斷層掃描技術(shù)在木材無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用

1、第 30 卷第 3 期木材工業(yè)2016 年 5 月Vol. 30No.3CHINA WOOD INDUSTRYMay 2016應(yīng)用技術(shù)斷層掃描技術(shù)在木材無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用葛浙東，侯曉鵬，李早芳，周玉成（中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所，北京 100091）摘要：為實(shí)現(xiàn)木材缺陷的自動(dòng)、高效檢測(cè)，提高木材利用率，應(yīng)用自主研發(fā)的 CT 設(shè)備掃描原木木段橫切面，并重建其二維圖像和三切面視圖。結(jié)果表明：通過(guò)二維圖像可觀察橫切面年輪、節(jié)子和裂紋等信息；結(jié)合三視圖和透視圖可精確定位缺陷位置。為無(wú)損檢測(cè)木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，及木材分等提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè)；木材；CT 技術(shù)；三視圖；透視圖中圖分類號(hào)：S781.5；TP

2、391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1001-8654（2016）03-0049-04Application of Computed Tomography (CT) in Nondestructive Testing of WoodGE Zhe-dong，HOU Xiao-peng，LI Zao-fang，ZHOU Yu-cheng（Research Institute of Wood Industry，Chinese Academy of Forestry，Beijing100091，China）Abstract：The authors developed nondestructive te

3、sting equipment to automatically and efficiently determine log defects for better wood utilization. It is based on computed tomography (CT) technology which can reconstruct a two-dimensional image and a three-section image of wood by scanning wood cross sections. The images provided by the equipment

4、 clearly and accurately show the positions of annual rings, knots and cracks in the wood. Based on these CT scans, these internal structural features can be used for nondestructive testing and for timber classification.Key words：nondestructive testing；wood；CT technology；three-section view；perspectiv

5、e drawing樹(shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中受自然因素影響，內(nèi)部可能形成各種結(jié)構(gòu)缺陷，而缺陷特征是評(píng)價(jià)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一1，因此，制材前對(duì)原木進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)十分必要。常用的無(wú)損檢測(cè)方法有：激光檢測(cè)、紅外檢測(cè)、機(jī)械應(yīng)力波檢測(cè)和核磁共振等2，這些方法受木材密度、含水率等因素的影響，重建的圖像分辨率低，且設(shè)備昂貴，難以在木材加工領(lǐng)域推廣。計(jì)算機(jī)斷層掃描 X 射線法（CT）作為一種先進(jìn)收稿日期：2015-11-30；修改日期：2016-04-10基金項(xiàng)目：林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“活立木/結(jié)構(gòu)材層析成像技術(shù)與設(shè)備研究示范”（201304515）。作者簡(jiǎn)介：葛浙東（1986），男，中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所博士研究生。責(zé)

6、任作者：周玉成，男，中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所研究員，博士生導(dǎo)師。的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有穿透能力強(qiáng)、分辨率高和檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)3，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域4-6。20 世紀(jì) 90 年代，逐漸有學(xué)者應(yīng)用醫(yī)學(xué) CT 設(shè)備對(duì)木材進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，探究 X 射線與木材密度之間的關(guān)系，提取結(jié)構(gòu)材內(nèi)部缺陷輪廓信息7-9。但醫(yī)學(xué) CT 裝置無(wú)法檢測(cè)直徑大于 600 mm 的物體，成像軟件也不適用于木材斷層圖像的分析處理，且設(shè)備價(jià)格昂貴。為拓展 CT 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在木材領(lǐng)域的應(yīng)用，筆者開(kāi)發(fā)了一套基于 X 射線的檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)原木內(nèi)部的年輪、死節(jié)、裂紋和孔洞等進(jìn)行檢測(cè)。鑒于不同樹(shù)種木材的密度差異大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)

7、雜，本研究隨機(jī)選取 2 種密度和外觀差異較大的杉木木段進(jìn)行檢測(cè)，并觀察斷層成像結(jié)果，判定缺陷大小和位置，·49·第 30 卷第 3 期木材工業(yè)2016 年 5 月Vol. 30No.3CHINA WOOD INDUSTRYMay 2016以期為木材無(wú)損檢測(cè)提供一個(gè)新的選擇。1斷層成像原理按照 Lambert-Beer 定律10，一束單能 X 射線穿過(guò)均勻物質(zhì)后，其強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律由 I0 衰減至 I，I = I 0e- ml（1）早晚材、心邊材和缺陷處木材密度不均勻，X射線束通過(guò)時(shí)，可將沿路徑 l 分布的介質(zhì)分為若干小塊，l1，l2，.，lN 為相應(yīng)的線段長(zhǎng)度，每一小塊視為介

