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青岛科技大学研究生学位论文 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 摘要 使用x 光机对轮胎进行检测，已作为质量控制的有效手段被国内外的厂商广 泛采用和证明。在国内长期以来，人们一直是凭肉眼对轮胎图像进行检测，此方 法重复一致性差、人力资源耗费量大、无法很好的满足企业信息化管理的要求。 本文所作的工作就是要研究出一套算法，可根据轮胎的x 光图像对轮胎的各种缺 陷进行自动判别，实现无人值守的检测，解决人眼检测所带来的一系列问题。目 前，国外的厂商已推出了产品化的全自动轮胎检测系统，而国内却没有此类的研 究，我们的工作将填补国内该领域的研究空白，并致力于实现轮胎自动检测产品 的国产化。 本文主要研究了实现自动检测各种轮胎缺陷的一系列算法。首先对得到的轮 胎图像进行一系列预处理，包括检测窗口的选取、图像增强等。然后，本文提出 一种改进的基于一维投影的快速匹配算法，将其应用到轮胎缺陷的自动识别中 去，并提出一种新的基于局部不变特征的直方图相关匹配算法，通过此方法完成 对边部劈缝的自动识别。接下来，针对可能存在缺陷的胎侧部位图像，利用提取 到的图像特征及各种缺陷的自身特点来对缺陷进行定性、定量分析。最后对轮胎 质量给出判断结果，并把存在缺陷部位的图像在图中加以标记显示。 研究中使用v i s u a lc 弹n e t 语言搭建了测试平台，以大量的实际图片进行了 仿真试验，得到了较为令人满意的结果。文中给出了针对各个轮胎缺艏的仿真结 果及相关数据。 经实验证明，本文提出的轮胎各种缺陷的自动检测算法是有效的，它可寻找 出所有存在缺陷的部位，并可对部分常见缺陷的种类及缺陷程度给出较为准确的 判断。 关键词轮胎x 光图像自动分析图像处理图像匹配 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 r e s e a r c ho fa u t o n 唆r i ct i r ex r a y i m a g ea n a l y s i sa l g o r i t h m a b s t r a c t i ti sb r o a d l yp r o v e dt h a tx - r a yi se f f i c i e n ti nt i r ei n s p e c t i o ni no r d e rc o n t r o lt h e q u a l i t y i n s p e c tt i r e su s i n gn a k e de y e si sl o n g s t a n d i n ga th o m e ，w h i c hc o u l dm a k e p o o rc o n s i s t e n ta n dr e p e a t a b l er e s u l t ，m a n p o w e rw a s t ea n dc o u l dm a k ei th a r dt oi n - f o r m a t i o nm a n a g e w ep r o p o s ea n o v e la l g o r i t h mt os o l v es u c hq u e s t i o n sa n dm a k et h e i n s p e c t i o np r o c e d u r ew i t h o u to p e r a t o ri n t e r v e n t i o n a tp r e s e n to v e r s e a sm a n u f a c t u r e s h a v ea l r e a d yd e v e l o p e dt i r ea u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e m ，b u tt h e r ei sn o n es u c hr e s e a r c ha th o m e o u r j o bw o u l df u l lu pt h eb l a n k ，i nt h a tf i e l d t h i sp a p e rm o s t l ys t u d i e dh o wt oi n s p e c tt i r e s d i s f i g u r e m e n ta u t o m a t i c a l l yb yu s - i n gt h et i r ex - r a yi m a g e f i r s t l y , p r e p r o c e s s i n gt h ei m a g e ，s u c ha ss e l e c tt h ei n t e r e s t i n g a r e aa n di m a g ee n h a n c e m e n t a n dt h e n , w ep r o p o s e dan o v e lo n ed i m e n s i o np r o j e c t i v e b a s e df a s ti m a g em a t c h i n