（物理电子学专业论文）砂纸缺陷在线检测技术研究.pdf

硕上论文 摘要 摘要 随着工业生产和机械加工技术水平快速发展，砂纸成为行业内必备的常用工具。 目前在传统工业生产中，为保证砂纸的质量，主要是依靠工人眼睛目测、钢尺测量缺 陷的大小。这种相对滞后的检测技术使得砂纸缺陷检测过程中低效率、低产能、高成 本、高投入的问题长期以来得不到解决。因此为了能够实现工业生产过程中砂纸缺陷 检测自动、实时、精确、快速的目的，国内外许多生产厂家和研发人员已经进行了不 懈的努力。 本论文分析了砂纸缺陷在线检测系统中图像采集的摄像机和光源，确定了针对砂 纸缺陷检测的硬件设备并完成了搭建工作。考虑到砂纸缺陷的多样性，系统中综合采 用了透射和漫反射的照明方式来采集图像信息。通过学习和研究图像处理的相关技 术，在分析对比各种图像算法优缺点的基础上，对传统的大律阈值分割法进行了改进 并提出了自适应阈值分割的算法，这两种算法可以适应在不同照明方式下采集到的缺 陷图像的阈值分割。实现了刮痕、堆砂和脱砂缺陷的特征提取。最后，系统实现了检 测缺陷面积、周长、长度等参数，对砂纸缺陷定量分析，误差范围较小。 论文算法都在v c + + 编程环境下进行编写仿真，实践证明系统和算法可以满足图 像检测实时性的要求。 关键字：砂纸缺陷，图像处理，缺陷检测，缺陷识别 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n t , t h es a n d p a p e ra st h en e c e s s a r yt o o l su s e di ni n d u s t r y , i t su s a g ea n dd e m a n da p p e a r st oh a v ea y e a r l yg r o w t ht r e n d c u r r e n t l yi nt h et r a d i t i o n a l i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , s a n dd e f e c t d e t e c t i o ni sm a i n l yr e l yo nw o r k e r se y e sv i s u a l ，m e a s u r i n gt h es i z e 诚mt h ed e f e c tr u l e r s t h i sr e l a t i v e l yb a c k w a r dd e t e c t i o nt e c h n o l o g yc a u s e dm a n yp r o b l e m si ns a n dp a p e rd e f e c t d e t e c t i n gp r o c e s s ，s u c ha sl o we f f i c i e n c y , l o wc a p a c i t y , h i g hc o s ta n ds oo n s oi nc a s et o s l o v es u c hp r o b l e m s ，m o r ea n dm o r ec o m p a n i e sd o m e s t i ca n do v e r s e a sd ot h e i rb e s tt o m e e tt h et r o u b l e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h es y s t e mo ft h eo n l i n em e a s u r i n go fs a n dd e f e c ti m a g e a c q u i s i t i o n , d e t e r m i n et h ec a m e r aa n dl i g h ti nt h es a n dd e f e c t sd e t e c t i o ne q u i p m e n ta n d c o m p l e t es e to fh a r d w a r e c o n s i d e r i n gt h ed i v e r s i t yo fs a n dd e f e c t si nt h es y s t e ma d o p t s t h em e t h o do ft r a n s m i s s i o na n dd i f f u s et oc o l l e c ti n f o r m a t i o n t h r o u g ht h es t u d ya n d r e s e a r c ho fi m a g ep r o c e s s i n ga n di d e n t i f y i n gt e c h n o l o g y , i nc o n t r a s ta n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m ，t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n m e t h o di si m p r o v e da n dt h ea d a p t i v et h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na l g o r i t h m ，t h et w oa l g o r i t h m s c a na d a p ti nd i f f e r e n tl i g h t i n gm o d eo fd e f e c ti m a g et h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n df e r t u r e e x t r a c t i o n f i n a l l y , t h es y s t e mr e a l i z e dd e f e c t sd e t e c t i o na r e a , p e r i m e t e ra n dl e n g t ho f p a r a m e t e r ss u c ha ss a n dd e f e c t s ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，d e v e l o p e dw i t hv c + + ，m a k et h es y s t e mr e a l i z et h e r e a l t i m eo b j e c tt r a c k i n gw h i l ee n s u r i n gt h et r a c k i n gv e r a c i t y k e y w o r d s ：s a n a p e rd e f e c t ，i m a g ep r o c e s s i o n ，d e f e c td e t e c t i o n ，d e f e c t r e c o g n i t i o n h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：j 毯址 凡乒年扫月幻日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 加拜占月山日 硕士论文 砂纸缺陷在线检测技术研究 1 绪论 砂纸，一种机械加工行业必备的磨削用具，其需求和使用量正随着机械加工业、 建筑业水平和工业科技水平的发展呈现出逐年增长的趋势。生产砂纸的原材料有砂粒 和胶布，其生产工艺步骤可以分为坯布开卷，涂胶，植砂，复胶，烘干固化最后成为 成品。在这个流水线生产过程中，植砂是关键，即简单的说就是将砂粒材料均匀的涂 覆在原纸表面。因此，砂纸的质量的优劣在一定程度上是取决于砂纸表面砂粒的均匀 的程度。 在实际的生产过程中，任何产品都不可能1 0 0 合格的，砂纸的生产也不例外。 这就需要在生产的过程中及时检测出其质量问题和缺陷所在。一般情况下，砂纸表面 砂粒的均匀性主要表现在缺砂和堆砂。为了保证砂纸成品符合国家标准，就需要一种 能够实时在线检测出砂纸缺陷的方法，降低工业生产过程中工作量和生产成本，同时 也能及时发现问题，避免缺陷的重复产生。 1 1 砂纸植砂工艺原理及现状 砂纸的植砂工艺是直接关系到砂纸表面砂粒分布均匀性的关键步骤。从植砂技术 发展的过程来看，一共经历了机械植砂和静电植砂两个阶段。 第一个阶段是上世纪九十年代以前，我国涂附磨具行业厂家普遍运用重力植砂也 就是机械植砂的工艺方法，其基本原理主要是依靠磨粒材料自身的重力下落到基材 上。当砂粒材料粘到基布或者原纸表面的胶层中后，再被送到专门的烘房内进行完成 剩下的步骤，也就是固化，复胶，再固化，直到生产出最后的砂纸成品。这种方法存 在的缺点是砂粒到达胶层后磨料附着的方向是不确定的，从而导致磨料切刃的锋利性 比较差【i j 。但是优点在于砂纸成品的使用寿命是比较长的。 第二阶段是上世纪九十年代以后，随着一些工业水平比较领先的国家采用静电植 砂技术后，我国研发人员也研制出了静电植砂设备，并且已经成为现今工厂生产的主 流技术。静电植砂技术的原理是利用物理电学性质，在砂粒和基带上加上高压电场， 砂粒在静电电场力的作用下完成植砂步骤。相对于机械植砂来说，静电植砂技术使得 磨粒材料能够在基带原纸上方向性保持一致，并且只要植砂设备保持电场力均匀的话 磨粒材料分布的均匀性也能够大大提高，植砂密度也更利于控制【2 1 。 静电植砂原理如图1 1 ： 1 绪论硕士论文 ：下电极b ：上电极c ：i 余有胶的基带d ：输砂带e ：磨粒f ：电力线 图1 1 砂纸植砂原理图 1 2 砂纸缺陷种类及检测现状 原国家标准j b t 7 4 9 8 - - 9 4 对砂纸产品的分类，技术要求，检测方法，检验规则 及标志、包装和贮存作了明确的规定。在标准第四章明确规定了砂纸外观质量，并有 以下条款【3 】： ( 1 ) 产品的工作面不允许有砂团、缺复胶、折印、破裂等缺陷。 ( 2 ) 直线尺寸不超过3 m m 的缺砂、胶斑不得超过一处。背面胶边两边缘总宽度 不超过5 m m 。 ( 3 ) 不允许有直线尺寸大于1 0 m m 砂团、缺砂、缺复胶、胶斑、破裂及长度超过 l m 的折印。 ( 4 ) 直线尺寸2 - - 1 0 m m 的砂团、缺砂、缺复胶、胶斑、破裂及长度超过l m 的折 印等缺陷的总数每卷平均每平方米不得超过一处( 不足一平方米时按一平方米计) 。 在任一平方米面积上不得多于3 处。 ( 5 ) 长度5 0 0 0 0 m m 的砂纸卷，开剪不得多于二处。其中短段长度不少于 1 0 0 0 0 m m 。接头按开剪计。 ( 6 ) 长度2 5 0 0 0i i l i n 的砂纸卷，开剪数不得多于一个1 4 1 。 常见的砂纸缺陷及其产生原因见表1 1 ： 2 硕士论文 砂纸缺陷在线检测技术研究 表1 1 砂纸缺陷种类及产生原因 序号 缺陷类别产生原因 1 表面锋利涂皎量过大；磨料质量差；干燥b , 1 - n 短温度低未完全全干燥。 2 脱砂涂胶量过小干燥时间不够温度过低。 3 柔软| 生差干燥时间过长干燥温度过高；胺基清漆用量过大。 4 缺胶缺砂涂胶辊有脏物；胶面划道；砂箱堵塞。 5 砂团胶团；纸面有疙瘩；磨料结团；漆皮及杂质；底胶太厚。 6 粗粒磨料中棍 粗料；植砂设备未打扫净。 7 折印原纸受潮起皱；生产时张紧力太大或太小；卷绕时过紧过松；干燥不均匀。 8 透胶原纸耐水性不好松紧不一；浸渍厚度不够。 9花脸上砂不勾；预干燥不够，卷绕或复胶时脱砂严重； 长期以来砂纸质量检测的主要手段是通过具有一定工作经验的工人不问断的目 测来定性分析砂纸表面缺陷。国家标准上也规定了检测砂纸外观质量经目力检查和钢 直尺测量的传统方法。可以想象，在经济效益和自动化要求愈来愈高的今天，这种传 统的方法已经不再适用。耗时，工人主观因素等带来的误差可能会影响检测的结果。 科研人员考虑是否可以运用无损检测技术来实现探伤和分类选择，并在这基础上能够 针对性的研制出相关的无损检测的设备。 从无损缺陷检测技术发展的轨迹来看，已经明显表现出由定性测量向定量和直接 显示缺陷的图像发展趋势，同时设备也正朝着在线自动化检测和仪器智能化的方向发 展。 本课题是基于数字图像处理技术砂纸在线无损检测，软件开发平台开发图像处理 软件，实现实时成像、在线检测和检测报告输出等功能。力求做到对砂纸缺陷定量分 析，解决实际生产中检测无法自动化、在线实时化的问题，降低成本，提高工作效率。 在软件设计部分，通过仔细认真的研究工作，在学习借鉴他人提出算法的基础上，创 新的编写出了一系列新的代码，通过实验验证，这些算法可以较有针对性的对采集到 的砂纸图像进行处理，不仅可以识别出缺陷的位置、形状、大小信息。代码的运算速 度可以满足工业生产的实时性要求。本系统实现了利用相对低价的设备检测砂纸缺陷 的目的。 1 3 课题研究内容 本课题研究主要内容包括有光源、砂纸图像采集设备等的选取。通过计算机对采 集到的图像进行实时显示和处理，从而直观的得到砂纸表面的质量情况，并能够告知 3 l 绪论 硕士论文 操作者缺陷的具体位置等信息。其中图像处理软件部分在v c + + 环境下实现，主要涉 及到图像预处理、特征识别、特征提取、缺陷特征计算等图像处理技术，并通过系统 软件界面显示结果，实现图像的实时处理的目的。本论文中主要的工作有以下四点： ( 1 ) 分析研究工业制造行业中前沿的表面缺陷检测技术，提出硬件总体设计方 案，搭建硬件平台； ( 2 ) 研究硬件结构，制定软件开发的总体设计方案； ( 3 ) 研究图像处理算法，找到适合砂纸在线检测的相关图像处理的方法，完成对 砂纸图像的预处理、特征提取等工作； ( 4 ) 运用所提出的针对性算法，对砂纸缺陷进行定位和定量分析，输出检测结果。 4 硕士论文砂纸缺陷在线检测技术研究 2 砂纸在线检测系统总体设计方案 前一章已经列出了砂纸表面缺陷的种类，工业生产中引起的砂纸缺陷可能分为机 械刮痕、砂粒堆、凹陷等一种或者多种，缺陷的形状也可能是线状、圆形或者是不规 则的。在一般的情况下，这些缺陷是比较微小的，有些甚至不容易被肉眼发现，总的 来说这些缺陷的量级在毫米级，更何况是砂纸以一定速度运动的情况下要求被实时检 测。课题中针对砂纸表面缺陷的不同种类分析对比多种摄像器件和光源照射方式采集 图像。最终确定系统设计总体方案。 2 1 图像采集设备 图像采集设备在机器视觉中相当于人的眼睛，是连接着外部世界和计算机的重要 部分。为符合系统要求，选用的摄像器件时需要考虑以下几个问题： 第一，摄像器件分辨率；在工业生产中，选择的相机分辨率是由需检测物体的 幅面和检测的精度决定的。如果检测幅面较大，检测精度较高，则需要选择较高的分 率。特别是缺陷检测时，在相同幅面下，如果需要检测最小缺陷是0 5 m m 0 5 m m 和 检测缺陷是0 2 m m 0 2 m m 所需的相机所需的分辨率就差4 倍。 第二，摄像器件采集速度；摄像机采集图像的速度用帧率表示，帧率是指每秒 钟可以采集图像的帧数，检测对象的运动速度决定决定了帧率的大小【5 j 。