趙蘭鵬，劉堂友

　?。|華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

       摘要：硅鋼鋼帶是變壓器等工業(yè)設(shè)備發(fā)展的一項(xiàng)重要原材料，其質(zhì)量的高低直接影響著產(chǎn)品性能的好壞。傳統(tǒng)的人工檢測(cè)具有效率低、精確度差等特點(diǎn)。為此提出基于機(jī)器視覺(jué)的表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)研究。該研究采用圖像處理及模式匹配的方法，通過(guò)對(duì)由CCD工業(yè)相機(jī)采集到的圖片進(jìn)行幾何矯正、圖像拼接、缺陷處理等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了硅鋼鋼帶表面缺陷輪廓檢測(cè)、特征提取、分類等功能，從而完成鋼帶質(zhì)量的判定。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；硅鋼鋼帶；缺陷檢測(cè)；特征分類

0引言

　　硅鋼鋼帶是變壓器等工業(yè)設(shè)備發(fā)展的一項(xiàng)重要原材料，其以良好的表面質(zhì)量和機(jī)械性能在該領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，因此不斷增強(qiáng)對(duì)硅鋼鋼帶質(zhì)量的提升有著重要的意義［1］。隨著高精度的圖像傳感器件、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，真正實(shí)用化的質(zhì)量自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展［2］。

　　本文研究基于機(jī)器視覺(jué)的硅鋼鋼帶表面缺陷自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)，是在初級(jí)硅鋼鋼帶進(jìn)一步深加工使其成為生產(chǎn)變壓器原材料的生產(chǎn)過(guò)程中，采用圖像處理及模式匹配的方法并依據(jù)MATLAB軟件仿真，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，從而達(dá)到對(duì)鋼帶缺陷的判斷，最終完成鋼帶質(zhì)量的判定。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　系統(tǒng)研究是在鋼帶生產(chǎn)線傳輸速率為0~40 m/min的環(huán)境下，使用CCD工業(yè)相機(jī)采集圖像，采集速率最大可達(dá)16幀/s，獲取的圖像分辨率為1 392×1 040。為了提高系統(tǒng)的處理速度，必須考慮圖像處理和缺陷檢測(cè)算法的選取及軟件的運(yùn)算方式，進(jìn)而達(dá)到在有限時(shí)間內(nèi)做到對(duì)龐大圖像數(shù)據(jù)量的處理，并保證最終的目標(biāo)效果，因此在滿足缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確度的條件下，有效地控制算法和軟件編程中總體方案設(shè)計(jì)的復(fù)雜度非常重要。

2系統(tǒng)研究

　　2.1系統(tǒng)流程圖

　　基于機(jī)器視覺(jué)的硅鋼鋼帶缺陷自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別研究系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

　　2.2圖像的采集

　　在傳輸?shù)匿搸a(chǎn)線上方架設(shè)CCD工業(yè)相機(jī)和LED燈，并將相機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，接著在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行工業(yè)相機(jī)和視覺(jué)傳感器軟件，進(jìn)而控制相機(jī)對(duì)鋼帶進(jìn)行拍攝，并將拍攝的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)。

　　2.3圖像的幾何校正

　　在圖像采集過(guò)程中，由于相機(jī)會(huì)發(fā)生輕微的傾斜使得采集到的圖像發(fā)生幾何畸變，因此首先需要對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正。幾何校正主要包括兩個(gè)內(nèi)容：像素坐標(biāo)校正和像素灰度估算［3］。

　　(1)像素坐標(biāo)校正采用具有一般形式的投影變換來(lái)進(jìn)行幾何畸變校正。投影變換是利用原圖像找出若干個(gè)控制點(diǎn)，同時(shí)找出失真圖像與之相對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)的坐標(biāo)，利用這些對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)可以確定空間變換結(jié)構(gòu)，最后利用這個(gè)空間變換結(jié)構(gòu)對(duì)失真圖像中每個(gè)像素進(jìn)行變換，得到校正后的圖像坐標(biāo)。

　　(2)數(shù)字圖像像素的坐標(biāo)都是整數(shù)，而經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到的坐標(biāo)不一定是整數(shù)，這就需要對(duì)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的像素點(diǎn)進(jìn)行像素灰度估算。這里采用雙線性內(nèi)插法對(duì)灰度進(jìn)行估計(jì)。雙線性內(nèi)插法是根據(jù)某點(diǎn)坐標(biāo)周圍4個(gè)像素點(diǎn)灰度在兩個(gè)方向上對(duì)其灰度進(jìn)行內(nèi)插。最后再去除圖像邊緣與鋼帶不相關(guān)部分得到校正后的圖像。

　　圖2~圖5為失真圖像和校正后的圖像。

　　2.4圖像拼接

　　為了保證對(duì)圖像邊緣處的缺陷做到完整檢測(cè)，需要進(jìn)行圖像拼接。這里根據(jù)相機(jī)拍攝頻率和鋼帶傳輸速度，設(shè)置有效的拼接參數(shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)單的位置計(jì)算，使得左右兩張相鄰圖像共同區(qū)域重疊在一起，得到有效的拼接；然后利用圖像融合技術(shù)使得兩張圖像重疊區(qū)域平滑過(guò)渡，濾除明顯分界線［4］，如圖6所示。