ga l g o r i t h mt oi n s p e c tt i r ed i s f i g u r e m e n t s an o v e li m a g e m a t c h i n ga l g o r i t h mb a s e do nl o c a li n v a r i a n tf e a t u r ea n dh i s t o g r a m - b a s e ds i m i l a rd i s t a n c ei sa l s op r o p o s e dt oi n s p e c td o ge a r s t h en e x t ，a i ma tt h ea r e aw h i c hp r o b a b l y c o n t a i n sd i s f i g u r e m e n t s ，t a k eu s eo ft h ee x t r a c t e df e a t u r e sa n dt h ef e a t u r e se a c hd i s f i g u r e m c n th a st od e t e r m i n ew h i c hk i n do f d i s f i g u r e m e n ti ti s f i n a l l y , e s t i m a t et h ed e g r e e o f t h et i r e s ，a n dm a r kt h ea r e aw h i c ht h ed i s f i g u r e m e n te x i s t s a g r e a ta m o o a l to fi m a g e sa r eu s e dt ot e s tt h ea l g o r i t h mb a s e d o nt h ef r a m e w o r k p r o g r a m m e db yv i s u a lc # n e t , a n da 1 1g e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h ee m u l a t i o nr e s u l t s o f e a c hd i s f i g u r e m e n ta r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e n i ti sp r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mw ep r o p o s e di se f f i c i e n tt oi n s p e c tt h et i r ew i t h o u t o p e r a t o ri n t e r v e n t i o n s o m eo f t h ec o m m o nd i s f i g u r e m e n t sa r ew e l lr e c o g n i z e d k e yw o r d st i r ex - r a yi m a g e ，a u t o m a t i ca n a l y s i s ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g e m a t c h i n g i i 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题背景 l 前言 1 1 1 国内轮胎厂的发展情况 随着我国高等级公路发展加快和西部大开发战略的实施，国际汽车制造业、 工程机械制造业以及拖拉机制造业均看好中国市场，纷纷将制造基地移师我国， 为我国轮胎工业提供了难得的发展机遇和广阔空间，2 0 0 2 年终于引爆了中国轮胎 市场新热点。全年的轮胎市场火爆空前，子午胎、工程胎和大型农业轮胎供不应 求，全国轮胎总产量突破了1 2 5 亿条，跃居世界第二位，出口量接近总产量的 1 3 ，进入了轮胎出口大国之列。 据有关部门近年来统计，考虑到我国部分轮胎企业的新生和退出行业的实际 情况，估计目前生产轮胎的企业还要有3 0 0 家左右，其中山东省轮胎生产企业就 有2 0 0 余家，青岛双星也从原来的制鞋企业向子午胎生产企业转型，这样一来， 仅青岛就有黄海轮胎、赛轮、双星轮胎这三家规模较大的轮胎生产厂家。 子午化、无内胎化、扁平化已是当今世界轮胎发展的趋势。子午线轮胎具有 高速、安全、节油、耐磨、行驶里程高等优点，是子轮胎工业的发展方向。1 9 9 9 年世界轮胎产量1 1 亿条，其中8 5 为予午线轮胎。西欧国家轮胎子午化率己达 1 0 0 ，美国、日本等发达国家也达到9 0 以上，韩国为8 5 ，拉美及原独联体 国家为6 0 。2 0 0 0 年全世界子午化率超过9 0 ，其中轿车胎基本实现子午化，载 重胎子午化率也达到6 0 以上。我国轮胎产品结构也在相应发生变化，斜交轮胎 所占的比例呈下降趋势，而子午胎的走势看好，发展速度大大加快。 在我国子午胎领域中，子午线载重轮胎和子午线轻卡轮胎3 年来也呈现出直 线上升状态。子午线载重轮胎的产量3 年时间增长了2 1 倍，子午线轻卡轮胎的 产量3 年时间增长了1 6 倍。