反應器內部組件目視檢測之數位影像分析

反應器內部組件目視檢測之數位影像分析

Application of Image Analysis to In-Vessel Visual

Inspection

計畫編號：NSC90-NU-7-003-001

王希俊

*

陳祝嵩

**

李佳玲

*** *

國立台灣師範大學科技學院圖文傳播學系

**

_{中央研究院資訊科學研究所}

***

_{世新大學廣播電視電影學系與數位影音實驗室}

一、緣起與目的

目視檢測法為非破壞檢測技術中的一個重要項目，其特點為較直接且迅速 地從事前期檢測工作[1,8,17,20,21]。目視檢測中又分為直接目視檢測與遠距目 視檢測，後者常使用各類光學輔助器材如內視鏡、光纖攝影機等合適儀器，由 於視訊科技的發展與工業界的需求，利用攝影機與閉路電視作目視檢測也越來 越普遍，在核反應器之目視檢測方面，由於反應器內部組件屬高幅射區域又位 於水下，以水底攝影系統攝取影像並在遠距做現場或事後判讀分析

(post-analysis)，故反應器內部組件之目視檢測 (In-vessel Visual Inspection, 簡稱 IVVI)是一個遠距目視檢測的應用；然而，如何有效地處理 IVVI 所得的大量影 帶與影像資料，進而從其中拮取有用的資訊，至今仍為目視檢測技術的一項重 要課題。近來電腦發展日新月異，過去數位影像處理技術所遭遇的需要大量運 算、巨大的儲存空間與快速的傳輸等硬體瓶頸已逐漸鬆動；影像處理技術已漸 漸被各個工程與科學研究領域所採用[2,3,5,6,18,23]，本研究的目的即在於探討 數位影像分析技術應用於反應器內部組件之目視檢測 (IVVI)。 雖然IVVI 技術在國內外核電廠停機大修時均依法規執行有年，但以數位影像 處理技術來分析IVVI 影像則是最近不久的事，這完全是拜電腦科技之快速發 展所賜，因為數位影像同時處理兩維的訊號，所以對電腦的運算，傳輸及儲存 都是很大的挑戰，而IVVI 影像不只是兩維，在時間軸上每秒有三十個畫面， 呈現為更複雜的序列影像處理；國內對數位影像學術研究相當活躍，但大多數 學者是對現有的數位影像作處理分析，在實際應用上則因取像的技術問題，常 有因原始影像品質不佳而影響後段的處理與分析，尤其在IVVI 的應用上更是 具有迫切性。 國內從事IVVI 技術之先驅為核能研究所徐鴻發博士，曾於民國八十六年至八 十七年間成功應用IVVI 於檢測清華大學水池式反應器及核能研究所微功率反 應器內部組件，並曾將部份IVVI 影像作影像處理，結果發表於學術研討會及 為單位各類年報刊載，為國內當時僅有發表之影像處理與非破壞目視檢測結合

果，且核反應器完整安全性對運轉經濟效益關係切為重要，IVVI 影帶內無窮的 訊息有待進一步發掘，故有必要以系統化的方式利用數位影像處理技術對IVVI 影像作深入的精進分析以得更多的訊息。

本研究之主要目的是以數位影像處理技術應用於反應器內部組件之目視檢測 (In-vessel Visual Inspection, 簡稱 IVVI)，並研發適合 IVVI 影像特性之數位化永 久保存技術、應用虛擬實境技術整合IVVI 影像與真實空間位置及應用電腦視 覺技術自動化量測攝像系統解析度。由於反應器壓力容器為核能發電機組的心 臟，其完整性關繫運轉安全與經濟效益，國內核電廠在定期大修期間均對反應 器內部組件執行IVVI 檢測及將影像記錄於影帶中，但影像之中所蘊藏的豐富 訊息仍有待深入研究，尤其是對特定已知瑕疵的定期監測與追蹤，常因每次拍 攝影像的角度、光線、遠近不同，及由觀測之IVVI 影像連想真實空間位置的 困難度，而難以下定論特定瑕疵是否為正在增長(active)；近年電腦數位科技的 快速發展，目前已是適當時機研發影像分析技術以應用於反應器內部組件之 IVVI 檢測。 本研究完成之工作項目有以下四項: A. 開發 IVVI 連續影像數位化永久保存技術。 B. 應用虛擬實境技術整合 IVVI 影像與真實空間位置。 C. 建立相機校正模式，標定不同時間拍攝影像中特定物件變化。

D.

