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浙扛工业大学硕士学位论文 基于计算机视觉的木材表面缺陷检测方法研究 摘要 板材是木材应用需求量最大的品种，板材表面质量是评定板材质 量的重要指标之一。随着木材加工业向机械化、自动化的大规模生产 方向发展，人们对板材的加工质量，尤其是表面缺陷给予了越来越多 的重视，因而表面缺陷检测技术变得越来越重要。 本文基于机器视觉理论对木材表面缺陷进行了深入研究，结合数 字图像处理技术和人工神经网络模式识别技术，研究了木材表面缺陷 图像预处理、特征提取、模式识别问题，以v i s u a lc + + 程序设计环境， 开发了用于检测板材表面缺陷的定位和识别等图像处理算法。 图像预处理是检测的第一步，对图像缺陷特征的正确提取是非常 关键的。论文通过三种方式对图像的灰度直方图进行分析统计：( 1 ) 对每一像素作2 5 6 级灰度直方图分析；( 2 ) 对4 4 像素块作2 5 6 级灰 度直方图分析；( 3 ) 4 4 像素块作1 6 级灰度直方图分析。 特征提取直接影响木材缺陷检测系统的识别率。论文首先从灰度 直方图中根据是否有颜色突变来判断图片是否存在缺陷，缺陷图片在 直方图中表现出双峰特征，通常次波峰即为缺陷部位，但这不是绝对 的。若直方图曲线只有一个波峰，则可能是正常木材图片。经过实验 统计，当次波峰值比主波峰的值大于1 1 0 时，次波峰即是代表缺陷颜 色。实现了缺陷检测的第一步，即把图像分为有缺陷和无缺陷两类。 浙江工业大学硕士学位论文 基于人工神经网络的模式识别具有对数据类型和分布函数没有限 制、容忍度更高等优点，相适应于木材表面缺陷的复杂性，有很好的 应用前景。论文以缺陷灰度均值、缺陷灰度方差和缺陷形状作为缺陷 类型识别的特征量为输入，缺陷类型为输出，构建了系统的b p 网络系 统模型。论文以4 种缺陷类型为输出，选用l m s 对b p 神经网络进行训 练，对设计的神经网络系统进行了检测，实验结果表明系统的平均识 别率为9 7 ，证实了所设计系统的可行性和有效性。 关键词：机器视觉，表面缺陷，检测，灰度直方图，数字图像处理， b p 网络 h 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a 。r c ho nw o o ds i if ac ed e f e c td e t e c t i o n b a s e do nc o m 咿u t e r s i o n a b s t r a c t s a w - t i m b e ri sm o s tn e e d e di nw o o da p p l i c a t i o n , a n dt h es u r f a c eo fs a w - t i m b e ri s o i l o ft h ei m p o r t a n tf a c t o r st oa s s e s sw o o dq u a l i t y w i t hl a r g e - s c a l e dm e c h a n i z a t i o n a n da u t o m a t i o no fw o o d p r o c e s s i n g , p e o p l eb e g i nt oa t t a c hm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c e t om a n u f a c t u r i n gq 脚i t y , e s p e c i a l l ys u r f a c ed e f e c t t h e r e f o r e , s 晒c ed e f e c td 蚍t i o n i sb e c o m i n gi r l o r ea n d1 t l o r ei m p o r t a n t b a s e d o d - t h e t h e o r yo f c o m p u t e r v i s i o n , a r e s e a r c h 0 1 1d e f e c t d e t e c t i o no f t h e w o o d s u r f a p 宅i sm a d ei np a p e r i i n a g ep r e p r o c e s s , f e a t u r ee x h a c t i o ua n dp a t t e r n r e c o g n i t i o no f w o o ds i j l - f a o ed e f e c ta 地a l s os t u d i e db ym e a l 塔o fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e s a n dn e t r a ln e t w o r k sp r i n c i p l e so fp a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y a na r i t h m e t i co f i i n f l g ed i s p o s a