另外，子午线轿车轮胎的产量2 0 0 1 年有所下降，2 0 0 2 年缓慢上升。2 0 0 2 年1 1 月2 7 日国内首条2 3 5 r 2 5 全钢丝子午线工程轮胎在三角 轮胎股份有限司试制成功，在2 0 0 3 年形成1 0 0 0 0 条生产能力，开创了我国生产 大规格全钢丝予午线工程轮胎的先河。 1 1 2 国内外x 光机的应用情况 子午线轮胎各部件定位要求有很高的准确性，这直接关系到轮胎的整体安全 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 性能。单层胎体的全钢丝载重子午胎更是不允许有任何的结构缺陷，如有轻微的 胎体排列变稀就有可能导致其实去使用价值，因而轮胎自动x 光机就成为子午胎 生产厂家必选的成品检验设备。它不仅可以挑出不符合技术要求的成品，减少用 户对质量的投诉、提高厂牌的声誉，而且还可及时反馈出制造工艺的缺陷，为及 时改进工艺、减少损失提供可靠的依据。今天，用x 射线对轮胎进行检测，作为 质量控制的有效手段被国内外的厂商广泛的采用和证明。以青岛的三大轮胎厂一 黄海、双星及赛轮为例，在其硫化车间中都配置了x 光机检测设备，并对每一条 全钢子午胎在出厂前都进行了x 光检测，以控制产品质量。 目前，国内的厂商大都是用国外生产的x 光检测产品，较为常见的品牌有： 德国的科尔曼( c o l l m a n n ) 、丹麦的依科视朗( y x l o n ) 等。 1 1 3 国内外轮胎x 光图像处理软件发展及应用现状 目前，国外的厂商已推出了较为完善的全自动轮胎检测系统，可根据轮胎图 像自动对轮胎质量做出检测判断。下面以依科视朗公司的轮胎x 光图像自动缺陷 识别系统( a u t o m a t i c x - r a y i n s p e c t i o i ls y s t e m f o r t i r e s ，a x i s ) 为例来介绍国外全 自动轮胎检测系统的研究现状。 图l - la x i s 的结构 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f a x i s 图1 1 显示了a x i s 系统的结构示意图。该系统由普通x 光机图像获取系统、 a x i s 计算机和可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r , p l c ) 构成。 图像获取系统的工作原理将在后面的章节中说明。图像显示计算机在获取图像的 同时，将图像信息传递给a x i s 计算机进行缺陷的自动识别，根据识别的结果， 由a x i s 计算机向p l c 发出状态信息，p l c 根据预先设定的程序，对轮胎进行分 2 青岛科技大学研究生学位论文 捡、标记等控制。 a x i s 有以下几个方面的优点： ( 1 ) 全自动的轮胎检测； ( 2 ) 无需操作人员参与即可对合格与不合格的轮胎进行分捡； ( 3 ) 可进行连续的、可重复的检测，保证轮胎质量的稳定性： ( 4 ) 用户可对检测参数进行设定，以适应对各种型号轮胎的多质量等级的自动 检测； ( 5 ) 实时性好，在装载下一条轮胎及其图像显示的过程中，即可完成上条轮 胎的检测，可满足批量检测的要求。 a x i s 的检测内容包括对胎冠、带束层、胎侧、子口包布和胎圈5 个部位的 多项检测，具体到缺陷的种类，如边部劈缝、含有杂质、帘线排列不规则、缺少 帘线等各种常见的轮胎缺陷。 相比较而占，国内对轮胎用x 光机图像处理技术的研究还很少。现有的研究 大多仅局限在x 光机硬件的设计研发和图像的获取上，而关于通过图像处理来自 动完成对轮胎质量的定性、定量分析的研究则可谓是凤毛麟角了。 从购买使用产品方面来看，尽管国外的软件厂商早已对轮胎自动检测软件进 行了大量的研究，但这仍是一项新的技术，软件产品也刚刚投入市场，这方面的 研究也日益得到人们的关注。在国外，通过软件对轮胎缺陷进行识别来取代传统 的肉眼识别以控制产品质量已经成为一种趋势，有越来越多的轮胎生产厂商将轮 胎缺陷自动识别软件作为标准配置来使用。而对于国内的轮胎生产厂商来言，若 想要采用轮胎缺陷自动识别这一技术，只能向国外的厂商购买。而方面，现有 的自动轮胎检测系统价格比较昂贵，这在很大程度上限制了该系统在国内的应用 ( 根据2 0 0 6 年5 月的报价，此系统软件价格为1 0 余万欧元，而国内3 0 0 余家轮 胎生产企业由于价格原因未有一家引进使用) ；另一方面，国外此类系统的开发 企业对中国市场并不十分重视，系统软件没有进行汉化，而是采用纯英文操作界 面，操作相对复杂，这就对操作工人提出了较高的要求，这也不利于其在国内的 推广与应用；还有方面的原因是国内还没有关于轮胎质量的国家标准，大多数 企业对轮胎质量的等级判定没有一个明确的量化标准，从而也影响了此类软件的 推广和使用。由于上述的原因，国内几乎没有企业对此系统进行引进，绝大多数 的国内厂商，现在都是在利用肉眼进行轮胎质量的判断。 1 i 4 实现轮胎自动检测的意义 选择这个方向作为我们的研究课题有着重要的实用价值及理论意义： 第一，促进轮胎用x 光图像自动识别技术的国产化，减少企业生产成本。