（光学工程专业论文）轮胎缺陷x光检测图像的处理与识别研究.pdf

中文摘要 随着国家对交通运输安全的重视，轮胎质量检测问题已经成为一个众多轮 胎生产厂家重视的问题。国外进口的轮胎检测设备需经过改装才能用于国内的轮 胎生产线，而且价格极其昂贵，所以制造出成本低检测性能高的轮胎x 光检测 设备是一个迫切需要解决的任务。 本论文主要论述了如何利用数字图像处理与识别的相关技术来检测x 光子 午线轮胎图像中的各种缺陷。为了将这一问题阐述清楚，论文首先对x 光轮胎 检测系统的结构和工作原理作了一般性的介绍。然后给出了要识别的各种缺陷的 具体形态，分析了传统的模板匹配方法无法适用于此的原因。在此基础上，提出 了轮胎缺陷检测的基本思路，即分区域分缺陷进行识别算法设计。分区域是把整 幅轮胎图像分为胎侧、胎圈和胎面这三个感兴趣区域；分缺陷指的是把各个感兴 趣区域的缺陷再进行分类，对不同类型的缺陷分别进行研究。 本文重点讨论了胎侧区域的钢丝帘线排列异常情况和气泡这两大类缺陷。前 者包括帘线搭接、接头开、稀线、帘线断开和帘线交叉，对原始图像进行预处理、 阈值变换、细化等操作后提取各种缺陷的特征参数，即可识别出这一大类缺陷。 对于气泡，则提出了一种根据小区域内的灰度分布的自相似性分割出气泡大致位 置，然后进行区域标记和区域生长来分割气泡的方法。 本文设计的缺陷识别算法均在v i s u a lc + + 6 0 开发环境下编程实现，并运用 大量实际x 光轮胎缺陷图像进行了测试，验证了算法的可行性和有效性。 关键词：轮胎缺陷x 光检测阈值分割细化算法区域标记区域生长 a b s t r a c t w i t ht h er e g a r dt ot h es e c u r i t yo ft r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o n ，t i r ei n s p e c t i o nh a s a l r e a d yb e c o m ea ni s s u ec a r e db ye v e r yf a c t o r yw h i c hm a n u f a c t u r e st i r e s a tp r e s e n t ， t h et i r ef a c t o r i e si no u rc o u n t r yi m p o r ta l lt h ex r a yt i r ei n s p e c t i o ns y s t e mt h e y n e e d e d b u tt h es y s t e mi s n ts u i t a b l ef o rd o m e s t i cp r o d u c tl i n e ，a n dt h ec o s ti sg r e a t s od e v e l o p i n go u ro w nx - r a yt i r ei n s p e c t i o ns y s t e mw i t hl o w e rc o s ta n dg o o d p e r f o r m a n c e i sam a t t e ro ne d g e t h i ss u b j e c tm a i n l yd i s c u s s e sh o wt oi d e n t i f yt h et i r ed e f e c t si nt h ex - r a yi m a g e a u t o m a t i c a l l yw i t hd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y t os e tf o r t h t h es u b j e c tc l e a r l y , t h i sp a p e rm a k e sag e n e r a li n t r o d u c t i o no ft h es t r u c t u r ea n d o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ex r a ys y s t e mi nt h ef i r s tp l a c e a f t e rt h a t ，t h i sr e s e a r c ht r i e s t ou s et h ec o n v e n t i o n a lt e m p l a t em a t c h i n gm e t h o dt od e t e c tt h et i r ed e f e c t s ，b u ti t d o e s n tw o r kh e r e w i t ht h i sf a i le x p e r i e n c e ，an e ww a y , w h i c hi st od e s i g ns p e c i a l a l g o r i t h mf o re a c hk i n do fd e f e c ti ne a c hr e g i o no fi n t e r e s t ，i sb r o u g h