（检测技术与自动化装置专业论文）基于机器视觉的密封橡胶圈缺陷检测的研究.pdf

1 1 1 111i ii iii itti i iiiil y 18 8 6 9 7 9 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 席： 弛年蝴长亏压也 委员： 导师： 爷翩巴工聪 撤 缀娥 粝蜥 彤k 脚将鲰爿 f v d 甏挺嚣 肛餮 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得合肥工业大学 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谢意。 学位论文作者签字：侥红是签字日期：2 。fj 年 月三归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大 学可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：朱名l 笔 签字日期：2 0 f 1 年q 月2 牛日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：2 口f ) 年年月巧日 2 电话： 邮编： 基于机器视觉的密封橡胶圈缺陷检测的研究 摘要 中国已成为制造业大国，而检测技术是制造业中重要的一环，只要是用人 工来做的重复性检测，我们都可以尝试利用机器视觉来解决。 机器视觉在国民经济的发展中有着广泛的作用，其最大的特点是与被测对 象无接触。机器视觉以其速度快、精度高和无接触等优点正逐渐取代人工检测 方法。但机器视觉的发展还不成熟，在检测领域的应用还亟待完善。 目前，国内很多密封橡胶圈生产厂商主要靠人工检测产品缺陷，检测精度 和速度都达不到生产要求。本课题的研究目的是建立一套基于机器视觉的密封 橡胶圈缺陷检测系统，主要从以下几个方面进行了讨论和研究： ( 1 ) 搭建一套密封橡胶圈缺陷检测实验平台，包括光源和摄像机的选择、 照明系统的设计等。实践证明：本课题所搭建的实验平台符合系统的设计精度 要求； ( 2 ) 研究针对密封橡胶圈的检测算法。详细探讨了数字图像处理技术在密 封橡胶圈缺陷检测中的应用，对缺陷检测中的每一步骤，如图像预处理、图像 增强、边缘检测等都进行了大量的实验验证，对比了各种算法的优缺点。针对 本课题所研究的黑色密封橡胶圈对比度低、缺陷不易检测的特点，本文提出了 一种混合检测算法检测低对比度的橡胶圈缺陷，并从理论和实验两方面对检测 效果做了分析。实验结果表明：相比传统的单一算法来检测缺陷边缘，检测效 果有了很大的提高； ( 3 ) 针对橡胶圈的特征提取，如尺寸和圆心的测量，本文提出了一种旋转 线段法来寻找边界点，该算法提高了检测效率，取得了较好的效果； ( 4 ) 分析了检测误差的原因，如系统误差、图像噪声、算法误差等。并提 出了减小误差的方法。 关键词：机器视觉；图像处理；橡胶圈检测 r e s e a r c ho nm a c h i n ev i s i o n b a s ed e t e c t i o no f t h ed e f e c t so f s e a l i n gr u b b e rr i n g s a b s t r a c t a sc h i n ah a sb e c o m eam a n u f a c t u r i n g p o w e r , d e t e c t i o nt e c h n o l o g yi s u n d o u b t e d l y a ni m p o r t a n tl i n ki n m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y f o ra n yc o n s t a n t l y r e p e a t e dd e t e c t i o nd o n eb ym a n p o w e r ，m a c h i n ev i s i o nc a nb et r i a l e dt o r e p l a c e a r t i f i c i a im e t h o d s m a c h i n ev i s i o ni sw i d e l yu s e di nt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n di t s b i g g e s tc h a r a c t e ri sh a v i n gn oc o n t a c t