автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Методы цифрового томосинтеза для неразрушающего контроля

На правах рукописи

Баранов Владимир Александрович

МЕТОДЫ ЦИФРОВОГО ТОМОСИНТЕЗА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Специальность 05 02 11 — методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2007

ООЗОТ1517

003071517

Работа выполнена в НИИ Интроскопии при Томском политехническом университете

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Кулешов Валерий Константинович

Доктор технических наук, профессор Герике Борис Людвигович,

Кандидат технических наук Карлов Юрий Кимович

Ведущая организация

Институт физики прочности и Материаловедения СО РАН

Защита состоится 24 мая 2007 г в 11 00 часов на заседании диссертационного совета Д 218012 04 в Сибирском государственном университете путей сообщений по адресу 634049, Новосибирск-49, ул Дуси Ковальчук, 191, ауд 226 (тел/факс (383) 228-73-52 E-mail Gerasimov@stu ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного университета путей сообщений

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан 24 апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор техн наук, профессор Герасимов С И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Возникновение вычислительной томографии (ВТ) явилось переломным моментом для интроскопии, ибо впервые появились методы визуализации внутреннего строения объекта, точно соответствующие ее программным целевым установкам (вплоть до этимологии — "интроскопия-внутривидение") и, тем самым, ВТ явилась образцом для подражания при создании систем вычислительной диагностики (ВД) Не отрицая технических проблем, необходимо отметить, что трудности с реализацией ВТ обусловлены главным образом концептуальными причинами В течение ряда лет усилия автора и его коллег были направлены на создание методов ВД, пригодных именно для широкого применения в неразрушающем контроле (НК), для разработки недорогих и эффективных систем томографической визуализации Данная диссертация посвящена разработке методов нелинейного томосинтеза, как одного из наиболее перспективных методов ВД Такой выбор обусловлен как концептуальной привлекательностью классического томосин-теза, так и возможностью преодоления его недостатков, на основе предложенного автором нелинейного математического подхода к реконструкции изображений по проекциям

Цель и задачи исследования. Целью исследования было создание гибкой и экономически малозатратной системы цифрового томосинтеза, пригодной для решения типичных задач томографической визуализации в неразрушающем контроле

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи

1 Разработка теоретических основ нелинейного томосинтеза, его математического ядра для целей НК

2 Создание эффективных (нелинейных) процедур предобработки и постобработки в томосинтезе

3 Создание библиотеки алгоритмов и пакета программ для решения полного комплекса задач цифрового томосинтеза

4 Разработка системотехнического подхода, обеспечивающего максимум единства в программно-аппаратной реализации многообразных и специализированных систем цифрового томосинтеза в НК

Научную новизну работы составляют:

1 Новая математическая концепция томосинтеза — метод нелинейного обратного проецирования (НЛОП), позволяющий выйти далеко за границы диапазона задач, решаемых на основе алгоритмов классического томосинтеза в его цифровом варианте Широкое распространение получил введенный автором в томографию и обработку изображений для целей НК метод минимальных проекций На основе вариационного метода предложены процедуры вывода различных оценок НЛОП для синтеза томограмм

2 Структурно-ориентированный подход к обработке изображений объекта, содержащего внутренние дефекты или неоднородности Классический структурный анализ объектов, основанный на теории групп, дополнен статистическими соображениями [51, 52]

3 Новый метод морфологического анализа изображений, основанный на их структурно-ориентированной фильтрации

Практическая значимость и внедрение результатов. Полученные автором теоретические результаты применены к решению задач томографической визуализации дефектов (трещины в сварных швах) в системе транспортировки теплоносителя атомных электростанций Предложенный вариант метода структурно-ориентированной фильтрации оказался успешным для томографической визуализации расположения и дефектов арматуры в железобетонных стенах, для идентификации несплошностей в стальных образцах после их прокатки

Результаты теоретических и экспериментальных исследований были внедрены в практику НИИ Интроскопии при ТПУ при выполнении научно-исследовательских работ, в том числе по договорам с Фраунгоферовским институтом неразрушающих методов контроля (г Саарбрюккен, Германия)

В 1993-2004 гг автор участвовал в программах исследований, проводившихся в "Федеральном институте по контролю и исследованию материалов" в Берлине по томографической визуализации аномалий в структуре строительных конструкций и контролю трещин в инфраструктуре ядерных реакторов

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на 4-й Всесоюзной школе по оптической обработке информации (Минск, 1982 г), на Всесоюзной конференции "Робототехника и

автоматизация производственных процессов"(Барнаул, 1982 г ), на Всесоюзной научно-технической конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования", (Новосибирск, 1984 г), на 5-й Всесоюзной школе по оптической обработке информации, (Киев, 1984 г), на Второй Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Радиоволновые, оптические и тепловые средства неразрушающего контроля качества промышленных изделий", (Одесса, 1985 г ), на 5-ом отраслевом научно-техническом совещании "Повышение надежности и качества авиационной техники средствами неразрушающего контроля", (Андропов, 1986), на Шестом Всесоюзном совещании по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве (Ленинград, 1988), на Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение", на 6-м научно-техническом совещании "Состояние и перспективы развития методов и средств неразрушающего контроля авиационной техники", (Ульяновск, 1989 г ), на 4-м Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989) , на Всесоюзной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования, (Новосибирск, 1990), на международном симпозиуме «Computerized Tomography for Industrial Applications», (Berlin, 1994), на 6-й Европейской конференции по неразрушающему контролю (Ницца, 1994), на конференции " Deutsche Gesellschaft fur Zerstörungsfreie Prufung e V, Jahrestagung 1995 (100 Jahre Röntgenstrahlen und die heutige Vielfalt Industrieller ZfP-Praxis), (Aachen, 1995), на международном симпозиуме «Non-Destructive Testing in Civil Engineering» (NDT-CE), (Berlin, 1994), на международном симпозиуме «Computer Methods and Inverse Problems In Non-Destructive Testing and Diagnostics» (CM NDT — 95, CM NDT - 2001), (Minsk, 1995, Moscow 2002), на конференции «Das 33 Forschungskolloquium «Deutscher Ausschuß fur Stahlbeton»» (Berlin-Dahlem, 1996), на конференции «Deutsche Gesellschaft fur Zerstörungsfreie Prufung e V, Jahrestagung 1996 (Die ZfP der DACH-Lander im Spiegelbild internationaler Normung), (Lindau, 1996), на конференции "23 MPA-Seminar "Sicherheit und Verfügbarkeit m der Anlagetechnik" mit dem Schwerpunkt "Verhalten von druckfùrenden Komponenten und Systemen bei erboten Belastungen", (Universität Stuttgart, 1997), на международном симпозиуме "Computer Methods and Inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics ", (Minsk, 1998), на 15-й Российской научно-технической конферен-

ции "Неразрушающий контроль и диагностика", (Москва, 1999 г ), на конференции "15-th World Conference on Nondestructive Testing " (Рим, 2000)

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Метод решения задач вычислительной диагностики на основе концепций нелинейного обратного проецирования и структурно-ориентированной фильтрации изображений объектов, содержащих внутренние дефекты или неоднородности (нелинейный томосинтез)

2 Конкретизированные варианты нелинейного томосинтеза для наиболее распространенных структурных типов объектов НК на основе варьирования "группы локальной симметрии" структуры, вычисления "мер сходства" и "мер различия" для оценки "скрытой симметрии" в локальной микроструктуре и построения на этой основе процедур предобработки проекций и постобработки томограмм в нелинейном томосинтезе

3 Методы ситуационного распознавания образов в микроструктурах за счет выявления и статистической оценки в них "скрытой симметрии" и принципиально новые методы обработки изображений на этой основе, а также их конкретные варианты, ориентированные на задачи НК