lw a sc o m p i l e df o rd i s f i g u r e m e n td e t e c t i o nt oo r i e n t a t ea n dr e c o g n i z ei n t h ee n v i r o n m e n to f v ( ) + + i m a g ep r e p r o c e 鼹i st h ef i r s ts t e pf o rd e t e c t i o n , w h i c hi sv i t a lt ot h ec o l r e c t e 蚓瞳磷o no f t h nd e f e c t i o nf e a t u r e t h eg r e y - h i s t o r a mi sa n a l y z e dt h r o u g ht h r e em e t h o d s i np a p e r ( 1 ) 2 5 6g r a d eg r e y - h i s t o r a ms t a t i s t i c sf o re v e r yp i x e l ( 2 ) 2 5 6g r a d e s g r e y - h i s t o m ms t a t i s t i c sf o re v e r y4 4 b l o c kp i x e l s ( 3 ) 1 6g r a d e s 掣 e y - h i s t o r a m s t a t i s t i c s f o r e v e r y 4 4 b l o c k p i x e l s e x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t yw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ed i s t i n g u i s h i n gr a t i oo f w o o dd i s f i g u r e m e n td e t e c t i o ns y s t e m t h ep a p e rf i r s t l yj u d g e dw h e t h e rt h e r ee x i s t e d d e f e c t si nt h ep i c t u r e sa c c o r d i n gt ot h ec o l o rb r e a ki ng r e y - h i s t o r a m d e f e c tp i c t u r e s h a v ed o u b l ep e a k si ng r e y * h i s t o r a m g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h es u b o r d i n a t 沱p e a ki s j u s tt h e d e f e c tp a r t b u ti ti sn o ta b s o l u t e i f t h e r ei so n t yo d ep e 呔i nt h eg r e y - h i s t o r a n , i tm e a l ! l s 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 t h a tt h ep i c t u r ei sn o r m a l e x p e r i m e n t ss h o ww h e nt h ev a l u eo f s u b o r d i n a t ep e a ki s1 1 0 g r e a t e rt h a nh o s tp e a kv a l u e ，s u b o r d i n a t ep e a l ( i n d i c a t e sd e f e c tc o l o r i tw o u l dr e a l i z e t h ef i r s ts t e pf o rw o o dd e t e c t i o n a n dt h ei m a g e sa r ed i v i d e di n t ot w ot y p e s - d e f e c t i m a g e sa n dn o r m a li m a g e s b e c a u s et h e z i ss u p e r i o rt o l e r a n c ea n dn ol i m i tt od a t at y p ea n dd i s t r i b u t i n g f u n c t i o ni np a r e mr e c o g n i t i o no fn e u r a ln e t w o r k , i th a sag o o dp r o s p e c ti na p p l i c a t i o n s oa st oa d a p tt ot h ec o m p l e x i t yi nw o o ds l w f a c ed e f e c t u s i n gt h r e ec h