sw i t hi t sd e t e c t e dt a r g e t s b e s i d e s ，i th a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sf a s t - s p e e d ，h i g ha c c u r a c ya n dn o n - c o n t a c t ，a n di sg r a d u a l l y r e p l a c i n gt h ea r t i f i c i a ld e t e c t i o nm e t h o d s b u td u et oi t si m m a t u r ed e v e l o p m e n t ，i t s a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fd e t e c t i o ns t i l ln e e d sf u r t h e ri m p r o v e m e n t s s of a r ，m a n yd o m e s t i cm a n u f a c t u r e r so fs e a l i n gr u b b e rr i n gr e l yo nm a n p o w e r t od e t e c tp r o d u c t s d e f e c t s ，w h o s er e s u l ti sb e i n gn o tu pt os t a n d a r d so f a c c u r a c ya n d s p e e d t h ea i mo ft h i sr e s e a r c ho nt h i st h e m ei st oe s t a b l i s has e to fd e f e c td e t e c t i o n s y s t e mo fs e a l i n gr u b b e rr i n g s t h ew h o l er e s e a r c hi sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n g p e r s p e c t i v e s ： ( 1 ) t os e tu pas e to fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rd e t e c t i n gd e f e c t so fs e a l i n g r u b b e rr i n g s ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fl i g h ts o u r c ea n dv i d i c o n ，a n dt h ed e s i g no f i l l u m i n a t i n gs y s t e m t h er e s u l t sd i s p l a y ：t h i sp l a t f o r ms p e c i f i e df o rt h i st h e m ec a n m e e tt h es t a n d a r do fd e s i g n e da c c u r a c yo fs y s t e m ； ( 2 ) t or e s e a r c ho nd e t e c t i o na l g o r i t h mf o rs e a l i n gr u b b e rr i n g s a f t e rd e t a i l e d e x p l o r a t i o n sa b o u tt h ea p p l i c a t i o n so fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi n t os e a l i n gr u b b e r r i n g s d e f e c td e t e c t i o n ，a n dc a r r y i n go nl a r g ea m o u n t so ft e s t i n gi ne v e r yp r o c e d u r e o fd e f e c td e t e c t i o n ，s u c ha si m a g ep r e p r o c e s sa n di m a g ee n h a n