（信号与信息处理专业论文）基于双阈值分割的玻璃缺陷特征提取方法研究.pdf

图书分类号图书分类号 tp391tp391 密级密级 非密非密 udcudc 注注 1 1 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 基于双阈值分割的玻璃基于双阈值分割的玻璃缺陷特缺陷特征征提提取方法研究取方法研究 杨继亮杨继亮 指导教师 姓名 职称 指导教师 姓名 职称 王召巴王召巴 教授教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 信号信号与与信息处理信息处理 论文提交日期论文提交日期 年年 月月 日日 论文答辩日期论文答辩日期 年年 月月 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 答辩委员会主席答辩委员会主席 年年 月月 日日 注注 1 1 注明 国际十进分类法 注明 国际十进分类法 udcudc 的分 的分类类 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在指导教师的指导下 独立本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在指导教师的指导下 独立 进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含其他进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 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 本声明的法律责任由本人承担 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 论文作者签名 日期 日期 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管 使用学位论文的规定 其中包括 本人完全了解中北大学有关保管 使用学位论文的规定 其中包括 学校有权保管 并向有关学校有权保管 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采部门送交学位论文的原件与复印件 学校可以采 用影印 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文用影印 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文 学校可允许学位论文 被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文 被查阅或借阅 学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保密学位论文在解密后遵守此规学校可以公布学位论文的全部或部分内容 保密学位论文在解密后遵守此规 定 定 签签 名 名 日期 日期 导师签名 导师签名 日期 日期 中北大学学位论文 基于双阈值分割的玻璃缺陷特征提取方法研究 摘 要 在平板玻璃的生产过程中 由于生产技术水平和生产环境的限制 平板玻璃带不可避 免的会包含一些缺陷 玻璃缺陷的大小影响玻璃的质量等级 而缺陷类型的准确判断对于 调整工艺 指导生产具有重要的作用 因此研究一种玻璃缺陷特征提取和分类识别方法 对于提高玻璃质量和生产工艺具有重要的实用价值 本文以玻璃缺陷为研究对象 在分析玻璃外观质量国家标准的基础上 确定了玻璃缺 陷检测方法的技术指标 给出了玻璃缺陷检测装置的总体结构 确定了主要硬件组成的选 型方案 并通过该检测装置 得到了具有明显特征的典型玻璃缺陷的图像 在分析典型缺 陷特征图像的基础上 利用顶帽变换方法消除了无缺陷区域的背景趋势 分别采用了基于 灰度变换的图像增强技术和基于形态学的图像增强技术提高玻璃缺陷图像的对比度 对比 结果表明基于形态学的图像增强方法在保留玻璃缺陷特征的同时又增强了缺陷的边缘 为了准确计算缺陷的大小和识别缺陷的类型 在分析迭代法和最大类间差方法的阈值 分割算法的基础上 提出了一种基于玻璃缺陷特征的改进的双阈值的缺陷分割方法 将玻 璃缺陷的灰度图像分割为具有背景 缺陷和边缘的三值化图像 通过统计连通缺陷的像素 个数 实现了缺陷大小的计算 采用行扫描的方法标记缺陷数量 根据每个缺陷和边缘的 面积 实现对典型缺陷类型的分类 并给出了分类的实现方法 关键词 玻璃缺陷 图像增强 阈值分割 特征提取 中北大学学位论文 research on extraction method of glass detect characteristics based on double threshold segmentation abstract because of restriction of technology and production environment it is inevitable to make defects in glass production the degree of glass defect affects the grade of glass quality it plays an important role in adjusting process and guiding production for judging the type of glass defect accurately thus it will have important practical value for improving the quality and production process of glass to research glass defect s extraction and recognition technology the paper make glass defect as object of study firstly it analyses national current standard of glass appearance so as to ensure the detecting standard of glass