a r a c t e rv a l u e s i n c l u d i n gg r a ya v e r a g ev a l u e ，g r a yv a r i a n c ea n dd e f e c ts h a p ea si n p u tv a l u e ，t e nd e f e c t t y p e s a so u t p u t t h i sp a p e rp o s e db pn e t l r a ln e t w o r ks y s t e mm o d e l t h ed e s i g n e d n e t w o r ks y s t e mi st e s t e db yc h o s i n gf o u rt y p eo fd e f e c t s , a n dl m sa r i t h m e t i ct ot r a i n b pl l e l l r a ln e t w o r k t h er e s u l ts h o w st h ea v e r a g er a t i oo f r e c o g n i t i o ni s9 7p e r c e n t t h e s y s t e mi sv i a b l ea n da v a i l a b l e k c y w o r d s ：c o m p u t e rv i s i o n ；s u r f a c ed e f e c t ；d e t e c t i o n ；g r e y - h i s t o r a m ；d i g 眦i m a g e p r o c e s s i n g ；b pn e t w o r k 祈江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：孑耋孰 日期：p 刁年6 月! 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在，年解密后适用本授权书。 j 2 、不保密吵 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 睡 日期山市 i 月 b 月 f 。日 c d 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究目的和意义 1 1 1 课题研究的目的 第一章绪论 随着木材资源的减少，木材的高效利用和加工自动化是木材加工技术发展的 主要方向。我国现有森林面积1 3 3 亿h m 2 ，森林蓄积1 0 1 3 亿m 3 ，仅次于俄罗斯、 巴西、加拿大、美国，居世界第五位。但按人均占有量计算，我国人均森林面积 0 1 | h m 2 ，只有世界平均水平的1 6 ：人均森林蓄积量为8 6 m ，仅及世界平均水平的 1 8 ，年人均消费木材只有0 2 2 m 3 ，而世界平均为0 6 5 m 3 。多年来，由于我国森林 被严重采伐，森林资源可采蓄积量锐减，木材的供应量远不能满足市场木材的需 求量。最近几年，我国木材进口的数量逐年增加，对木材的检测也是必不可少的 重要环节1 1 q 。 在木材的加工过程中，把原木锯成板材，板材是木材应用需求量最大的品种， 面板材表面存在的各种缺陷，直接影响板材的利用价值和经济价值，因而板材表 面缺陷是评价板材质量的重要指标之一。随着木材加工业向机械化、自动化的大 规模生产发展，对板材进行分选成为木材加工过程中的一个十分重要的环节，直 接影响木材的出材率和质量，人们对板材的加工质量，尤其是表面缺陷给予了越 来越多的重视，因而表面缺陷检测技术变得越来越重要。在我国的木材生产领域， 大部分生产还处在半机械甚至原始的人工生产状况，板材分选及产品分等主要依 靠人工视觉与经验，根据板材的颜色、纹理、色泽、板材的构造特性等来评价。 由于板材表面缺陷种类有多种，同类缺陷在大小和外观形态上也各有差异，这种 检测方式一方面不可避免人为因素的干扰，无法避免漏检、错检等情况的发生， 不能保证产品的高质量；另一方面，浪费大量的入力财力，提高了成本，降低了 竟争优势，还浪费了宝贵的林木资源1 o 】。 目前常用的检测方式包括人工检测、机械检测、射线检测以及机器视觉检测 等。其中，人工检测的效率低、质量差、工人劳动强度大，检测可靠性取决于许 多主观因素；机械检测通常是接触式检测，检测过程需要对被检测件进行位置调 浙江工业大学硕士学位论文 整，因而效率较低；射线检测可以实现高分辨率，但是结构复杂、造价高。这些 方法具有以下突出的弊端l - 1 3 】，即 1 抽检率低，不能1 0 0 反映板材表葱的质量，尤其是对于加工过程中产生 的大量非周期性缺陷存在漏检； 2 实时性差，远不能满足在线高速的生产节奏： 3 缺乏检测的一致性、科学性，检测的置信度低； 4 人工检测很容易造成误判和漏检 因而，适时地开展木材表面缺陷在线无损检测技术的研究工作，检测的实时 性、精确性、鲁棒性已成为国内外学者研究的热点。 1 1 2 课题的科学依据及意义 计算杌图像处理技术、计算机视觉和人工神经网络相结合，在本材加工中具 有十分广阔的应用前景，利用计算机来代替人力检测木材已经成为历史的必然。 