tf o r w a r d a w h o l et i r ei m a g ec a l lb ed i v i d e di n t ot h r e er e g i o n so fi n t e r e s tc o n s i s to fb e a da r e a ， s i d e w a l la r e aa n dt r e a da r e a o nt h eb a s i so fd i f f e r e n tk i n do fd e f e c t se x i s t i n gi n d i f f e r e n ta r e a ，r e c o g n i t i o na l g o r i t h m sa r ed e v e l o p e da c c o r d i n g l y t h ea b n o r m a la r r a yo ft h eb o d yc o r d sa n db l i s t e ri ns i d e w a l la r e aa r et h et w o k i n d so fd e f e c t sm a i n l ys t u d i e dh e r e t h ef o r m e ri n c l u d e so v e r l a p p e dc o r d ，o p e np l y s p l i c e s ，w i d es p a c i n g ，c r o s s e dc o r d ，b r o k e nc o r da n db e n d i n gc o r d ，a n dt h e s ed e f e c t s c a nb ei d e n t i f i e db yc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s ，w h i c hc a l lb eo b t a i n e da f t e rss e r i e so f o p e r a t i o no nt h eo r i g i n a li m a g e ，i n c l u d i n gf i l t e r i n g ，s e g m e n t a t i o n ，t h i n n i n ga n d s oo n f o rt h eb l i s t e r , an e wa p p r o a c hb a s e do nt h eg r a y - s c a l ed i s t r i b u t i n gh a sb e e np r o p o s e d t h eg e n e r a lp o s i t i o no ft h eb l i s t e ri sf o u n db ys e a r c h i n gm a x i m a lg r a y - s c a l ep o i n t s ， t h e nt h er e g i o nl a b e l i n ga n d r e g i o ng r o w i n gm e t h o da r eu s e dt od e t e r m i n eb l i s t e r t h i sp a p e ra d o p t st h em i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 。0a st h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ， a n da l lt h ea l g o r i t h m sd e s i g n e dh a v eb e e ni m p l e m e n t e di ni t am a s so fx r a yt i r e i m a g e sf r o mt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o nh a v eb e e nt e s t e d ，a n dt h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a t t h ea l g o r i t h m sa r ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：t i r e d e f e c t s ，x - r a yi n s p e c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，t h i n n i n g ， r e g i o nl a b e l i n g ，r e g i o ng r o w i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：；联f j 、厕 签字日期：砂哆 年广月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：猫小确 导师签名： 签字日期：劫唧年岁月莎日 力j 签字日期：加户厂月巧日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 轮胎是一种最常见和最常用的工业产品，是社会与人类生活必不可少的产品 之一。