defect then it lists the overall structure of testing device for glass defect and determines the selection plan of main hardware last through the testing device it gains typical glass defect image whose is obvious based on analyzing typical defect image the paper adopts the top hat transformation method to eliminate the influence of trend background from area free from defect meanwhile the paper adopts two kinds of image enhancement technology to improve the contrast of glass defect image which is based on gray level transformation of the image enhancement technology and based on the morphology of the image enhancement technology the contrast result shows enhancement technology is based on morphology of the image which not only maintains the characteristics of glass defect but also enhances the image effect of defect edge in order to calculate the degree of the defect and recognize the type of defect accurately on the base of analyzing the iterative method and difference between maximum cluster methods the paper puts forward a kind of improvement method based on glass defect characteristics named double threshold defect segmentation the method divides the gray level image of glass defect into ternaryzation image with background defect and edge the paper realizes the calculation of defect s degree through counting the pixel number of connectivity defect and 中北大学学位论文 adopts scanning method to mark the quantity of defect then according to the area of each defect and edge the paper realizes classification for typical glass defect and puts forward classification method key words glass defect image enhancement threshold segmentation feature extraction 中北大学学位论文 i 目目 录录 第一章 绪论 1 1 课题研究的背景以及意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 1 国内外检测现状 1 1 2 2 识别方法现状 3 1 3 本文主要研究工作 4 第二章 玻璃缺陷检测原理及检测系统方案 2 1 玻璃缺陷在线检测系统指标要求 6 2 2 检测系统原理 7 2 3 检测系统构成 7 2 3 1 光源和照明系统 8 2 3 2 线扫描 ccd 相机 11 2 3 3 图像采集卡 13 2 4 本章小结 15 第三章 玻璃缺陷图像的预处理 3 1 玻璃缺陷的图像及特征 16 3 2 图像的背景噪声分析和剔除 17 3 2 1 形态学原理 19 3 2 2 基于顶帽变换的图像背景趋势消除 21 3 3 图像增强 23 3 3 1 基于灰度变换的图像增强 24 3 3 2 基于形态学的图像增强 27 3 4 本章小结 31 第四章 缺陷特征提取及识别方法研究 4 1 阈值分割 32 中北大学学位论文 ii 4 1 1 迭代法阈值分割 32 4 1 2 最大类间方差法 32 4 1 3 双阈值法 35 4 1 4 分割算法结果分析 37 4 2 玻璃缺陷图像连通区域标记 38 4 3 玻璃缺陷的特征识别 41 4 4 本章小结 42 第五章 结论与展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 致谢 中北大学学位论文 1 第一章 绪论 1 1 课题研究的背景以及意义 玻璃是国民经济重要的基础原料工业 1 中国玻璃工业发展迅速 是世界上最大规模 的平板玻璃生产国 玻璃产量占世界玻璃总产量的近一半左右 2 3 由于国内玻璃生产设 备技术水平不高和生产环境的影响 玻璃产品中可能出现各种缺陷 4 玻璃缺陷不仅破坏 了玻璃产品的外观质量以及光学均匀性 而且降低了玻璃的使用价值 因此 研究一种玻 璃缺陷特征提取和分类识别方法 在检测玻璃质量 对于降低玻璃生产成本 提高企业的 经济效益 节约我国的能源都具有十分重要的意义 目前 玻璃的高端生产线所占比例低 生产线整体装备水平不高 生产线的自动化程 度低 先进的生产技术被发达国家垄断 大部分高端生产线都是从国外引进 国内研发的 生产线与国外的差距还十分巨大 5 7 因此 需要在玻璃生产线安装玻璃质量检测装置 来控制产品质量的和提高生产效率 在国内 