将计算机视觉技术、图像处理技术、木材掘工技术和表面缺陷检测等技术有杌相 结合，应用于原木旋切加工、制材下锯和板材检测中，可以实现选择最佳加工方 法和在线实时控制处理，从而大大提高单板出板率，锯材出材率和板材检测的糖 度和速度。这对实现木材的优化利用和木材加工的自动化，郡具有十分重大的经 济效益和社会意义。近些年来，计算机视觉技术在木材加工中的应用越来越被重 视，如利用计算机视觉快速、准确获得原木端面精确定心，使得单板出材率提高 8 0 o , - - 1 5 ；获取原木的三维轮廓尺寸，这实现合理、优化下锯提供基本的依据；检 测板材表面粗糙度，实现准确而客观划分板材的等级等，以上例举的关于计算机 视觉在木材加工中的应用在技术上基本已趋于比较成熟。识别木材表面缺陷是计 算机视觉技术近几年发展起来的一个崭新的应用领域，表面的缺陷程度是影响原 木、板材分等和实现合理下锯的重要因素之一，是评估原木、板材质量的重要指 标，能直接影响木材的等级，厨时也反映可能使用韵加工方法的合理性。在生产 过程中，根据木材目标缺陷的检测分析可选择相应的生产工艺和加工方法，以提 高木材的出材率和自动化程度i ”j 。 依赖计算机视觉技术的处理过程，将计算机的快速性、可靠性和结果的可重 复性与数字图像处理技术相结合，运用图像处理技术进行图像的预处理和图像分 2 浙江工业大学硕士学位论文 割，而后提取分割图像的特征，运用这些特征参数建立缺陷识别的数学模型，结 合检测信号的特征，构造人工神经网络，选用反向传播神经网络模型( b p 网络) 与有效缺陷特征提取楣结合，具有自动化、客观、非接触、高精度和快速等特点， 可极大提高检测效率，具有广泛的应用前景，目前在发达国家已得到广泛应用， 但在国内的应用尚处于发展阶段l ”之o l 。 综上所述，通过计算机视觉技术、图像处理技术和神经网络相结合，开展板 材表面缺陷检测研究，促进木材的无损检测，具有重要的理论意义、广阔的应用 前景和良好的经济社会利益。 1 2 木材检测的研究现状 表面问题是现代科学技术的重要研究课题之一，它所包含的内容相当广泛， 从表面缺陷测量技术、表面粗糙测量技术、表面几何形貌参数之间的关系、表面 信息的计算机处理，表面新的加工方法、表面形貌功能到表面的各种物理、化学 和机械作用等许多科学研究中均有体现。而且表面问题的研究工作涉及许多学科 和技术领域，很多新理论、新方法和新技术都被迅速应用到表面问题的研究工作 中，并且其应用范围正在不断扩展，在木材表面问题的研究工作中，表面缺陷检 测技术一直占有重要的地位。在生产过程中，根据木材目标缺陷的检测分析可选 择相应的生产工艺和加工方法，以提高木材出材率和自动化生产的程序【2 1 捌。 木材无损检测技术是一门新兴的、综合性的木材非破坏性检测技术。从2 0 世 纪5 0 年代开始发展起来，近十几年才得到迅速发展阻捌。木材无损检测的主要方 法有： 1 、x 射线摄影检测法：主要原理是利用射线穿透不同木材部位时的吸收和衰 减效应的不同，并根据感光底片上的不同记录来分析和判断木材的某些性质。 2 、微波检测法：利用微波在不同介质中的传播速度和衰减速度的不同，研究 木材不同方向和不同部位的差异，常用透射、反射、定波和散射类仪器来检测。 3 、红外线检测法；利用木材中的极性基团或木材中的水分子对红外光能量的 吸收强弱来判断该物质的数量多少或疏密。 4 、超声波检测法：利用超声波在物质中传播会发生衰减的现象，且其纵波波 速与介质的密度、超声弹性模量的相关关系，在测量出超声波速度和后，推算出 浙江工业大学硕士学位论文 木材的弹性模量，并根据弹性模量与力学性质的正相关性，估算出被测木材的机 械强度。 5 、机械应力检测法：是采用机械方法施加恒定变形( 或力) 被测试材上，测 得相应的载荷( 或变形) ，由计算机系统计算出试材的弹性模量和抗弯强度，并 可用于成材的在线应力分析。 6 、振动检测法：根据木材试件的振动特性与弹性模量之间的相关关系，对试 件加横向振动的减幅率及质量，经计算机数据处理后显示出试材的弹性模量。 7 、冲击应力波检测法：利用撞击在木材或木质构件内部产生的机械波的传播， 并根据木质构件的弹性模量e 与应力波速度u 和木质材料密度d 之闾存在着如下 关系：e - - u 2 d g ，而通过测量应力波传播速度来确定木质材科的弹性模量，最终估 算出木质材料的力学强度。 8 、声发射( a e ) 检测法：木质材料受外力或内力作用产生变形或断裂时， 会以弹性波的形式释放出应变能，利用电子仪器应变能力反映的声发射信号并由 此判断木质材料内部的裂纹，缺陷、结构变化、破坏先兆等材料的内部动态信息。 9 、核磁共振法：利用木质材料内部的极性分子或水分子对核磁共振光谱的吸 收性质形成核磁共振谱图，或形成核磁共振光谱图象，从而非破坏地观察木质材 料内部的结构、缺陷或有价值的信息。 1 2 1 国外研究现状 近十几年，国外学者利用上述检测原理对木质试件进行非破坏测试研究，得 到如下一些主要研究成果1 2 9 - 3 6 j 。 通过研究纵波声速确定不同种类木材的物理、形态学及力学性质之间的相互 关系。研究确定木材超声脉冲传播速度与木材强度之间的相关关系，最终非破坏 地确定木材超声脉冲传播速度与木材物理、力学性质的关系 利用应力波检测成材强度的原理是，冲击成材端部并利用在工件内部所形成 的应力波来按比例参数自动计算和记录成材硬度和强度，并对其进行分等。采用 频谱分析器通过木材纵向振动测定木材的弹性模量。 