i 业上常说 的高速相机，就是用来检测运动速度很高的产品。课题中采集的是运动中的砂纸图像， 卷轴转动速度并不是很快，可以选择帧率低的相机，这样就可以节约成本。 第三，摄像器件与砂纸的距离；为了拍摄到比较清晰的图像，并不是说离砂纸 的距离越近越清晰。虽然在拍摄的过程中使用了微距模式，但是过于接近砂纸表面可 能会把砂纸表面的砂粒也拍得过于清晰这样会给后期图像处理时造成障碍，可能被误 认为是缺陷。 综和以上考虑，并参照工业生产中常使用的c m o s 芯片的摄相机的情况，课题中 选用的摄像器件为【6 】：采用m v - 1 3 0 0 u c i 业数字摄像机，该摄像机可以稳定，高效及 高抗干扰的获取图像信息。并可以通过外部信号触发采集或连续采集。最高分辨率为 1 2 8 0 1 0 2 4 ，像素尺寸为5 2 9 m 5 2 9 m 完全可以区分出各种不同斑点。使用1 2 寸c m o s 芯片，帧速率为1 5 帧秒，信噪比大于6 0 d b ，快门时间支持程序调整，通过u s b2 0 接口可以完成对相机的各种设置。摄像机距离砂纸面1 0 0 m m 左右，实验证明可以稳定 采集到清晰的图像信息。 2 2 照明系统设计分析 5 2 砂纸“线检测系统总体设计方案碗* 女 好的光源作为照明系统关键部分，看似简单但往往关系到整个系统的成败。选择 光源的首要目的就是希望以最合适的方式将光线投射到需要检测的被测物体上，从而 可以达到突出被测物体特征部分的对比度1 7 l 。如果能够很好的选择和设计好照明系 统，就可以改善整个系统的分辨率，简化后期软件设计部分的算法设计，达到事半功 倍的效果。在砂纸检测中，对其进行缺陷检测却并非易事，砂纸表面是有一定纹理并 且缺陷微小，如果光源选择不当就可能引起图像花点和过度曝光这样一些重要的信 息就披隐藏，比方说信噪比的降低和不均匀的照明则会导致后期图像处理时闽值选择 的用难。将缺陷分离出来相对还是比较困难的。 因此，检测系统照明方式应该从根据缺陷的特征来判断采取怎样的照明方式和选 用什么样的光源这两个角度进行考虑。 2 2 1 光源及照明方式比较 实际制造生产中常用的缺陷检测时，主流的照明系统利用光照漫反射法、透射法 和扫描法等。下面对几种常用的照明方式进行分析，选择符合课题要求的最佳照明方 式。 扫描法，是传统工业检测中常用的方法，如果需要测量工业中像砂纸这样有大面 积的表面缺陷，分辨率又需要在毫米级的那么需要的c m o s 的个数将是惊人的。而 如果采用一个c m o s ，那么需要做x y 二维扫描，检曩0 大面积表面需要的时间将是几 百分钟，这样测量速度太慢不可能符合实时处理的要求。所以系统中不考虑采用这 种方法进行图像采集_ 】。 透射法，工业中使用这种方法时常采用背光源。背光源使用简单，使用时光源要 安置在被测物体的下方，不透光的部位在成像时会呈现黑斑。在砂纸检测中，由于砂 纸的磨粒材料就是不透光的部分，而砂粒之间的间隙可以容易透过光源，那么在检测 时就可咀很方便的反应出砂粒的轮廓。对于研究砂纸砂粒的均匀性这一特点有很好的 作用。另方面，由图像黑斑的明暗程度也能检测出砂粒是否存在堆砂缺陷。 图2l 透射法采集块状缺陷的砂纸图像 砸t 论文砂纸缺骼枉线植* 撤木研究 图21 是使用背光光源作为采集光源的带有缺陷的砂纸图像，从图中可以发现砂 纸不均匀或者存在缺砂、花脸缺陷时砂粒的问隙会比较大，与正常的砂粒间隙会有明 显的差异使用背光光源的透射_ = 击可以较为清晰的采集到这类缺陷图像信息。 但是，砂纸的缺陷种类如此之多，不可能仅仅单独使用周定一种光源来解决所有 的问题。使用透射法，我们可咀得到非常清晰的砂粒轮廓，从而获得反应砂纸表面沙 粒均匀度。而如果是砂团、粗粒轮廓信息与正常的砂粒很相似，判别时会存在困难。 折印、刮痕是线状缺陷不能从砂粒间间隙角度检测的缺陷检测时应该采用另外的光 源照射方式。 漫反射法，这种方法工业无损检测中最常用的方法，其设备简单价格低廉而受到 广泛的应用。依据砂纸表面的纹理特性发现，对于折印、砂团、租粒等都是金属材料， 缺陷反射率高，当光源照射到砂纸时，由于缺陷的存在，缺陷与背景图像会有强烈的 明暗对比度。课题中考虑到工业中砂纸检测大面积性的实际情况，选用了条形光源。 这种光源因其具有一定长度而能够在一定宽度内测量，实验结果表明其在大面积检测 中可以发挥不错的作用，而且替代以往使用管形荧光灯的场合，克服荧光灯耗电量大， 照明时光强不均匀和不稳定的缺点。 图22 不同缺陷在条形光源下显示效果对比 从图22 可以看出，使用条形光源都能把部分缺陷反映出来，得到两种缺陷的图 像。但是相对于刮痕缺陷轮廓根清晰，而对于缺砂的砂纸缺陷很容易产生图像亮斑， 造成图像模糊，如果要把缺陷从背景中提取出来就需要后期图像预处理步骤会很繁 琐。 2 2 2 光源光学特性的分析 无论采用何种照明方法都需要考虑光照均匀性、光照亮度、光源位置等因素。f 面一进行讨论。 光照均匀性。经过查阅相关资料发现在现今工业检测中常用的光源已经能很好的 克服光照均匀性的问题，比如背光源，光照非常均。