提高超声C扫描图像分辨率的插值方法研究

　　超声C扫描成像技术是超声无损评价的关键技术之一,在无损检测领域有着广泛应用.在超声C扫描成像过程中,由于超声探头在信号采集时采样间隔的限制,容易丢失采样信息,造成采样信息的不充分,降低了扫描图像的分辨率,使扫描图像中反映的缺陷与材料内部真实缺陷之间存在较大差异,影响了对缺陷定量评价的准确性,因此需要采用适当的方法提高超声C扫描图像的分辨率.

　　图像内插是指通过插值的方法将低分辨率的图像变成高分辨率的图像.经典的图像内插方法有邻近插值法和双线性插值法[1],这两种方法算法简单,容易实现,但是经过插值后的图像中边缘模糊效应比较明显.为此,有学者提出了基于凸集映射的图像插值方法[2]以及基于小波的图像插值方法[3].这些方法能明显改善图像边缘的模糊效应,但都存在算法复杂、运算速度慢的缺点.

　　本文首先分析了超声C扫描图像分辨率降低的原因,然后采用基于局部协方差特征的图像内插方法,根据插值点所在区域的像素灰度值的统计特征调整插值加权系数,使其适应于边缘位置和方向,从而提高了超声C扫描图像的分辨率.此方法在提高图像分辨率的同时,能够保留图像中的边缘特征,并且由于算法避免了迭代运算,因此计算效率较高.

　　1　超声C扫描图像的成像原理

　　超声C扫描成像原理如图1所示,椭圆形代表材料内部缺陷.超声探头按照图1a所示的扫描路径对被测材料进行扫描时,对材料内部某一界面的超声反射回波信号按照一定的采样间隔进行采样,就得到了如图1b所示的超声C扫描图像,图中的小方块表示组成图像的像素.当采样间隔增大1倍时,同一界面的C扫描图像变成了由深色方格代表的像素组成的低分辨率图像.通过比较可知,当采样间隔增大时,由于采样信息的不充分,容易丢失缺陷信息,这时低分辨率的C扫描图像就难以反映材料内部缺陷分布的真实情况.因此,在超声C扫描成像过程中,应该尽可能地减小采样间隔,提高图像分辨率.但是在大多数检测场合,由于被测材料面积较大,过小的采样间隔降低了超声探头的扫描速度,同时使得扫描图像数据十分庞大,从而影响后期的数据处理.在这种情况下,在超声C扫描过程中采用较大的采样间隔并且用一定的图像处理方法来提高C扫描图像的分辨率就显得十分必要了.

　　2　基于局部协方差特征的图像插值

　　2.1　算法原理

　　假设低分辨率图像Xi,j插值后得到的高分辨率图像为Yi,j,如果放大倍数为2,那么Y2i,2j=Xi,j.插值问题的关键是通过已知的Y2i,2j得到Y2i+1,2j+1.传统的双线性插值通过对插值点周围的低分辨率像素[Y2i,2j,Y2i+2,2j,Y2i,2j+2,Y2i+2,2j+2]求平均值,得到插值点的灰度值Y2i+1,2j+1,但该方法忽略了插值点在图像中的边缘特征.基于局部协方差的图像插值方法最早是由Li Xin等人提出的[4],该方法根据Y2i+1,2j+1所在区域的协方差特征估计该点的灰度值.首先做如下假设