　　2.5圖像去噪

　　由于受生產(chǎn)環(huán)境、光照等因素的影響，采集到的圖像會(huì)受到噪聲污染，造成圖像降質(zhì)，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。

　　中值濾波在平滑脈沖噪聲方面非常有效，同時(shí)它可以保護(hù)圖像尖銳的邊緣，不會(huì)使圖像產(chǎn)生明顯的模糊［5］；另外將帶噪聲圖像進(jìn)行小波變換處理，利用小波去噪所具有的多分辨率和去相關(guān)性的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)去除噪聲的小波系數(shù)，再做小波逆變換重構(gòu)圖像，最后得到去噪圖像［6］。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用基于中值濾波與小波變換相結(jié)合的圖像去噪進(jìn)行處理，在去除噪聲的同時(shí)保護(hù)了圖像邊緣輪廓，去噪后的圖像如圖7所示。

　　2.6圖像增強(qiáng)

　　為了使鋼帶上的缺陷更加清晰，在圖像去噪完成后，對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。經(jīng)過(guò)對(duì)比，最終采取拉普拉斯銳化方法。圖8為增強(qiáng)后的圖像。

　　2.7缺陷輪廓提取

　　在得到增強(qiáng)的圖像之后需要對(duì)其進(jìn)行缺陷輪廓提取，進(jìn)而可以得到直觀的缺陷邊緣信息。這里采取Canny邊緣檢測(cè)算子對(duì)缺陷圖像進(jìn)行輪廓提取。因?yàn)樵撍阕硬捎酶咚购瘮?shù)進(jìn)行濾波，具有很強(qiáng)的抗噪性、好的信噪比和定位性能等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)喞M(jìn)行精確提?。?］，結(jié)果如圖9所示。接著對(duì)輪廓進(jìn)行圖像膨脹和填充處理［8］，進(jìn)而得到清晰的缺陷圖，如圖10所示。

　　2.8缺陷特征提取

　　缺陷特征提取是計(jì)算缺陷的特征值，為缺陷分類做準(zhǔn)備。對(duì)于人的視覺(jué)系統(tǒng)而言，物體的形狀是可以得到識(shí)別的重要特征，也是物體穩(wěn)定的特征 ［9］，因此本研究主要采用形狀特征分類。

　　圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)用（x,y）來(lái)表示；像素灰度值用f(x,y)表示，其取值為0或者1。設(shè)R為所有像素點(diǎn)的集合，R′為缺陷區(qū)域中像素點(diǎn)的集合。對(duì)于缺陷描述常用的形狀特征描述如下：

　　（1）缺陷的周長(zhǎng)，即缺陷的邊界長(zhǎng)度，這里的周長(zhǎng)用鏈碼表示，求周長(zhǎng)也即計(jì)算鏈碼長(zhǎng)度。當(dāng)鏈碼值為偶數(shù)時(shí)，其長(zhǎng)度記作1；當(dāng)鏈碼值為奇數(shù)時(shí)，其長(zhǎng)度記作2。周長(zhǎng)為:

　　式中: Nε和Nθ分別為邊界鏈碼(8方向)中移動(dòng)偶步與奇步的數(shù)目。

　?。?）缺陷的面積，即缺陷區(qū)域中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，表達(dá)如式（2）：

　?。?）區(qū)域的圓形度，即區(qū)域接近圓形的程度：

　?。?）區(qū)域的矩形度，即區(qū)域面積與其最小的外接矩形面積比值，反映了一塊區(qū)域?qū)ζ浒鼑匦蔚某錆M程度：

　　Sbox是包圍矩形的面積，矩形度不超過(guò)1。

　　通過(guò)以上特征提取方程的計(jì)算，最終得到上面圖像的L=1.435 7e+04，S=209 787，C=0.012 8，R=0.570 1,根據(jù)廠商所給的質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可以判定此缺陷為面積性缺陷。

　　2.9缺陷的分類

　　在圖像處理完成后，根據(jù)廠商提供的硅鋼鋼帶質(zhì)量要求，對(duì)硅鋼鋼帶進(jìn)行質(zhì)量的評(píng)估，最終根據(jù)鋼帶不同的質(zhì)量進(jìn)行不同的分類，以適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求。

3結(jié)論

　　本文介紹了一種自動(dòng)圖像缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，它運(yùn)用圖像處理技術(shù)，對(duì)所采集到的圖像進(jìn)行了一系列處理，進(jìn)而得到清晰的缺陷圖像；然后根據(jù)缺陷的形狀特征進(jìn)行了分類，最終根據(jù)廠商對(duì)鋼帶質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了準(zhǔn)確的評(píng)估，完成硅鋼鋼帶質(zhì)量的檢測(cè)。

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