目 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 前，国内轮胎用x 光机图像处理及自动识别这一领域很少有人涉足，国内厂商若 想采用此技术，只能依靠从国外引进，并要支付高额的购置费用，无形中提高了 生产成本。通过本课题的研究，希望能掀起国内关于轮胎x 光图像的研究热潮， 将有望实现国内轮胎用x 光图像自动识别软件零的突破，将科学技术转化为生产 力，降低企业的生产成本。 第二，提高经x 光检测后的轮胎质量可信度，有助于提高企业产品的质量。 以往国内的生产厂家由于价格因素的制约，大都采用人眼对轮胎x 光图片进行判 别，在对轮胎质量、缺陷做出评断时，难免会掺杂一些主观因素，例如操作工人 的工作经验、责任心、工作疲劳程度等都会对其判断产生影响；而且对于一些量 化较细的判断标准，例如杂质大小、帘线间距等，操作工人只能对它进行粗略的 估计，这些都使轮胎质量的可信度大打折扣。通过本课题的研究，希望能提出有 效、可靠的缺陷识别算法，避免人为因素对质量判断的影响，确保检测结果的重 复一致性。 第三，减轻x 光机操作人员工作强度。人眼判别轮胎图像是一件十分费神的 工作。轮胎经过x 光照射，所产生的图像是一行行在屏幕上滚动显示的，显示整 幅图像仅约1 0 秒，而且有些缺陷，如边部劈缝的程度、杂质的大小等，需要认 真判断，这就要求操作人员必须时刻保持专注，以确保得到可信的判断结果。本 课题中所立志研制的系统，检测过程中无需任何人员的参与即可自动判断出缺陷 部位及缺陷种类，并可对缺陷部位进行标识，这样可大大降低机操作人员的工作 强度。 第四，实现轮胎产品的质量和缺陷自动统计，为轮胎生产厂家改进工艺提供 依据，辅助生产销售管理。使用轮胎匿像自动识别系统，可自动记录所检验轮胎 的质量等级，并对出现的缺陷进行分类统计。记录每天检验轮胎的条数，以及存 在缺陷的轮胎条数，为生产管理提供部分依据。 1 2 轮胎x 光图像自动识别综述 1 2 1 轮胎x 光图像的获取及图像特征描述 以依科视朗( y x l o n ) 公司产品l b a 2 0 0 6 轮胎专用图像系统为例，轮胎x 光图像获取系统主要由周向( 2 7 0 0 ) x - r a y 管头、标准1 6 位a d 转换部件、供 电装置、计算机接口电缆和专用计算机接口板( 1 0 0b a s et - l a nc o n n e c t i o n ) 以 及弧型线性阵列检测器( l d a ，l i n e a rd i o d ea r r a y ) 组成。其工作方式如图1 2 4 青岛科技大学研究生学位论文 所不。 检测时，周向x 射线管伸进轮胎中部，线阵列检测器移动到如图1 2 的环绕 轮胎的位置，轮胎支架驱动轮胎进行匀速的转动。线性阵列检测器表面的荧光屏 ( s c i n t i l l a t i o ns c r e e n ) 接受穿透了被测轮胎的x 射线的能量，发出可见光，感光 二极管阵列( d i o d ea r r a y ) 受到可见光的照射，产生电压信号，该信号经过a d 转换部件的处理变成1 6 位的数字信号，并通过计算机接口电缆和专用计算机接 口板传送给计算机，将这行图像在显示器上显示出来。轮胎支架驱动轮胎转过 一个角度，重复以上的过程。随着轮胎的转动，每次获得的轮胎图像也在显示器 上滚动显示出来，最终显示整幅图像。轮胎转过3 6 0 。，扫描过程结束，计算机对 每次得到的数据进行重建，得到整幅轮胎x 光图像，并以用户选择的图像格式 ( b m p 或t i f ) 对图像进行保存，保存的图像尺寸为1 5 3 6 x 3 6 0 0 ( 自动模式下) 。 在人工操作的情况下，由于操作工人控制的原因，轮胎可能转动的角度不是3 6 0 0 ， 因此产生的图像尺寸会随角度的变化而有所改变。 图1 2图像获取系统工作方式示意图 f i g u r e1 - 2i m a g ec a p t u r es y s t e m 困l - 3 轮胎各部位名称示意图 f i g 1 3s t r u c t u r eo f t h et i r e 5 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 图1 3 是一条合格轮胎x 光图像的一部分，为了方便理解，本文中涉及的关 于轮胎结构的几个专业名词在此图中给出了简单的标注。需要注意的是，由于轮 胎整个胎体的厚度是不同的，自胎肩向胎圈先逐渐变薄又逐渐变厚，直接由图像 采集系统采集到的图像在胎侧与胎圈的交界处附近是十分暗的，为了便于观察， 在这里展示的图像都已事先按区域( 左、右胎圈，左、右胎侧和胎冠) 进行了亮 度的调整。 1 2 2 通过x 光检测的主要轮胎缺陷描述 ( o - ) ( b ) ( c ) ( e ) ( d ) ( f ) 图l _ 4 典型的轮胎缺陷 f i g 1 - 4t y p i c a lb u go f t i r e ( a ) 帘线间距过大( b ) 帘线交叉( c ) 帘线弯曲 ( d ) 2 # 带束层边部劈缝( e ) 胎侧杂质 ( f ) 胎侧气泡 根据某轮胎生产厂商2 0 0 4 年9 月1 日实施的轮胎成品检验标准，轮胎的 x 光检测主要包括带束层x 光检测、胎体x 光检测和胎圈x 光检测三部分，所 涉及到的轮胎缺陷共计3 0 余种。轮胎质量依标准分为一级质量产品、次品和废 青岛科技大学研究生学位论文 品。