應用電腦視覺技術自動化量測攝像系統解析度。

二、研究方法與過程

本研究將以”數位影像分析系統”的概念(包括取像、影像數位化、影像強化、影 像特性選取與虛擬實境)來做 IVVI 之數位影像分析，本研究之影像來源品質與 取像技術及數位化技術息息相關，故以逐步推導且循序漸進設計研究架構，重 點工作為以下四項: A. 開發 IVVI 連續影像數位化永久保存技術。 B. 應用虛擬實境技術整合 IVVI 影像與真實空間位置。 C. 建立相機校正模式，標定不同時間拍攝影像中特定物件變化。

D.

應用電腦視覺技術自動化量測攝像系統解析度。 現將各項重點工作之執行方法及結果詳述於後。 A. 開發 IVVI 連續影像數位化永久保存技術 IVVI 影像與一般視訊影像最大的不同點在於其對於解析度之要求非常 高，在取像後存於錄影帶中的影像解析度已固定，數位化的影像雖可經 由影像強化來改善其品質，但對於影像解析度的增進則沒有幫助；所以 IVVI 影像數位化的重點在於儘量忠實複製原本影帶的內容，數位化的過 程，在學理上有兩個問題，一為取樣(sampling)，一為量化(quantization)；

對影像而言，取樣為 x 及 y 方向的密集程度，量化則為對影像亮度所取 的階數的密集程度；在取樣時需要符合“取樣定理”（sampling theorem）: 取樣頻率須大於訊號頻率的兩倍以上，原始訊號方能完全重建[4,24]。量 化則必須在影像的 dynamic range 內，否則亮部及暗部的細節將永遠喪 失。數位資料與影帶相比，較無因時間損傷的問題，故將影帶資料數位 化將可大幅增加其保存期限。本研究所採用的非線性影像剪輯製作系統 Avid Express 可提供不同影音資料之數位擷取、剪輯、輸出使用，它可接 受AV 端子、S 端子、及 DV IEEE 1394 介面的資料傳輸方式，並可轉成 MPEG I、 II、IV、I-frame 格式、及 Real Media、ASF 格式。此套系統除 可幫助研究者擷取出不易失真之影像畫質外，也可經剪輯、轉存後，藉 由研究者所設計之程式增強影像辨識度，並輸出成適合網際網路或一般 視聽資料。

為比較不同數位化及壓縮方式的影像品質評估，本研究採用攝像系統解 析度MTF(modulation transfer function)為主，並亦使用目前數位影像品質 評估所常使用的PSNR(Peak-Signal-to-Noise Ratio)為評量參數。MTF 相關 介紹及細節可參考本研究第四部分「應用電腦視覺技術自動化量測攝像 系統解析度」。在比較數位影像原稿及經壓縮或經加密之數位影像的差異 時，PSNR 是常被使用的參數，在計算 PSNR 前須先得到 MSE (mean square error)，倘若有一原稿數位影像 X 及其經壓縮數位影像 Y，且影像尺寸為 N╳N，其 MSE 值可以下式表示: MSE 的值愈大，表示原稿數位影像與經壓縮數位影像的差別愈大，另 PSNR 可以下式表示: 其中 n 表示數位影像在量化(quantization)時的階數範圍，以 8-bit 灰階影像 為例，灰階值為0 至 255， n 值為 255，PSNR 值以 dB 表示，PSNR 值愈 高表示原稿數位影像與經壓縮數位影像的差異愈小。 表一為本研究的視訊影像數位化步驟；表二為Avid 數位輸出機制暨壓縮比 率探討；表三為各壓縮機制之ＭＴＦ表現；而其中所指的衰降斜率，其值 越大表示在高空間頻率區的訊號愈難表現，在視覺的觀察則是無法表現細 節；較詳細的數位影像及個別MTF 曲線列於本研究計劃期末完整報告之 附錄一，以作為進一步參考。表四則為不同的壓縮機制對影像品質評估的 結果。 (1) (2)