c e m e n ta n de d g e d e t e c t i o n ，w el i s t e da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c ha l g o r i t h m b a s e do n f e a t u r e so fl o wc o n t r a s tr a t i oa n dd i f f i c u l td e t e c t i o ni nt h eb l a c k s e a l i n gr u b b e rr i n g s ， t h et a r g e to ft h isr e s e a r c h ，t h i sp a p e r p r e s e n t sam i x e dd e t e c t i o na l g o r i t h mt od e t e c t d e f e c t so fr u b b e rr i n g sw i t hl o wc o n t r a s tr a t i o ，a n da n a l y z e si t sr e s u l t st h e o r e t i c a l l v a n de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e ：c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l s i n g l e a l g o r i t h ma p p l i e di nd e t e c t i n gd e f e c t s e d g e s ，t h ed e t e c t i o na l g o r i t h mh a sa c h i e v e d b e t t e re f f e c t s ； ( 3 ) a so ff e a t u r ee x a c t i o no fr o b b e rr i n g s ，l i k em e a s u r e m e n t so fs i z ea n dc i r c l e s c e n t e r s ，t h ep a p e ru s e sam e t h o do fs p i r a ll i n es e g m e n tt oo b s e r v et h eb o r d e r p o i n t s ， 4 w h i c hh a si m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd e t e c t i o na n do b t a i n e db e t t e rr e s u l t s ； ( 4 ) t oa n a l y z er e a s o n so fd e t e c t i o ne r r o r ss u c ha ss y s t e m i ce r r o r s ，i m a g en o i s e a n da l g o r i t h me r r o r s a n dm e t h o d so fr e d u c i n gt h e s ee r r o r sa r ea l s op r e s e n t e di nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；i m a g ep r o c e s s i n g ；r u b b e rr i n gi n s p e c t i o n ； 致谢 本文是在导师刘春副教授的严格要求和悉心指导下完成的。刘老师渊博的 专业知识，严谨的治学态度，敏锐的科学洞察力，精益求精的工作作风，朴实 无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、 掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处世的道理。本论文从选题到 完成，每一步都是在刘老师的细心指导下完成的，倾注了刘老师大量的心血。 在此，谨向刘老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 同时感谢合肥工业大学软件学院鲁昌华教授的指导和帮助，在本论文的研 究工作中，鲁老师对我的课题和论文提出了许多建设性的意见和建议，在此表 示诚挚的谢意。 