以下是在检测过程中经常会出现的几种缺陷：缺少帘线( 帘线间距过大) 、 帘线断头、帘线交叉、帘线弯曲、边部劈缝、杂质和气泡。上述几种缺陷，有些 可能会在轮胎的多个部位出现，如“边部劈缝”，就可分为“胎圈部位边部劈 缝”以及“胎冠带束层部位边部劈缝”两种。图1 - 4 给出了部分缺陷的图像。 需要特别说明的是，x 光检测设备并不是专业用于气泡的检测设备，但某些 气泡，如胎侧气泡，在x 光检测过程中可以被发现，所以本文也针对其识别算法 进行了研究。 1 3 对轮胎x 光图像自动识别的要求 为了满足企业实际生产的需求，轮胎图像自动识别系统应具备以下特性： ( 1 ) 实时性，即要求在本条轮胎开始检测到装载下一条轮胎这一过程内，对轮 胎质量做出等级评定。 ( 2 ) 薰复一致性，即要求同一条轮胎在不同时刻下的检测结果保持一致，确保 检测结果的准确。 ( 3 ) 判断标准的灵活性，即要求可以通过对某些参数的设置来改变系统的正、 负误识的概率，以满足不同的检测要求。 ( 4 ) 通用性，即要求只要通过简单的参数和设置的修改，就可以完成对多种不 同规格和型号的轮胎的自动检测。 1 4 轮胎x 光图像自动识别研究中存在的难点 首先，由于在图像的获取过程中( 包括l d a 电压信号产生过程、w d 转换 过程和l d a 到计算机的信号传输过程) 系统会受到干扰和硬件设备本身固有的 原因以及轮胎自身结构特点( 胎体厚度不一致) 等多方面的原因，轮胎x 光图像 具有明显的水平方向照度不均匀的特点，而且此因素的影响通常是无法完全估计 的，从而无法通过建模来消除，只能通过噪声处理尽量减少此影响。由于这种水 平照度的不均匀，给图像的自动识别工作带来了一系列的困难，例如照度的不均 匀会影响通常的图像匹配算法的匹配精度、会影响二值化图像时阈值的选取等。 其次，经过统计，工人从x 光机的轮胎支架上移除前一条轮胎并装载下一条 轮胎的过程总共用时约为1 5 秒，从轮胎装载好到x 光机获得一幅完整轮胎图像 所用的时间约为1 0 秒，这就使得系统必须具有快速识别的能力，以便在这2 5 秒 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 钟之内对轮胎质量进行定性和定量的判断。怎样找到一系列快速、有效的识别算 法成为了工作中的又一难点。 还有，在实际检测中，前面提到的几种常见缺陷可能在轮胎各个部分中分别 或同时出现，且缺陷的程度也各不相同；即使对于统一规格的同样是合格品的轮 胎而言，其图像也存在着干差万别，不可能完全相同。这些也为算法的设计带来 了困难。 1 5 本文提出的自动识别算法的结构 由于现在国内轮胎生产厂商所使用的轮胎x 光机都已经具备了图像的采集 以及显示方面的基本功能，研究中可从系统中获得已采集好的图像直接加以利 用，所以本文只围绕着如何实现轮胎缺陷的自动识别来进行研究，而省略掉了有 关图像获取、图像显示性能的改善等方面的工作。本文提出的轮胎缺陷自动识别 算法的结构如图1 - 5 所示，主要分为以下5 个部分： 获取的轮胎图像 国1 5 轮胎缺陷自动识别算法流程图 f i g 1 5t i r eb u ga u t o m a t i ci d e n t i f ya l g o r i t h mf l o wc h a r t 8 青岛科技大学研究生学位论文 ( 1 ) 图像预处理阶段。主要实现图像处理窗口的划分、图像噪声处理和图像对 比度增强这三个方面的功能。 ( 2 ) 轮胎缺陷粗匹配阶段。主要通过图像匹配的方法以合格轮胎的x 光图像为 模板，采用本文中提出的一维投影与简约k m p 算法相结合的灰度匹配方法，对 各个处理区域进行搜索，寻找出不匹配的区域，将其记为缺陷可能存在区域，以 进行进一步的判别。 ( 3 ) 图像分割及特征提取阶段( 本阶段主要针对胎侧部位进行) 。对粗匹配阶 段找到的缺陷可能存在区域图像进行二值化处理，并提取感兴趣的特征，以用于 下阶段的缺陷种类及缺陷程度的判定。 ( 4 ) 缺陷判定阶段。对于胎侧部位所存在的缺陷可根据图像特征以及各个缺 陷自身的特点，来对缺陷的种类以及缺陷的程度( 轮胎等级) 进行判定；而对于 胎冠部位和胎圈部位的缺陷( 主要是边部劈缝) ，则采用直方图相关匹配方法进 行判断。 ( 5 ) 识别报告及缺陷部位显示。对轮胎质量的判断给出结果，并将存在缺陷部 位的图像在图中加以标记显示。 1 6 本论文的创新之处 本论文的创新之处主要体现在研究对象和理论创新两方面。 从研究对象上看，对轮胎x 光图像的研究在国内尚属首次，直至本论文交稿 之日，国内仍没有出现其他作者的同类研究成果或相关的报道。本课题将传统的 图像处理理论应用到一个新的领域，该研究填补了国内轮胎缺陷自动识别研究的 空白，指出了工业上机器视觉领域的一个新的发展方向。 从理论创新方面来看，本文一是改进了基于一维投影的图像匹配算法，将孙 远、周刚慧、赵立初【i 】等人提出的一维投影匹配方法与简约k m p 算法相结合，并 对特征字符串进行了细化，降低了粗匹配过程中的正误识率，从而提高了匹配的 精度，缩短了匹配的时间。本研究中将改进后的算法灵活应用到轮胎图像的粗匹 配上，得到了较好的实验结果。 二是提出了一种新的基于局部不变特征的直方图相关性匹配算法。