随着汽车工业和道路交通产业的迅猛发展，我国轮胎工业也随之得到空前 发展，轮胎工业已达到相当大的规模，目前国内轮胎总产量居世界前列。与此同 时，交通运输业的发展对轮胎工业提出了越来越高的要求。这些产品的质量直接 影响到用户的车辆及载物的安全，尤其是直接危及人的生命安全，因此确保成品 胎的质量是至关重要的，而对每一成品胎的最后检测，评估与查验成品轮胎的质 量成为关键，对保障成品胎的安全性能具有十分重要的意义。 1 1 研究背景 子午线轮胎 1 】是斜交轮胎的更新换代产品，因其具有高速、节能、耐用、安 全、舒适以及行驶性能方面的优越性而得到用户的普遍认同。但是，子午线轮胎 制造工艺复杂，要求精度高，所以轮胎工业的主要任务是如何生产出高质量的子 午线轮胎来满足日益发展的汽车业的要求。 子午线轮胎在制造过程中，受生产设备及工艺流程等因素的影响，时常会出 现断裂、稀线、钢丝弯曲、帘线排列不均、帘线重叠、帘线断、胎里气泡等质量 问题【2 】，直接或间接影响产品质量，缩短轮胎使用寿命。所以必须对每一条成品 子午线轮胎进行检验，以便及时发现问题，调整工艺，提高产品质量。 x 射线被广泛应用于轮胎检澳1 j 1 3 , 4 5 】，x 射线技术的形成已有近l o o 年的历史， 其原理也很容易理解，x 射线源、探测器和电子元件也比较完善。x 光轮胎缺陷 检测系统，利用x 射线进行成像。x 射线具有穿透效应、荧光效应和摄影效应， 这里利用其穿透效应。由于轮胎内部各部分的材料不同，密度和厚度不同，那么 各部分对x 射线的吸收也就不同，组织密度高，吸收x 射线越多；相反，组织密 度低，吸收x 射线越少。由于吸收程度不同，在x 射线接收器上( 光电传感器) 收到的x 光辐射量也不同。利用光电传感器把x 射线辐射的光信号转换成对应的 “模拟电信号，经a d 转换后，变换成对应的数字图像信号，得到轮胎断面上 各单位面积上x 射线的辐射量，其结果形成了数字矩阵，经过图像处理软件处理， 依据材质密度不同，把轮胎断面的结构转换成用黑白不同的灰度等级表示的图 像，在对应的显示器上显示出来。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国外轮胎内部缺陷检测设备的现状 目前，国际上轮胎内部缺陷检测设备的最大生产厂家是德国的y x l o n ，它 是世界上最大、系列最全的工业x 光设备供应商，也是世界上唯一自己生产所有关键 部件( x 光管、高压发生器、控制系统、图像增强器及图像处理系统) 的公司。y x l o n 生产的轮胎检测设备得到了全世界轮胎生产厂家的青睐，这是因为其产品具有以 下几个显著的优点： 1 ) 可靠的检测结果、快速的检测时间 y x l o n 生产的轮胎检测设备的检测性能是值得信赖的，图像处理方面达 到了世界先进水平。这是它之所以风靡世界的最重要原因之一。 2 ) 间歇时间小于5 秒 y x l o n 公司生产的轮胎检测设备无需开关防护门，在装卸轮胎时也不用 关闭x 射线，大大提高了检测效率，提高了轮胎的产量。 3 ) 维护简单 y x l o n 公司生产的轮胎检测设备用最小的机械运动来降低磨损。 4 ) 结构紧凑 y ) a 一o n 公司生产的轮胎检测系统可以自由摆放系统组件，减少了设备的 占地面积。 5 ) 操作简单、直观 y x l o n 公司生产的轮胎检测设备采用w i n d w o s 的图形化用户界面、适用 于各种检测需要，无需精通编程语言。它具有全自动、半自动和手动三种模式， 用户可以自己调节适合自己的模式。 但是y x l o n 公司生产的轮胎检测设备也存在以下几个缺点： 1 ) 不适用于国内的轮胎生产线 目前国内的轮胎生产厂家使用的轮胎检测设备基本上都是y ) a _ 一o n 或者 l u m e n x 的老产品，他们在购买进设备之后都需要将其传动部分进行改装，使其 能适用于国内的轮胎生产线。但是改装的费用无疑也是一项极大的支出。 2 ) 缺少图像分析功能 用户虽然能调用以前废胎的图像，但是不能帮助用户分析产生此种情况的原 因，用户必须自己分析原因并改进工艺过程，这也是它需要改进的一个方面。 3 ) 价格昂贵 从y x l o n 进口一台轮胎检测设备的费用都在几百万左右，再加上改进传动 设备的费用，对于国内轮胎生产厂家来说无疑是极其昂贵的。而且一台轮胎检测 设备是不能满足轮胎生产厂家需要的，缺少轮胎检测设备会直接影响生产效率。 天津大学硕士学位论文 第。章绪论 1 3 国内子午线轮胎检测设备存在的问题阳1 国内至今还没有能独立生产轮胎检测设备的企业，大多数生产厂家都是进口 图像处理部分的成型机器，传动部分按照国内的轮胎生产线进行设计开发。目前 主要存在一些问题：引进开发一套系统周期长；价格虽然比进口整台轮胎检测设 备低一些，但还是比较昂贵的；引进的系统虽然具有很好的图像显示，但最终由 人来判断被测成品胎的质量，钢丝帘线的分布是否均匀，有没有出现各种形态的 缺陷。