機制大多為壓縮率高的方式，也就是將佔去相當大的儲存空間；壓縮率低 的方法或許適用於一般的影音動畫視訊，但對於要求細節的IVVI 影像將 不適用，因為IVVI 所關切的瑕疵(indication)經常為裂縫或蝕孔，多屬於高 頻訊號，如經壓縮率低的方法處理，雖然利於永久的數位化儲存，但重要 且關鍵的訊息確很可能已經失去。在兼容考量數位化後的影像品質與儲存 空間及IVVI 影像特性，使用數位化系統的最高解析度及無損壓縮方式才 能將影像中的特性完全保留，但是此連續數位影像所需巨大儲存空間的問 題須另作處理。 B. 應用虛擬實境技術整合 IVVI 影像與真實空間位置 在IVVI 檢測的影像判讀中，判讀者常常感到的困擾問題是在監視器螢幕 上所觀察的影像究竟是在反應器的那一個位置？判讀者如果要尋找反應 器特定焊道影像必須尋找其在某一捲錄影帶中的那一個位置？我們希望 新興的數位影像技術可以為我們提供這些問題的解決方案，而最終目的是 希望能將IVVI 所攝的影像與反應器的幾何模型作一整合，而達到類似虛 擬實境(Virtual Reality)或增添式實境(Augmented Reality)的效果，如此將可 大幅簡化傳統IVVI 影像搜尋的繁瑣步驟，同時對 IVVI 影像對應於空間中 所在的位置有更強的連繫。虛擬實境技術可區分為兩大類：以圖像為基礎 的虛擬實境(graphic-based virtual reality)與影像為基礎的虛擬實境

(image-based virtual reality)，圖像為基礎的虛擬實境常見於電玩遊戲等，優 點為可改變視點，但缺點為所有物件須建構幾何模型，且目視感覺難以如 攝影般地真實；影像為基礎的虛擬實境優點為不須建構複雜的幾何模型， 且影像皆由攝影機取像得到，真實感佳，但不能改變視點，全景攝影 (panorama)為其中一個典型實例。增添式實境則介於上數兩者之間，部分 為數位影像部分為電腦圖像，但如何作兩者整合則難度較上述兩者為高。 在非破壞目視檢測的應用中，影像為基礎的虛擬實境具有特別的意義，圖 一為本計劃所示部分結果：表現數位影像與空間位置關係之圖像與使用者 界面（graphic-user-interface, GUI），上圖為自連續多張焊道影像經接合後 之環場影像，左下為特定個角度之影像，右下則顯示左下圖之影像所對應 之拍攝角度，圖二則將接合後之環場影像貼圖(texture mapping)於圓柱面以 模擬重建反應器之幾何結構與數位影像，由於本報告為紙本，無法表示動 態效果，將於成果發表時以數位檔案展示其功能。此使用者界面有效地建 立影像與真實空間之關係，有利於IVVI 影像之檢索與搜尋。舉例而言， 倘若某反應器組件目視檢測人員欲調閱壓力槽特定焊道部分區域影像，以 現有之方法須將錄影帶播放出，再將一段時間影像來回前後播放；以本研 究所發展之使用者界面，則能由滑鼠移動點選直接將想檢視區域以瀏覽的 方式仔細觀察，且能由所附的拍攝角度資訊，了解目前所觀察的影像是屬 於反應器的那個區域，這將能大幅縮短檢索影像的時間，同時在觀看時能 將影像與空間位置作整合。應用影像為基礎的虛擬實境除有利於檢索之 外，另一個重要的意義在於能有效地解決前節之數位化連續影像所需巨大 儲存空間的問題，因為原始的IVVI 影像為連續影像，將這些數位化的連 續影像經由影像接合後可以成為單張的數位影像，在此過程中，事實上已 將許多重複的資訊去除，需要儲存的僅是一張高解析度的單張影像，這張