该算法利 用l e iq i n 和w e ng a o 2 l 所提出的角放射分割强度直方图( a r p i h ) 作为图像描述 子，提出了基于直方图相似性的度量函数直方图相似距离( h i s t o g r a m - b a s e d s i m i l a rd i s t a n c e ，h s d ) ，将二者联合起来，以实现对旋转图像、仿射图像、噪声 污染图像以及小范围内亮度变化图像的快速匹配。独立的直方图匹配方法是有其 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 局限性的，因为对于两幅完全不同的图像，其直方图也有可能是完全相同的，所 以它仅适用于目标较大、背景简单的图像的匹配，尤其适用于对已知的一系列图 像求取图像中目标的移动位置、目标的增加或减少的情况。而通过a r p i h 的使 用，增加了像素点区域位置的描述，可弥补单独使用直方图匹配的缺陷。但由于 轮胎边部劈缝缺陷的识别中仅需要对固定区域的图像进行匹配，所以本文中对它 的自动识别采用了单一的直方图匹配算法，也取得了令人满意的结果。 三是利用了区域内灰度相似性的原理，并结合区域生长等原理，解决了胎侧 气泡识别这一典型的低光照对比度弱目标的提取问题，从而分割出气泡图像，并 对其大小进行了估计，完成对轮胎等级的判定。 1 7 本论文的结构 轮胎图像自动识别系统涉及的概念范围广，技术众多，研究内容纷繁复杂， 实现手段既包括看得见的各种硬件设备，也包括软件系统的编写，如图像获取系 统、外设接口的通讯系统、控制界面、缺陷识别算法等。本论文的研究重点放在 各个缺陷自动识别算法的设计实现上。 第1 章主要介绍了轮胎图像自动识别系统的一些相关内容，以及目前国内外 对此系统的研究和应用情况；简要介绍了本文中涉及到的部分轮胎常见缺陷；说 明了本研究的重要性、实际检测中对本系统的要求以及本研究中存在的难点。 第2 章讨论了本系统中所需的图像预处理，包括图像处理窗口的选取、图像 噪声处理和图像对比度增强三个方面的内容。文中对常见的图像去噪方法进行了 分类介绍，并着重介绍了本研究中使用的基于二进小波变换的图像去噪方法。 第3 。章主要介绍了基于图像匹配的缺陷自动识别算法。包括：对现有的基于 灰度相关的匹配算法及现有的基于特征的图像匹配算法的介绍；提出了一种新的 基于一维投影和简约k m p 算法的快速匹配算法，并将其应用于对轮胎各部位的 多种缺陷的自动识别中；提出了一种新的基于局部不变特征的直方图相关匹配算 法，并在后面的章节将其应用于胎冠和胎圈部位缺陷的自动识别中。 第4 章介绍了现有的图像特征提取的方法，着重介绍了本文中所使用的特征 提取算法，包括图像二值化方法、图像的细化及孤立点的去除方法。 第5 章主要讨论了利用前面所提取到的特征根据各个缺陷自身特点来确定各 个缺陷种类和缺陷程度的算法，包括对杂质和帘线断裂、帘线弯曲、帘线间距过 大( 缺少帘线) 及胎侧气泡的识别。另外，还介绍了利用直方图相关匹配算法对 边部劈缝的t 别方法。 i o 青岛科技大学研究生学位论文 第6 章是测试的结果，分别给出了算法各个步骤中的些有代表性的处理结 果，以及利用以v i s u a lc 撑n e t 语言编写的测试平台对各种缺陷的测试结果，并 给出了相关的实验数据。 第7 章总结了本文提出的轮胎缺陷自动检测算法的优缺点，并指出了将来研 究的主要发展方向。 1 8 工作完成情况 本论文主要完成了以下几项研究： ( 1 ) 深入研究了图像去噪的各种方法，着重学习了基于小波变换的图像去噪方 法，并将它应用于轮胎图像的噪声处理中去。 ( 2 ) 深入研究了图像匹配的方法，包括基于相关性的匹配、基于特征的匹配以 及基于变换域的匹配的一系列相关算法，并在现有理论、方法的基础上，提出了 改进的基于一维投影和简约k m p 算法的快速匹配算法和基于局部不变特征的直 方图相关匹配算法，并将其运用到轮胎缺陷自动识别的算法研究中去，取得了较 为满意的结果。 ( 3 ) 深入研究了图像分割以及特征提取的理论及方法，并将其运用到轮胎图像 的分割、帘线特征的提取等多个方面。 ( 4 ) 提出一套算法，可以根据图像自动找出有缺陷的轮胎以及缺陷所在的部 位，可将存在缺陷的部位进行突出显示。 ( 5 ) 提出一系列算法，可对某些常见缺陷进行定性和定量的识别，即对缺陷种 类的识别和对缺陷程度的识别，例如对轮胎帘线的排列情况的自动识别、对存在 杂质及气泡的自动识别和边部劈缝的自动识别等。 ( 6 ) 以v i s u a lc # n e t 语言编写了测试平台对提出的算法进行了测试，给出了 实验结果以及试验结果的相关数据。 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 2 1 图像处理窗口的划分 2 图像的预处理 从图1 3 中可以看出，由图像获取单元直接得到的轮胎图像包含了轮胎从一 侧胎圈到另一侧胎圈的全部图像，而在自动识别过程中，由于要利用各个部位的 不同特点，所以需要对整幅图像按照区域进行划分。 在这里，我们按照轮胎的各个部位来对区域进行划分，共划分为5 个区域， 即：左侧胎圈、左胎侧、胎冠、右胎侧以及右侧胎圈。各个区域的大小由统计分 析得到，其大小会因轮胎型号规格的不同而不同。 需要注意的是，由于轮胎个体的差异，每条轮胎个体的部位划分在图像上看 来并不是完全一致的，总会有一定像素的误差；再者由于某些缺陷可能出现在两 个区域的边界位置，如杂质、边部劈缝等，为了减少由区域划分而引起的缺陷区 域不完整的可能性，在区域划分时需要对每个区域边界留有一定像素的重叠区 域。 