又比如条形光光源，如果使用 2 砂纸在线检测系统总体设计方案硕士论文 两条条形光对称照明，则可以扩大照明区域，避免光照不均的问题。 图2 3 条形灯照射砂纸示意图 光照亮度。能否控制好光照亮度决定了能否采集到满意的砂纸缺陷图像的决定性 条件之一。不同的砂纸缺陷对光照的亮度要求也不相同。砂纸折印、砂团等这类缺陷 只有降低亮度才能将缺陷显示出来，比如采用条形光作为光源，亮度不要求很高。但 是这样又容易使得缺陷与周围的砂纸纹理混在一起，那么就需要以后后期软件的图像 处理将瑕疵与背景分离出来。如果是由于砂粒分布不均这类的块状缺陷，那么采用背 景光源时，亮度应该符合摄像机能清晰拍摄到砂粒轮廓的要求1 9 。 光源位置。使用不同的光源对其摆放的位置是有一定的要求的。比如当采用透射 法时，光源处于砂纸下方；当采用漫反射法时，条形灯光源垂直于砂纸表面。 2 3 硬件系统总体架构 前面几节已经分析了如何硬件设备部分选择，下面给出了搭建硬件设备的结构示 意图和硬件设备工作流程图，分别见图2 5 和图2 6 。 8 条 背光光源砂纸 图2 4 硬件设备结果示意图 向 硕士论文砂纸缺陷在线检测技术研究 图2 5 硬件系统原理框图 9 3 砂纸缺陷在线检测的图像处理基础 硕士论文 3 砂纸缺陷在线检测的图像处理基础 基于数字图像处理的图像处理技术因其使用灵活方便而大量应用在生产生活的 各个方面。上一章中已经介绍了系统的组成，在系统采集图像的过程中，难免会引入 光照不均，摄像设备等噪声干扰，因此进行图像预处理是检测缺陷必要前提。 3 1 图像显示 摄像器件采集的图像信息有时候并不是马上就可以进行处理，而是需要进行快速 的转换，已达到图像处理软件处理图像的要求。比如软件支持灰色图像处理就需要对 采集的图像进行灰度转换1 1 0 1 ，又比如为处理图像的方便有时会要求进行图像旋转。因 此这部分是图像处理中看似简单但又必不可少的部分。 3 1 1 彩色图像灰度转换 摄像器件采集到的图像为彩色图像，如果使用这种图像直接在计算机上处理可能 会造成处理速度慢，算法复杂，占用存储空间大的问题。因此，在实施图像处理之前 首先要考虑的问题就是把彩色图像转化成灰度图像。本课题中涉及到的图像全为2 5 6 色灰度图。 彩色位图的每个像素点都可以分成红、绿、蓝三个分量，分别用r 、g 、b 表示； 科学上常使用经验公式又称心理学公式：y = 0 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 1 1 4 b 转换，其中y i l p 为转换之后的单个像素灰度值。 3 1 2 图像旋转 图像旋转是绕某一点一般选取原图中心为原点进行的，如果是绕一个指定点札b ) 旋转，那么就要将坐标系平移到该点再旋转，然后平移回到新的坐标点。 一个点( x ，y ) 经过a n g l e 角度后，将位于( x ，y 。) 点，二者关系为【1 1 j x - - x c o s ( a n g l e ) - y s i n ( a n g l e ) ( 3 2 ) y l = y c o s ( a n g l e ) - x s i n ( a n g l e ) ( 3 3 ) 计算前代换： x = r e o s ( a n g l e ) ( 3 4 ) y = r s i n ( a n g l e )( 3 5 ) 1 0 硕士论文砂纸缺陷在线检测技术研究 3 2 图像增强 由于探测器件，光源等硬件设备等多方面的因素造成图像在采集、传输过程中失 真或是像素点数值偏差，以致于图像模糊并且带入大量的噪声。所以图像学中引入了 图像增强这一概念，通过使用这种图像处理技术一方面可以得到我们需要的图像信 息，比如减小噪声、获得图像轮廓等；另一方面也可以使得图像的逼真度大大提高， 改善图像质量【删。 常用的图像增强技术分为频域和空域法两种。空域算法，包括点运算和邻域运算 两种，频域法采用高低通滤波方式来减少低频和高频的噪声。 3 2 1 中值滤波 图像平滑滤波的首要目的就是去除图像中多余的噪声量。噪声是图像干扰的重要 原因，一幅图像中的噪声产生的原因可能是多方面的，可以是摄像器件光学系统或是 电学系统带来的，也可以是在传输过程中，更有可能是在量化的时候带a f r o t l 3 j 。 关于去除噪声的方法有很多种，本课题主要使用了空间域的中值滤波、模板平滑 等常见算法。 中值滤波器是一种非线性的信号处理方法，一般采用的是( 2 n + 1 ) x ( 2 n + 1 ) 个点的滑 动窗口，把窗口中各点的灰度值的中值来替代窗口的中心点f 1 4 】。其可以让周围像素灰 度值的差比较大的像素改变为与周围像素值接近的值，这种方法可以很好的消除孤立 噪声点，特别是对于椒盐噪声来说是非常有效的。 3 2 2 梯度倒数加权平滑 梯度倒数加权平滑也是图像平滑的方法之一。一些常用的图像平滑算法比如局部 平滑等方法在处理图像时可能会造成图像模糊，而使用这种图像增强技术考虑到灰度 图像在一定区域中灰度的变化会比边界小的特点，来对边缘处进行梯度绝对值进行运 算处理，这样的好处在于一方面在能够有效的降低噪声，另一方面有效的保持了原图 像的基本边缘信息和细节信息。 