8、質(zhì)均勻的體積原素，對(duì)應(yīng)的線性衰減系數(shù)為 1，1，.，N，則I = I 0e- ( m1l1 + m 2 l 2 + mN lN )（2）在樣本掃描斷層建立 x-y 直角坐標(biāo)系，由于斷層內(nèi)密度的不均勻，令衰減系數(shù)分布為 f(x, y)。在某一方向沿某一路徑 L 的射線強(qiáng)度變化為I = I 0e- òL f ( x , y )dl（3）通過(guò)圖像重建算法重構(gòu)樣本斷層圖像，圖像的灰度值與樣本體積元素的衰減系數(shù)相對(duì)應(yīng)。式 3 取負(fù)對(duì)數(shù)后，稱為射線穿透物體后的投影，記為 p，為可測(cè)量的物理量，是樣本斷層在 X 射線下的衰減系數(shù)沿直線 L 方向的線積分，即試驗(yàn)中某一時(shí)刻獲取的投影數(shù)據(jù)。p = &#

9、242;L f ( x , y )dl = ln(I0)（4）I基于這一原理，對(duì)樣本進(jìn)行掃描，采集足夠的投影數(shù)據(jù)，并運(yùn)用數(shù)據(jù)修正、差值運(yùn)算和濾波反投影重建等方法10處理數(shù)據(jù)，確定各體素衰減系數(shù)值的二維分布矩陣，重建木材斷層 CT 圖像。其技術(shù)路線，如圖 1 所示。2材料和方法2.1試驗(yàn)材料杉木（Cunninghamia lanceolata）木段，2 段： 胸徑 13.3 cm，密度為 0.28 g/cm3，外觀具有節(jié)子、裂紋等特征，采自浙江開(kāi)化； 胸徑 20.5 cm，密度為 0.37 g/cm3，開(kāi)裂嚴(yán)重，采自浙江臨安。·50·圖 1斷層成像流程Fig.1Flowcha

10、rt of faultage imaging2.2 試驗(yàn)裝置 CT 系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。1. 平板檢測(cè)器；2. X 射線束；3. 原木試件；4. 旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)；5. 步進(jìn)電機(jī)；6. X 射線發(fā)射器；7. 計(jì)算機(jī)圖 2試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2Structure of experimental apparatus采用英國(guó)產(chǎn)的 IXS160 型 X 射線發(fā)射器； DS_LINX V3 型線性等距檢測(cè)器；發(fā)射器點(diǎn)光源焦點(diǎn)尺寸 0.05 mm，輸出功率 500 W，最大射線張角 80°；檢測(cè)器長(zhǎng) 512 mm，內(nèi)部線性等距排列 1280 個(gè)像元，每個(gè)像元尺寸 0.4 mm×

11、0.4 mm。發(fā)射器和檢測(cè)器安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)兩側(cè)，旋轉(zhuǎn)中心 O 位于射線源 S 和檢測(cè)器中點(diǎn) M 的連線上，距檢測(cè)器中點(diǎn) 391 mm，距射線源 566 mm。計(jì)算機(jī)通過(guò) RS232通信接口和發(fā)射器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置管電壓、電流參數(shù)，控制 X 射線發(fā)射器啟停。計(jì)算機(jī)軟件承載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)。第 30 卷第 3 期木材工業(yè)2016 年 5 月Vol. 30No.3CHINA WOOD INDUSTRYMay 20162.3試驗(yàn)方法圖 3a 中，水平標(biāo)記線為木段切割線，7 個(gè)大小射線源工作電壓、電流分別設(shè)置為 120 kV、0.7不同的節(jié)子分布于木段四周，徑向裂紋延伸至木段mA，接收器積分時(shí)間

12、設(shè)為 5 000s。在掃描過(guò)程中，內(nèi)部。木段立于載物臺(tái)中心，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，圖 3b 為通過(guò) CT 掃描，重建橫切面圖像。木段轉(zhuǎn)速為 1.5°/s，旋轉(zhuǎn)一周為一個(gè)掃描周期，數(shù)據(jù)采內(nèi)部節(jié)子、裂紋和年輪均肉眼可見(jiàn)，基本反映出木集系統(tǒng)獲取試件 360°的投影數(shù)據(jù)用于斷層圖像重材橫切面內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。建；多層掃描時(shí)，斷層間隔為 5 mm，依次掃描 24對(duì)重建圖像做銳化和增強(qiáng)處理，得到圖 3c。裂層。每層重建圖像由 1 024×1 024 個(gè)像素點(diǎn)矩陣構(gòu)紋邊緣和空氣分界線明顯，可明顯看到裂紋開(kāi)口延成，通過(guò)層間插值運(yùn)算，獲得 120張橫切面斷層圖伸至木段髓心處；木段內(nèi)