4 Метод морфологического анализа изображений на основе статистического теоретико-группового подхода к их структуре

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 55 научных и научно-технических работах автора Из них одна монография, 19 статей в российских и зарубежных изданиях, 33 тезисов докладов, 2 депонированных статьи

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения (основных результатов), списка литературы, включающего в себя 96 наименований Диссертация содержит 121 страницы основного текста и 39 рисунков

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследований, научная новизна полученных результатов, обосновывается практическая значимость результатов, разъясняется личный вклад автора, приводятся защищаемые положения и описывается структура диссертации

В первой главе рассмотрены различные системы вычислительной диагностики и лежащие в их основе реконструктивные методы, с указанием на их достоинства и недостатки Дана краткая историческая справка о развитии томографии для целей НК Сравниваются классическая аналоговая томография и современная ВТ Особое внимание уделяется томосинтезу как методу трехмерного восстановления внутренней структуры объекта контроля по набору его двумерных "теневых" проекций Вводится представление о цифровом томо-синтезе и его варианте — "нелинейном томосинтезе" Кратко затрагиваются проблемы фильтрации в нелинейном томосинтезе Объясняются перспективы использования нелинейного томосинтеза в неразрушающем контроле

^/ц мюсюсть исттнт

регистрации

Рис 1 Регистрация проекций в томосинтезе

На рис 1 приведена типичная схема регистрации проекций в томосинтезе с "копланарной" геометрией, хорошо приспособленная для последующей "послойной визуализации" объекта контроля, в силу чего томосинтез довольно часто называется также "ламинографией" [37] Однако цифровой гомосинтез не привязан жестко к такой геометрии и в принципе, визуализируемыми сечениями могут быть любые поверхности, проходящие через объект контроля [5]

Обсуждены концептуальные преимущества цифрового томосинтеза как в сравнении с его аналоговыми вариантами, так и в сравнении с разнообразными методами ВТ

Во второй главе рассмотрены математические аспекты "нелинейного томосинтеза" как метода нелинейного обратного проецирования Изложение ведется на основе разработанного автором вариационного подхода к нелинейному обратному проецированию Рассмотрены различные оценки нелинейного обратного проецирования, обсуждены их достоинства и недостатки для решения конкретных задач восстановления внутреннего строения объекта Метод нелинейного обратного проецирования сравнивается с другими реконструктивными методами, более всего с известным "методом проекций на выпуклые множества" (ПНВМ) Проведено сопоставление этих двух методов и показано, что введенный в томографию автором "метод минимальных проекций" может быть получен как предельный вариант метода ПНВМ Подробно и во многих аспектах сопоставляются "метод минимальных проекций" и классический метод обратных проекций, являвшийся до разработок автора основой всех версий томосинтеза (как аналоговых, так и цифровых) На примерах численного моделирования и реконструкций реальных объектов контроля показывается преимущество метода минимальных проекций над классическим методом обратных проекций

В этой же главе излагается общая "идеология" разработанного автором "структурно-ориентированного подхода к обработке изображений", являющегося основой для фильтрации (предобработки проекций и постобработки томограмм) в нелинейном томосинтезе Конкретные алгоритмы фильтрации для конкретных типов объекта контроля рассмотрены в четвертой главе

В третьей главе с общих позиций и на основе системотехнических принципов рассматривается проблема разработки многоцелевых систем нелинейного томосинтеза для НК Большое внимание уделяется вопросам взаимодействия "hardware" и "software" т е аппаратного и программного "полюсов" системы ВД Делается акцент на превалирование при конструировании программно-аппаратных комплексов системотехнических решений, ответственных за "целое", над "чисто-техническими", решениями Показывается связь между математическим "ядром" системы ВД и ее будущей программно-аппаратной конфигурацией Системотехническое проектирование рассматривается как "продол-

жение математического проектирования иными средствами" Показывается, что верные системотехнические решения позволяют оптимально использовать сложившийся "технологический субстрат" Много внимания уделено структуре программно-аппаратного ядра системы Раскрывается роль аппаратной предобработки проекционных данных Обсуждены конкретные примеры реализованных (непосредственно автором или при его участии) программно-аппаратных комплексов для нелинейного томосинтеза

В четвертой главе рассмотрены конкретные примеры реализации "нелинейного" томосинтеза для решения актуальных задач НК Подробно рассмотрены такие задачи как обнаружение и идентификация несплошностей и аномалий в элементах строительных конструкций, а также "динамический" контроль (без прерывания работы установок) в системе транспортировки теплоносителя атомных электростанций Рассмотрены как аппаратные реализации, так и детали алгоритмов для решения этих задач Даются рекомендации по использованию тех или иных оценок нелинейного обратного проецирования, как и процедур фильтрации для конкретных применений нелинейного томосинтеза в НК

Традиционная схема томосинтеза предусматривает получение проекционных изображений, соответствующих различным положениям источника излучения в плоскости, параллельной экрану-регистратору излучения Синтез томограммы параллельного экрану сечения сводится к суммированию со сдвигом проекционных изображений Достоинством метода является возможность независимого синтеза множества томограмм по ограниченному набору проекций Существенный недостаток многочисленных оптических, оптико-электронных и т д реализаций томосинтеза — наличие на томограмме ослабленных изображений соседних слоев Поскольку классический томосингез является трехмерной реализацией метода обратных проекций без фильтрации, увеличение числа проекций не устраняет полностью помех, а лишь приближает качество синтезируемых томограмм к их качеству в "томографии с перемещением" Другой источник помех — сложная нелинейная зависимость интенсивностей суммируемых изображений от лучевых сумм Отмеченные недостатки томосинтеза в значительной мере преодолеваются в его цифровых (нелинейных) реализациях

В масштабе объекта контроля элементы изображений томограмм в классическом томосинтезе описываются функциями

j v p z

T(r,z) = —У p (-r--r„)

' jVtr "V-l F-z " '

где F — расстояние от плоскости расположения источников до плоскости регистрации, z (z<f) — глубина залегания (расстояние от плоскости регистрации до выделяемого сечения), г = (х, у) и гп= (хп, у„)— двумерные векторы, описывающие соответственно положение точки в сечении с глубиной залегания z и положение п-го (n = 1, , N) источника излучения, р„ (гЕ) — лучевая сумма, то есть интеграл от коэффициента поглощения проникающего излучения Ц (г, z) вдоль прямой, соединяющей точку (r„, F) и произвольную точку на экране (гЕ, 0) Гибкость цифровых методов позволяет снять многие ограничения этой схемы, например ограничения на взаимное расположение источников и приемников излучения Визуализируемые сечения объекта контроля могут быть произвольными поверхностями, отображаемыми на плоскость Однако эффективность цифровых методов наиболее полезна для решения проблемы уменьшения помех от соседних слоев Традиционные методы фильтрации, употребляемые в ВТ, непригодны в томосинтезе прежде всего в связи с небольшим числом (от 4 до 20) используемых проекций Один из путей уменьшения помех от соседних слоев состоит в видоизменении метода обратных проекций путем надлежащего выбора элемента изображения Т на томограмме как функции луч-сумм, соответствующих лучам, проходящим через точку (г, z)

T(r,z)=T

F z . , F z Л

Pxi-T,--гД ,pn{--r,---)l

F-z F-z F-z F-zU

Дополнительную информацию для выбора дает условие неотрицательной определенности г,г) Ясно, что луч-суммы Р и элемент изображения Т также неотрицательны и, очевидно 1) элемент изображения Т должен равняться нулю, если хотя бы одна из луч-сумм равна нулю, 2) функция Т должна быть симметрична по своим аргументам Таким условиям удовлетворяет, например, среднее геометрическое луч-сумм В "методе минимальных проекций" такой оценкой является Т = шш^,,р2, ,р}1)

в) г)

Рис. 2 Сравнение классического метода обратных проекций с методом минимальных проекций.