2 2 图像去嗓处理 2 2 1 图像去噪方法概述 x 光圈像获取系统产生的图像通常存在由随机干扰等因素引起的噪声，为了 进行下一步的图像分析处理，图像去噪处理是一步很重要的预处理工作。 图像去噪处理技术是图像处理领域的一个热点问题，方法有很多，根据文献 3 】将其分为空域方法、频域方法和数学形态学方法三大类。空域方法中主要包括 利用均值滤波器( 平滑化) 去除噪声、顺序统计滤波器( 如中值滤波器) 去除噪 声、自适应滤波器去除噪声。频域方法中主要包括利用带通、带阻、陷波滤波器 消减周期性噪声。数学形态学去噪声方法则主要用于二值图像的噪声处理，它是 反复利用膨胀、收缩两种处理方法，对黑色和白色噪声进行消除。 近些年人们不断对图像去噪方法进行研究，提出了大量新的方法。文献 4 】 中对自适应模糊多级中值滤波技术进行了改进，其结果在斑点噪声滤除与细节保 护方面均优于标准的中值滤波、多级中值滤波以及形态滤波。文献【5 】提出了一种 1 2 青岛科技大学研究生学位论文 由局部曲率控制的进化方程，以此对图像进行去噪声处理，能够较好的保留图像 的特征，以便于图像分割。h a oz h a o l 6 j 等人提出种先利用独立成分分析 ( i n d e p e n d e n tc o m p o n e n t a n a l y s i s ，i c a ) 对噪声信号进行分析，然后通过小波域 阈值去噪来实现图像去噪的方法，取得了一定的效果，但该方法在如何更有效地 运用i c a 方面还有待进一步的研究。 基于小波变换的图像去噪方法已成为了近期国内外学者的研究热点，并有大 量的相关算法被提出。基于小波变换的去噪方法是先将带有噪声的数据通过小波 变换展开为小波级数，然后通过阈值方法抽取“重要”的小波系数，再把去噪后 的小波系数经小波逆变换重建未知信号的逼近【7 j 。基于小波变换去噪的方法中， 小波系数域的处理方法及阈值的估计是两个关键性技术。文献 7 】提出以二进小波 变换来代替小波级数变换，在相同的误判概率下得到了更好的去噪效果。李春鑫 等f 8 j 提出改进小波包分析算法对小波包分解和重构算法进行了改进解决了出于 隔点采样而引起的频带混叠问题，得到了优于二维小波变换和小波包分析算法的 去噪结果。d o n o h o 和j o h n s t o n e l 9 】【1 1 1 提出的小波闽值处理方法，已经证明在高斯 白噪声下对光滑信号是渐进最优的。后来以这种方法为基础，开发出了一些其它 类型的小波去噪方法，如基于b a y e s 方法的小波去噪和基于假设检验的小波去噪方 法。j o h n s t o n e 和s i l v e r m a n t ”】提出按不同分辨率将小波变换系数进行分组并按照分 辨率的不同选取不同的阈值的方法来处理相关的噪声。c a i l l 3 】、h a l l 等【l4 1 ，以及 c h e n 和b u i i ”】提出块闽值的概念，基于小区域内相邻的小波系数来确定阈值。 2 2 2 二进小波变换及其快速算法 设、壬，( x ) 为一母小波，即满足f o v ( 0 a = 0 ，则r ) 上的二进小波变换 定义为： ( x ) = f 水m ) 2 f ( t ) w v ( x f ) 衍( 2 - 1 ) 式中甲，( x ) = 2 叫w ( 2 叫x ) ，若它的f o u r i e r 变换w ( 2 国) 满足条件： 存在两个大于。的常数4 和口，使得彳艺p ( 2 ，) 1 2 墨口，v 印r 成立， 则对函数厂( x ) l 2 ( r ) ，在其连续点处有： 厂( z ) = ，厂粕( x ) = 厂妒( x ) + ，f 木z ：，( x ) ( 2 - 2 ) y = - m= “ 式中： 1 3 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 z ( x ) 是重构小波，4 ( 2 7 国) 名( 2 o j ) = 1 j 2 一 妒( x ) 是尺度函数，p ( ) f 2 = 4 ( 2 7c o ) 2 ( 2 7 甜) = “ f e ( x ) 是f ( x ) 在粗尺度_ k s j ：j g 近 第二项的各分量是在各个细尺度上的细节，因此二进小波变换具有多分辨分 析结构。 = 进小波变换的重构条件要l h d , 波级数重构条件弱。对相同的分析小波 甲 ) ，其重构小波z ( x ) 以及相应的尺度函数e ( x ) 并不唯一。m a l l a t 1 6 l g j 造y 一类可快速实现的离教二进小波变换，这类离散二进小波变换具有与离散小波变 换相同的算法结构。所不同的是该滤波器是通过对离散小波变换滤波器内插入若 干个0 得到的。此类离散二进小波分解和重构算法如下所示。 j = 0 w h i l e ( f 0 ) 二进小波的快速重构算法： s 刍，l ，= s 刍f 卑z f 4 + w ；于卑再_ l e n do fw h i l e 式中s d f ( x ，) 为离散采样，h ，= 个，岛= l 个，霄j = 厅个f ， 三，= z 个。 同小波变换相比，二进小波变换在每次分解的时候并没有进行下抽样，因此 图像在二进小波域中的表现是极其冗余的，部分系数扰动不会带来重构图像的严 重失真。 