这将出现如下不能克服和消除的问题和困难： 1 ) 人的视觉系统的属性决定了人眼能分辨出的灰度等级不会超过2 0 级， 但x 光成品胎检测系统采用的图像数据采集的灰度等级至少为2 5 6 级，这两者是 极端不匹配的，同时可以看出视觉对信息总量的利用率很低。这意味着它不可以 检测出许多缺陷信息。 2 ) 人的视觉系统的传递函数决定了人眼对过高或过低频率变化的图像内 容响应灵敏度很低，这意味着成品胎在检测台上转动扫描时，显示图像以一定的 速率滚动的话，人眼对一些变化快的图像内容没有响应，这样会产生漏检。 3 ) 在较长时间连续工作状态下，人眼的疲劳出现漏检是可想而知的。 钔目视检测不适于成品胎缺陷数据库数据档案库的建立和成品胎信息的 追踪与查询。 综上所述，制造出我国自己的子午线轮胎检测设备迫在眉睫，国内x 射线 技术已经比较成熟，例如应用于医学方面的c t 、应用于工业的焊缝探伤等等。 我们也可以把这一技术应用于轮胎检测领域。经过详细的市场调研、方案设计和 成本分析，最终决定以y x l o n 公司生产的轮胎检测设备为蓝本，在现有设备的 基础上建立和完善x 光轮胎内部缺陷图像分析处理系统，开发适合国内轮胎厂 家的x 光轮胎检测设备，其市场前景相当可观。 其次，以轮胎x 射线图像检测系统为基础，可在汽车行业对汽车发动机组 件、铸件生产线检测、电子元件内部质量的检测、石油管道、锅炉及钢瓶等压力 容器焊接生产线在线检测、航空航天、兵工、化工、冶金产品无损检测等领域得 到广泛应用，这也是开发此系统的另一价值所在。 1 4 研究内容及论文结构 本文主要针对x 光轮胎检测系统中图像处理与分析部分展开工作，重点研 究x 光轮胎图像中的缺陷，设计自动识别各种缺陷的算法，包括以下内容： 1 ) 了解现有x 光轮胎检测系统的硬件结构和工作原理，以更好的进行软 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 件部分的设计。 2 ) 对数字图像处理与识别的基本理论与方法，作详细的探讨和研究，为算 法设计打好理论基础。 3 ) 仔细分析轮胎胎侧区域的各种缺陷的特点，以现有的数字图像处理理论 与方法为指导，设计出各种主要缺陷的识别算法，这也是本文的核心部分。 4 ) 在w i n d o w sx p 系统环境下利用v i s u a lc + + 6 0 开发工具编程实现算法， 验证算法的可行性与有效性。 本论文共分为六章。第一章是绪论，从整体上介绍了论文的研究背景、研究 依据和国内外现有x 光轮胎内部缺陷检测系统的现状。第二章介绍轮胎x 光检 测系统的硬件结构及工作原理，为后续的图像处理分析打好基础。第三章分析了 x 光轮胎图像中存在的各种缺陷，尝试了传统的模板匹配方法，在此基础之上提 出了本文识别方案的设计思路，即分区域分缺陷分别设计识别算法。在这章最后 部分还阐述了程序设计方面的内容。第四章和第五章是论文的核心部分，第四章 详细论述轮胎内部帘线排列情况的检测，给出了帘线排列类缺陷的识别算法及实 验验证过程。第五章叙述胎侧区域气泡的具体检测方法及流程，并给出实验结果。 第六章对本论文进行了总结，并展望了今后工作的方向。 天津大学硕士学位论文第二章x 光轮胎检测系统的结构与工作原理 第二章x 光轮胎检测系统的结构与工作原理 本课题参照y x l o n 公司的实际产品进行改进开发x 光轮胎检测系统。本 论文的主要工作是对x 光轮胎检测系统的数字图像处理与分析部分进行研究。 要做好软件识别算法的设计对x 射线基础理论和该设备的工作原理、机械结 构以及各组件的性能等知识的了解掌握是必不可少的。因此，在这里有必要对x 射线原理、轮胎检测设备的工作原理以及主要组件等做一下简明介绍。 21 整体结构与工作原理 图2 - 1l x l s 0 0 实物图 首先从整体上来认识一下x 光轮胎检测设备，以y x l o n 公司的l x l 5 0 0 【7 1 为 例其实物外形及各组件如图2 1 和圈2 - 2 所示。 x 光轮胎检测设备整机组成主要包括三大部分：x 光发射系统：x 光 接收和成像系统； p l c 运动控制和操作系统。 x 光轮胎检测系统结构框图如图2 - 3 所示。x 光轮胎检测系统，它利用x 射 线从多个方向( 全景) 照射轮胎，然后测定通过的x 射线辐射量，数字化后经 无津大学硕士学位论文 第二章x 光轮胎检铡系统的结构与工作原理 图像处理软件处理，把轮胎断层图像显示出来，用以检查轮胎质量。 ( a ) x 射线高压发生、控制系统 ( b ) x 。射线管 c ) u 型线阵列探测器 ( c ) 控制台系统 图2 - 2l x i s 0 0 各组件实物图 j i 。一 i v 砷i ( d ) p l c 控制界面 手动操作轮胎进入输送辊道，经辊轴带动和各装置精确定位，使轮胎置于测 试工位，然后，由x 射线管( 球管) 全景2 7 0 断层扫描，穿透轮胎，由x 射线接 收器( u 型x 光接收器) 利用光电传感器把x 射线辐射的光信号转换为对应 的“模拟电信号”，送入工作站的图像采集卡，经a d 转换为数字图像信号，经 图像处理软件系统，实时地把轮胎图像在屏幕上显示出来。成像系统可实现实时 6 喜：一_翻 天津大学硕士学位论文第二章x 光轮胎检测系统的结构与工作原理 图像滚动，可把轮胎断层图形以b m p 。