影像以影像為基礎的虛擬實境技術瀏覽，將可由使用者作互動式的快速影 像檢索。 C. 建立相機自我校正模式，標定不同時間拍攝影像中特定物件變化 對於不同時間所拍攝之影像中特定物件在比對其變化時，因攝影機及取像 系統的不同，會造成比對上的困難，幸而IVVI 所拍攝得的影像為一序列 性的影像並存於錄影帶中，故有許多不同角度拍攝特定真實物件的影像， 目前國內外亦有學者對此類特性之連續影像，提出相機之“自我校正” （self-calibration） 後計算相機成像模式參數，並將影像中之物件相對尺 寸估算出來；再加上由於IVVI 所攝得的物件均在有限空間（反應爐內） 完成，且反應爐所有組件均經設計尺寸及加工製造，IVVI 影像上之控制點 位置相對應到反應器及其組件之原始設計資料及尺寸亦可提供更大的彈 性來作估算。本研究中應用“相機自我校正”之技術於IVVI 影像中特定 物件之尺寸估算，將對於IVVI 影像分析技術開創更廣闊的研究與應用領 域。 本研究先採用數位化的立體取像（stereo imaging）技術以視差的方式，利 用不同位置所得的影像來判定瑕疵的尺寸[16]。以攝影學的觀點，只要我 們能夠固定鏡頭，並以手動對焦，若能獲得對焦輸出值，則畫面的大小（field of view, FOV）就能夠加以計算。不過目前的 IVVI 系統所使用的 ETV-1250 水底攝影系統雖能手動對焦，但是卻沒有辦法輸出對焦的距離，以致無法 以攝影學的觀點來計算瑕疵的絕對尺寸。因此我們仍建議用視差法進行計 算，唯必須要先注意相機校正的工作，才能準確的估算絕對尺寸。所謂的 立體取像，就是藉由多重影像而結合成一個3D（立體空間）的場景。其中， 每一個影像都是從空間中不同位置的點所取得的，以助於一個場景其三度 空間結構的重組。相機中的相關構造可說是完全模擬人眼的結構所製作出 來的，例如：相機的光圈、鏡頭、底片，則相當於人眼的瞳孔、水晶體、 視網膜。雖然構造及成像原理相當，但相機卻只停留於2 度空間的平面影 像，無法模擬人的左眼和右眼之影像比對而在人腦視覺中形成3 度空間之 立體影像，因此我們無法由攝影機所拍攝的單張影像估算出其中物體的相 對距離與其尺寸。故本研究利用相機平移的方式拍攝兩張2 度空間的平面 影像，欲藉此推算出第3 度空間──現場深度。我們可以利用已知的條件︰ 如焦距、相機水平移動距離、影像的對角線長度、CCD 之尺寸和焦距，參 考方程式(3)及附圖 [Jahne (1997)]：

(

)

3 3 1 3 1 1 1 ,0,0 2 2,0,0 _x d b x b x d x b x d l r p i i i x x = ÷ ÷ ÷ ÷ ø ö ç ç ç ç è æ -+ = -= ₍₃₎

其中p 為視差，b 為相機平移距離，di為接近鏡頭焦距值，x3為深度，可 以經由所拍攝的影像中，分析出實際影像中的特定物件尺寸大小。接著， 我們使用核能研究所在進行IVVI 時所使用之 ETV-1250 水底攝影系統拍攝 水中的影像，圖三為在水底應用視差法拍攝標準方格影像，平移20mm 及 重複三次後，所計算之方格尺寸為21.0 ±4.2mm 而真實之方格邊長為 18.0mm 。圖四則為拍攝焊道旁的異物，其長度經估算為 90mm。 經過此部份的研究，可以了解兩張二度空間的平面影像重建成三度空間的 立體影像的成像原理，並藉由此技術將影像中特定物件的絕對尺寸求出。 無論對於數位相機或水底攝影機，由兩張影像量測影像中物件的絕對尺寸 時，誤差產生的來源主要是在相機取像的時候，必須保持相機水平的移動 及精確控制移動距離，這個條件在水中取像是非常有有挑戰性，本研究以 重複多次實驗以抵抗取像時相機的不穩定。其它可解決的方案為利用雙鏡 頭法，也就是同時用兩台固定的攝影機來拍攝，雖然拍攝時兩個攝影機的 相對位置永遠固定，但要考慮攝影機所佔的空間是否會太大，因為在檢視 有限空間區域如燃料束格架時，雙鏡頭法就會有尺寸之限制；另一解決方 案則為建議水底攝影機製造商，於設備中除手動對焦外，能加入“對焦距 離”（或物距）輸出之功能，則所攝的畫面之真實尺寸均可由相機成像原 理推得。 總之，本部分研究之結果顯示，由兩張不同位置所拍攝的影像去計算出影 像中特定物件的真實尺寸，並不是件難事；在實際水底攝影機之取像及尺 寸校正之結果顯示，所估算之尺寸有近百分之二十之誤差，但與過去由 IVVI 影像中猜測瑕疵尺寸相較，已有定量之計算法；最重要的是，經由本 研究之進行，證明此絕對尺寸量測法在IVVI 的影像處理是可行的。 D. 應用電腦視覺技術自動化量測攝像系統解析度 在國內從事IVVI 檢測之前，都有一解析度確認步驟：利用一根直徑 1/1000” 之金屬絲置於攝像系統前，如攝像系統能“觀察”到這根金屬絲，則視為 可接受，基本上這是一個實用的確認法，但以數位化的角度觀之則並不嚴 謹。舉例而言，美國GE 公司從事 IVVI 量測時，所用之解析度確認用的金 屬線直徑為1/1000” ；但日本東京電力公司對進步型沸水反應器（我國核 四廠亦將使用該類型反應器）從事IVVI 檢測時，卻是一條 0.8mm 粗之黑 線。差別達到一個數量級以上，故需要一個客觀的評量標準，影像經過數 位化過程後，金屬絲或黑線（訊號）與背景（雜訊）要能夠分別，是以