感谢胡存刚老师，一直以来胡老师都尽心尽力为我们排忧解难，无论是学 习上还是生活上，都给予很大的帮助。此外，还要感谢实验室所有成员，尤其 是利新琴、宋奇兵、杨银平、江伟荣、吴晓玲、刘中亮、朱华庆等同学，对我 的关心和帮助。 感谢我的父母和亲戚朋友，他们给予我精神上和生活上的鼓励和支持，才 使我顺利完成学业。 感谢论文的评阅老师和答辩老师在百忙中对本文进行审阅和指点。 6 作者：朱红岩 2 0 1 1 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 机器视觉的发展概况1 1 2 1 机器视觉在国外的发展历史1 1 2 2 机器视觉在中国的发展历史2 1 2 3 机器视觉在国外的发展现状3 1 2 4 机器视觉在国内的发展现状3 1 2 5 机器视觉的发展趋势4 1 2 6 机器视觉在中国的发展前景4 1 3 基于机器视觉的密封橡胶圈检测系统简介4 1 3 1 密封橡胶圈检测技术的在国外的发展概况4 1 3 2 密封橡胶圈检测技术的在国内的发展概况6 1 4 本课题的来源及意义6 1 5 本章小结7 第二章橡胶圈在线检测系统设计8 2 1 总体框架设计8 2 2 照明系统设计9 2 2 1 光源的选择9 2 2 2 常见的光源类型11 2 2 3 本课题的光源设计1 2 2 3 采集系统设计1 2 2 3 1 摄像机的选择1 2 2 3 2 镜头的选择1 8 2 3 3 采集卡的选择1 9 2 4 实验系统搭建2 0 2 5 本章小结2 l 第三章橡胶圈检测算法的研究与实现。2 2 3 1 数字图像处理技术概述2 2 3 2 图像预处理2 3 3 3 1 图像滤波2 3 3 2 2 图像增强3 1 3 3 图像分割3 4 3 3 1 边缘检测3 4 3 3 2 分水岭算法分割3 9 7 3 4 本章小结：4 0 第四章混合检测算法及数学形态学在橡胶圈检测中的实现4 1 4 1 混合检测算法在橡胶圈检测中的实现4 1 4 1 1 图像预处理4 1 4 1 2 图像边缘混合检测算法4 2 4 1 3 形态学膨胀【2 9 , 3 4 3 4 2 总结4 4 4 3 本章小结4 5 第五章橡胶圈的特征提取4 6 5 1 橡胶圈圆心的确定4 6 5 1 1 边缘扫描法4 6 5 1 2 三点法4 6 5 1 3h o u g h 变换法5 0 55 1 4 7 5 2 橡胶圈尺寸的确定5 0 5 2 1 扫描切线法【5 6 1 5 0 5 2 2 最d , - 乘法【5 7 _ 5 8 1 5 1 5 3 缺陷检测的误差分析5 3 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 s 6 1 总结5 5 6 2 展望5 5 参考文献5 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 0 插图清单 图1 1 第一张月球照片2 图1 2 德国a t o s 光学扫描仪5 图1 3 以色列c o p y m a t e 三维激光扫描系统5 图1 4 视觉龙公司的智能密封圈检测设备6 图1 5 黑色0 形密封橡胶圈6 图2 1 密封橡胶圈检测设计方案9 图2 2 图像采集系统9 图2 3 照明缺陷图1 l 图2 4 环形照明系统1 2 图2 5a m l3 0 0 摄像机1 6 图2 6a m l 3 0 0 摄像机c c d 传感器的光谱响应曲线1 8 图2 7 镜头计算简化图1 8 图2 8 嘉恒o k - m 1 0 b 采集卡2 0 图2 9 图像采集实验平台2 1 图3 1 均值滤波8 邻域模板2 4 图3 2 均值滤波对高斯噪声的滤波效果图2 5 图3 3 均值滤波对椒盐噪声的滤波效果图2 5 图3 4 图像复原模型2 6 图3 5 维纳滤波对高斯噪声的滤波效果图2 7 图3 - 6 中值滤波对椒盐噪声的滤波效果图2 8 图3 7 中值滤波对高斯噪声的滤波效果图2 8 图3 8 自适应中值滤波对高密度椒盐噪声的滤波效果图3 0 图3 - 9 图像增强方法分类3 l 图3 1 0 直方图均衡化3 2 图3 1 1 灰度范围的线性变换3 3 图3 1 2 常用灰度变换模式3 3 图3 1 3 灰度变换3 4 图3 1 4 各种边缘检测算子模板3 7 图3 1 5 边缘算子检测结果3 9 图3 1 6 分水岭算法检测效果图4 0 图4 1 橡胶圈缺陷检测算法流程图4 l 图4 2 图像滤波框图4 2 图4 3 图像滤波4 2 图4 4 图像增强前后对比图4 2 9 图4 5 混合检测算法效果图4 3 图4 6 膨胀运算实例4 4 图4 7 膨胀效果图4 4 图5 1 