f l d , p i x 格式输出存储。系统可实时显示轮 胎断层缺陷，包括气泡、钢丝断裂、钢丝分布不均、撕裂等。高解析度x 光1 0 秒钟完成环绕轮胎3 6 0 。扫描，得到整条轮胎图像，系统坚周、紧凑，易于扩展。 图2 - 3x 光轮胎检铡系统结构框囝 2 2 x 光发射系统 黑孽 1 x 光发射系统：包括高压发生器、x 射线高压控制器、金属陶瓷x 射线管 ( x 光球管) 、水冷却系统。要求它可以产生稳定、高度准直的x 射线柬。 x 射线管，它采用高度真空的二极管构成。阳极和阴极间加上1 0 0 k v 直流 高压，旋转阳极x 射线管，可以把x 射线均匀地投射到整个圆形靶面上( 有利 于散热) ，在旋转的过程中连续发射x 射线。x 射线高压控制器，通过设定和面 板操作，控制高压发生器电压高低，从而控制x 光的强弱。 天津大学项士学位论文第二章x 光轮胎检测系统的结构与工作原理 2 3 x 光成像系统 x 光接收和成像系统：包括u 型接收器、p c l 图像数据采集卡、计算机图像 处理工作站、图像处理软件。成像系统结构见图2 - 4 。 图2 4 成像系统结构图 1 1 数字u 型x 射线接收器( 如图2 - 5 所示) ：x 光检攫i 系统包括两种类型：l d a 型和c m o s 型邀里主要介绍前一种墒分辨率线形二极管阵列检测器l d a ( l i n a r d i o d e a r r a y ) ，利用光敏二极管光电传感器把x 射线辐射的光信号转 换为对应的“模拟电信号”。 2 ) 专用p c i 图像采集卡：进行数据采集和a d 转换，形成数字矩阵。然后进行 图像处理的前期预处理工作。 3 1 计算机工作站：图像处理工作站。 4 1 集成图像处理软件系统：基于w i n d o w s x p 操作系统，图像处理软件包括x 光图像数据采集、变换、图像放大测量、对比度优化、增强等功能。 天津大学硕士学位论文第二章x 光轮胎检测系统的结构与工作原理 x 等线 图2 5 数字u 型接收器 2 4p l c 运动控制操作系统 囝困 p l c 运动控制操作系统：包括使用p l c 、p r o f i b u s 总线连接伺服驱动控 制器和变频器，实现高精度的定位控制、输入输出控制等逻辑模块，用以控制对 边机构、x 射线球管，u 型x 光接收架、轮胎对中机构、轮胎辊轴运动，完成 相应的规定的操作。 p l c 系统包括两个触摸屏，铅房触摸屏为了在调试或者维修时，调整机械部 件动作。控制室触摸屏为了在工作时，进行相应的操作，进行启动开始测量、位 置设定、轮胎型号设定等操作。 2 5 小结 本章给出了x 光轮胎检测系统的整机结构及各组件外形，使读者对其首先 有个感性认识。紧接着比较具体地介绍了各组成部分的工作原理，进一步加深读 者对该检测系统的了解。本文的缺陷自动识别算法的设计开发都是以此检测系统 为基础进行的。 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 自动检测算法的设计是保证计算机能够精确和定量检测的关键，本章初步探 测了如何运用数字图像处理和识别的各种技术来检测轮胎内部缺陷。这里列出了 缺陷的类型及特点；分析了轮胎图像的特点，得出传统的模板匹配方法不可行的 结论；在此基础上，确定了本论文算法设计的出发点和原则；另外选择了v i s u a l c + + 6 0 作为算法开发实现的工具。本章主要分析了缺陷检测算法设计的思路， 以后各章节的研究都是以此为指导的。 3 1 轮胎缺陷的种类 在实际生产中，影响轮胎质量的因素很多，如操作方法、工艺流程和生产设 备等，导致产品存在多种缺陷，如接头开、钢丝密度不均、气泡等。轮胎缺陷一 般分为内部缺陷和外观缺陷。轮胎缺陷种类繁多，而且某些缺陷图像很难描述， 所以用计算机来识别是相当的困难，这也是为什么到目前为止国际上没有一家公 司能够提供一套完整的轮胎缺陷自动识别软件的原因。 大体上，轮胎缺陷分类如下： ( 一)轮胎内部钢丝帘线排列存在的问题p 1 ： 1 ) 帘线：接头重叠、稀线、交叉、接头开等； 2 ) 带束层：齐边、偏中心、零度散线、打弯或打褶等； 3 ) 子口包布：包布散线、接头开等。 ( 二)轮胎外观检测常出现以下问题p 1 ： 1 ) 胎侧：缺胶、脱层、气泡、压物等； 2 ) 胎冠：压物、海绵等； 3 ) 子口：气泡、秃子口、大边、露线、变形、出台等； 4 ) 胎肩：气泡、出台等。 x 光轮胎检测设备用于检测内部缺陷，包括钢丝排列情况以及胎侧部位的气 泡和压物等。图3 1 列出了几种常见缺陷形态。 胎体弯曲：子午线轮胎在x 光检测中发现的主要缺陷之一。，钢丝产生周向 偏移出现峰状弯曲。 帘线交叉：表现为径向排列的胎体帘布间有钢丝交叉现象。 1 0 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 帘线断开：由于受力不均或钢丝质量问题，导致钢丝断开。 接头开：接头开是由于对接时粘合力不够，在定型硫化时容易拉开，从而导 致钢丝接头脱开。 ( a ) 帘线弯曲 ( d ) 胎体稀线 ( 曲帘线交叉 ( e ) 胎侧气泡 ( c 1 接头开 帘线断开 ( 时胎体反包散线帘线措接 带柬层顺线 圈3 - i 几种常见的轮胎内部缺陷形态 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 胎体稀线：是指胎体钢丝帘线排列不均、密度局部变稀。 