利用有限分析法研究两种应力分等装置在估测木材弹性模量间的精度及影响 因素，指出支撑条件和木材端部性能对测试结果影响较大。 4 浙江工业大学硕士学位论文 利用测定打击问的频率计算木材的动弹性模量。其原理是，在一端打击木材 端面，从使其产生纵向振动，在另一端用传声捕捉器一声检偏振器测定其基本振 频。 根据木材弯曲、扭转复合振动可测定木材的弹性模量和剪切弹性模量。利用 纵向应力波法预测锯材和指接层积材的弹性模量和抗拉强度。 用有限元模型表示非均质锯材的动态特性，研究在应力分等机上的非均质锯 材动态特性，找出速度对测试准确度的影响。 利用应力波测定立木性质并对测定方法和应力波的传播途径进行研究，得到 如下结果： l 、可改进时间差测量的重复性； 2 、两个测量点之间的木材性质，可用测量的时间差来描述； 3 、测量的时间差受应力波传播途径的影响； 4 、可将测定时间差方法用于较大横切面的原木。 用几种无损检测技术测定成材弹性模量，并傲了对比试验，结果是所测的2 0 块成材试件的弹性模量与静曲m o e 比较，都有较强的相关性。 对提高应力分级的机械效率问题进行了研究，提出采用三种不同频率区域的 方法预测和改善木材应力分级过程，并得到了木材抗弯断裂模量与弹性模量的相 关系数。 利用纵振法测出的声固有频率和成材产品求出木材的弹性模量，通过近红外 线照射，对木材进行无损检测，研究其扩散反射、透过指向特性。 利用连续式强度测定仪测定板材的挠度并由该仪器计算出板材的静曲弹性模 量( m g e ) ，并在力学试验机上测量弹性模量( m o e ) ，两者的比较结果表明： 支撑状态对厚板材有影响，挠度越大支撑的影响越小，m g e 与m o e 线性相关。 其次，国外对木材表面缺陷无损检测目前还有超声波法、微波检测法、x 射 线检测法、核磁共振法、声学法和脉冲电阻法等。 应用超声波对木材缺陷进行检测已有4 0 多年的历史，它可以检测木材表面和 内部的腐朽、节疤、树脂、夹皮、孔洞等木材缺陷，其中美国、日本、德国在这 方面领先，德国在2 0 世纪9 0 年代应用o 5 m h z 超声波对1 8 7 r a m 厚的中密度纤维 板试件进行检测研究，得到木材缺陷位置的超声波图像，通过对图像进行分析， 取得了较好的检测效果，提高了锯材的出材率。随着无损检测技术的不断发展， 5 浙扛工业大学硕士学位论文 超声波检测仪向着小型化和自动化发展，美国、日本、德国等林业发达国家己研 制了检测木材性质或缺陷的便携式超声波探测仪。超声波虽然能快速、简便地测 定一些木材性质及缺陷，但由于木材结构的复杂性，应用超声波技术检测仍然存 在着需要解决的问题，如木材快速扫描以及木材与超声波探测头之间存在空气间 隙时，需要有良好的耦合计等。 微波检测法可以测定木材缺陷中的节疤、腐朽、开裂、边材和孔洞等，这种 检测方法可以实现木材快速检测，对操作者健康无害，占地面积小，成本低，容 易实现自动化。但由于用微波法检测木材缺陷及物理性质时，受到含水率的影响， 因此微波法用于野外树木性质检测的适应性与精度还有待进一步研究。 德国、美国、芬兰等国家的林业研究人员都相继进行了x 射线检测技术在木 材检测上的应用研究。目前，x 射线c t 扫描缺陷识别精度可达9 5 ，但其速度不 超过6 5 0 m m s ，被检测原木直径要求小于6 0 0 r a m 。虽然x 射线在木材性质检测上 应用广泛，但是由于其设备成本较高，而且需要保护措施，所以基本上还处于实 验室研究阶段。 核磁共振法可获得精确木材缺陷核磁共振图像的边界，在原木锯切之前查明 节疤等缺陷。 声学法是利用声波在木材中传播速度和阻尼的变化来判断木材的性质及缺 陷早在加拿大、德国、日本和美国应用声波发射技术检测木材早期腐朽情况； 脉冲电阻法是用脉冲电阻计测得立木脉冲电阻的变化，以此来判断立木的腐朽程 度。 1 2 2 国内研究现状 我国学者从8 0 年代初开始进行木材无损检测技术的应用研究，采用c j - 2 型 超声仪对l1 种木材超声弹性模量与强度性质的关系进行了研究 3 7 - 4 。 结果表明：木材顺纹抗压弹性模理和抗弯弹性模量与超声弹性模量的比值分 别为2 5 2 5 和2 1 2 5 ；木材弹性呈现定向异性；木材超声弹性模量与机械法测量的 木材弹性模量之间相关紧密。 采用脉冲冲声波法测量了木材的声速，并进行了力学强度试验，求得了两者 间的回归关系。利用国内现有设备开发了木材微密度软x 射线测量法，根据木材 6 浙江工业大学硕士学位论文 构造特点和微密度变化规律，采用了几种自动叛别方法，编制了计算机程序，用 于不同情况下边界位置的判别。 利用c j - 2 型超声波检测仪、示波器及自制的变检器等组成的木材超声检测系 统测试了红松、兴安落叶松、水曲柳和紫椴等4 种木材的顺纹和横纹的超声波传 播速度及超声弹性模量，并分析了超声检测值与木材顺纹抗压强度和横纹抗压强 度的相关性。 我国在2 0 世纪7 0 年代未期开始对应用x 射线检测木材缺陷进行初步研究， 先后应用x 射线对鱼鳞松、长白落叶松、杉木、水曲柳的微密度进行了研究，并 得出这4 种木材密度、轮宽、晚材率与轮龄的关系。在2 0 世纪8 0 年代，用x 射 线电视系统对木材腐朽进行检测，该方法利用x 射线在木材中衰减系数变化来检 测其腐朽程序，可以检测静止或移动的原木，原条及板方材内外腐朽和节子，但 难于分辨裂纹和夹皮，其检测速度仅为3 0 - - , 5 0 m r a i n 。