三点法圆心定位示意图4 7 图5 2 三点法圆心定位示意效果图4 7 图5 3h o u g h 变换原理图4 8 图5 4 参数空间中的累加数组4 8 图5 5h o u g h 变换5 0 图5 - 6 扫描切线法5 0 图5 7 八连通5 l 图5 8 旋转线段法示意图5 2 图5 - 9 最小二乘法确定尺寸5 3 1 0 表格清单 表2 1 常用光源的性能比较1 0 表2 2c m o s 和c c d 优缺点比较1 4 表2 3a m l 3 0 0 性能指标1 7 表2 4o km l o b 采集卡技术特点2 0 表3 1 滤波时间对比表3 1 表3 2 边缘算子检测效果比较3 9 表4 - i 实验结果数据4 5 第一章绪论 1 1 研究背景 工业用橡胶圈有很好的耐磨性及弹性，o 型橡胶圈作为常用的o 型密封圈， 在工业上得到了广泛的应用。随着经济的快速发展，人们对橡胶圈的需求越来 越大，质量要求越来越高，在不断提高的橡胶圈生产速度下，传统意义上的检 测技术已经越来越难满足现在飞速发展的橡胶圈生产速度。 我国橡胶工业经过了若干年的发展，已经成为橡胶圈生产大国，对橡胶圈 的需求量更是具有广阔的发展市场，但国内的生产水平和产品质量与发达国家 相比，还有相当大的差距。国内的检测方法，一种是采用人工检测，一种是进 口国外的自动检测产品。而人工检测中由于疲劳造成的误检和漏检现象，使得 检验合格率不高。进口国外的自动检测产品虽然能避免人的主观因素导致的对 产品的误检和漏检，但价格高昂的进1 2 仪器使得生产成本大大增加。所以基于 机器视觉的密封橡胶圈缺陷检测的研究具有很强的现实意义。 橡胶圈在工业生产过程中不可避免的会产生各种各样的缺陷，比如切割不 平、厚度不均、毛边和气泡等。而建立一套准确、快速、简便的缺陷检测体系， 是保障橡胶圈质量的有效手段。本课题通过对橡胶圈在线监测算法及系统的研 究，为企业和研究单位提供一种有突出性能和优点的自动检测方法，为其可实 现性提供可靠的理论依据。从而提高橡胶圈的检查效率，帮助人们简化并优化 检测过程。 1 2 机器视觉的发展概况 缺陷检测是现代工业生产中重要的一环，如机械零件尺寸精度的检查、高 速贴片机上对电子元件的快速定位、i c 表面字符辨认、金属板表面自动探伤、 汽车车身轮廓尺寸精度检测等等【l 】。通常这类具有高度智能型和重复性的工作 是由人工用眼睛完成的，但用人工检测劳动强度大、错误率高、速度慢等缺点。 特别对于某种微小尺寸零部件的尺寸测量、颜色辨别、形状匹配等，用人工更 是难以完成，普通传感器也难以胜任，人们开始尝试用图像处理学来解决这一 难题。相机采集到的图像被输入到图像处理系统，通过数字处理，然后根据图 像的各种信息来完成尺寸、形状等的检测。这种方法是把计算机图像处理的精 确性、快速性与人眼的智能化相结合，由此产生了机器视觉检测技术的概念。 1 2 1 机器视觉在国外的发展历史 美国机器人工业协会( r i ar o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 对机器视觉下的 定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个 真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置【2 】，。 自动化、 高精度、客观性和非接触是机器视觉的显著特点。 数字图像晟初应用在新闻业，那时，图像第一次通过海底电缆在纽约和伦 敦之间传输。2 0 世纪2 0 年代初期，b a r t l a n e 图片传输系统传输一张横跨大西洋的 图片，从7 天减少到3 个小时，然后在接收端对图像进行重构。b a r t l a n e 系统最初 只能用5 个灰度级对图像进行编码，到2 0 世纪2 0 年代末期已经增加到1 5 个灰度 级，图片质量随之改善。但上述例子并没有用到真正意义上的数字图像处理技 术，因为图像处理还没用到计算机技术，数字计算机和数字图像处理密不可分， 数字图像处理需要计算机强大的计算能力和大的存储器。 2 0 世纪6 0 年代早期，出现了第一台能够应用于数字图像处理的计算机。今 天人们研究的数字图像处理技术的诞生就起源于计算机的发展与应用。计算机 的发展给数字图像处理带来了广阔的发展前景，人们开始着手用计算机技术来 处理图像。 用计算机技术改进图像质量始于美国加州的喷气推进实验室( j e t p r o p u l s i o nl a b o r a t o r y ) 。l9 6 4 年，徘徊者7 号( r a n g e r7 ) 航天器传回的图像被 计算机处理，以纠正图像中出现的各种畸变【3 】。