[科普中国]-人工缺陷仿真技术

人工缺陷仿真技术是指人为采用一定的仪器、方法进行缺陷仿真的技术。

简介人工缺陷仿真技术是指人为采用一定的仪器、方法进行缺陷仿真的技术1。

缺陷缺陷(Imperfection)是指铸件表面或内部的欠缺(fault of defect ),在工厂中是通过验收标准(指不损害或不降低铸件设计性能要求的最严重的缺陷)来标定的。针对不同的检验阶段，在实际中采用的标准也不一样1。

典型的缺陷类型（1）孔洞类

缩孔：形状不规则，尺寸比较大，灰度值小，与目标实体的灰度值有明显的区别，轮廓清晰纤维状缩孔其形状成树枝状，但在ICT切片上形状比较模糊，灰度值比目标实体的灰度值小。可以从图像中看出来。海绵状缩孔与疏松的呈云雾状，灰度值比目标实体的要小，轮廓不清晰；

气孔：孤立或成群的圆形、椭圆形、梨形暗斑，轮廓光滑，灰度值较小。

（2）夹杂类

夹杂：由致密氧化皮等组成的高密夹杂，其灰度值比目标实体的高，很容易通过肉眼来识别出来，形状呈小颗粒状或片状图象，轮廓比较清晰。还有一类夹杂为低密夹杂，如果其密度很低时，其灰度值与切片上孔洞的缺陷灰度值相差很近时，可以通过孔洞缺陷的检测将缺陷分离出来。当夹杂物的密度与目标实体密度相接过时，此时，夹杂缺陷的灰度值与目标实体的灰度值相差不是很大，轮廓也比较模糊。

（3）疏松类

疏松：是由于铸件内部或表面非常细微的不规则的小孔或细微的缩裂的聚集的区域所造成的。通常可以从灰度的变化不均匀，边界轮廓较模糊来进行判断。

（4）裂纹类

热裂纹：不规则的暗结，常为波折线，可分叉，灰度值比目标实体的灰度值要小，在ICT切片上波折线比较模糊，形状也很复杂，不容易识别出来;

冷裂纹：平滑直线状或弯曲平滑线状，灰度值比目标实体的灰度值要小，同样折线比较不太清晰1。

缺陷仿真技术的重要性缺陷形状的准确提取对自动检测系统至关重要。检测算法必须能应用于在一定范围内变化的不同类型的机械产品，其参数调整较复杂，影响因素很多，需要考虑缺陷的形状、缺陷和背景的对比度以及产品的结构等。为了得到用于检测缺陷的算法和程序，需要大量样本来检查算法性能和保证精确度。实际上，很难从生产线上得到数量和种类足够多的缺陷样本。缺陷的仿真可以解决这一问题。缺陷仿真技术在自动检测领域备受关注仿真结果可用作样本图像来测试缺陷检测算法和调整参数，改进检测算法性能和验证系统的灵敏度，保证机械产品的质量1。

缺陷仿真技术研究现状缺陷仿真技术的研究开始于90年代，但发展缓慢。随着研究的进展，缺陷仿真在自动识别系统中发挥着越来越重要的作用。近来缺陷图像的仿真方法主要有两种：缺陷CAD模型法和缺陷叠加法。

（1）CAD模型法可以用于复杂三维目标缺陷的仿真。这种模型产生三维铸件缺陷仿真的基础是射线跟踪和X射线衰减的计算。一组射线从每一个源点射向检测器每个像素中心，每一束射线都可能在样本表面或目标不同部位分界面交织成网格。目标每个部位的衰减路径长度通过确定所有交叉点的坐标来计算。这种方法有很大的局限性：难以计算虚拟三维空间中缺陷的多种随机和不规则形状；仿真的缺陷不能产生在一幅真实的产品图像上，它将彻底改变检测算法的运行环境，增加测试算法和调整参数的复杂度；此类仿真软件需要大量的输入数据和几个数据库来描述实验中出现的情况。

（2）缺陷叠加法将不同灰度和形状的规则图形叠加，用二维图像技术创建缺陷。此方法无需复杂的三维软件包和测试下的产品样本模型，可提供带一系列缺陷的真实放射图像。但此方法的早期研究结果显示，仿真结果与真实缺陷仍有很大差距。用叠加法进行缺陷的仿真研究进展不大1。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所