胎里气泡：是指胎里、胎肩或气密层窝藏空气、水、汽油或隔离剂，硫化后 胎里部位产生鼓脱现象。 反包散线：发生在胎圈区域，反包时钢丝与胶料没有很好地粘合在一起。 帘线搭接：表现为钢丝重叠，一般是由于接头不合格或者钢丝应力不均衡等 因素造成。 带束层顺线：带束层由双层帘线层组成，且孤层帘线走向一般呈9 0 度交角， 顺线一般由于操作失误，使两帘线层之间成0 度交角。 3 2 传统的模板匹配方法 模板匹配 1 0 , 1 1 是研究在一幅图中是否存在某种已知模板图像。例如在图3 2 中，需要寻找一下有无三角形( 图3 - 2 ( b ) ) 的图像。若在被搜索图中有待寻的 目标，且同模板有一样的尺寸和方向，模板匹配的基本原则就是通过相关函数来 找到它以及在被搜索图中的坐标位置。 ( a )( b ) 图3 - 2被搜索图( a ) 与模板( b ) 设模板丁叠放在搜索图s 上平移，模板覆盖下的那块搜索图叫做子图s ， f ，歹为这块子图的左上角像点在s 图中的坐标，叫参考点，可从图3 3 中看出f 和 _ ，的取值范围为l f ，j n m + 1 。 现在可以比较丁和s l ，的内容。若两者一致，则r 和s l ，之差为零，所以可以 用下列两种测度之一来衡量丁和，的相似度： d ( i ，_ ，) ：m m s “( 晰，甩) 一r ( m , n ) j ：( 3 - 1 ) 或者 d ( i ，s ) = x x l s “7 ( 聊，刀) 一t ( m , n ) i ( 3 2 ) 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 _ i 芝 l z i r 子图s “7 模板丁 【b ) ( a ) 图3 - 3 模板( b ) 及其搜索图( a ) 如果展开前一个式子，则有 ， mm ( 朋，刀) 2 m m ( 聊，刀) ) + m m r ( m ，刀) 2 ( 3 - 3 ) d ( i ：) = x x l - s 2 2 z z s , t ( m , n ， ( 朋，刀) ( 聊，刀) ) + r ( m ，刀) 2 右边第三项表示模板的总能量，是一个常数与( f ，j ) 无关，第一项是模板覆 盖下那块图像子图的能量，它随( f ，j f ) 位置而缓慢改变，第二项是子图像和模板 的互相关，随( f ，_ ，) 而改变。t 和妒7 匹配时这一项的取值最大，因此我们可以用 下列相关函数作相似性测度： 或者归一化为 r ( i ，_ ，) = s l ( 聊，n ) x t ( m ，力) 烈力2 等z 瓦z s 丽r7 ( 所，刀) 。 肘m s 7 ( 聊，刀) 丁( 所，刀) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 当r ( i ，) 取得最大值的时候，即找到最佳匹配位置。 对子午线轮胎进行在线实时检测，要在很短的时间内完成对图像的采集、处 理、判别，这就限定了图像处理的算法必须简洁、快速。在一些工业缺陷检测【1 2 1 6 】 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 中，如印刷出版物质量检测【1 2 】、钢材质量检测等 1 3 , 1 4 ，最常用的解决方案是模板 匹配和神经网络的方法。然而，当被测对象要求检测精度高，同时被检测图像比 较大时，神经网络法因其较大的计算量而难以达到实时性要求。这时一般都采用 模板匹配这一传统的方法。 因此本课题最初也花费大量时间考虑采用模板匹配的方法( 方案流程如图 3 - 4 ) ，实施步骤如下： 1 ) 利用采集到的大量图像样本，制作轮胎标准图像的模板。 2 ) 将标准模板图像与待测图像进行模板匹配，从而使二者对准。 3 ) 对准后的两幅图像进行差影操作f lo 】，设定阈值，得到的差值图像就是缺 陷图像。 4 ) 对缺陷图像进行特征提取、分类及识别。 图3 4 模板匹配方案流程图 对于复杂的轮胎图像，如果可行的话，这种检测方法非常简单、易实现，最 大的优点是能一次性检测到整条轮胎图像的所有缺陷。然而实施该方案到差影操 作这一步，出现意料外的结果。如图3 5 所示( 截取了整幅图像的一部分) ，( a ) 是作为待测的源图像，( b ) 是差影图像，将两幅合格轮胎图像配准后进行差影操 作得到的差值图像基本上还是一幅完整的轮胎图像， 这一结果引发了对该方案的更深一层思考。仔细分析，不难找到此方案在此 天律大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 行不通的原因：轮胎是橡胶制品栩对于精细印刷品等它本身不是那么精细， 更通俗地说，同是两条合格轮胎，它们细节上也相差的太多。这样一来，设定阈 值进行差值检测得出的结论是几乎所有的轮胎都不合格。模板匹配与差影法不适 用于轮胎内部缺陷的自动识别，就必须寻找新的算法。经过对轮胎图像特征的深 入的分析，形成了最终的缺陷检铡方案。 ( a ) 源图像 图3 - 5 差影操作结果 3 3 本文算法设计的分析 ( b ) 差影图像 轮胎图像相当复杂，在否定模板匹配与差影法后。想用一种算法检测出所 有的缺陷是不可能的。轮胎图像存在以下特点：图像特别大( 至少为1 5 7 6 4 9 0 6 ) ； 图像可分为三个不同的感兴趣区域；特定的缺陷只存在于特定的区域。相应地， 图像特别大如果针对整幅图像处理的话，处理的复杂度太高，速度太慢；具有 区域可分性特点可在各个感兴趣区域内进行检测。最终方案是，针对不同感兴 趣区域的各种缺陷设计特定的算法运个检出所有类型的缺陷。 标准的轮胎图像( 型号为2 05 1 1 2 5 ) 如图3 - 6 ，一幅完整的轮胎图像可划分 为三个不同的感兴趣区域，即胎圈区域，胎侧区域和胎面区域。三个区域分别定 义了不同的缺陷。胎侧区域的缺陷主要有帘线交叉、帘线稀线、帘线弯曲、气泡 等。胎圈区域的缺陷有包布散线、接头开等，胎面区域的缺陷有齐边、偏中心、 零度散线、接头开、接头重叠等。进行区域划分后，就可以针对每个区域的特点 分别来进行图像增强、分割咀及特征提取与缺陷识别。 天津大学硕十学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设训的分析 胎圈区域胎面区域胎圈区域 胎侧区域胎侧区域 图3 - 6 标准轮胎图像 轮胎x 光图像水平方向灰度极不均匀，对比度低，很多细节( 主要是在胎 圈和胎面区域) 分辨不出来。因此对轮胎x 光图像进行分析和轮胎缺陷类型自 动识别是一个相当复杂的课题，其中包括了对工业轮胎x 光图像进行必要的预 处理后，通过不同的算法提取图像特征，然后对轮胎钢丝帘线排列情况、气泡、 带束层结构、轮胎结构等进行自动识别及对轮胎质量进行判断。 本文给出了总的缺陷识别方案，即分区域分缺陷检测。有了总的设计思路与 框架，就可以往其中逐步填充各种缺陷的检测方法从而逐步达到完善，有利于 后续工作。本文着重研究胎侧区域的帘线排列情况和气泡这两大类问题。这样选 择有两个原因：一，据轮胎厂数据统计胎侧区域是出现缺陷频率最高的区域， 而且其他两个区域出现帘线类缺陷也会表现在胎侧区域( 如接头开其实是胎圈 部位出现问题却在胎侧位置更明显地表现为某两根钢丝问的距离增大) ：二， 胎圈区域和胎面区域错综复杂，合格品的标准尺度比较宽，很难对其中的缺陷进 行精确的图像描述，缺陷特征不易提取出来，从而识别这些缺陷需要做更多的工 作，由于时间仓促，无法在这里对所有缺陷都进行细致研究只好作为下一步工 作的重点。 另外，考虑到实际应用的需要，设计的算法必须满足以下原则： 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 1 ) 通用性：由于轮胎具有各种不同的型号，其图像具有很大差别的，设计的算 法必须考虑到能检测所有轮胎的同类型缺陷。 2 ) 灵活性：用户可以自己设定阈值，根据自己的标准来检测缺陷。 3 4 程序设计基础 本文算法均在v i s u a lc + + 6 0 中实现，有必要介绍一下有关程序设计方面的 几点知识。 3 4 1 开发环境的选择 随着计算机技术的迅猛发展，硬件成本不断降低，而软件成本却不断增加， 因此，如何缩短软件生产周期和提高维护效率，研制出高质量的软件产品成为一 个重要课题。在计算机技术飞速发展的今天，计算机程序设计语言也发生了质的 飞跃，目前可视化程序设计语言已经占据主导地位。v i s u a lc + + 是w i n d o w s 环 境下最主要的应用开发系统之一，是c + + 语言的集成开发环境，它与w i n 3 2 紧密 相连，强大的调试功能为大型复杂软件的开发提供了有效的排错手段。它的可视 化开发环境是程序员同v c + + 的交互界面，通过它可以访问程序的源代码，访问 资源编辑器，使用内部调试器，创建工程文件。 根据设计需要，本文算法程序开发采用v i s u a lc + + 6 0 n 8 】作为开发平台。 作为可视化程序设计工具之一的m i c r o s o f tv i s u a lc + + 具有完善的开发环境，利 用该平台提供的微软基础类库m f c ，可以快速简便地构建属于自己的w i n d o w s 应用程序，在很大程度上屏蔽了隐藏在上层应用程序背后编程的复杂性。使用 m f c 库程序可以在任何时候调用w i n 3 2 函数，所以可以最大程度地利用 w i n d o w s 。用户根据需要还可以用c + + 编写自己的功能函数，灵活方便地进行二 次开发。 3 4 2w i n d o w s 文件操作 文件操作应当有文档类负责完成，c f i l e 类是文档类的基类，它是最基本的 文件操作类。可以使用c f i l e 类的成员函数进行文件的打开、读取、删除和保存 等功能。 1 ) 打开和关闭文件 c f i l e 类有三个构造函数，分别为： 天津大学硕士学位论文第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 c f i l e ( i n th f i l e ) c f i l e ( l p c t s t rl p s z f i l e n a m e ，u i n tn o p e n f l a g s ) c f i l e ( ) 前两个构造函数可以在生成对象时直接打开某个文件，第三个构造函数则需 要用成员函数o p e n ( ) 打开文件。 