Signal-to-Noise Ratio (SNR)來表示，這將會比肉眼直接在監視器上判定要 準確。而在光學系統的解析度測試上更有廣為應用的MTF (Modulation Transfer Function)表示法，也就是評估攝像系統能夠在固定距離內分辨的 線條數（line pairs），並給予 0 至 1 之間的量測參數；過去量測 MTF 是一 個煩瑣且昂貴的工作，但進入數位化的時代，利用數位影像處理技巧可簡 化其複雜程序，本研究以數位量測之MTF 值來表示攝像系統的解析度。 在本研究中亦將使用電腦視覺技術，先重新設計校正板後，以邊界搜尋 (edge detection)、兩階化(binarization)、直線偵測(line detection, 如 Hough Transformation)、直線安裝(line fitting)、特徵點萃取(feature extraction)、灰 階校正(gray scale calibration)[2,3]，以達到 MTF(modulation Transfer

Function)之自動量測，本部份研究亦用以評估不同取像及數位化條件之影 像品質。

MTF 來自於 Optical Transfer Function (OTF)， OTF 為一複數，與 MTF 之 關係如下：

OTF = MTF eiφ

（4）

其中φ為一相位角，亦可稱為phase transfer function (PTF)；MTF 是 OTF 之純量，亦可寫成 MTF = | OTF |。一般而言，為使用及運算方便，大多以

MTF 來表示相機系統之解析度，在實際量測 MTF 時，對不同間距之相鄰 之線條或狹縫取像後，取其亮度之最高值(Amax)與最低值(Amin)並透過以下

公式而得到：

MTF = (Amax- Amin) / (Amax+ Amin) （5）

所以MTF 之值愈大，則表示訊號之明暗對比愈佳，也利於鑑別。

傳統相機之解析度量測重點在於光學鏡頭；但對數位相機或其它數位攝像 系統而言，其解析度取決於光學鏡頭與CCD 像素之合成效果，故可將攝 像系統之解析度，MTFsys ，表示如下：

MTFsys= MTFopt * MTFdet （6）

其中MTFopt 為光學鏡頭的解析度，要增進其效果，只有從研磨鏡片著手； MTFdet 為CCD 之解析度，CCD 之像素數目愈多，則解析度愈佳。以目前 數位相機設計而言，CCD 為數位相機中最昂貴的組件，其數目不能無限增 加，故相機系統之解析度主要受限於MTFdet 。這也是為何在選購數位攝 像系統時，首重CCD 之像素數目。本研究之量測，將MTFopt 及MTF_det 合 併作為MTFsys，以表示攝像系統解析度之量測結果。 本部分研究除設計MTF 量測的標準圖形外，並發展自動化的測量 MTF 曲 線方法，詳述如下： 圖五是以電腦繪圖所繪之標準同心圓圖形，本研究直接以1200dpi 之雷射 印表機輸出圖檔。測試圖形周圍為以電腦繪圖所繪之九個不同灰階值區

