空间分辨率——数字射线照相的关键参数

强天鹏撰

模拟图像是指由连续信号构成的图像，射线照相得到的底片图像就是模拟图像；而数字图像是指由大量的点（像素）构成，可用二进制数字描述的图像。数字图像早已进入我们的生活:数码相机已把胶卷相机逼入绝境；数字电视也已开始与模拟电视分庭抗礼；在医院里，CR、DR和 CT装置用得越来越多，已逐步取得人体透视和拍片——这些技术得到的都是数字图像。但在工业上的应用，即工业 CR、工业 DR的应用则相对迟缓，目前仍然是胶片照相占据绝对优势。究其原因，主要是分辨率问题：工业应用数字图像比医用的数字图像的分辨率要求要高得多，人体检查一般要求的分辨率水平是厘米级或毫米级，而承压设备焊缝检测的分辨率水平要求达到 0.1毫米级，甚至更小。
分辨率是描述数字图像质量的重要参数。分辨率包括空间分辨率和灰度分辨率两项指标。数字图像的空间分辨率取决于像素尺寸的大小。像素（Pixel）是构成数字图像的基本单元。如果把数字图像放大许多倍，会发现这些连续图像其实是由小点组成。把一幅图像按行与列分割成 m×n个网格，就可用一个 m×n的矩阵来表达该图像。每一格即为一个像素， m与 n数值越大，像素量就越大，单个像素的尺寸就越小，图像就越细腻，空间分辨率就越高。灰度分辨率取决于灰度的模数转换位数。每个像素的亮度称为灰度（对彩色图像则是颜色），可用一个有限长度的二进制数值表示。位数越长，灰度级别就越多，层次就越丰富（或颜色就越逼真），灰度分辨率就越高。如果是8位模/数转换，则灰度可分为 28=256个级别；如果是 16位模/数转换，则灰度可分为 216=65536个级别。
提高数字图像的灰度分辨率相对比较容易，只要增加模/数转换位数就行，而提高数字图像的空间分辨率则困难的多。
应用于工业射线检测的数字技术有：
1、底片数字化扫描技术；
2、图像增强器实时成像技术；
3、计算机 X射线照相技术（CR）；
4、线阵列扫描成像技术（LDA）；
5、非晶硅和非晶硒数字平板成像技术；
6、CMOS数字平板成像技术；
以上六种技术的空间分辨率各不相同，比较其分辨率高低大致如下：图象增强器的空间分辨率约为 100-300微米，二极管阵列（LDA）的空间分辨率约为 100¬200微米，非晶硅/硒接收板的空间分辨率约为 80-150微米，CMOS探测器的空间分辨率约为 50-150微米，底片扫描约为 50-100微米，CR技术的空间分辨率约为 25-100微米，而胶片照相的分辨率大致相当于 10-50微米。把各种检测技术分辨率从高到低排列：分辨率最高——胶片照相 → CR →底片扫描 → CMOS
→非晶硒 →非晶硅→ LDA →图象增强器 CCD实时成像——分辨率最低。即：到目前为止，数字图像的分辨率仍比不过胶片照相。
数字电子元器件的成本和制造难度制约了分辨率的进一步提高，无论是数字平板（CMOS、非晶硅/硒），还是二极管阵列，要想把像素元做的更小非常困难。曾经和开发二极管线阵列检测系统的两个博士讨论用于压力容器检测的线阵列设备，我建议把像素尺寸由 0.2mm减小到 0.1mm，这样至少可以满足厚焊缝射线照相的要求。但博士们一起摇头，说那样做成本将大大增加，以致不可行。也听美国一家公司说过，数字平板的成品率很低，因此价格很贵。想造出比目前分辨率水平更高的平板，至少近几年希望不大。
近年来分辨率提高较快的技术是 CR：2003年时最好的 CR是 100微米，大约每 2－3年，分辨率就提高一倍。2008年为完成一个航天项目做试验，我们使用了据称是目前世界上最好的CR系统，果然是效果不凡——其分辨率达到25微米，射线透照的数字图像可以清晰地显示 0.05mm（50微米）的钢丝和 0.1mm的孔。这样的分辨率用于锅炉压力容器焊缝照相已经足够，灵敏度和小缺陷检出率都可以保证。深入研究该 CR系统的成像原理，发现其设计十分巧妙，提高分辨率并不完全依赖数字像元的尺寸，该系统的分辨率还有可能做得更高。
曾经有人这样说过：DR出现后，CR就变成淘汰技术。我认为这样说是错误的。CR有其独特的优越性，更何况 DR的分辨率难以提高，而 CR的分辨率已能满足工业检测的要求。倒是有可能今后几年中，锅炉压力容器焊缝射线照相的数字技术应用出现 CR技术一花独放的局面。（2008－12－24）