基本算法是在一个窗口大小为n x n 内把中心点像素点与其各邻点加权，随后对邻 域进行局部平均从而使图像得到平滑。例如一个灰度值为f ( x ，y ) ，当n = 3 时，在3 x 3 的邻域内，其梯度倒数为： g ( x , y ；i , j ) =f ( x + i 州) - f ( x ，y ) l ( 3 1 2 ) 其中i ，j = 1 ，0 ，1 且不能同时为o 。最后用模板中心点逐一对准图像每一个像素( x ，y ) ， 并与图像的像素值对应相乘求积，就是最后输出的平滑后的点。 3 砂纸缺陷在线检测的图像处理基础硕士论文 3 2 3 频域滤波 采集到的图像信息在边缘或者是其他变化时，图像的灰度级中主要会存在于傅里叶 变换的高频或低频部分。所以，在使用频域进行图像平滑处理时主要会考虑到通过减 弱图像中傅里叶变换中高频( 或低频) 分量来实现i l5 1 。 课题中实现了图像处理中常用到的两种频域滤波器，即：理想滤波器和巴特沃斯 滤波器。其中前者是最简单的滤波器之一，这里仅介绍理想低通滤波器。 理想低通滤波器是一种非常尖锐的滤波函数，它能够截断傅里叶变换中的高频分 量。其变换函数为： h ( u ，、，) = 1 0 黑筹。 一7 ld 沁v ) d o v “叫 其中d 。是指定的非负数值，d 他v ) 是( u v ) 点距频率矩形中心的距离。对于理想 高通滤波器实质是与低通滤波器相对，这里不再累述。 巴特沃斯滤波器同样也分为高通和低通两种，分别针对图像的高频分量和低频分 量进行滤波处理。这种滤波器模型不像理想滤波器在通带与被滤波的频率之间没有明 显的截断【1 6 1 。对于n 阶的巴特沃斯滤波器，其传递函数应该为： h ( 屿泸而丽1 当该种滤波器的阶数较高时，就可接近于理想滤波器了。 3 3 图像锐化 ( 3 1 4 ) 图像锐化处理能减弱图像中低频分量，因为低频分量对图像中灰度值缓慢变化的 区域，反应了图像的整体特性。但是这种方法不会对其高频分量起作用。图像锐化主 要目的就是为了突出图像的边缘部分，从而方便提取目标边缘和目标区域。 3 3 1 边缘检测算子 常见的边缘检测算子有r o b e r t s 边缘检测算子，s o b e l 边缘检测算子，p r c w i t t 边缘 检测算子，k r i s c h 边缘检测算子，和g a u s s l a p l a c e 边缘检测算子五种，统称为梯度算 子【1 7 1 。论文简单介绍以上几个算子的基本公式和相应模板。找到适合砂纸检测的边缘 检测算子。 设图像f 【x ，y ) 在( x ，y ) 处的梯度定义为： 1 2 硕士论文 砂纸缺陷在线检测技术研究 v r 一阱 o f 0 x a f 匆 ( 3 1 5 ) 计算图像的梯度要基于每个像素位置都得到偏导数钟叙和o f i o y 。对于下图( a ) 中3 x 3 区域来表示邻域中的灰度级。 为了得到五点处的一阶偏导数，可以使用r o b e r t s 算子： g 。= ( z 9 - z 5 ) ( 3 1 6 ) g 。- = ( z 8 - z 6 ) ( 3 1 7 ) 但使用r o b e r t s 算子是2 x 2 的模板，可能会导致中心点不够清楚，如果改用3 x 3 模 板则称之为p r e w i t t 算子【18 】： g x = ( z 7 + z 8 + z 9 ) - ( z 1 + z 2 + z 3 ) ( 3 18 ) g y = ( z 3 + z 6 + z 9 ) - ( z 1 + 7 - - 4 + z 7 ) ( 3 19 ) 当改变中心系数，即使用一个权值2 时，把这种算子称为s o b e l 算子： g x = ( z 7 + 2 z s + z g ) 一( z l + 2 2 2 + z 3 )( 3 2 0 ) g y - - ( z 3 + 2 2 6 + z g ) - ( z l + 2 2 4 + z t ) 0 2 1 ) 以上的三种算子都是基于一阶导数运算的，有些时候为了得到更清晰的图像信息 会考虑对二维图像进行二阶求导，而使用这种方法的图像处理算子称为拉普拉斯算 子。而高斯拉普拉斯算子先平滑噪声，再进行边缘检测，常用的是5 x 5 的模板。 五弓 弓 五弓磊 z 7 磊弓 ( a ) 3 x 3 模板 012 - 1o1 - 2- 10 lo ol ol lo ( b ) r o b e r t s 算子模板 一2- 1o - 101 0 l 2 ( c ) s o b e l 算子模板 1 3 3 砂纸缺陷在线检测的图像处理基础硕士论文 011 - 1 0 1 - 1- 10 - 1- 10 - 10 1 011 ( d ) p r e w i t t 算子模板 o12 - 101 - 2 - 1 0 012 - 101 - 2- 10 ( e ) 拉普拉斯算子模板 3 2 ；2 阈值型分割 阈值分割顾名思义就是找到一个或者几个合适的阈值将图像的直方图分成几类， 在同一个范围内的灰度像素属于同一对象。这个选取的阈值又称为门限值，一般用丁 表示【1 9 1 。