塊，其灰階值分別為0, 34, 68, … 204, 238, 255；該圖離中心愈遠則空間頻 率(spatial frequency)愈高，即單位距離內之線條數愈多。圖形四周則附上 外框以方便稍後自動灰階校正及測量MTF 之用。 接下來，本研究先以Sanyo VPC-X350 數位相機拍攝 MTF 測量圖形，再擷 取MTF 測量圖形的部份。圖六是所拍攝的影像，比較圖五與圖六的差異， 很明顯地，除圖六的影像較深之外，圖六在高空間頻區域的線條已不明 顯，也就是透過此一取像系統，影像細節的訊號已經喪失。這對IVVI 檢 測是一個相當重要的因素，因為IVVI 的瑕疵(indication)往往就是高空間頻 率的訊號，如裂縫與蝕孔等。以目視觀察圖五與圖六的差異，只是一個定 性的描述，MTF 則提供了一個客觀的定量參數來量測攝像系統的解析度。 為了達到自動化校正圖形以及計算MTF 曲線的目的，本研究所設計 MTF 測量圖形，可以方便電腦自動進行直線偵測，將四周座標定位。首先程式 先將影像讀入，然後以邊線偵測（edge detection）中的 Prewitt 法將圖形二 值化以便進行直線偵測。接著程式以Hough transform 與 best Eigen vector fit 等方法，將圖形中直線的直線方程式找出。最後程式計算MTF 測量圖形 中的四條直線，並求出四條直線的交點座標（即直線兩兩計算所得之解）。 由於每台攝像系統的性能不同，再加上每次拍攝MTF 測量圖形的曝光條 件也不完全相同，因此本研究在求得MTF 測量圖形四周外框的交點座標 後，即進行對原始攝取影像（圖六）的灰階校正工作。將原始電腦繪圖時 所得之座標數據與直線偵測所得之座標數據進行幾何轉換（geometrical transformation）[13]的計算以求得兩座標系統間之轉換關係。求得轉換參 數後，影像先經低頻通過(low-pass filter)數位濾波器處理後，立刻取得影像 四周的灰階導表上的灰階值，使用低頻通過數位濾波器的目的在於消除取 像系統的uniform noise 雜訊。在取得導表上的灰階值之後，程式即與原始 灰階值進行灰階校正參數的計算，得到灰階轉換函數(transfer function)。經 過灰階校正的影像，與原始攝取影像之圖六比較，影像的階調在某個程度 獲得重建，但高頻區域的細節卻已經喪失，這是在取像時即因解析度不足 所至。將原始影像校正完畢後，接著開始計算MTF 曲線。首先藉由先前 求出的影像座標計算原始電腦圖形以及影像之間的對應關係，以便取得正 確的scan line。取得影像的 scan line 之後，便針對以中心向外 scan line 上 的灰階值進行Hilbert transform 計算。基本上 Hilbert Transform 是將訊號 的envelope 計算出。此外，藉由座標轉換求得 scan line 的空間頻率（spatial frequency）。最後程式求出不同空間頻率下所對應的MTF 值，並繪出 MTF 曲線，如圖七。圖七之MTF 曲線在高頻區域幾乎掉落至零，這與我們觀 察圖六時，高頻區域之細節已不可見，是相符合的，所以MTF 的量測提 供給我們一個量化的指標來評估攝像系統的解析度。 攝影機光學系統解析度的自動化量測在未來的IVVI 影像分析將是一個強 而有力的工具，除了可以評估攝像系統的解析度外，也可在不同對焦情況 下內差得到對準焦點之理想MTF 曲線；另在本研究前節評估 IVVI 影像之 數位化永久保存技術時，取樣(sampling)與量化(quantiation)及影像壓縮對 IVVI 原始影像所造成的影響，亦應用 MTF 來輔助作為評估之工具

。

表一、視訊影像數位化步驟

步驟編號 施行步驟

內容概述

1

使 用 攝 影 器 材 對 TEST

PATTERN 視訊取像

攝影器材含數位相機、ＶＨＳ

類比式攝影機、 ＤＶＣＡＭ數

位式攝影機等。

2

將所拍攝影像輸入電腦

（ 或ＡＶ ＩＤ剪輯 系

統）

若為S-VHS則：輸入時開始第一

個數位化過程，並進行壓縮編

碼可選擇壓縮比。

若若為DVCAM則：已經是數位訊

號，但輸入時還是會使用視訊

壓縮編碼，並可選擇壓縮比。

3

將媒體影像輸出成*.MOV

檔案格式

模擬視訊影像數位化輸出，此

為第二次壓縮編碼，可選擇壓

縮機制，已產生不同壓縮機制

後之視訊影像檔。

4

再一次分別將各各*.MOV

檔案輸入AVID剪輯系統

此步驟之目的是為了執行影像

單張擷取之工作，單純*.mov檔

案無法做單張擷取之動作，故

此部份又會讓影像做一次品質

衰減，但並不大。

5

使用程式（ＭＡＴＬＡＢ

軟體）對擷取之單張影像

做數值與圖形分析

概要為影像定位、灰階校正、

空間頻率描繪、最終為MTF曲線

圖之繪製。

6

圖形與數值分析

主要分析輸出後之單張圖形及

MTF曲線圖

表二、Avid 數位輸出機制暨壓縮率探討

編

號

壓縮機制

可否

設定

動態

補償

輸出檔

案大小

輸出品

質

檔案大

小標記

壓縮率

1

Same as source

可

33MB

中

23.87%

2 Avid Meridien Uncompressed 否 92.8 MB 最佳

67.13%

3

Avid Meridien compressed

可 19.6 MB

中

14.18%

4

BMP

否 136.4 MB

中

98.67%

5

Cinepak

可

7.3 MB

中

5.28%

6

Component

否

91 MB

中

65.82%

7

DV-NTSC

可 15.6 MB

中

11.28%

8

DV-PAL

可 18.9 MB

中

13.67%

9

Grapic

可

22 MB

中

15.91%

10

H．261

可

3.7 MB

中

2(次小)