Более полное представление о возможностях методов нелинейного обратного проецирования можно получить, рассматривая следующий пример послойного восстановления но двумерным проекциям, На рис. 2 представлены результаты численного моделирования для томосинтеза. Объект контроля (математически сгенерированный фантом) состоит из 8 параллельных друг другу плоских слоев. Информационным содержанием отдельного слоя является изображение буквы из набора А, В, С,.... Н. На рис, 2 а показаны четыре "телеграммы" результаты "просвечивания" объекта контроля с четырех позиций. На рис. 2 б представлены результаты восстановления для двух слоев тю четырем проекциям. Слева — по методу обратных проекций (классический томосиптез) Справа по методу минимальных проекций На рис 2 в представлены результаты восстановления для тех же самых ело-

ев по 8 проекциям На рис 2 г можно видеть результаты восстановления для двух других слоев объекта по 4 проекциям

Необходимо отметить, что в этом эксперименте проекционные данные незашумлены Слабым местом ПНВМ-подхода является невозможность учета влияния шума в общем случае в виде выпуклых ограничений Однако, возможно преодоление этого недостатка в рамках НЛОП-подхода за счет выбора оптимальной оценки между мультипликативным (минимальные проекции) и аддитивным (классический томосинтез) операторами обратного проецирования в соответствии с характеристиками шума, например на основе использования в качестве оценки второй или третьей порядковой статистики для набора луч-сумм Разработанный подход является гибким и позволяет генерировать различные версии алгоритма восстановления за счет выбора процедур предобработки и постобработки с учетом статистических, спектральных др характеристик объекта контроля Как правило эти алгоритмы пригодны для восстановления по небольшому числу проекций с вычислительными затратами существенно меньшими, чем при использовании других нелинейных алгоритмов Часто (особенно в приложениях для неразрушающего контроля) подход НЛОП позволяет существенно упростить задачу без ущерба для качества синтезируемых томограмм Можно сказать, что применение компьютера лишь в качестве сумматора проекций в соответствии с принципами классической томографии не дает ощутимых преимуществ цифровому томосинтезу по сравнению с его аналоговыми вариантами, однако использование нелинейных алгоритмов, резко расширяя его возможности и спектр решаемых задач, в сочетании с умеренными требованиями к сложности и стоимости технической базы, делают его одним из наиболее действенных методов радиационного контроля

Отметим еще, что в рамках концепции НЛОП операторы нелинейных оценок применяются не только к "элементарным луч-суммам", но и к построенным на них "структурам", например к локальным микроизображениям на проекциях вблизи соответствующих "центральных элементов", перекрывающихся при синтезе определенного слоя объекта контроля В этом случае оценки НЛОП являются "неклассическими статистиками", позволяющими эффективно выстраивать процедуры фильтрации при малом (4-8) числе ракурсов, что совершенно невозможно в рамках "линейной

фильтрации" Такие нелинейные процедуры являются "мостом" между методами НЛОП и "структурно-ориентированными" методами обработки изображений

В рамках структурно-ориентированного метода, варьируя "ключевую" группу симметрии (иными словами, варьируя "аксиомы структуры"), можно осуществлять "морфинг" обрабатываемого объекта Простым примером морфинга является изменение объекта от слоя к слою в томосинтезе путем варьирования глубины залегания В "структурной вычислительной диагностике" морфинг позволяет визуализировать различные "семантические структуры" объекта, например, сформировать его карту дефектности

Более полное представление о возможностях структурно-ориентированной фильтрации можно получить, рассмотрев следующий пример реконструкции изображения железобетонной стены На рис 3 представлены результаты структурно-ориентированной фильтрации с привлечением оценки дисперсионного анализа На рис За - нефильтрованная, на рис 36 -фильтрованная проекции В качестве нулевой теоретико-групповой гипотезы выступало предположение об изотропности микроизображения в некоторой окрестности каждого из элементов изображения Конкретный статистический метод, разработанный для проверки этой гипотезы был основан на идеях дисперсионного анализа "Черное" на фильтрованной проекции справа соответствует тем областям, где "нулевая" теоретико-гр\пповая гипотеза (в данном случае предположение об изотропности микроизображения в "локальном пятне" вблизи исследуемого "центрального элемента) не отвергается

Напротив, "белое" — это свидетельства статистики Фишера о неправомерности нулевой гипотезы при различных уровнях значимости Иначе говоря, картинка справа "нарисована" статистикой Фишера (подвергнувшись при этом еще некоторому нелинейному преобразованию типа look-up-table для того, чтобы обеспечить приемлемую для человеческого глаза гистограмму яркости)

т ь)

Рис.3. Структурно-ориентированная фильтрация проекции железо бетонной стены. (Слева - неходкая проекция, справа - отфильтрованная проекция).

В данном случае структурно -ориентиров анная фильтрация полностью решает практическую проблему, поставленную "заказчиком*' т е инженерами-строителями, осуществляющими надзор за сооружениями. Кроме того, фильтрованные проекции уже пригодны для осуществления хемосинтеза нелинейными методами. Разными авторами предпринимались также попытки решить эту задачу (т.е. проблему фильтрации) на основе хорошо известных и новых методов обработки изображений (модифицированная инверсная фильтрация, "Wavelets", процедуры, основанные на соображениях теории фракталов), однако они не привели к позитивному результату .

Методы нелинейного томосинтеза со структурно-ориентированной фильтрацией оказались эффективными и для контроля компонент атомных электростанций.

Рис 4. Структурно-ориентированная фильтрация трещины в кольцевом сварном игнс на трех проекциях (левые полосы - "области интереса" на нефильтрованных проекциях; правые полосы - соответствующие области на фильтрованных проекциях).

Объектом контроля была наполненная теплоносителем труба па АЭС, со сварным шном, представленная ни рис. 5. Геометрически проекции на рис.4 являются развертками цилиндра (низ проекционного изображения совпадает с его верхом). Три разных ракурса получаются за счет сдвига источника излучения вдоль оси вращения трубы. Ракурсный угол между крайней и центральной проекциями составляет 1СГ Геометрия легко приводится к "копланарной", так что проекциями можно манипулировать как в классическом гом«синтезе При этом параметр "глубины залегания слоя" меняется в пределах от внутреннего диаметра трубы до ее внешнего диаметра.

Рис. 5.. Объект контроля — наполненная водой аустенвйНая труба со сварным швом. Диаметр трубы — 140 мм и толщина — 13 мм.

В заключении по диссертационной работе подведены итоги проведенных теоретических и экспериментальных исследований, сформулированы основные результаты и выводы,

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 11 ВЫВОДЫ

1 Предложена, развита, теоретически обоснована, и многосторонне подтверждена на практике концепция "нелинейного томосинтеза" включающая в себя взаимосогласованные методы нелинейного обратного проецирования и методы структурно-ориентированно й обработки изображений изделий контроля, содержащих внутренние дефекты или неоднородности.

2 Методы нелинейного томосингеза позволили весьма существенно расширить диапазон задач вычислительной диагностики, решаемых в НК. Они малозатратны и, кромг того, обладают уникальными адаптационными возможностями. что делает их наиболее пригодными для массового применения в не разрушающем контроле.

3. Как методы НЛОП, гак и "методы структурно-ориентированной фильтрации" могут работать независимо от задач восстановления по проекциям, просто как методы обработки изображений. Предложен класс принципиально новых методов обработки изображений на теоретико-групповой статистической основе, с широким диапазоном новых возможностей.