图1 1 所示为1 9 6 4 年7 月3 1 日0 9 点0 9 分，徘徊者7 号拍下的第一张月球照片。 2 0 世纪6 0 年代， 2 0 世纪7 0 年代， 2 0 世纪8 0 年代， 觉得到迅速发展【4 1 。 图1 1 第一张月球照片 r o b e , s 开始进行三维机器视觉的研究。 麻省理工学院人工智能实验室设置机器视觉课程。 发达国家大规模的展开了机器视觉的研究与开发，机器视 1 2 2 机器视觉在中国的发展历史 2 0 世纪9 0 年代以前，机器视觉仅仅存在于理论阶段，并没有相关的公司或 产品。9 0 年代初，国内开始成立机器视觉公司，研发了中国第一代机器视觉产 品，比如，一些功能简单的机器视觉软件库，和基于i s a 总线的灰度级图像采 集卡。这些初级产品一般应用于高校的实验室，用于初步的图像处理和分析。 1 9 9 0 1 9 9 8 年为初级阶段。市场上并没有真正的机器视觉产品，国外大的机 器视觉厂商还没有进入中国市场。 19 9 8 2 0 0 2 年，国外机器视觉生产商，包括港台厂商，开始投资中国大陆市 场，带有机器视觉的整套的生产线和高级设备被引入中国沿海地带。例如，北 京和利时电机技术有限公司被国际机器视觉选为国内的代理商。 2 0 0 2 年至今，中国机器视觉快速发展，但在关键技术上还与国外有很大差 距。 1 2 3 机器视觉在国外的发展现状 机器视觉伴随计算机技术、通信技术的发展，技术日臻成熟，已是现代加 工制造业不可或缺的产品，广泛应用于包装、食品和饮料、国防、金属加工、 化妆品、建材、化工、制药、电子制造、汽车制造等行业。 在国外，机器视觉发展相对成熟，机器视觉技术培训体系相对完整，机器 视觉企业的规模较大，有大量的专业人才，研究方面有足够的前瞻性和突破性。 国外企业大多拥有自主的核心技术和核心产品，而国内企业已代理国外产品为 主，自主产权不够。机器视觉在国外被广泛应用于图像处理、工厂自动化、医 疗卫生、显微镜系统、生命科学、天文探测、印刷电路质量检测以及半导体电 子行业，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。 许多著名视觉设备供应商，诸如：m a t s u s h i t a ，o m r o n ，c o g n e x ，d v t ，c c s ， d a t at r a n s l a t i o n ，m a t r i x ，c o r e o o ，t h ei m a g i n gs o u r c e 开始接触中国市场寻求本地 合作伙伴。 1 2 4 机器视觉在国内的发展现状 中国正在成为一座世界工厂，制造业已经成为中国最大的工业行业，而检 测技术越来越成为制造业中重要的一环。只要是我们利用人眼来做的重复性检 测，我们都可以试着利用机器视觉来解决。 机器视觉发展的主要空间在电子和自动化检测行业，而在中国，机器视觉 属于新兴领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，导致以上各行业的应用 只是低端方面的应用。随着工业的发展、技术的进步、与国外同行业的交流日 益增多，各行各业对采用机器视觉技术的工业自动化有着越来越强的需求，国 内的部分高校和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆 的尝试，逐步开始了工业现场的应用。其主要应用于制药、包装印刷、食品、 汽车、瓶体瓶盖检测等领域。国内的一些机器视觉公司有：北京大恒，深圳视 觉龙科技，北京微视凌志。 1 2 5 机器视觉的发展趋势 由于机器视觉有其独特的优越性，在众多领域都有很大的发展潜力： ( 1 ) 在光源领域，l e d 具有其他光源不可比拟的优势，将会得到广泛的推 广： ( 2 ) 嵌入式系统将会应用到机器视觉的处理器中，芯片的运算处理功能会 更加强大； ( 3 ) 三维图像芯片将取得进一步的发展，人们对三维图像的研究会更加方 便容易； ( 4 ) 和其它学科的联系更加紧密。 1 2 6 机器视觉在中国的发展前景 在世界范围内，随着工业领域自动化生产的进行，机器视觉正逐渐代替人 眼的作用，被用于产品检验和质量控制等。在中国，工业的高速发展，带来了 对机器视觉需求的增长。目前机器视觉主要应用于电子行业，而电子行业在中 国初具规模，有广阔的发展前景。但具有中国自主知识产权的产品还不多，多 数依靠的是国外的技术。随着机器视觉产品的增多，技术的突破和创新，国内 机器视觉的发展将走出自己的一片天p j 。 