基于动态宇宙算法的磁光成像增强研究

刘艳涛

(永城职业学院,河南 永城 476600)

1 引 言

磁光成像是一种无损探测技术,能够检测出材料内部存在的缺陷[1],但是磁光成像受噪声的影响,如材料内部磁畴现象产生的斑点,或者光成像过程受到外界干扰,导致成像识别性较差,因此对磁光成像增强有利于对缺陷的识别。

目前磁光成像增强方法主要有:多向磁场激励下磁光成像检测[2],能明显检测出多角度的焊接缺陷,且能有效避免曲线裂纹在焊接缺陷检测中的漏检现象。对比度增强算法(Contrast Enhancement,CE),通过小波变换和拉普拉斯金字塔模型对图像分解获得磁光图像的细节信息[3]。多尺度增强(Multiscale Enhancement,ME)算法通过图像多尺度分解,结合高斯平滑滤波与减影算法提取图像细节信息[4]。自动噪声阈值Gabor滤波(Gabor Filtering with Automatic Noise Thresholding,GFANT)能够对磁光图像噪声进行消除[5],在小细节和缺陷区域的保留方面都有很大的改进。局部图像增强方法(Local Image Enhancement,LIE),在磁光图像增强时考虑了对比度[6],增强后的图像质量明显提高。尺度变量随机共振方法(Scale Variable Stochastic Resonance,SVSR),通过遗传优化算法优化尺度变量,随机共振使弱像素信号增强[7],提高了磁光图像的可见度。

以上研究没有考虑到铁磁材料产生的磁畴现象,或者按图像纹理规则性进行处理,但是磁光成像时磁畴扩张的无向性导致形成的图像纹理具有随机性,因此磁光成像增强需要消除磁畴形成图像纹理的影响,本文提出动态宇宙算法(Dynamic Universe Algorithm,DUA)对磁光成像增强,宇宙的连接距离随着层的变化而动态改变,提高宇宙进化效率,相同层、不同层宇宙信息度、位置的变化采用不同方法；基于灰度因子对磁光成像对比度调整,动态宇宙寻优获得总变差模型最佳参数值,实验仿真比较分析了本文算法的有效性。

2 磁光成像增强

2.1 磁光成像效应

铁磁性材料在通有交流电的线圈中产生磁力线,并且在缺陷附近出现的漏磁引起磁场的垂直分量变化。磁光成像条件是需要激光光源经过偏振器生成线性偏振光。当线性偏振光通过铁磁性材料时,基于法拉第磁光效应,受到漏磁场的作用,偏振角度发生旋转[8],其角度θ与磁感应强度B、光穿越介质的有效长度L关系为:

θ=VBL

(1)

式中,V为费尔德常数。

偏振光被磁光传感器采集,基于马吕斯定律,漏磁场与光强I0建立变化关系:

I0=E2cos2(φ)

(2)

式中,E为入射线偏振光振幅;φ为检偏器与磁光传感器方向夹角。

偏振光在缺陷处N极和S极产生旋转方向相反、角度相同的光强IN、IS,分别为:

(3)

由于IS

磁光成像主要受斑状噪声影响,其中斑状噪声一部分来自入射光源和磁光薄膜所含杂质影响,可通过精密仪器避免干扰；一部分来自铁磁材料自身特有的磁畴现象,外磁场使得磁畴沿着磁场的方向发生旋转移动,并且外加磁场越大磁畴越易旋转移动,干扰越大,磁畴现象在磁光成像上表现为运动多变性且具有不定向性,显示为多个无规则的纹理区域。

2.2 磁畴现象消除

2.2.1 基于灰度因子的磁光成像对比度调整

为了便于区分磁光成像时产生的磁畴,通过灰度因子提高磁光成像的明暗对比度和边缘细节:

(4)

式中,H为输入图像灰度;H′为输出图像灰度;η为调节因子。

灰度因子能将图像中的像素点分布于直方图的两极,提高了磁光成像明暗度以及清晰度,便于分割。为了均衡分布范围以及图像明暗对比度,本文选择η=2。

2.2.2 磁畴区域信息

磁光成像明暗对比度提高便于分析磁畴区域,通过灰度积分投影定位算法获得磁畴区域,磁畴区域(x,y)与方向位置信息的约束条件为:

(5)

2.2.3 基于总变差模型的磁畴纹理去除

对总变差方法优化为最小化[9-10],其模型为:

(6)