※

2.68%

11

H．263

可

2 MB

中

1(最小)

※

1.45%

12

Motion JPEG A

否

7.5 MB

中

5.43%

13

Motion JPEG B

否

7.5 MB

中

5.43%

14

Planar RGB

否 135.3 MB 最佳

97.87%

15

PNG

否 75.1 MB

中

54.33%

16

Sorenson

可

4.4 MB

中

3※

3.18%

17

TGA

可 135.1 MB 最佳

97.73%

18

TIFF

否 136.3 MB 最佳

98.60%

19

VIDEO

可

13 MB

中

9.40%

20

Photo JPEG

否

5.7 MB

中

4◎

4.12%

21

Avid ABVB Navista

可

5.93MB

中

5◎

4.29％

原視訊規格說明:

1、

5 秒之類比數位 1:2 輸入之數位視訊。

2、

不壓縮一張一張存檔案大小應為(5*30)*640*480*3=138.24MB。

3、

輸出為 MAC 之*.MOV 檔案。

4、

其媒體檔案為 2.8MB(含視訊 音訊) 。

5、

僅輸出視訊部分，音訊不輸出。

6、

壓縮率 100%表無壓縮，依次壓縮率越小表壓縮量越大。

表三、各壓縮機制之ＭＴＦ表現

壓縮機制

ＭＴＦ最 高值（清晰 上限） 最高值出現 頻率 ＭＴＦ最低 值（清晰下 限） 最低值出 現頻率 衰降斜率 （按順序 排列） 備註

Avid ABVB

Navista

1.01 2.5 0.76 5.95 0.0725 DV-CAM

無

(使用 QUICK TIME 編碼，無使用其他壓 縮器) 1.018 2.3 0.76 5.8 0.07371 DV-CAM

Sony F505(the

best quality)

1.28 3.65 1.1 6 0.0766 此為數位 相機

Photo JPEG

0.954 2.2 0.67 5.7 0.07857 DV-CAM

PNG

1.01 2.5 0.725 6 0.08143 DV-CAM

H．261

0.89 2 0.67 4.7 0.0815 DV-CAM

Planar RGB

1.01 2.5 0.72 6 0.08286 DV-CAM

BMP

1 2.5 0.72 6 0.08286 DV-CAM

Motion JPEG B

0.95 2.2 0.66 5.7 0.08286 DV-CAM

TIFF

1.01 2.5 0.715 6 0.0834 DV-CAM

Motion JPEG A

0.945 2.2 0.66 5.7 0.0843 DV-CAM

Grapic

1.02 2.5 0.72 6 0.0857 DV-CAM

Animation

1 2.5 0.7 6 0.0857 DV-CAM

VIDEO

0.965 2.3 0.665 5.8 0.0857 DV-CAM

TGA

1.015 2.3 0.715 6 0.0905 DV-CAM

Component

0.96 2.2 0.66 5.5 0.0909 DV-CAM

DV-PAL

1 2.5 0.66 6 0.0971 DV-CAM

DV-NTSC

1 2.5 0.68 6 0.09143 DV-CAM

Sorenson

0.96 2.3 0.57 6 0.1054 DV-CAM

H．263

0.88 1.8 0.57 4.7 0.107 DV-CAM

Cinepak

0.925 2.4 0.445 6 0.133 DV-CAM

SONY F505

(the worst

quality)

1.085 2 0.22 5.82 0.2264 此為數位 相機

VHS

_{0.98 1.4 -0.06 5 0.3167} S-VHS 拍 攝

表四、不同的壓縮機制對影像品質評估

壓縮機制

PSNR (dB)

(peak-signal-to-noise-ratio)

Animation

33.50

Avid ABVB Navista

31.03

BMP

Inf

Cinepak

24.70

Component Video

24.98

DV-NTSC

37.32

DV-PAL

24.47

H.261

33.45

H.263

18.97

Motion JPEG A

24.95

Motion JPEG B

24.95

Photo JPEG

24.96

Planar RGB

Inf

PNG

Inf

Sorenson Video

23.52

TGA

Inf

TIFF

Inf

Video

33.13

圖一：表現數位影像與空間位置關係之圖像與使用者界面，上圖為自連續多張 焊道影像經接合後之環場影像，左下為特定個角度之影像，右下則顯示左下圖 之影像所對應之拍攝角度。此互動式之界面有效地建立影像與真實空間之關 係，將有利於IVVI 影像之檢索與搜尋。 圖二：將接合後之環場影像貼圖(texture mapping)於圓柱面以模擬重建反應器之 幾何結構與數位影像。