1 3 基于机器视觉的密封橡胶圈检测系统简介 橡胶是提取橡胶树、橡胶草等植物的胶乳，加工后制成的具有弹性、绝缘性、 不透水和空气的材料。高弹性的高分子化合物。分为天然橡胶与合成橡胶二种。 天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工制成；合成橡胶则由各 种单体经聚合反应而得。 1 3 1 密封橡胶圈检测技术的在国外的发展概况 发达国家对密封橡胶圈检测研究时间长，技术比较成熟。2 0 世纪8 0 年代， 美国国家标准学会( a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ) 预计未来绝大多数 的在线检测任务将由机器视觉来完成。同期，美国就有1 0 0 多家公司致力于机器 视觉的研究和发展。在近几届北京国际机床展览会上已经见到国外企业展出的 应用视觉检测技术研制的先进仪器，如非接触式三坐标扫描仪、三维激光扫描 系统、流动式光学三坐标测量机等等【6 j 。 德国g e m 公司开发的a t o s 流动式光学扫描仪是一种非接触式三坐标扫描 设备，如图i 2 所示。该扫描仪采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工件表 面，借助两个高分辨率c c d 摄像机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光栅测量原 理和光学拍照定位技术，在极短的时间内获得被测物体表面的完整点云。a t o s 扫描仪的不同视角点云的自动拼合技术和流动式设计，使其扫描范围可以达到 4 1 2 m 。因此，a t o s 扫描仪的优势是扫描大型工件时变得高效和便捷。该扫描仪 的完美扫描点云可用于快速成型、逆向工程、质量控制、产品开发，甚至可实 现直接加工等等7 1 。 。 图1 - 2 德国a t o s 光学扫描仪 以色列c o p y m a t e - - 维激光扫描系统是高精度、高速的数字扫描仪，如图1 3 所示。它通过一个激光探头进行快速有效的扫描，生成工件的数字化数据，并 自动转化成被电脑识别的曲面，几分钟之内即可看到数据结果。用户可以根据 产品的需要定义模型，既可用于快速成型、逆向工程、复杂曲面测量、零件质 量控制；又可用于文物数字化、虚拟现实等领域【8 】。j t l c o p y m a t e _ - - - 维激光扫描 系统能快速收集硬币上各个点的数据，精度最高可达2 u r n ，重复定位精度高于 0 4 u r n 。 图1 - 3 以色列c o p y m a t e 三维激光扫描系统 2 0 1 0 年1 0 月，致力于三维数字化领域的研发的c r e a f o r m 公司，在全球同时 发布新产 m e t r a s c a n3 d 扫描仪，该扫描仪的动态参考功能可以在复杂动态环 境中，实现非常高的精准度，降低扫描检测的误差，其测量精度误差在0 0 8 5 m m 以内。m e t r a s c a n 不仅仅能提供非常高的精度，还能更便携且易于使用【9 1 。 1 3 。2 密封橡胶圈检测技术的在国内的发展概况 上海东冠科技有限公司生产的a u t o g a u g e 全自动橡胶件视像检测系统 能自动完成检测橡胶圈的内外径、厚度等，并能检测橡胶圈表面的各种缺陷【l 。 检测速度：1 1 8 万件每小时，检测精度为o 0 1 r a m 。 视觉龙科技有限公司可以为客户量身定做橡胶圈检测设各，无论橡胶圈是 圆形、方形或者其它任何形状均可实施在线检测，且产品迸料不受放置方向限 制。该设备能自动剔除不良品，全过程无人工干预，缺陷检测误判率小于0 5 【l l 】 如图1 4 所示。 图1 - 4 视觉龙公司的智能密封圈检测设备 1 4 本课题的来源及意义 本课题来源于安徽省科技攻关项目，项目编号：0 8 0 1 0 2 0 2 1 3 4 ，项目名称： 嵌入式机电一体化自动综合检测系统。 本课题研究的对象为黑色o 型密封橡胶圈，内径为6 0 m m ，线径为5 r a m ，如 图1 5 所示：该橡胶圈必须表面平整，不能有气泡、杂质、裂纹、孔隙等缺陷， 并且尺寸必须符合中华人民共和国机械行业标准( 机械密封用o 形橡胶圈) j b t 7 7 5 7 2 2 0 0 6 。 图1 5 黑色0 形密封橡胶圈 随着对橡胶圈的质量要求越来越高，机器视觉在橡胶圈缺陷检测中的应用 会越来越广。机器视觉在国际上的应用越来越成熟，而在国内，基于机器视觉 的橡胶圈缺陷检测系统的研发才刚刚起步。已经开发的产品的性能还远不如国 6 外的同类产品，并且大多数的国内产品都是购买国外的软件包进行二次开发， 或者某些器件直接进口国外产品，具有完全自主知识产权的产品并不多。