使用这种方法对图像进行分割的好处就是运算的效率高，速度快。但在归一 化过程中会对图像中不存在明显灰度差异或者是灰度范围有重叠的图像分割不能得 到准确的结果。其基本算法：设原灰度图像为f 【x ，y ) ，在图像中找出一个灰度值t ，也 就是门限作为阈值来把图像分成对象物和背景两部分，我们称之为二值图像g ( x ，y ) ， 公式如下： 双b 炉侣嬲 阈值型分割关键在于选择合适的阈值t ，如果阈值选取过高或过低都会影响处理 效果。论文中选用了常用的迭代阈值分割、双峰阈值分割、大律阈值分割。 3 3 2 1 迭代阈值分割 迭代方法的理论基础是：在初始条件时假设一个阈值t ，通常取为灰度的平均值， 在图像处理中不断的改变这个阈值，从而得到最佳的阈值。之后再计算分割后的两类 区域的平均值，低于t 的区域平均值定为t b ，另一个为t o ，则新的阈值为( t o + t b ) 2 。 重复以上步骤。当第k 次时，有： 1 4 硕士论文砂纸缺陷在线检测技术研究 k i h i d 戮t k l h d 】 瓦2 l + 盐生一r323)tki n 1 1 。2 h i2 h d 】 3 2 h 【i 2 h d 】 当t k = t k + 。时，迭代停止。t k 为最终的域值。 3 322 双峰阈值分割 阈值分割中使用的双峰法是基于图像灰度直方图的，因此较之其他的处理方法其 具备了最直观、也是最直接的特点。一般来说这种理论是基于以下的假设：图像中像 素的灰度从直方图上可以看出是具有两个峰值的，而每个峰值的意义可以分别认为是 目标或者背剥2 0 l 。基本算法如下： ( 1 ) 首先获得原图像的首地址； ( 2 ) 进行图像灰度统计，找到两个峰值； ( 3 ) 再在两个峰值之间找到最小点t 作为峰谷，即为阈值； ( 4 ) 把大于t 的像素点设定为目标，小于t 的值定义为背景； ( 5 ) 将结果复制到原图像数据区。 3 3 2 3 大律阈值分割 对于一幅灰度图像，并不是总是存在有明显的峰谷的。如果一幅图像的明暗对比 度不是非常强，使用双峰阈值分割的方法可能就失效了。那么是否有一个方法可以不 考虑峰值问题直接对图像进行分割呢? 日本大津展之于1 9 8 0 年提出了大律阈值分割 的思想。主要是计算一幅图像的灰度值出现的概率值为【2 1 1 ： p i = 言 m ， 将整个图像分成两组c 0 2 o t - 1 ) 和c 1 2 t m 一1 ) ，则两组分别产生概率为： c o 产生的概率 w 。= l - ip ；= w ( t ) ( 3 2 5 ) c 1 产生的概率w 1 2 p i = l - w 。 ( 3 2 6 ) c 。的平均值 2 善a - 1i i p i2 i i x ( 面t ) ( 3 2 7 ) c 肝均值旷霎导。器 2 8 ， 两组间的方差6 ：( t ) = w 。( p 。山z + w 。( p 。d z ，其中r i p j 是灰度平均值。只 要当6 2 ( t ) 最大时，t 的值就是所求的阈值。 4 软件部分总体设计硕士论文 4 软件部分总体设计 4 1 软件环境开发环境 本课题在已有的图像处理理论基础上，完成了硬件部分的设计。在软件部分总体 设计方案上，需要考虑软件的简单性，实用性和可操作性。因为要投入到实际的生产 过程中，工人的操作习惯千差万别，如果软件设计过于复杂，可能会在运用时带来不 便。本课题软件部分的设计目标在于以简单易懂的方式实现快速的人机交互。 本课题的软件部分是应用v i s u a lc 卜 6 0 的集成开发环境在w i n d o w sx p 环境下建 立软件开发的框架，完成了整个检测系统软件部分的开发。由于w i n d o w sx p 具备了 良好的兼容性和应用的广泛性的特点，可以达到简单性，实用性和可操作性的目的【2 2 】。 4 2 软件设计系统总体框架 作为系统的核心部分，软件部分主要实现是图像处理的模块化、缺陷检测识别和 缺陷分析、结果输出等功能。 图4 1 软件系统处理步骤 下面对以上步骤详细说明： 图像采集部分是获取图像信息的关键，选用器件的得当与否直接关系到采集到的 图像的质量和后期图像预处理阶段的复杂程度。论文在第二章中已经详细分析和介绍 了图像采集硬件设备的选择和搭建，这里不再详述。具体结构图可参见图4 2 。系统 设计的图像处理软件可以实现将一帧缺陷图像显示在软件中，等待下一步的处理。 图像处理部分是针对摄像机采集到的图像信息进行滤波、边缘检测、阈值分割二 值化等处理工作。因为在图像获取的过程中因光强的变化、摄像机抖动等不确定因素 难免会造成一些不必要的噪声。为了更好的得到砂纸缺陷信息就必须对图像进行去噪 等初期处理。具体预处理算法和针对性方法的提出在第五章中有详细介绍。 缺陷定位部分主要是为了实现缺陷位置的定位，并且能够实现缺陷标记和显示， 告知检测人员缺陷的具体位置和大致的类型，以便于下一步缺陷定性的分析。 缺陷分析部分是实现缺陷面积、长度等数值的计算。完成缺陷的统计工作。缺陷 1 6 硕士论文砂纸缺陷在线检测技术研究 定位和缺陷分析两部分是在第六章中详细介绍。 