圖三：IVVI 水底攝影機對校正板取像，攝影機移動 20mm 並對校正板取像，由 兩張影像估算校正板方格邊長為 21.0 ±4.2mm，而真實方格邊長為 18.0mm，故 此絕對尺寸量測法在 IVVI 的影像處理是可行的。 圖四：對反應器壁焊道旁之異物做立體攝影所得到之影像，經估算此異物之長 度約為 90mm。

圖五：電腦所繪的攝像系統解析度測量圖形。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 S patial Freque nc y (c yc le /cm) M T F S a nyo VP CX-350 圖七：Sanyo VPC-X350 的系統 MTF 曲線。

三、主要發現與結論

本計畫之宗旨是以數位影像處理分析技術應用於反應器內部組件之目視檢測， 由於近年來數位影像科技的快速發展，目前已是最佳時機將影像分析技術應用 於反應器內部組件之IVVI 檢測，故本計劃的與主題與切入時間點均極具意義。 本研究完成之工作項目有四項，其主要之結論如下： A. 在兼容考量數位化後的影像品質與儲存空間及 IVVI 影像特性，使用數位 化系統的最高解析度及無損壓縮方式才能將影像中所紀錄的訊息完全保 留，但是此連續數位影像所需巨大儲存空間須另作考量。

B. 以「影像為基礎的虛擬實境技術」(image-based virtual reality)，能夠讓將真 實影像與空間所在的位置作一整合，除了可以快速地檢索特定位置的影像 外，並能有效地解決上述連續影像經數位化後所需巨大儲存空間的問題。 C. 應用攝影機校正技術可以量測攝像系統的拍攝參數並能推算影像中物件的 兩維及三維尺寸。 D. 電腦視覺自動化量測攝像系統解析度除得到一個量化的指標來評量攝像系 統外，並可以大幅地減少人為介入影像分析的工作，且對於連續影像之處 理及分析有極大的助益。 本研究結果顯示應用影像處理技術可將原始IVVI 影像中豐富的訊息予以發掘 與快速檢索，故本研究在反應器內部組件目視檢測技術之精進，有極大的實際 應用價值。 對於本研究未來進行之工作重點與方向建議如下： A. 由於本研究的結論顯示應用「影像為基礎的虛擬實境技術」不但能快速檢 索特定位置的影像外，並能有效地減少連續影像所需儲存空間，故值得作 進一步深入的研究，如能將所觀察的影像與空間標註整合於影像上而達到 「增添式實境」(augmented reality, AR)的效果，將可達到 IVVI 影像處理技 術的最高境界。 B. 以未來 IVVI 的取像技術而言，究竟是拍攝低解析度的連續影像較好？還 是拍攝高解析度的單張影像較好？這個問題事實上在本研究的結論中已可 以得到答案----以後者為佳。雖然目前 IVVI 技術仍是取連續影像，這有其 時代背景，因為過去需要即時監看，影像解析度無法提高。以未來數位影 像發展來看IVVI 未來的趨勢，應是以低解析度連續影像監看，但所存取 的影像為單張高解析度(類似目前數位相機的低解析度 LCD 預覽及高解析 度CCD 取像)，方能作進一步精確的比對分析[9,12]。 C. 建立反應器的「影像健康紀錄簿」，由於反應機組大修期間皆依法執行IVVI 檢測，故結合本研究之影像處理技術將可由不同次的IVVI 影像，建立反 應器的「影像健康紀錄簿」，紀錄及分析特定瑕疵(indication)的變化。在此 也建議目前正興建的國內核四廠，於運轉前能先在「影像健康紀錄簿」上

留下最原始的影像，以作為日後IVVI 影像的比對基準。 總言之，經由本研究之進行，應用數位影像科技，將能進一步確實掌握反應器 的健康狀況，以做為安全運轉之參考。 誌謝 感謝行政院原子能委員會與國家科學委員會補助本研究所需經費 (NSC90-NU-7-003-001)，並感謝核能研究所徐鴻發博士與葉競榮博士對本研究 之大力協助，台灣師範大學科技學院圖文傳播學系陳昱廷、吳佳蓁同學協助影 像處理及初稿整理，亦在此言謝。

四、參考文獻

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