虽然 引进国外产品或生产线能迅速投入生产，但也有很多弊端： ( 1 ) 价格昂贵。一些国内的一些企业购买了机器视觉系统，还要花费昂贵 的费用聘请国外的系统集成商； ( 2 ) 相关配套设备的精度不同； ( 3 ) 产品标准不同，通用性不强。每个国家都有自己的检测标准，例如我 国生产的橡胶圈必须符合中华人民共和国机械行业标准( 机械密封用o 形橡胶 圈) j b t7 7 5 7 2 2 0 0 6 。国外的检测精度要求不一定符合中国的行业标准，因此 国外的检测产品并不能直接应用于国内的橡胶圈生产线。 而我国大部分橡胶圈生产厂家还是采用人工检测，存在着速度慢、劳累程 度高、误检率高等缺点【l2 1 。因此，亟待开发出一套检测装置来满足橡胶圈生产 的需要。根据橡胶圈生产检测的特点，高精度、速度快、非接触是我们理想的 检测方法，而机器视觉能满足上述要求，在工业生产中显示出巨大的应用前景。 因此本课题使用机器视觉来研究橡胶圈的自动检测技术。 1 5 本章小结 介绍了本课题的研究背景、来源及意义，并概述了机器视觉在国内外的发 展历史、现状、前景；总结了国内外密封橡胶圈检测设备发展状况及优缺点。 第二章橡胶圈在线检测系统设计 本章主要介绍密封橡胶圈检测系统的总体设计框架，以及硬件系统的设计。 硬件设计主要为硬件设备的选择原则和设备参数，其中包括照明设备，图像采 集设备等。 本课题的在线检测系统应满足以下要求【1 3 】： ( 1 ) 橡胶圈产品适用于该检测系统，可以根据不同类型、尺寸的橡胶圈设 置不同的参数，设定检测指标精度。本课题采用的橡胶圈的尺寸为：外径6 0 m m ， 线径5 r a m ，厚度5 m m 。颜色为黑色； ( 2 ) 要求检测精度高，能检测出最小为o 5 r a m 的缺陷； ( 3 ) 能适应密封橡胶圈的年生产能力； ( 4 ) 能全自动机器检测，即：自动上料、自动检测、自动分类合格品与不 合格品。并能满足每天2 4 d x 时工作的要求； ( 5 ) 可实现系统扩展，通过扩展的i o 接口，连接控制执行结构和显示结构； ( 6 ) 可实现现场数据的远距离传输； ( 7 ) 可实时记录、统计、显示各种检测数据。 根据以上要求，系统设计时应遵循以下原则： ( 1 ) 可靠性，系统必须具备高度的稳定性； ( 2 ) 经济型，系统成本低； ( 3 ) 通用性，系统要简单易用； ( 4 ) 扩展性，随着生产工艺的改进，系统要能扩展升级。 本课题设计了一套黑色密封o 型橡胶圈缺陷检测实验系统，整个系统涉及 到光源、图像采集、图像处理等各个环节。 2 1 总体框架设计 构建一套密封橡胶圈在线自动检测系统，要能够采集到高质量的图像，并 能运用图像处理算法对橡胶圈图像进行检测，要综合考虑照明、摄像机、采集 卡等各种因素： ( 1 ) 工业用检测照明系统要求光色纯正、相应时间短、防潮、抗震动、节 能环保等，同时要尽量避免其它非系统光源的影响与干扰，如自然光、日光灯 等； ( 2 ) 摄像机有较高的灵敏度并能够满足本课题系统精度要求； ( 3 ) 采集卡要和软件有很好的兼容性，应支持第三方开发工具，以便于系 统的第二次开发； 本系统硬件部分由以下几部分组成：照明部分、图像采集部分、图像处理 部分、控制部分、输出部分等。 8 密封橡胶圈检测设计方案如图2 1 所示。 照明系统( 光源)图像显示设备 if 被测物体( 橡胶圈) 卜_ 一图像采集系统卜叫图像预处理h 计算机图像处理卜- 叫控制输出 图2 1 密封橡胶圈检测设计方案 其中，图像采集系统如图2 2 所示14 1 。 + 照明和光源摄像头或传感器图像采集卡 图2 - 2 图像采集系统 2 2 照明系统设计 如图2 1 所示，照明系统整个密封橡胶圈检测设计方案的第一个环节，也是 非常重要的一个环节，照明系统设计的好坏直接影响着计算机图像处理的结果。 选择光源的目标是： 1 减少外界光源的干扰； 2 增强待处理的密封橡胶圈的物体特征； 3 不会进入额外的干扰。 本节根据密封橡胶圈自身特点以及光源选择等角度分析，提出效果较好的 照明设计。 2 2 1 光源的选择 18 7 9 年1 0 月，当爱迪生发明的高阻力白炽灯连续点燃了4 0 个小时【1 5 】。从此， 电光源技术有了突破性的发展，白炽灯、卤钨灯、高压汞灯等相继问世。最近 几年，人们又发明了金属卤化物灯等新型电光源。 由于光源的光色、显色性、亮度等各有所长，我们需要选择一种符合本实 验的光源，现将其性能比较如表2 1 所示【l6 1 。其中荧光灯效率高，显色性好， 但亮度低，适用于一般照明；白炽灯使用广泛，价格便宜，光的表现良好，易 于控制；卤钨灯适用于投