结果输出部分是计算机告知检测人员具体缺陷的信息。检测人员可以根据输出的 缺陷面积、周长和长度等参数判断砂纸是否合格。 软件处理总体设计的流程图如下： 开始 设置系统参数 打开光源li n 进入图像采 集子程序 进入图像 处理子程序 结束 灭 检测是 否结束 缺陷分 类识别 从 是否存 存缺陷 图4 2 软件体统总体流程图 n 1 7 4 软件部分总体设计硕士论文 4 3 砂纸缺陷图像处理系统模块 图像是由摄像器件采集传输到计算机，计算机再把图像信息储存为文本文件。本 课题处理的图像文件格式为b m p 文件。因为对于现在所有的图形文件来说，b m p 格 式是未压缩的，对b m p 文件每个像素点进行数字化处理。从另一方面来说，b m p 格 式的图像又是w m d o w s 系统设置的标准图像格式，在该操作系统的环境下有更好的兼 容性。w m d o w s 自带的一些a p i 函数也给处理b 格式的图形文件带来的便利【2 3 1 。 4 3 1 创建类库 在v c + + 6 0 中，m f c 是没有封装d i b 的a p i 函数的，为了便于处理图像和程序编 写的清晰性、调理性，需要建立多个实现相关功能的类库。建立d i b a p i 类库，用来 存放实现位图基本信息获取的函数，比如图像高度、宽度、图像大小、图像保存、打 开等基本操作。 创建多个实现不同功能了类库文件，如图像增强功能i m g e n h a n c e 的函数类库、图 像锐化功能的i m g r u i h u a 类库、图像形态学处理的i m g x i n g t a i 类库、图像阈值即获取 二值化图像的i m g y u z h i 类库、图像识别功能的i i i l g s l l i b i e 类库。 实现系统功能模块参见图4 1 ： 图4 1 图像预处理功能模块示意图 4 3 2 系统软件设模块设计菜单 1 8 碗十论文砂纸姥陷线检测技术研宄 ( 1 ) 系统软件主界面 帚嵩鬻* i ! 垂鸯一葫* 最一蠹三+ 冀 d 口t e o ( 2 ) 主要功能菜单设计 图43 系统软件界面 国慷昱i 强嘲耀，囝# 讹巷女* i 目 * #o 一i - - - - - 一 十m b o j 8 # b # #ii # & f m #i m 糖目致加#f l 理g * * i e *j 8 m 面逼平镕滤#i b t 日i b &i b t 吲e 理谴&i 图像增强功能模块 垂受曩西羁霪墨砸匦 选代闻值分割t 双崆朗值分割r 一 式建明值分割f 兰兰苎查苎望堡竺型 l 蔓鳓鳟圜“e r ti i ! 望生鬻。i 塑坚 ? 竺l 艳痹 ，“冀i m n m i m 目f _ _ _ _ _ _ _ 一1 1 o o r b ) 图像锐化功能模块 h “a _ - ，。 ，一 疆圈匦匦叵二 * l h $ * i t ) r 一 #i wl i 稀上笪l 目”#l g # # 镕* e * #l ( 曲图像与之处理功能模块( e ) 图像毓陷识别功能模块 圈44 图像处理备主要功能模块界面 5 砂纸缺陷识别检测 硕士论文 5 砂纸缺陷识别检测 论文第二章中已经详细分析了不同光源对缺陷检测的重要性和差别。那么，这一 章中就具体根据不同的缺陷详细分析选择背光源和条形光源来检测不同缺陷的方法。 通过编写图像处理算法程序，提取检测用的缺陷特征。 5 1 图像灰度转换 砂纸在线检测中对图像颜色的要求不是很高，因此为了提高后期缺陷特征处理算 法的速度和简化算法复杂度，课题中选择使用处理灰度图像。在第三章中已经给出了 图像灰度化的理论和其计算式。由于程序相对简单，这里不再累述。具体代码可参见 工程中真彩色图像至2 5 6 色灰度图像的转换函数o n r g b 2 g r a y 0 。 5 2 图像旋转 利用第三章的图像几何变换理论，对图像进行基本的图像变换处理。几何变换具 体应用是考虑在刮痕、折印等线状砂纸缺陷的检测中。线状缺陷的存在有一定随机性 的。但为了实践过程中算法的简单，需要对线状缺陷进行角度旋转后再对去长度进行 测量。 图像旋转算法大体分为三类：邻近法、双线性法和立方卷积法。 程序实现介绍：首先在g r a y p r o 库函数中定义了三种图像旋转的函数，并且创建 了命名为j h c h a n g e 对话框。图5 1 旋转算法的对话框图，如图所示： 图5 1 图像旋转对话框 在工程中分别定义了r o d i b l ( ) 、r o d i b 2 ( ) 和r o d i b 3 ( ) 三个函数，分别代表最 邻近插值和双线性插值算法、立方卷积法。针对带有线性刮痕缺陷的砂纸图像处理后 的效果比较如图5 2 所示： 硬十论立砂纸缺* d 线检测技术m 宄 ( a ) 邻近插值法( b ) 双线性插值；去( c ) 立方卷轵法 图52 三种不同算法效果圈 课题中分g 幔t 用了邻近插值和双线性插值算法、立方卷积法三种算法对同- - n 带有刮痕缺陷的砂纸图像进行顺时针旋转2 6 。的处理口”。从图中可咀看出，使用邻近 插值这种方法对图像处理，虽然算法简单但图像的轮廓较为模糊：双线性插值法的算 法进行图像的旋