4. Накоплен значительный опыт практического создания специализированных программно-аппаратных комплексов на базе нелинейного томосинтеза

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

1 Баранов В А , Янисов В В , Янисова Л К Оп гический синтез радиальных томограмм // Тезисы докладов 4-й Всесоюзной школы по оптической обработке информации, Минск, 1982 г , с 378-379

2 Баранов В А , Янисов В В , Янисова Л К Ма тематические аспекты томосинтеза как метода обратных проекций // Депонирсванная рукопись № 3204, ВИНИТИ, Ред, журн "Физика", 1983 г, № 9, 22 с

3 Баранов В А , Янисов В В Радиальное томографическое представление объемных сцен в робототехнике // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов", (РАПП-83), Барнаул, 1982 г , часть I, с 179

4 Баранов В А , Янисов В В Модели синтеза радиальных томограмм // Депонированная рукопись № 3431-84, ВИНИТИ, Ред, журн "Физика", 1984 г, №9, 15 с

5 Баранов В А , Янисов В В Визуализация произвольных поверхностей, проходящих через томографируемый объект, средствами цифрового томосинтеза // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-84), Новосибирск, 1984 г, ч I, с 22-23

6 Баранов В А , Янисов В В Программное обеспечение для цифрового томосинтеза // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-84), Новосибирск, 1984 г, ч I, с 62-63

7 Баранов В А , Янисов В В Оптический синтез томограмм вращающихся объектов // Тезисы докладов 5-й Всесоюзной школы по оптической обработке информации, Киев, 1984 г , с 125-126

8 Баранов В А , Янисов В В Оптико-цифровой томосинтез на основе мини-ЭВМ // Тезисы докладов Второй Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Радиоволновые, оптические и тепловые средства

неразрушающего контроля качества промышленных изделий", Одесса, 1985 г, с 22

9 Баранов В А, Янисов В В Модифицированный алгоритм оптико-цифрового томосинтеза // Тезисы докладов Второй Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции "Радиоволновые, оптические и тепловые средства неразрушающего контроля качества промышленных изделий", Одесса, 1985 г, с 74

10 Баранов В А, Янисов В В Программная реализация цифрового томосинтеза на базе мини-ЭВМ // Тезисы докладов 5-ого отраслевого научно-технического совещания 'Повышение надежности и качества авиационной техники средствами неразрушающего контроля", Аццропов, 1986, с 91-92

11 Баранов В А , Янисов В В Итерационный метод для цифрового томосинтеза // Тезисы докладов 5-ого отраслевого научно-технического совещания "Повышение надежности и качества авиационной техники средствами неразрушающего контроля", Андропов, 1986, с 122

12 Баранов В А , Чекалин А С Система цифрового томосинтеза для неразрушающего контроля /V Дефектоскопия, 1988, 5, с 30-36

13 Баранов В А , Бердоносов В А , Матвеев Ю В , Темник А К, Чахлов В Л , Чекалин А С Послойная визуализация контрастных включений в бетоне по набору радиографических проекций, полученных при помощи малогабаритного бетатрона // Тезисы докладов Шестого Всесоюзного совещания по применению ускорителей заряженных частиц в народном хозяйстве, Ленинград, 1988, с 167

14 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К Цифровой томосинтез для медицинских исследований // Тезисы докладов 9-й Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение", Москва, 1989, с 107

15 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К Томографический контроль изделий и материалов на основе алгоритмов томосинтеза с согласованной фильтрацией // Тезисы докладов 6-го научно-технического совещания "Состояние и перспективы р азвития методов и средств неразрушающего контроля авиационной техники", Ульяновск, 1989 г , с 182

16 Баранов В А, Чгкалин А С , Темник А К Синтез томограмм из разно-ракурсных томограмм — модифицированные алгоритмы, программная и аппа-

ратурная реализация // Тезисы докладов 4-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, часть И, Ташкент, 1989, с 87-88

17 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К Контроль изделий из полимерных материалов методами цифрового томосинтеза // Тезисы докладов межотраслевой конференции "Неразрушаюгцие методы контроля изделий из полимерных материалов", Туапсе, 1989, с 125-126

18 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К Обработка изображений в реальном времени // Тезисы докладов Международной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-90), Новосибирск, 1990 г, с 32

19 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К Рентгенотелевизионная ЗР томография и цифровой томосинтез // Тезисы докладов Международной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-90), Новосибирск, 1990 г, с 33

20 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К , Филишов Н Я Новые возможности радиоскопических телевизионных систем, достигаемые путем анало-гово-цифрового накопления изображений // Тезисы докладов Международной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-90), Новосибирск, 1990 г, с 34

21 Баранов В А, Чекалин А С , Темник А К Малоракурсная трехмерная томография на основе мультипликативных алгоритмов томосинтеза // Тезисы докладов 12-й Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушаю-щие физические методы и средства контроля", Свердоовск, 1990 г, том 5, с 111-112

22 Баранов В А, Темник А К , Чахлов В Л , Чекалин А С Бетатронный томографический комплекс для неразрушающего контроля крупногабаритных изделий // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г , с 123

23 Баранов В А, Чекалин А С Табличный видеопроцессор для реализации нелинейных методов ЗЭ томографии и обработки изображений // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г, с 164-165

24 Баранов В А, Чекалин А С Итерационные методы томографической реконструкции на базе нелинейных алгоритмов томосинтеза // Тезисы докладов

5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г , с 229-230

25 Баранов В А, Темник А К, Чекалин А С Рентгеновская 3D-микротомография на базе методов томосинтеза программная и аппаратурная реализация // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г , с 241

26 Баранов В А, Темник А К, Чахлов В JI, Чекалин А С Рентгенотеле-визионные реализации малоракурсной томографии // Тезисы докладов 13-й научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Санкт-Петербург, 1993 г, с 66-67

27 Баранов В А , Москалев Ю А , Петушенко В Ф , Темник А К , Чахлов В JI, Чекалин А С Оперативный томографический контроль в нестационарных условиях // Тезисы докладов 13-й научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля", Санкт-Петербург, 1993 г, с 67-68

28 Baranov V А, Dmitrieva А V, Moskalev Yu А , Petushenko V F , Temnik А К, Chakchlov V L , Chekalin A S Tomographic 3D reconstruction from small number of views with the use of thermoluminescent storage screens // Proc of international symposium on computerized tomography, Novosibirsk, 1993, p 25

29 Baranov V A , Temnik А К, Chakchlov V L , Chekalin A S Hardware and software means for non-lmear methods of 3D tomography and image processing implementation // Proc of international symposium on computerized tomography, Novosibirsk, 1993, p 26

30 Baranov V A Non-linear backprojection as a vanation problem // Proc of international symposium on computerized tomography, Novosibirsk, 1993, p 24

31 Чахлов В Л , Чекалин А С , Темник А К , Баранов В А Аппаратные средства и программное обеспечение для автоматизированной обработки радиографической информации // Тезисы докладов Российского с международным участием научно-технического семинара "Перспективы применения методов и средств контроля на предприятиях химического и машиностроительного комплексов — 94", Томск, 1994 г , с 16

32 Баранов В А, Чахлов В Л , Темник А К Бетатронная мапоракурсная томография для неразрушающего контроля // В сборнике "Кибернетика и вуз"

(интеллектуальные информационные технологии), под ред акад В 3 Ямполь-ского, Выпуск 28, Томск, 1994, с 67-75

33 Baranov V А , Temnik А К , Chakchlov V L, Chekalin A S Betatron tomography with the use of non-linear backprojection techniques // In coll of papers to International Symposium on Computerized Tomography for Industrial Applications, Berlin, 1994, pp 271-277