同时，在木材物理力学性质 测定方面应用了超声波技术，并得出木材顺纹抗压弹性模量和抗弯弹性模量与超 声波参数之间的相关关系；并利用傅里叶变换( f f t ) 分析技术和微机技术开发了 一种关于木材弹性模量e 和刚性系数g 的快速测量方法。此外，我国应用超声波 等类似方法对木材缺陷的检测进行了初步的研究 4 2 - 4 5 。 1 2 3 检测技术在木材加工业的应用 从2 0 世纪5 0 年代开始木材无损检测技术逐步应用于木材加工中的自动检测， 这极大地提高了木材加工的自动化水平和生产效率。同时，由于检测水平的提高 也极大地提高了木材加工质量的监控水平，使加工质量得到可靠的保证。 木材无损检测( n d e ) 技术在木材加工业的主要应用有：结构成材力学分等， 成材力学应力分等( m s r ) ，成材力学评估( m e l ) ，超声波n d e 技术在木质复 合材生产中的应用，单板层积材( l v l ) 的分层检验，刨花板、中密度纤维板、 定向刨花板、胶合板的鼓泡检验，激光x 射线扫描系统( n d e ) 缺陷探伤检测， 应力波n d e 在木材结构方面的检验，声发射n d e 、振动法、应力波的测定。对木 材物理力学性质的在线无损检测：木材含水率、密度、力学强度及应力分等；对 木材缺陷的在线无损检测：木材纹理、木材节疤、木材腐朽、密度降低斜纹、起 毛起皱、表面及内部裂纹、孔洞、涂饰、胶合不良等缺陷；对人造板、结构材的 7 浙江工业大学硕士学位论文 缺陷和力学强度的在线无损检测等 4 6 - 4 7 。 可在制材生产线上对成材应力、材质进行按应力、材质分等。目前国外在成 材无损检测和分级分等方面主要采用的方法有：机械式连续应力无损检测( n d e ) 分级；振动法对成材弹性模量的无损检测，利用应力波检测成材强度，声发射木 材无损检测；超声波、x 射线检测木材缺陷等对木材按强度分级、分等。通过研 究发现，木材声学振动特性与弯曲弹性模量等力学性能相关。近十几年，国外采 用一些先进的在线成材无损检测技术，检测成材物理力学性质和木材缺陷，实时 对成材进行质量监测和按应力、质量分级、分等。成材在线无损检测技术符合规 模化和效益化的要求，是发展的必然1 4 8 - - 4 9 。 利用应力分等检测成材和人造板可提高生产效益数十倍，能可靠控制成材和 人造板质量，效益显著。在线无损检测具有检测误差低、分级速度快、稳定性好、 可重复性等特点，能减少成材和人造板的浪费，提高成材利用水平，使材尽其用， 提高木材机械加工的自动化水平，并为生产工艺过程的质量自动控制提供了必备 的条件。 我国制材和人造板生产有了长足的发展，无论生产规模还是自动化水平都有 了很大提高，但是在线质量控制体系还是一个空白，这在某种程度上影响了制材 和人造板生产的进一步发展，建立在线木材和木材质材料的无损检测系统已刻不 容缓。 国外学者已对无损检测技术用于木材力学性的在线自动检测系统和分级做了 大量研究，比较实用和有发展前景的有机械应力分级、应力波检测、超声波检测 等。这些检测方法都是利用实测木材的物理力学性能指标，并根据木材的物理力 学性有指标与木材基本力学性质的相关关系推算出实际成材的力学强度而进行分 级和分等。 1 2 4 木材检测技术的发展与展望 随着科学技术的发展，对木材、木质材料力学性质和材料表面及内部的缺陷 进行无损检测，是木材和木质材料传统测试技术的一次深刻革命。它建立在多学 科的高技术基础之上，可使成材和人造板等木质材料的质量控制得到跨越性的提 高，并为其生产过程的工艺窑和自动化提供必备的条件。 8 浙江工业大学硕士学位论文 目前。我们主要研究成材和人造板等木质材料的在线无损检测及应力分等， 在几种检测方法中探索一个较佳的方案，为我国的成材和人造板等木质材料的在 线无损检测及应力分等开辟一条新路，填补我国在此技术领域的空白。 成材和人造板等木质材料的在线无损检测及应力分等，能改变传统分等方法 的分等效率低、分等误差大等缺陷，有快速准确地对成材和人造板等木质材按应 力或强度水平进行区分、划等，提高材料的利用水平，同时也避免了因分等不准 造成材料的超值使用所带来的事故隐患。特别是对一些原本必须用破坏的方法才 能检测的材料性质，利用木材无损检测技术则将更加显现其优越性【5 2 1 。 面对森林资源不足、森林质量也不高的现状，如何合理利用、保护、发展、 增加资源，是缓解我国木材供需矛盾的根本措施。对立木生长特性进行无损检测 系统监控可控制和促进木材量和质的提高，制材前的形状、规格和缺陷等的无损 检铡可提高成材的质量控制水平，防止木材的人为浪费，同接节省了木材资源； 采用在线无损检测技术可节约锯材，即相对增加锯材使用量，具有显著的社会效 益和经济效益；木材、木质材料在线无损检测可提高生产效率，降低生产成本； 还可提高分级质量、节省前后工序的备料场地，使整个生产线更加畅通，提高了 整个生产线的自动化程度。另外，木材按力学性能分级、分等后进行干燥，干燥 时应力性质趋同，有利于干燥过程的控制，可使传统的含水率和时间控制基准向 应力控制基准过渡，进而缩短干燥时间，提高干燥质量，减少成本，提高效益。 综上所述，国内外利用物理的、机械的方法与原理，对木质材料的无损检测 研究已取得了一定成果。同时也发现这些方法的检测过程中在不同程序上的局限 性，受到内在的和外在的一些因素的影响。