式中,(Sp-Ip)2为保真项；S为输出磁光图像；I为输入磁光图像；p为像素点的索引号；D(p)为窗口总变差；L(p)为窗口固有变差；ε为防止为零的微小量；φ1>0控制磁畴边缘的平滑程；Gp,q为高斯核函数；R(p)是以p为中心的矩形区域；∂x,∂y为2个方向的偏微分；φ2为高斯核函数窗口因子。

3 宇宙算法模型

3.1 宇宙空间结构

在宇宙空间结构中[11],提出层与连接距离的概念,宇宙中心称为宇宙核心,离宇宙核心连接距离相同的宇宙具有相同的宇宙层。离宇宙核心不同连接距离的宇宙层,其宇宙层也可能具有相同的宇宙数量。宇宙空间结构层数越多,越有利于宇宙进化；宇宙空间的宇宙数量越多,也越有利于宇宙进化。相同层上宇宙信息进化互享优势大于非相同层上宇宙信息进化互享,每个层的宇宙对离该层的连接距离的宇宙的影响力一样。层与连接距离均是虚拟性存在,随着不同的宇宙层而改变,即不同的层上的宇宙也会形成一个宇宙小核心,并且与周围的宇宙再次形成不同的层,但是各个层上所形成的宇宙小核心其影响力远远小于宇宙中心的核心影响。

3.2 宇宙间信息交流

宇宙群中的宇宙构成的每个层在整个宇宙进化中的优势由宇宙自身所含的信息量所决定,每个层中的宇宙可与自身层中的宇宙进行信息交流,也可以与不同层中的信息交流,通过信息交流[12],宇宙个体的进化能力得到提升。

相同层宇宙进行信息交流,交流宇宙被选择概率p(xλ,t,R)通过轮赌法实现:

(7)

式中,xλ,t,R表示连接距离R、第λ层上的第t个宇宙;N为该层宇宙群的规模;f(xλ,t,R)为xλ,t,R的适应度。

为了保持相同层宇宙的多样性,p(xλ,t,R)在(0.3,0.8)值域范围内的宇宙才进行信息交流,在(0.3,0.8)值域范围之外的宇宙,只能被动接收其他宇宙的信息。相同层第i个宇宙l时刻的信息交流度q为:

(8)

不同层之间的宇宙进行信息交流时,需要通过比较不同层的信息度之和,设λ、λ′层的信息度之和fitλ和fitλ′,Δfit=fitλ-fitλ′,若Δfit>0,则信息由λ层向λ′层进行信息流入；Δfit<0,则信息由λ′层向λ层进行进行信息流入；不同层之间的宇宙的信息交流率υ:

(9)

信息流入层的第j个宇宙l′时刻的信息交流度qj为:

(10)

通过不同层、相同层之间的宇宙信息交流,加快了宇宙的进化,使得不同层、相同层都能够获得最优宇宙的信息。

3.3 宇宙运动过程

在宇宙算法中,不同层的宇宙固定在各自的层上[13],宇宙发送信息、接收信息本质上属于自身的静态运动,无法移动到其他层进行更新；同时随着宇宙进化的增加,搜索性能逐渐减小,宇宙解的多样性会降低,导致算法后期会陷入相同层局域解,为增加算法跳出局域解,本文对宇宙空间进行移动,使得宇宙空间位置运动更新,可以跳跃到不同的层,从而引起信息更新,宇宙动态过程涉及到不同层、相同层的宇宙位置更新。宇宙能够动态移动到其他层或者自身层其他位置,其移动条件为:

(11)

式中,Q为宇宙所在层的宇宙总数。

将该层内可移动宇宙标记为自由宇宙,即可向其他层或者自身层其他位置自由移动。这样经过自由宇宙多次移动后,将获得一个新的宇宙空间,且所有的宇宙都在不同的层中进行搜索,并最终收敛。

3.3.1 不同层宇宙位置更新

由于不同层宇宙离宇宙核心的连接距离不同,受宇宙核心的吸引力也不同,连接距离越远吸引力越小,这样宇宙也越容易移动,不同层宇宙上的宇宙可以移动到其他层或者自身层上的其他位置。不同层的宇宙位置更新如下:

(12)

式中,r0,n为第n个宇宙到宇宙核心的距离;v0,r,n为第n个宇宙离宇宙核心距离r时的宇宙运行速度,随机数rand1∈[0,1]服从均匀分布。

3.3.2 相同层宇宙位置更新

由于相同层宇宙离宇宙核心的连接距离相同,受宇宙核心的吸引力相同,因此决定宇宙能否移动的条件是宇宙自身的信息度,信息度越大,则宇宙也越容易移动,相同层宇宙上的宇宙只能移动到自身层的其他位置。相同层的宇宙位置更新如下:

(13)

式中,γl,n为第l层的第n个宇宙的信息度,vl,n为第l层的第n个宇宙运行速度,随机数rand2∈[0,1]服从均匀分布。

3.4 宇宙适应度函数选择

算法流程:

①输入图像,宇宙群初始化,确定宇宙半径、宇宙群层数以及层中的宇宙群；

②宇宙间信息交流；

③宇宙动态更新,确定宇宙优化结果；

④若算法达到终止寻优次数或者满足收敛条件,进行步骤⑤,否则进行步骤②；

⑤输出磁光图像增强结果。

4 实验仿真

磁光成像时光源为氦氖激光器,波长为632.8 nm,功率为3 m W,激励线圈为U型,激励源的电压为12 V、16 V、20 V,电流大小为0.5 A,频率为50 Hz,霍尔探头探测磁强,特斯拉计高精度可达0.01 mT。计算机配置CPU为AMD 锐龙 5,主频4.0G Hz,内存DDR4主频3200/16 GB,为验证动态宇宙算法对磁光成像增强的视觉效果,涉及对比算法有CE、ME、GFANT、LIE、SVSR、DUA。

4.1 激励电压及磁场方向对增强效果的影响

激励线圈分别接通12 V、16 V、20 V的交变电压,霍尔探头垂直于焊接处,获得焊接处磁感应强度变化曲线如图1所示。

图1 焊接处磁感应强度变化曲线

从图1可以看出,各种交变电压产生的漏磁最大值在距离焊接处两侧0.85 mm处,不同的交变电压产生不同的磁感应强度,交变电压越大产生的磁感应强度越强,焊接处测得的漏磁也就越大,因此漏磁的磁光成像效果就越好。

使用20 V的交变电压,旋转激励线圈,旋转角度范围为0°～180°,固定霍尔探头垂直于距离焊接处0.85 mm,此时焊接处漏磁如图2所示。

从图2可以看出,旋转激励线圈时,霍尔探头获得的磁感应强度曲线逐渐变大,当激励线圈旋转与焊接处垂直时,漏磁的磁感应强度达到极值,此时获得漏磁的磁光成像效果越好。

4.2 不同算法增强效果分析

在获得磁光成像时,使用20 V的交变电压,交变励磁的磁场方向与铁磁材料垂直,以便获得最佳漏磁场,此时磁光图像的对比度相对较高。不同算法对含磁畴的磁光图像增强效果如图3所示。

图3 含磁畴的磁光图像增强效果对比

从图3的对比实验结果可以看出,DUA算法对磁光成像增强视觉效果清晰,DUA算法对不同层、相同层宇宙间信息交流采用了不同的方法,从而使得不同层、相同层都能够获得最优宇宙的信息；不同层、相同层宇宙位置更新考虑到了全局、局部的宇宙信息,以此来减少像素点在增强过程中磁畴的影响。其他算法对磁畴区域无法消除,影响图像的视觉效果。

4.3 均方误差及结构相似度指标评价

各种算法增强图像质量评价通过均方误差及结构相似度实现。均方误差(Mean Square Error,MSE):

(14)

式中,I为原始图像;J为增强后图像;n,m为图像尺寸。

结构相似度(Structural similarity,SS):

(15)

式中,μI,μJ,σI,σJ为原始图像、增强后图像所对应的均值与方差大小;C1和C2为常数值;σIJ表示原始图像、增强后图像之间的协方差。SS∈[0,1],值越大,增强前后的结构相似度越高,算法的结构保持性能越好。

从图4可以看出,本文算法对含磁畴的磁光图像增强后的MSE平均值最小,SSIM平均值最大,含磁畴的磁光图像1增强后本文算法的MSE平均值为5.236,SS平均值为0.644；含磁畴的磁光图像2增强后本文算法的MSE平均值为4.154,SS平均值为0.749；因此本文算法评价指标较好。

图4 均方误差及结构相似度指标评价

5 结 论

(1)不同的交变电压产生不同的磁感应强度,交变电压越大产生的磁感应强度越强,获得的漏磁也就越大,因此磁光成像效果就越好

(2)交变磁场方向越与缺陷方向垂直,此时缺陷处产生的漏磁场越佳,获得的磁光成像越清晰,对比度相对较高。

(3)动态宇宙算法建立不同层、相同层宇宙间信息交流方式,不同层、相同层宇宙位置更新考虑到了全局、局部的宇宙信息,能够减少像素点在增强过程中磁畴的影响,增强图像较清晰。