34 Baranov V A Convex projections reconstruction algorithms on the basis of non-linear backprojection approach // In coll of papers to International Symposium on Computerized Tomography for Industrial Applica tions, Berlin, 1994, pp 8895

35 V Baranov, VChakhlov, MKromng, WMorg"ier High speed computerized tomography on thickwalled steel and concrete components using a portable 6 MeV betatron // In coll of papers to "6-th European Conference on Non-destructive testing", Nice, France, 1994, Vol 2, pp 1287-1291

36 Ewert U, Schümm A, Nockeman C, (Berlin), Baranov V A (Tomsk, RUS), Fortschritte auf dem Gebiet der digitalen Lammographie // Deutsche Gesellschaft fur Zerstörungsfreie Prufung e V , Jahrestagung 1995 (100 Jahre Röntgenstrahlen und die heutige Vielfalt Industrieller ZfP-Praxis) Aachen, 22-24 Mai, 1995, P6, S 471-475

37 Baranov VA A Variational Approach to Non-Linear Backprojection // "Computerized Tomography", coll of papers , Novosibirsk - Utrecht, Editor-m-Chief M M Lavrent'ev, 1995 Utrecht, the Netherlands, pp 82-97

38 Ewert U , Baranov V, Borchard К New noniinear backprojection algorithms as a tool for crosssectional imaging of building construction using imaging plates // In coll of papers to International Symposium "Non-Destructive Testmg in Civil Engineering" (NDT-CE), Berlin, p 1267-1274

39 Ewert U, Baranov V Industrial application of digital tomosynthesys and special types of non-linear backprojection algorithms // In coll of papers to International Symposium "Computer Methods and Inverse Problems In Non-Destructive Testing and Diagnostics" (CM NDT — 95), Minsk, p 82-86

40 Baranov V A Non-destructive testing and ecological problem // Proc of International conference "Fundamental and applied problems of environment protection", Tomsk, 1995, p 7

41 Ewert U , Baranov V , Redmer В Digitale Laminographie — Anwendungen an Stahlbetonkonstru:tionen — Das 33 Forschungskolloquium "Deutscher Ausschuß fur Stahlbeton", Bundesanstalt fuer Matenalforschung und —prufung (ВАМ), Berlin-Dahlem, 1996, В 33, S 118-125

42 Redmer В , Eweit U , Onel Y , (Berlin), Baranov V (Tomsk, RUS) Untersuchung zur Optimierung der Aufnahmeanordnung fur die Tomosynthese und struk-turabhangige Vorfilterung // Deutsche Gesellschaft fur Zerstörungsfreie Prufung e V, Jahrestagung 1996 (Die ZfP der DACH-Lander im Spiegelbild internationaler Normung), Lindau, 13-15 Mai, 1996, P29

43 Ewert U, Redmsr В , Muller J, Trobitz M (Berlin), Baranov V (Tomsk, RUS) Mechanisierte Urchstrahlprüfung von Rundschweissnaten — Prufung me-diengefiillter Rohrleitungen und Tiefenlagebestimmung durch Tomosynthese // 23 MPA-Semmar "Sicherheit und Verfügbarkeit in der Anlagetechnik" mit dem Schwerpunkt "Verhalten von druckfurenden Komponenten und Systemen bei erboten Belastungen", Staatliche Materialprufimganstalt (MPA), 1997 Universität Stuttgart, Band 23, SS 13 1-13 14

44 Ewert U, Baranov V , Borchard К Cross-sectional imaging of building elements by new non-linear tomosynthesis technique using imaging plates and 60Co radiation" // invited paper in "NDT & E International", 1997 Elsevier Science Ltd, Vol 30, № 4, pp 243-248

45 Redmer В , Ewert U, Onel Y (Berlin), Muller J (Frechen), Diener H (Nürnberg), Walkman M (Gundremmingen), Baranov V (Tomsk, Russia) Automated radiometric weld inspection m nuclear power industry by tomosynthesis // In coll of papers to International Symposium "Computer Methods and Inverse Problems m Nondestructive Testing and Diagnostics (CM NDT-98)", Minsk, 1998, pp 441-448

46 Баранов В A, Эверт У Алгоритмы нелинейного томосинтеза со структурно-ориентированной фильтрацией проекций и их применение в нераз-рушающем контроле // в юбилейном сборнике (к 30-летию НИИ ИН) "Нераз-рушающий контроль и диагностика", Томск, 1998 г, с 23-27

47 Баранов В А (Томск), Эверт У (Берлин) Обнаружение трещин на основе алгоритмов нелинейного томосинтеза и структурно-ориентированной фильтрации с выпуклыми ограничениями // Тезисы докл 15-й Российской на-

учно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", Москва, 1999 г, с 192

48 Баранов В А, Темник А К, Чахлов С В , Чекалин А С Вычислительная диагностика на базе алгоритмов томосинтеза // В научно-техническом сборнике "Трансферные технологии в информатике", Под ред проф В К Погребного, Томск, 1999 г , с 6-11

49 Redmer В , Ewert U (BAM-Berhn, Germany), Lichachev A V , Pickalov V V (Institute of Theoretical and Applied Mechanics, Novosibirsk, Russia), Y Onel (BAM-Berlm, Germany), Zheng Li (Tsinghua University, China), Baranov V A (Institute of Introscopy, Tomsk, Russia) Sensitive Detection of planar Defects by a Mechanized Radiometric Weld Inspection System // 15-th World Conference on Nondestructive Testing (Rome — 2000, CD of proceedings)

50 Ewert U, Redmer В , Y Onel (BAM-Berhn, Germany), Baranov V A (Institute of Introscopy, Tomsk, Russia) Tomographic Methods of Crack Detection for components of Nuclear Power Industry // 15-th World Conference on Nondestructive Testing (Rome — 2000, CD of proceedings)

51 Baranov V , Ewert U A group theoretical approach to ill-posed problems" // Book of abstract to 3-d international scientific conference "Computer Methods and Inverse Problems in NDT and Diagnostics " (CM NDT - 2001), Moscow, 2002, p 11-12

52 Baranov V, Ewert U, Redmer В Reconstruction of cracks on the basis of group-theoretical algorithms of situational recognition // Book of abstract to 3-d international scientific conference "Computer Methods and Inverse Problems in NDT and Diagnostics " (CM NDT - 2001), Moscow, 2002, p 39-40

53 Baranov V Structure-oriented filter (Zweite Fassung vom Winter 1996) // m "Allgemeine Bildverarbeitung", BAM-Berlin, 2004, S 26-35

54 Baranov V Structure-oriented sliding window filter // in "Allgemeine Bildverarbeitung", BAM-Berlin, 2004, S 17-23

55 Баранов В А, Кулешов В К Современные проблемы науки (Неразрушающий контроль в системе наук, его философские и методологические аспекты) // Изд ТПУ, Томск, 2005, 176 с

Подписано к печати 20 04 2007 Формат 60x84/16 Бумага «Классика»

Печать RISO Услпечл 1,34 Уч-издл 1,21 _Заказ 267 Тираж 120 экз_

Томский политехнический университет |Г! Система менеджмента качества

Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001 2000

muTHbCTBoVrnr 634050, г Томск, пр Ленина, 30

Введение.:

ГЛАВА 1. Томосинтез среди методов и средств реконструктивно диагностики.

ГЛАВА 2. Математические аспекты томосинтеза.2'

2.1. Вариационный подход к нелинейному обратному проецированию.2'

2.2. Структурно-ориентированный подход к обработке изображений.4i

ГЛАВА 3. Программно-аппаратная реализация томосинтеза.