在计算机技术发达的今天，在本论文 中将探索利用计算机技术、机器视觉技术和图像处理技术等对木材的无损检测。 目前也有不少学者把数字图像处理技术、计算机视觉技术、人工神经网络理 论与方法应用于木材缺陷的检测中，将分形理论、小波多分辨率分析以及人工神 经网络模式识别技术相结合，研究木材表面缺陷的纹理分割、特征提取、模式识 别问题i 删。 但由于国内外自动检测设备开发商均将缺陷识别技术列为表面自动检测系统 的核心技术机密加以保护。因此该项技术公开发表的并不多，从目前的总体技术 水平来看，木材表面缺陷的机器视觉技术仍处于初级阶段，所提出的各种技术方 法均是针对特定类别即特殊的应用背景的，而且能识别的种类也十分有限，行之 9 浙江工业大学硕士学位论文 有效的方法和技术还需要迸一步的探索。 1 3 机器视觉技术及其应用 1 3 1 计算机视觉系统的概述 计算机视觉是- - i 1 边缘学科，涉及计算机、自动化、集成技术、光学、视觉 心理和生理、脑研究等众多领域，主要用计算机来模拟人的视觉功能，它从客体 的图像中提取信息，并对这些信息进行处理、再加以理解，包含了图像处理的绝 大部分内容，如图像的增强与恢复、模式识别等。此外还包括诸如边缘提取、图 像分割、纹理分析、形状分析、图像序列分析和三维景物分析的高层次视觉模型 和知识的表示、推理、知识库、人工智能等内容【5 7 1 。 由于计算机视觉技术具有非接触，获得信息量大、作用距离远等特点，特别 是随着计算机图像处理技术的不断发展，近几十年来，它在工业、农业、科学研 究、军事等各方面都获缛了十分广泛的应用。在工业检测中应用主要用于能够代 替人眼的计算机系统，在高速、大批量、连续自动化生产流水线，往往需要视觉 系统进行质量检查、零件辨识和尽寸测量：实际上，在发达国家，几乎任何产品 的生产，从半导体芯片到食品饮料，甚至人工钻石，都越发依赖视觉系统的应用， 可以用于基于图像处理技术的非接触精密测量，产品表面质量检测与监控、基于 机器视觉的工业自动化闭环控制、流水线产品外观质量检测设备、复杂形状非接 触精密测量设备。 1 3 2 机器视觉的原理 机器视觉是用计算机来分析从摄像头获得的图像的一种方法，主要研究用计 算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行和处理并加以理 解，最终用于实际铡量和控制。机器视觉技术是2 0 世纪7 0 年代在遥感图像处理 和医学图像处理技术成功应用的基础上逐渐兴起的，是图像处理的一个分支学科。 目前机器视觉技术己经在许多行业得到了广泛的应用，其中医学成像、汽车导航、 视觉测量、技术诊断等等方向发展的最快。 目前，工业视觉主要用于检测方面，包括用于提高生产率、控制生产过程中 l o 浙江工业大学硕士学位论文 的产品质量、采集产品数据。产品的分类和选择也集成于检测功能中。 一个典型的工业机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统、图 像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块和机械执行模块，如图1 1 所示。 被测目标 光源 光学成像 系统 图像采集 与数字化 控制执行模块 智能罔像处 理与决策 图l - i 典型工业机器视觉系统 上述系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。 首先选择适当的光源并以恰当的角度照射被测目标，然后采用摄像机获得被测目 标的图像信号，通过a d 转换将模拟信号变成数字信号传送给专用的图像处理 系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算来抽取目标的特征，然 后根据预设的判别准则输出判断结果，控制驱动执行机构进行相应处理。 1 3 3 机器视觉在质量检测中的应用 1 机器视觉技术的优越性1 5 蝴 由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设 计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视 觉系统广泛地用于成品检验和质量控制等领域。机器视觉系统的特点是提高生产 的柔性和自动化程度。在一些不适合人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满 足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中， 用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉来检测方法可以大大提 高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算 机集成制造的基础技术。总之，随着机器视觉技术自身的成熟和发展，可以预计 它将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的应用。 2 机器视觉工业检测系统类型1 6 l 删 机器视觉工业检测系统就其检测性质和应用范匿而言，分为定量和定性检测 浙江工业大学硕士学位论文 两大类，每类又分为不同的子类。