13、部生長(zhǎng)的 7個(gè)節(jié)子顏色較像，用于重建三視圖和透視圖圖像。深，和其它結(jié)構(gòu)形成鮮明對(duì)比；邊材年輪清晰可見(jiàn)，被節(jié)子和裂紋截?cái)酁?8 段。銳化和增強(qiáng)后的圖像，3結(jié)果與分析中心部分環(huán)形偽影現(xiàn)象嚴(yán)重，使心材年輪的界線不3.1小徑級(jí)杉木橫切面 CT 圖像明顯。在不同視角下拍攝小徑級(jí)杉木實(shí)物圖及重建圖3.2 大徑級(jí)杉木 CT 圖像像，如圖 3 所示。大徑級(jí)杉木實(shí)物及重建圖像，如圖 4 所示。a：實(shí)物圖b：斷層重建圖像c：銳化、增強(qiáng)處理后的圖像圖 3小徑級(jí)杉木圖像Fig.3Images of small diameter Chinese fira：實(shí)物圖b：斷層重建圖像圖 4大徑級(jí)杉木圖像Fig.4Images

14、 of large diameter Chinese fir由圖 4b 可見(jiàn)，心材年輪早晚材變化明顯，界限分明，邊材年輪密集，不易區(qū)分；兩條裂紋中細(xì)裂紋較長(zhǎng)，延伸至木段髓心處，粗裂紋開(kāi)裂至心材邊界。測(cè)量結(jié)果顯示：粗裂紋寬 9.52 mm，細(xì)裂紋寬3.66 mm，誤差±0.073 mm。對(duì)試件多層掃描，插層后獲得 120 層橫切面斷層圖像，重建其三切面視圖和透視圖。順次觀察每層 X-Y 切面重建圖像，發(fā)現(xiàn)第 60100 層間的圖像內(nèi)存在異常結(jié)構(gòu)。選取有代表性的第 70、75、94 層圖像與第 1 層圖像對(duì)比，并移動(dòng)切割線位置，結(jié)合 X-Z、Y-Z 切面斷層圖及 DR 圖分析缺陷位置和特

15、征，結(jié)果如圖 5 所示。·51·第 30 卷第 3 期木材工業(yè)2016 年 5 月Vol. 30No.3CHINA WOOD INDUSTRYMay 20164結(jié)論應(yīng)用自主研發(fā)的木材無(wú)損檢測(cè) CT 設(shè)備，可獲取具有不同缺陷特征的木段的斷層圖像及其三切面視圖和透視圖，以此觀察到木材斷層的結(jié)構(gòu)特征，如年輪、裂紋和節(jié)子等。通過(guò)分析三切面視圖和透視圖，可準(zhǔn)確獲取木材內(nèi)部缺陷的形狀、尺寸和位置等信息，利于木材等級(jí)劃分，提高木材出材率和利用率。此外，該設(shè)備成本約為醫(yī)學(xué) CT 設(shè)備的 1/2，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：第 1 層 X-Y 圖表明，除兩段裂紋，內(nèi)部無(wú)其他缺陷，移動(dòng)水平切割

16、線，可通過(guò) X-Z 圖觀察木段高度方向裂紋變化規(guī)律；第 70 層 X-Y 圖表明，右側(cè)兩個(gè)節(jié)子呈“八”字分布，其形狀和位置清晰可見(jiàn)，Y-Z 圖兩個(gè)黑色點(diǎn)狀物為木段弦切面的節(jié)子斷層圖像，由于其包埋于木段內(nèi)部，如僅通過(guò)肉眼觀察木段表面，無(wú)法得知其內(nèi)部含有節(jié)子缺陷；第 75 層 X-Y 圖表明，右側(cè)兩個(gè)節(jié)子尺寸減小且顏色變淺，左側(cè)裂紋下方出現(xiàn)第三個(gè)節(jié)子，結(jié)合 DR 圖可知，木段左側(cè)節(jié)子比右側(cè)節(jié)子位置低，兩者位于不同斷層平面；第 94 層 Y-Z 圖表明，木段裂紋左側(cè)有黑色塊狀缺陷。結(jié)合 DR 圖和 X-Y 圖可知，缺陷在第三個(gè)節(jié)子下方，位于心邊材交界處。·52·1 張訓(xùn)華，業(yè)寧，

17、丁建文，等.原木 CT 圖像 3D 重建及其虛擬加工技術(shù)研究J. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，34(2)：77-80.2 戚大偉. 基于分形理論的原木缺陷 X 射線圖像分析和處理D. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2003:2-7.3 彭冠云，江澤慧，劉杏娥，等. CT 技術(shù)在木材科學(xué)中的應(yīng)用J. 世界林業(yè)研究，2010，23(5): 39-43.4 田捷，包尚聯(lián)，周明全. 醫(yī)學(xué)影像處理與分析M. 北京：電子工業(yè)出版社，2003: 1-9.5 張朝宗. 工業(yè) CT 技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響-兼談如何選擇工業(yè) CT產(chǎn)品J. 無(wú)損檢測(cè)，2007，29(1)：48-52.6 徐澍敏，于勇，王俊. 機(jī)械損傷蘋(píng)果 CT 值的試驗(yàn)研究J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(6)：83-85.7 Lindgren L O. Medical CAT-scanning: X-ray absorption coefficients, CT-numbers and their relation to wood densityJ. Wood Science and Technology，1991，25(5)：341-349.8 Livingston R A. Nondestructive testing of historic structuresJ.