ГЛАВА 4. Примеры решения актуальных практических задач и конкретных реализаций томосинтеза в неразрушающем контроле.

4.1. Диагностика крупногабаритных изделий.

4.2. Контроль строительных конструкций.

4.3. Контроль компонентов атомных электростанций.

Современный неразрушающий контроль становится стройной математической наукой, использующей для решения своих прикладных проблем широкий спектр методов, основанных на идеях функционального анализа, статистики, геометрии и объединенных общей концепцией теории решения обратных задач. [32]. Толчком для интенсивного развития методов математической интроскопии или вычислительной диагностики (ВД) явилось возникновение вычислительной томографии (ВТ) [46]. Специалисты практически мгновенно оценили ее уникальные перспективы в качестве инструмента прикладных исследований не только в медицине и биологии, но и таких областях как неразрушающий контроль (НК), физика плазмы, геофизика и пр. Прецедент возникновения ВТ не сводился, однако, к простой сумме новых прагматических возможностей, хотя бы и очень заманчивых, но вел сверх того к смене идеологических ориентиров. В истории интроскопии появление ВТ сравнимо лишь с открытием рентгеновского излучения [64]. Эти два масштабные, но совершенно разноплановые и взаимодополняющие события как бы знаменовали собой рождение интроскопии как науки и ее вступление в стадию зрелости. Если открытие Рентгена позволило методами экспериментальной физики решать прямые задачи, т.е. из целостной структуры объекта получать ее "фрагментарные" проекции, то ВТ в принципе позволяла уже математическими методами решать обратные задачи, т.е. из фрагментарных проекций восстанавливать целое. Открытие Рентгена дало возможность "смотреть", тогда как ВТ претендует на то, чтобы "видеть", ибо видеть можно только целое. Под влиянием успехов ВТ сложилась тенденция трактовать ВД именно "синтетически", т.е. как систему методов и средств для восстановления целостной структуры объекта контроля по косвенным измерениям его характеристик, включая средства интерпретации результатов восстановления, т.е. их "перевода" на язык образного человеческого восприятия. Математической основой ВД служит, как правило, некоторы метод решения обратной задачи, по неполному набору измерений, иным словами — "некорректно-поставленной задачи".

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Возникновение вычислительно томографии (ВТ) явилось переломным моментом для интроскопии, иб впервые появились методы визуализации внутреннего строения объекта, тонн соответствующие ее программным целевым установкам (вплоть д< этимологии — "интроскопия-внутривидение") и, тем самым, ВТ явилас образцом для подражания при создаиии систем вычислительной диагностик] (ВД). Не отрицая технических проблем, необходимо отметить, что трудности i реализацией ВТ обусловлены главным образом концептуальными причинами В течение ряда лет усилия автора и его коллег были направлены на создана методов ВД, пригодных именно для широкого применения в неразрушающел контроле (НК), для разработки недорогих и эффективных систел томографической визуализации. Данная диссертация посвящена разработке методов нелинейного томосинтеза, как одного из наиболее перспективные методов ВД. Такой выбор обусловлен как концептуальной привлекательностью классического томосинтеза, так и возможностью преодоления его недостатков, на основе предложенного автором нелинейного математического подхода к реконструкции изображений по проекциям.

Цель и задачи исследования. Целью исследования было создание гибкой и экономически малозатратной системы цифрового томосинтеза, пригодной для решения типичных задач томографической визуализации в неразрушающем контроле.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка теоретических основ нелинейного томосинтеза, его математического ядра для целей НК.

2. Создание эффективных (нелинейных) процедур предобработки и постобработки в томосинтезе.

3. Создание библиотеки алгоритмов и пакета программ для решения полно1 комплекса задач цифрового томосинтеза.

4. Разработка системотехнического подхода, обеспечивающего максиму единства в программно-аппаратной реализации многообразных специализированных систем цифрового томосинтеза в НК.

Научную новизну работы составляют:

1. Новая математическая концепция томосинтеза — метод нелинейног обратного проецирования (НЛОП), позволяющий выйти далеко за границ] диапазона задач, решаемых на основе алгоритмов классическог томосинтеза в его цифровом варианте. Широкое распространение получи, введенный автором в томографию и обработку изображений для целей HI метод минимальных проекций. На основе вариационного метод предложены процедуры вывода различных оценок НЛОП для синтез; томограмм.

2. Структурно-ориентированный подход к обработке изображений объекта содержащего внутренние дефекты или неоднородности. Классически! структурный анализ объектов, основанный на теории групп, дополне! статистическими соображениями. [56, 57].

3. Новый метод морфологического анализа изображений, основанный на и> структурно-ориентированной фильтрации.

Практическая значимость и внедрение результатов. Полученные автором теоретические результаты применены к решению задач томографической визуализации дефектов (трещины в сварных швах) в системе транспортировки теплоносителя атомных электростанций. Предложенный вариант метода структурно-ориентированной фильтрации оказался успешным для томографической визуализации расположения и дефектов арматуры в железобетонных стенах, для идентификации несплошностей в стальных образцах после их прокатки.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований были внедрены в практику НИИ Интроскопии при ТПУ при выполнении научно-исследовательских работ, в том числе по договорам с Фраунгоферовским институтом неразрушающих методов контроля (г. Саарбрюккен, Германия).

В 1993-2004 гг. автор участвовал в программах исследована проводившихся в "Федеральном институте по контролю и исследовани] материалов" в Берлине по томографической визуализации аномалий структуре строительных конструкций и контролю трещин в инфраструктур ядерных реакторов.

Апробация результатов работы. Основные положения и результат] диссертации обсуждались: на 4-й Всесоюзной школе по оптической обработк информации (Минск, 1982 г.), на Всесоюзной конференции "Робототехника автоматизация производственных процессов"(Барнаул, 1982 г.), на Всесоюзно научно-технической конференции "Обработка изображений и дистанционны исследования", (Новосибирск, 1984 г), на 5-й Всесоюзной школе по оптическо; обработке информации, (Киев, 1984 г.), на Второй Всесоюзной межвузовско] научно-технической конференции "Радиоволновые, оптические и тепловы средства неразрушающего контроля качества промышленных изделий' (Одесса, 1985 г.), на 5-ом отраслевом научно-техническом совещани] "Повышение надежности и качества авиационной техники средствам! неразрушающего контроля", (Андропов, 1986), на Шестом Всесоюзного совещании по применению ускорителей заряженных частиц в народнол хозяйстве (Ленинград, 1988), на Всесоюзной конференции "Измерения i медицине и их метрологическое обеспечение", на 6-м научно-техническое совещании "Состояние и перспективы развития методов и среден неразрушающего контроля авиационной техники", (Ульяновск, 1989 г.), на 4-\. Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1989) , ш Всесоюзной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования, (Новосибирск, 1990), на международном симпозиуме «Computerized Tomography for Industrial Applications», (Berlin, 1994), на 6-й Европейской конференции по неразрушающему контролю (Ницца, 1994), на конференции "Deutsche Gesellschaft fur Zerstorungsfreie Priifung e.V., Jahrestagung 1995 (100 Jahre Rontgenstrahlen und die heutige Vielfalt Industrieller ZfP-Praxis), (Aachen, 1995), на международном симпозиуме «Non-Destructive Testing in Civil Engineering» (NDT-CE), (Berlin, 1994), на международном симпозиуме «Computer Methods and Inverse Problems In Non-Destructive Testing and Diagnostics» (CM NDT — 95, CM NDT - 2001), (Minsk, 1995, Moscow 2002), на конференции «Das 33 Forschungskolloquium «Deutscher AusschuB fur

Stahlbeton»» (Berlin-Dahlem, 1996), на конференции «Deutsche Gesellschaft fur Zerstorungsfreie Priifung e.V., Jahrestagung 1996 (Die ZfP der DACH-Lander im Spiegelbild internationaler Normung), (Lindau, 1996), на конференции "23 MPA-Seminar "Sicherheit und Verfugbarkeit in der Anlagetechnik" mit dem Schwerpunkt "Verhalten von druckfurenden Komponenten und Systemen bei erhoten Belastungen", (Universitat Stuttgart, 1997), на международном симпозиуме "Computer Methods and Inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics ", (Minsk, 1998), на 15-й Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика", (Москва, 1999 г.), на конференции "15-th World Conference on Nondestructive Testing " (Рим, 2000).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод решения задач вычислительной диагностики на основе концепций нелинейного обратного проецирования и структурно-ориентированной фильтрации изображений объектов, содержащих внутренние дефекты или неоднородности (нелинейный томосинтез).