2 ) 文件的定位 c f i l e 类是一种随机读写的文件操作，它用文件指针来指出当前文件的读写 位置，在文件刚刚被打开时，文件指针位于起始处。为了控制文件的读写位置， c f i l e 类提供了一系列文件位置操作函数： v i r t u a ll o n gs e e k ( l o n gi o i f , u i n tn f r o m ) ；其中参数1 0 f t 是指从n f r o m 位 置开始处的字节偏移量，n f r o m 是文件的定位方式，可以是c f i l e ：b e g i n 、 c f i l e ：c u r r e n t 和c f i l e ：e n d 中的一个。 v o i ds e e k t o b e g i n ( ) ；将文件指针移到开始位置 d w o r ds e e k t o e n d ( ) ；将文件指针移到结尾位置 v i r t u a ld w o r dg e t p o s i t i o n ( 1c o n s t ；返回当前指针位置 v i r t u a ld w o r dg e t l e n g t h ( ) c o n s t ；返回文件的长度 v i r t u a ld w o r d s e t l e n g t h ( ) c o n s t ；设置文件长度 3 ) 文件的读写操作 在使用c f i l e 类进行文件读写之前，可以用文件的定位函数，将文件指针定 位在自己需要读写的地方。 c f i l e 类的读函数有两个： v i r t u a lu i n tr e a d ( v o i d l p b u f , u i n tn c o u n t ) ； d w o r d r e a d h u g e ( v o i d 毒l p b u f , d w o r dd w c o u n 0 c f i l e 类的写函数也有两个： v i r t u a lu 1 n tw r i t e ( v o i d 木l p b u f , u i n tn c o u n t ) d w o r d w r i t e h u g e ( v o i d 宰l p b u f , d w o r dd w c o u n t ) 4 1 文件的管理 在c f i l e 类中，为了便于管理和使用文件，提供了一些文件管理函数： b o o lg e t s t a t u s ( c f i l e s t a t u s & r s t a t u s ) c o n s t ；获取文件状态信息 v o i dg e t f i l e n a m e ( ) ；获得文件名，包括文件的扩展名 v o i dg e t f i l e p a t h ( ) ；获得文件的路径名 v o i ds e t f i l e p a t h ( ) ； 设置文件的路径名 v o i dr e n a m e ( ) ；重新命名文件 v o i dr e m o v e ( ) ；删除文件 天津大学硕士学位论文 第三章轮胎内部缺陷检测算法设计的分析 3 4 3w i n d o w s 的b m p 1 0 1 文件格式 位图文件( b i t m a p f i l e ，a m p ) 格式是w i n d o w s 采用的图像文件存储格式，在 w i n d o w s 环境下运行的所有图像处理软件都支持这种格式。w i n d o w s3 0 以前的 b m p 位图文件格式与显示设备有关，因此把它称为设备相关位图 ( d e v i c e d e p e n d e n tb i t m a p ，d d b ) 文件格式。w i n d o w s3 0 以后的b m p 位图文件格 式与显示设备无关，因此把这种b m p 位图文件格式称为设备无关位图 ( d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ，d i b ) 格式，目的是为了让w i n d o w s 能够在任何类型 的显示设备上显示b m p 位图文件。b m p 位图文件默认的文件扩展名是b m p 或 者b m p 。 位图文件可看成由4 个部分组成：位图文件头( b i t m a p f i l eh e a d e r ) 、位图信息 头( b i t m a p i n f o r m a t i o nh e a d e r ) 、彩色表( c o l o rt a b l e ) 和定义位图的字节阵列，它们 的名称和符号如表3 1 所示。 表3 1b m p 图像文件组成部分的名称和符号 位图文件的组成结构名称符号 位图文件头 b i t n i a - p f i l e h e a d e rb m t h 位图信息头b i t 吣i n f o h e a d e rb m i h 彩色表r g b q u a d a c o l o r s 】 图像数据阵列字节 b y t e a b i t m a p b i