(yùn)動的痕跡。明顯的梯度差變化使得缺陷信息更加明確，二值化的顯示使得缺陷部分圖像灰度值梯度變化明顯，易于人眼識別進(jìn)行觀察。

從圖6，可以看出易發(fā)現(xiàn)光流增強(qiáng)圖像中存在缺陷左右圖像差別較大現(xiàn)象，這是因?yàn)橹芷谛宰兓募顜碚?fù)變化的磁化方向，當(dāng)磁光薄膜沒有放置在絕對正中的位置時(shí)就容易發(fā)生變化不均勻的現(xiàn)象。與lk算法相比，金字塔算法基于分層的理論進(jìn)行迭代使得對于光流的捕捉更加全面，計(jì)算速度更加快速，計(jì)算的穩(wěn)定性更高。最終得到的光流追蹤圖像中，缺陷分明易于識別。

使用圖像增強(qiáng)是為了提高圖像信息的可辨識程度，使得圖像中信息更加有利于分析觀察。普遍的做法是通過邊緣、輪廓或?qū)Ρ榷鹊刃畔磉M(jìn)行銳化等處理。

梯度反應(yīng)在圖像上，就是灰度圖像中變化率，圖像梯度體現(xiàn)了圖像邊緣灰度值的變化。如圖7所示，肉眼可以明顯觀察到光流增強(qiáng)后的圖像圖像梯度變化更加明顯，缺陷信息更加直觀。

二、指標(biāo)評價(jià)

在圖像處理領(lǐng)域中，信噪比也得到了廣泛的應(yīng)用。信噪比可以作為指標(biāo)評價(jià)數(shù)字圖像信號或者雷達(dá)信號，也可以作為標(biāo)準(zhǔn)度量信號壓縮或者降噪等效果[。

傳統(tǒng)認(rèn)為信噪比rsnr為：

其中，nsig是需要的信號，nnoise是不需要的噪聲。圖8(a)、(b)分別為采集的磁光圖像和光流增強(qiáng)圖像的網(wǎng)線面。

從圖8(a)、(b)中可以發(fā)現(xiàn)，原始圖像即采集的磁光圖像中含有很多高頻噪音屬于nnoise，需要的信息就是中間缺陷的梯度差nsig，增強(qiáng)之后的磁光圖像缺陷突出效果顯著，易得：

rsnr處理后＞rsnr處理前

項(xiàng)目采用交流激勵信號后，外加磁場隨激勵信號的周期性變化而產(chǎn)生變化，但是檢測材料缺陷部分漏磁場沒有垂直方向的分量，反映在磁光圖像上并沒有像素的改變。原有的磁光圖像主要包含了兩類信息：缺陷的特征信息與其他干擾信息。增強(qiáng)后的磁光圖像只含有缺陷信息。方便檢測人員進(jìn)行操作。

三、復(fù)雜形缺陷光流提取

在本實(shí)施例中，采用磁導(dǎo)率為200～400的鋼板材料作為磁性材料，鋼板材料尺寸為199mmx100mmx5mm。其缺陷如圖9所示。

采用工業(yè)相機(jī)vq-310g-m120b0作為圖像傳感器，圖像傳感器每秒120幀能實(shí)時(shí)捕捉磁光圖像的變化。其中拍攝區(qū)域位于圖9中圓圈部分的拐角復(fù)雜形狀。在低頻交流激勵信號之下，磁光圖像產(chǎn)生周期性明暗變化，拐角部分磁光圖像效果如圖10(a)所示。

在缺陷中心區(qū)域，因?yàn)槁┐艌鲈诖颂幋怪狈较虼艌鑫⑷?，不能引起線偏振光的偏轉(zhuǎn)，而在非缺陷區(qū)域上漏磁場垂直方向的分量或多或少引起線偏振光的角度變化，該運(yùn)動隨著信號周期性變化隨之產(chǎn)生強(qiáng)弱的變化。使用matlab對磁光圖像進(jìn)行提取，根據(jù)形態(tài)學(xué)提取磁光圖像信息，所得增強(qiáng)復(fù)雜缺陷增強(qiáng)圖像如圖10(b)所示，已知線偏振光偏轉(zhuǎn)角度對于漏磁場垂直方向分量敏感，復(fù)雜缺陷中漏磁場形態(tài)復(fù)雜，缺陷檢測難度加大。

與一字形缺陷不同，現(xiàn)在采用的是復(fù)雜含拐角缺陷。施加外磁場后產(chǎn)生的漏磁場形態(tài)復(fù)雜，使得缺陷識別產(chǎn)生一定干擾，對該視頻采用金字塔算法求取光流，所得部分光流變化如圖11所示。可見光流依舊能表征漏磁場垂直分量的分布，缺陷處因?yàn)闆]有垂直方向的磁場分量導(dǎo)致沒有光流運(yùn)動。

對拐角缺陷的磁光圖像進(jìn)行光流增強(qiáng)，所得結(jié)果如圖12(b)所示，可見磁光圖像由中間的缺陷部分大致分為左右兩半，有效的排除了如圖12(a)中圓圈內(nèi)部分所示的條紋變化。使得處理后的磁光圖像缺陷明顯，在缺陷與其他區(qū)域中邊界的梯度變化明顯，易于發(fā)現(xiàn)缺陷從而進(jìn)行之后的操作。

采用信噪比作為處理效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對比圖13(a)與圖13(b)，易知原始磁光圖像含有較多噪聲信息。而經(jīng)過光流增強(qiáng)后的磁光圖像缺陷邊緣梯度明顯易于辨識。

采用復(fù)雜字符進(jìn)行處理，復(fù)雜的字符型缺陷會使得漏磁場分布復(fù)雜，作用于磁光薄膜上的垂直方向的漏磁場分量也會受到影響。若需更進(jìn)一步分析研究復(fù)雜字符帶來的磁光圖像，需要對產(chǎn)生的磁場進(jìn)行詳細(xì)的了解。

通過以上實(shí)例，可以看出，與傳統(tǒng)的磁光圖像增強(qiáng)方法相比，磁光圖像在低頻交流信號下的磁疇信息豐富，因此不能使用傳統(tǒng)的基于運(yùn)動的濾波方法。實(shí)驗(yàn)證明，金字塔光流算法不僅可以達(dá)到降低干擾噪聲的效果，還可以達(dá)到同時(shí)提高缺陷特性的目的。

同時(shí)，本發(fā)明成功提高了磁光成像檢測的檢測靈敏度，強(qiáng)化缺陷的同時(shí)抑制了低頻交流信號作用下動態(tài)干擾造成的干擾噪音。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。