2. Конкретизированные варианты нелинейного томосинтеза для наиболее распространенных структурных типов объектов НК на основе варьирования "группы локальной симметрии" структуры, вычисления "мер сходства" и "мер различия" для оценки "скрытой симметрии" в локальной микроструктуре и построения на этой основе процедур предобработки проекций и постобработки томограмм в нелинейном томосинтезе.

3. Методы ситуационного распознавания образов в микроструктурах за счет выявления и статистической оценки в них "скрытой симметрии" и принципиально новые методы обработки изображений на этой основе, а также их конкретные варианты, ориентированные на задачи НК.

4. Метод морфологического анализа изображений на основе статистического теоретико-группового подхода к их структуре.

Публикации.

Основное содержание диссертационной работы отражено в 55 научных и научно-технических работах автора. Из них одна монография, 19 статей в российских и зарубежных изданиях, 33 тезисов докладов, 2 депонированных статьи.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключена (основных результатов), списка литературы, включающего в себя 9i наименований. Диссертация содержит 121 страницу основного текста и 3( рисунков.

Основные результаты и выводы

1 Предложена, развита, теоретически обоснована, и многосторонне подтверждена на практике концепция "нелинейного томосинтеза" включающая в себя взаимосогласованные методы нелинейного обратногс проецирования и методы структурно-ориентированной обработки изображений изделий контроля, содержащих внутренние дефекты или неоднородности.

2. Методы нелинейного томосинтеза позволили весьма существеннс расширить диапазон задач вычислительной диагностики, решаемых в НК. Они малозатратны и, кроме того, обладают уникальными адаптационными возможностями, что делает их наиболее пригодными для массового применения в неразрушающем контроле.

3. Как методы НЛОП, так и "методы структурно-ориентированной фильтрации" могут работать независимо от задач восстановления по проекциям, просто как методы обработки изображений. Предложен класс принципиально новых методов обработки изображений на теоретико-групповой статистической основе, с широким диапазоном новых возможностей.

4. Накоплен значительный опыт практического создания специализированных программно-аппаратных комплексов на базе нелинейного томосинтеза.

1.А., Яннсов В.В., Яннсова Л.К. Оптический синтез радиальные томограмм // Тезисы докладов 4-й Всесоюзной школы по оптическое обработке информации, Минск, 1982 г., с. 378-379.

2. Баранов В.А., Янисов В.В., Янисова Л.К. Математические аспекть томосинтеза как метода обратных проекций // Депонированная рукопись N< 3204, ВИНИТИ, Ред., журн. "Физика", 1983 г., № 9,22 с.

3. Баранов В.А., Янисов В.В. Радиальное томографическое представление объемных сцен в робототехнике // Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация производственных процессов", (РАПП-83), Барнаул, 1982 г., часть I, с. 179.

4. Баранов В.А., Янисов В.В. Модели синтеза радиальных томограмм // Депонированная рукопись № 3431-84, ВИНИТИ, Ред., журн. "Физика". 1984 г., №9,15 с.

5. Баранов В.А., Янисов В.В. Программное обеспечение для цифрового томосинтеза // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-84), Новосибирск, 1984 г, ч I, с. 62-63.

6. Баранов В.А., Янисов В.В. Оптический синтез томограмм вращающихся объектов // Тезисы докладов 5-й Всесоюзной школы по оптической обработке информации, Киев, 1984 г., с. 125-126.

7. Баранов В.А., Янисов В.В. Итерационный метод для цифрового томосинтеза // Тезисы докладов 5-ого отраслевого научно-технического совещания "Повышение надежности и качества авиационной техники средствами неразрушающего контроля", Андропов, 1986, с. 122.

8. Баранов В.А., Чекалин А.С. Система цифрового томосинтеза для неразрушающего контроля // Дефектоскопия, 1988, 5, с. 30-36.

9. Баранов В.А, Чекалин А.С., Темник А.К. Цифровой томосинтез дш медицинских исследований // Тезисы докладов 9-й Всесоюзной конференции "Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение", Москва, 1989, с. 107.

10. Баранов В.А, Чекалин А.С., Темник А.К. Контроль изделий из полимерных материалов методами цифрового томосинтеза // Тезисы докладов межотраслевой конференции "Неразрушающие методы контроля изделий из полимерных материалов", Туапсе, 1989, с. 125-126.

11. Баранов В.А, Чекалин А.С., Темник А.К. Обработка изображений в реальном времени // Тезисы докладов Международной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-90), Новосибирск, 1990 г, с. 32.

12. Баранов В.А, Чекалин А.С., Темник А.К. Рентгенотелевизионная 3D томография и цифровой томосинтез // Тезисы докладов Международной конференции "Обработка изображений и дистанционные исследования" (ОИДИ-90), Новосибирск, 1990 г, с. 33.

13. Баранов В.А, Темник А.К., Чахлов B.JI., Чекалин А.С. Бетатронньп томографический комплекс для неразрушающего контроля крупногабаритных изделий // Тезисы докладов 5-го Всесоюзногс симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г., с. 123.

14. Баранов В.А, Чекалин А.С. Табличный видеопроцессор для реализации нелинейных методов 3D томографии и обработки изображений // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г., с. 164-165.

15. Баранов В.А, Чекалин А.С. Итерационные методы томографической реконструкции на базе нелинейных алгоритмов томосинтеза // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г, с. 229-230.

16. Баранов В.А, Темник А.К., Чекалин А.С. Рентгеновская 3D-микротомография на базе методов томосинтеза: программная и аппаратурная реализация // Тезисы докладов 5-го Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, Звенигород, 1991 г., с. 241.

17. Баранов В.А, Чахлов B.JL, Темник А.К. Бетатронная малоракурсная томография для неразрушающего контроля // В сборнике "Кибернетика и вуз" (интеллектуальные информационные технологии), под ред. акад. В.З. Ямпольского, Выпуск 28, Томск, 1994, с. 67-75.

18. Баранов В.А, Темник А.К., Чахлов С.В., Чекалин А.С. Вычислительная диагностика на базе алгоритмов томосинтеза // В научно-техническом сборнике "Трансферные технологии в информатике", Под ред. проф. В.К.Погребного, Томск, 1999 г., с. 6-11.

19. Баранов В.А., Кулешов В.К. Современные проблемы науки. (Неразрушающий контроль в системе наук, его философские и методологические аспекты) // Изд. ТПУ, Томск, 2005,176 с.

20. Блинов Н.Н., Жуков Е.М., Козловский Э.Б., Мазуров А.И. Телевизионньи методы обработки рентгеновских и гамма-изображений // М. Энергоатомиздат, 1982, 200 с.

21. Брегман JI.M. Нахождение общих точек выпуклых множеств методол последовательных проекций // ДАН СССР, 1965, 162 в.З, с. 487.