机器视觉在工业在线检测的各个应用领域十分 活跃，如：印刷电路板的视觉检查、钢板表面的自动探伤、大型工件平行度和垂 直度测量、容器容积或杂质检测、机器零件的自动识别分类和几何尺寸测量等。 此外，在许多其它方法难以检测的场合，利用机器视觉系统可以有效地实现。机 器视觉的应用正越来越多地代替人去完成许多工作，这无疑在很大程度上提高了 生产自动化水平和检测系统的智能水平。 国外较早的开展了基于机器视觉方面的产品检测研究，目前机器视觉检测产 品在国外的生产线上得到非常广泛的应用，德国p a r s y t e c 公司研制的h t s - 2 冷轧 钢表面视觉检测系统已经应用于韩国浦项制铁公司，用以检测钢铁生产过程中的 冷轧钢板的表面缺陷；英国的e u r o p e a n e l o c t r o n i c s y s t e m 公司研制的热轧带钢机器 视觉表面检测系统，己在欧美主要的钢铁制造企业得到了应用。在美国，通用、 福特等汽车公司相继与美国的m i c h i g a n 大学合作，成功地研制了汽车零部件、分 总成和总成尺寸检测和控制的机器视觉检测系统，实现了加工过程中的工件和装 配系统的在线检测。 国内在机器视觉方面的研究也已经有多年，不过以前主要是做一些算法方面 的研究，一般是针对特定的检测目标，设计具体解决问题的算法。如今，国内一 些高校、研究单位以及公司开始转向实用型机器视觉系统的开发和研究。比如， 天津大学精密测试技术国家重点实验室相继成功研制了a u d i l 0 0 轿车侧围视觉检 测系统，i v e c o 车身激光视觉检测系统和夏利车身视觉检测系统，实现了总成车 身的三维尺寸的自动测量，取得了良好的经济效益。目前，在国内已经涌现出不 少专门面向机器视觉系统开发的公司如北京嘉恒中自、北京大恒、深圳视觉龙等 公司。但是与国外同类产品相比，国内厂家在技术上还是有很大差距，开发出来 的产品往往在精度和稳定性上不如国外同类产品，但产品的价格相对较低。 1 4 木材表面缺陷特征及存在形式 木材缺陷是指降低木材商品价值和使用价值的各种特征的总称，是降低商品 价值的非正常和不规则部分，是木材适用于某种特殊用途时的质量缺陷，它们会 降低木材强度，影响加工和装饰质量及外观。 我国国家标准有关木材缺陷的定义是：凡是在木材上降低其质量、影响其使 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 用的各种缺点均为木材缺陷，根据新颁布的国家木材标准，将木材缺陷分为下列 十大类删【5 2 】：节子、变色、腐朽、虫害、裂纹、树干形状缺陷、木材构造缺陷、 伤疤( 损伤) 、木材加工缺陷和变形，板材的缺陷主要包括节子、腐朽、裂纹和 夹皮、虫害和加工缺陷。如图l - 2 所示，是常见的板材缺陷。 图1 2 常见板材缺陷 节子是指包含在树干或主枝木材中产生枝条部分，有活节、死节、腐朽节、 漏节等，节子破坏木材构造的均匀性和完整性，不仅影响木材表面的美观和加工 性质，更重要的是降低木材的某些强度，不利于木材的有效利用。木材由于木腐 菌的侵入，逐渐改变其颜色和结构，使细胞壁受到破坏，物理、力学性质随之发 生变化，最后变得松软易碎，呈筛孔状或粉末状等形态，这种状态即称为腐朽； 腐朽严重影响木材的物理、力学性质，使木材重量减轻，吸水量大，强度降低， 特别是硬度降低较明显。通常褐腐对强度的影响最为显著；褐腐后期，强度基本 上接近于0 ，白腐有时还能保持木材一定的完整性。一般完全丧失强度的腐朽材， 其使用价值也就随消失：因各种昆虫害而造成的缺陷称为木材虫害，分表面虫跟 和虫沟、大虫眼和小虫眼三种，表面虫害和虫沟常可随板皮一起锯除，故对木材 的利用基本上没有什么影响；分散的小虫眼影响也不大；但深度在1 0 毫米以上的 大虫眼和深而密集的小虫眼，能破坏木材的完整性，并降低其力学性质；而且虫 眼也是引起边材变色和腐朽的重要通道。 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 本文要完成的工作 本课题的研究是浙江省教育厅资助项目。缺陷识别方法的研究是木材表面质 量在线检测系统中重要的研究课题之一，它的深入研究和实现将不断完善板材表 面缺陷的分类，对提高木板表面质量，增加木材加工业效益有着重要的意义。本 论文的主要任务是：结合木板材表面缺陷自身的特点，针对其识别方法作一些具 体的、探索性工作。 全文共分为六章，其主要的研究内容如下： 1 综述木材表面缺陷自动检测和识别技术及相关学科的研究现状和发展概 况，阐述论文的研究内容、目的，选题依据及意义。 2 设计板材表面自动检测系统，详细描述该系统的硬件组成。 3 图像的特征提取是模式识别的前提，尝试图像处理的各种算法，对图像进 行增强、平滑、图像分割及边缘检测等处理，为图像的识别提供前期处理。 4 在模式识别过程中，结合板材表面缺陷复杂多变的特点，引入基于人工神 经网络的分类算法，以颜色特征为分类，构建板材表面缺陷的识别算法，重点论 述的对缺陷分类识别的实现过程及方法，并对实验结果进行了分析与讨论。 文章最后总结论文的主要工作及取得的研究成果，并对木板材表面自动检测 系统和缺陷识别算法的进一步研究提出作者的一些建议。 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 第二章木材表面缺陷识别的硬件系统设计 2