青岛科技大学研究生学位论文 2 2 3 二进小波在轮胎图像去噪处理中的应用 在轮胎x 光图像的获取过程中，噪声污染源主要来自光电转换过程中引起的 光电子噪声及其它随机干扰等因素引起的噪声，可用高斯白噪声模型来描述。 其图像数学模型描述为： y i = ( ) + tf = 1 , 2 ，n( 2 - 3 ) 其中占，是期望值为0 ，方差为盯2 的独立同分布的正态随机噪声，为像素点总 数。 本文中采用文献 7 】中提出的二进小波变换的图像去噪方法来去除儿中的噪 声，恢复图像f ( t ，) 。同时，图像中胎侧部位的三条防滑线，也可以通过此方法 进行较为有效的去除。该方法利用了在高斯噪声背景下正交小波级数变换各层的 小波系数具有相同方差分布的优点( 证明见附录1 ) ，其主要步骤如下： ( 1 ) 选取总的分解次数j l 0 9 2 ( ( 一1 ) l v ) ，其中l 甲为支撑区间长度； ( 2 ) 二进小波正交变换。对乃作j 次二进小波变换得( ( 多。) t ) ；：一，算法的实现 见2 2 2 4 , 节； ( 3 ) 线性变换。j = l ，w h i l e ( j j + 1 ) 一，。) 女= ( 力，i ) 拒j 。 ( 4 ) 闲值化。基于已有小波级数去噪的阈值方法对( ( i ，) 女) ；：- 闽值化得 ( ( f t ) t ) ；刚 ( 5 ) 线性逆变换。，：l ，w h i l e ( j j + 1 ) f ( z j ：( 亏，) 。压一1 。 ( 6 ) 二进小波逆变换。对( ( 乃。 ) ) j ：i 二进小波重构得到去噪信号，算法实现 见2 2 2 d , 节。 阈值r 的确定采用d o n o h o 等人在文献 1 8 中提出的基于m i n i m a x 原则的闽值 选取方法： 其中栉是图像的像素点数，是噪声的标准差。 ( 2 1 4 ) 争 i 7 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 2 3 图像对比度增强 为了方便对图像的处理，还需要对图像进行对比度的增强，这里使用的是有 限对比度自适应直方图均衡化( c o n t r a s t - l i m i t e da d a p t i v eh i s t o g r a me q u a l i z a t i o n ， c l a h e ) 方法。传统的直方图均衡化方法是对整幅图像进行直方图的均衡化处理， 而c l a h e 则是将一整幅图像划分成若干个区域，在每个区域中各自进行图像对 比度的增强，因此该方法能保证各个区域内维持一定的对比度。然后将增强后的 各区域联合到一起，对于相邻区域的边界像素则采用线性插值的方法得到，以消 除区域边界部位的边界线。 1 6 青岛科技大学研究生学位论文 3 基于图像匹配的轮胎缺陷识别算法 3 1 本文提出的基于图像匹配的缺陷识别算法概述 本章主要介绍了研究中提出的两种新的基于像素灰度值的图像匹配算法，即 改进的基于一维投影和简约k m p 算法的快速匹配算法和基于局部不变特征的直 方图相关匹配算法。其中，基于一维投影和简约k m p 算法的快速匹配算法主要 应用于轮胎缺陷的粗识别过程中，首先以同一型号的合格轮胎的部分x 光图像作 为模板，采用基于一维投影的快速匹配算法对轮胎的胎侧、胎冠、胎圈图像分别 进行匹配，将不匹配的区域标记为缺陷可能存在区域，并根据不匹配的具体情况 ( 不匹配位置的字符) 做出缺陷种类的初步判断。基于局部不变特征的直方图相 关的匹配算法则应用于胎冠和胎圈部位缺陷的检测中，本章仅介绍其原理，该方 法在缺陷识别中的具体应用将在后面的章节进行介绍。 3 2 图像匹配方法概述 3 2 1 图像匹配方法概述 根据已知图像模式从另一幅图像中寻找相同或相似图像模式的过程叫做图 像匹配【1 9 1 。随着科学技术的发展，图像匹配技术已成为近代信息处理领域中一项 极为重要的技术，在现代航天、军事、医学、工业等各个领域中得到广泛应用。 在大多数情况下，用于匹配的图像不是同时获得的。由于成像条件，如气候、光 照、季节、视角、旋转、传感器、轨道、反射系数等发生改变，从而使得同一区 域的图像在灰度、大小、方位角、几何形状等方面随之变化，也使实际的图像匹 配更加困难。如何找到一种对图像畸变有较好的鲁棒性的快速匹配算法成为了研 究的重点。为解决上述图像畸变所带来的匹配困难，人们提出了许多的匹配算法， 根据其原理，大致可以分为基于相关性的匹配、基于特征的匹配、以及基于变换 域的匹配这三大类。 3 2 ，2 基于相关性的匹配 基于灰度相关的匹配算法是一种对目标图像的像元以一定大小窗口的灰度 轮胎x 光图像自动识别系统算法研究 阵列按某种或几种相似性度量顺次进行搜索匹配的方法。相似性度量指用什么度 量来确定待匹配特征之间的相似性，它通常定义为某种代价函数或者是距离函数 的形式。经典的相似性度量包括相关函数( 如，归一化积相关算法( n c ) 、序贯 相似性检测算法( s s d a ) ) 和m i n k o w s k i 距离。这种方法能够获得较高的定位精 度，但是它计算量大，难以达到实时性要求，一旦进入信息贫乏的区域，会导致 误匹配率的上升，而且此方法对噪声影响敏感，对畸变图像不能有效的进行匹配。 近年来人们提出了h a u s d o r f f 距离 2 0 l 、