22. Воронин Ю.Ф. Начала теории сходства // Новосиб., Наука, 1991.

23. Губин Л.Г., Поляк Б.Т., Райк Е.В., Метод проекций для нахождения общи? точек выпуклых множеств // ЖВМ и МФ, 1967 в.7, с.1.

24. Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. Оптическая томография // Москва, "Радио v связь", 1989.

25. Наттерер Ф. Математические аспекты компьютерной томографии // М. Мир, 1990.

26. Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы // Новосибирск. "Наука", Сибирская издательская фирма РАН, 1995.

27. Пикалов В.В., Шарапова Н.В. Быстрые алгоритмы обнаружения трещин на основе нелинейного обратного проецирования // тез. докл. 4-ого Всесоюзного симпозиума по вычислительной томографии, часть II, Ташкент, 1988, с. 152 153.

28. Прэтт У. Цифровая обработка изображений (в 2-х книгах) // М., Мир, 1982.

29. Реконструкция изображений. Сб. статей под ред. Г. Старка // М., Мир, 1992.

30. Тихонов А.Н., Арсении В.Я. Методы решения некорректных задач // М.: Наука, 1986.

31. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я., Тимонов А.А. Математические задачи компьютерной томографии. М., Наука, 1987.

32. Троицкий И.Н. Статистическая теория томографии // Москва, "Радио и связь", 1989.

33. Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. Основ. реконструктивной томографии // М., Мир, 1983.

34. Baranov V.A. Non-linear backprojection as a variation problem // Proc. о international symposium on computerized tomography, Novosibirsk, 1993, p. 24.

35. Baranov V.A., Temnik A.K., Chakchlov V.L., Chekalin A.S. Hardware anc software means for non-linear methods of 3D tomography and image processing implementation // Proc. of international symposium on computerized tomography, Novosibirsk, 1993, p. 26.

36. Baranov V.A. Convex projections reconstruction algorithms on the basis of nonlinear backprojection approach // In coll. of papers to International Symposium on Computerized Tomography for Industrial Applications, Berlin, 1994, pp. 88-95.

37. Baranov V.A. A Variational Approach to Non-Linear Backprojection // "Computerized Tomography", coll. of papers, Novosibirsk Utrecht, Editor-in-Chief: M.M.Lavrent'ev, 1995 Utrecht, the Netherlands, pp. 82-97.

38. Baranov V.A. Non-destructive testing and ecological problem // Proc. с International conference "Fundamental and applied problems of environmer protection", Tomsk, 1995, p. 7.

39. Baranov V., Ewert U. A group theoretical approach to ill-posed problems" у Book of abstract to 3-d international scientific conference "Computer Method and Inverse Problems in NDT and Diagnostics " (CM NDT 2001), Moscow 2002, p. 11-12.

40. Baranov V. Structure-oriented filter (Zweite Fassung vom Winter 1996) // ir "Allgemeine Bildverarbeitung", BAM-Berlin, 2004, S. 26-35.

41. Baranov V. Structure-oriented sliding window filter // in "Allgemeine Bildverarbeitung", BAM-Berlin, 2004, S. 17-23.

42. Barret H.H, Swindell W. Radiological imaging. The theory of image formation, detection and processing //N.Y.: Academic press, 1981. — 679 p.

43. Colay N.J.E. Point arrays having compact non-redundant autocorrelation //J. Opt. Soc. Amer., 1972, v. 61, p. 271-278.

44. Colther J.G., Iterative three-dimensional reconstruction from tomographic projections // Compurer Graphics and Image Processing, 1977, № 6, p.513.

45. Edholm P. The tomogram. Its information and content // Acta Radiol., 1950, suppl., 193.

46. Frieden B.R., Restoring with Maximum likelihood and entropy// J.Opt. Soc. Arr 62,511-518(1972).

47. Gordon R., Bender R. and Herman G.T„ Algebraic reconstruction techniques fo three-dimensional electron microscopy and x-ray photography // J. Theor. Biol 29,471-481 (1970).

48. Gordon R. A tutorial on ART // IEEE Trans. Nucl. Sci. NS-21, 78-93 (1974}.

49. Grant D.G. Tomosynthesis: A three-dimensional radiographic imaging technique // IEEE Trans. Bio. Med. Eng., 1972, BME-19, p. 20-28.

50. Gull S.F. and Daniell G.I., Image reconstruction from incomplete and noisy dat£ //Nature 272, 686-690(1978).

51. Hanson K.M. CT reconstruction from limited projection angles // Proc. PIES 347, 166-173 (1982).

52. Hanson K.M. and Wecksung G.W. Bayesian approach to limit-angle reconstruction in computed tomography // J. Opt. Soc. Amer. 73, 1501-1509 (1983).

53. Hough P.V., Method and Means for Recognizing Complex Patterns // U.S.Patent 3069654, December 18,1962. 51.

54. Jacobson Caroline. Fourier Methods in 3D-Reconstruction from Cone-Beam Data // Department of Electrical Engineering. Lincoeping University, Lincoeping, Sweden, 1996.

55. Klotz E., Weiss H. X-ray 3D coded aperture imaging: displaying the heart // Appl. Opt., 1976, v. 15. P. 1913-1918.

56. Knutsson H.E., Edholm P., Granlund G.H. and Petersson C.U. Ectomography -a new radiographic reconstruction method. 1. Theory and error estimates // IEEJ Transactions on Biomed. Engineering, BME-27,1980, (11) 640-648.

57. Коек M., Tiemens U., Tomosynthesis: A holographic method for variable dept. display// Opt. Commun, 1973, vol. 7, № 3, p. 260-265.

58. Louis A.K. Ghosts in tomography — The null space of the Radon transform / Math. Meth. Appl. Sci. 3,1-10 (1981).

59. Medoff B.R., Brody W.R. and Macovsky A. Image reconstruction from limitec data // Proc. Int. Workshop on Physics and Engineering in Medical Imaging (Pacific Grove, 1982), IEEE Computer Society, Silver Spring, 188-192, 1982.

60. Medoff B.R., Brody W.R., Nassi M. and Macovsky A. Iterative convolutior backprojection algorithm for image reconstruction from limited data // J. Opt. Soc Am. 73,1493-1500 (1983).

61. Meyer-Ebrecht D., Weii3 H., Tomosynthesis: 3D X-ray imaging by means oi holography or electronics // Opt. Acta, 1977,24, № 4, p. 293-303.

62. Minerbo G., MENT: A maximum entropy algorithm for reconstructing a source from projection data // Comput. Graph. Process. 10,48-68 (1979).

63. Radon J., Uber die Bestimmung fon Functionen durch ihre integralwerte langs gewisser Mannigfaltigkeiten// Leipzig: Ber. Verh. Sachs. Acad. Wiss., 1917.

64. Methods and Inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics (O NDT-98)", Minsk, 1998, pp. 441-448.

65. Wernecke S.I. and d'Addario L.R. Maximum entropy image restoration // IEEI Trans, Comput. C-26,351-364 (1977).

66. Youla Dante C., Generalized Image Restoration by the Method of Alternative Orthogonal Projections // IEEE Trans, on Circuits and Systems, CAS-25(9). 694-702(1978).

67. Ziedses des Plantes B.G. Eine neue method zur differenzierung in dei rontgenographie//Acta Radiol., 1932,13, S. 182-192.

68. Ziesdes des Plantes B.G. Serieskopie, Eine rontgenographische Methode, welche ermoglicht, mit Hilfe einiger Aufnahmen, eine unendliche Reihe paralleler Ebenen in Reihenfolgen gesondern zu betrachten, Fortschr. Rontgenstr., 1938, № 57, S. 605.