玻璃缺陷在线检测系统研究虽然已经取得了 较大的发展 而且也已开始应用实际生产 但在以前由于受限于图像采集硬件设备性能与 计算机硬件处理速度 在处理速度 准确性 实时性 可操作性上均存在较大的问题 随 着图像处理及识别相关理论的不断完善 以及处理信息能力的不断提高 使得对缺陷类型 自动识别变得切实可行 如果采用合适的图像识别的技术 就可以有效得提高分类的准确 性并优化玻璃缺陷检测系统的整体性能 基于以上原因 本文针对对玻璃气泡 夹杂和划痕等进行检测 研究了璃缺陷分类方 法 该方法针对不同类型的玻璃缺陷有良好的识别能力 提高了分类的自动化程度 不仅 为玻璃等级分类提供数据 也对玻璃生产线上工艺调整 指导生产具有重要的作用 1 2 国内外研究现状 1 2 11 2 1 国国内内外外检测检测现状现状 对于玻璃缺陷的检测 早在1984年意大利的mitra s k和parker j m就开始对一个能 够识别四十多种玻璃缺陷的系统进行了研究 后来德国的schmied r又对浮法玻璃生产线 上的玻璃缺陷检测系统进行了更深一步的研究 英国的latham v nixon m和mayers c研 中北大学学位论文 2 发了平板玻璃的光学自动检测系统 并利用玻璃的光学特性检测玻璃制品的形状和内部缺 陷 8 德国lasor是专门提供在线检测系统一家的公司 在平板玻璃检测领域 德国 lasor是第一家推出了激光检测设备的公司 德国lasor公司的产品安装在世界各国浮 法玻璃生产线上 而且是安装数量最多的设备 所以各国玻璃生产厂家都与德国lasor公 司有良好合作关系 德国lasor公司也凭借这种关系积累了丰富检测经验 在lasor公 司产品广泛应用的基础上 该公司又研制了一种新型的设备 用于检测浮法玻璃缺陷 2f1检测系统 9 其系统实物图如图1 1所示 该 2f1 系统中 线阵ccd相机安装在检测 设备的最上端 扫描在光源 发光二极管阵列 上方向前行进的玻璃带 依靠这种手段来 获取玻璃图像信息 信号的采集处理部分是由高速的dsp构成的 对采集到的玻璃信息进 行分析处理 达到对玻璃产品缺陷检测与分类的目的 该 2f1 系统的检测精度达0 1mm 但设备的整个系统价格昂贵 尤其是照明光源 采集和高速处理系统的造价十分惊人 这 样的价格使得中国国内的普通企业难以承担这样巨额的维修费用 美国图像自动化公司研制了一种依靠激光探测法的检测系统 fastscan系统 10 11 fastscan 系统主要用于检测划痕和点状缺陷 fastscan 系统采集的是激光透射过运动 玻璃带或者反射过运动中的玻璃带产生的激光信号 激光信号通过光电倍增管的处理和位 移敏感探测器的分析 可以得到玻璃缺陷的具体信息 但是 fastscan 系统检测设备的 检测精确程度度不是很高 当由于玻璃产品的厚度不同时 而进行玻璃缺陷检测时 需要 调整检测安装的设备 有一定的差别 图 1 1 lasor 公司 2f1 检测系统检测装置实物图 中北大学学位论文 3 在线莫尔检测系统 floatscan catcheopics fco 可以检测出质量标准中全部的缺 陷 12 15 该检测系统是由德国的伊斯拉公司生产的 在线莫尔检测系统 fco 利用安装 在相机和光源的两条光栅产生莫尔干涉条纹 进行玻璃缺陷的检测 检测原理 当检测的 玻璃有缺陷时 莫尔干涉条纹会产生变化 通过莫尔干涉条纹的变化来分析玻璃缺陷的性 质 在线莫尔检测系统 fco 的检测精度是由ccd光栅刻线 莫尔探头中 的精度决 定的 光栅刻线越精度越高 检测设备的造价也越昂贵 1 1 2 22 2 国内检测现状国内检测现状 在国内 长沙科创计算机集成有限公司研制出一种可以在线检测玻璃缺陷的系统 16 cgtd 玻璃缺陷在线自动检测系统可以检测出在玻璃生产过程中 包括熔化和成型过程 中 产生的各种玻璃缺陷 如砂粒 气泡 沾锡 结石等缺陷 并且能区分夹杂缺陷和气 泡缺陷 该检测系统第一次采用了特殊的光阵布置和光学变换技术 合理的放大了微小的 玻璃缺陷 平滑掉玻璃表面存在的无法放大的附着在玻璃表面的污渍和灰尘 该检测系统 为了高效的消除背景的干扰 还采用了可以实现二维处理的数字像处理技术 可检测出小 于0 2mm的点状缺陷 对0 3 0 5mm 点状缺陷的准确率达90 该检测系统设备虽然有检 测速度比较慢和体积十分庞大的不足 但是在缺陷检测的最小分辨率和缺陷识别的准确率 都达到了国际先进水平 上海交通大学研制出了一种光学检测玻璃缺陷的装置 17 玻璃缺陷的光学检测装置采 用的是激光侧面射入平板玻璃 这样玻璃缺陷就成为玻璃产品中存在的散射体 同时 通 过相机采集玻璃图像 通过图像处理的方法和原理来判断玻璃产品中的缺陷 但是这种检 反射板 retro ref 激光发射 装置 激光束 玻璃 激光扫描 扇形 激光 34 0 34 0 图 1 2 fastscan 检测装置 中北大学学位论文 4 测装置不能实现玻璃产品的在线检测 主要是由于在玻璃生产过程中从玻璃厚度的侧面射 入激光束 华中科技大学研制了一种浮法玻璃缺陷在线检测装置 18 该检测装置主要是的基于机 器视觉原理的 在检测装置中采用的光源是 led 发光二极管阵列 光源 利用 ccd 相 机采集平板玻璃的透射光强变化 通过玻璃图像中光强的变化来判断玻璃缺陷缺陷 华中 科技大学研制的玻璃缺陷检测装置的处理系统采用客户端 服务器模式 在这种模式下 有大量的玻璃图像数据需要实时处理 使得设备开销增加 成本升高 国内中小玻璃生产 企业很难支付这样的价格 难以满足玻璃生产企业的生产检测需求 1 3 本文主要研究工作 玻璃缺陷的自动检测系统技术涉及玻璃生产工艺 光学技术 电子技术 信息的高速 获取和处理等众多领域 系统庞大 技术复杂 本文主要针对浮法玻璃生产过程中的缺陷 设计检测装置 采集玻璃图像信号 对玻璃缺陷的类型进行识别等 为今后玻璃缺陷检测 系统的提供理论与实验的依据 本文具体研究内容安排如下 第一章 绪论部分 本章首先就论文选题的背景和意义做了具体的阐述 指明了本课 题的研究方向与内容 通过对大量国内外文献的检索 对国内外关于玻璃缺陷检测技术的 研究现状做了综述 第二章 玻璃缺陷检测原理及检测系统方案 在本章中 根据浮法玻璃质量国家标准 提出了检测系统的需要达到的技术指标 分析了玻璃缺陷检测系统的工作原理 对平板玻 璃带检测装置进行了整体设计 对玻璃缺陷自动检测装置中的光源照明系统和图像采集部 分两部分进行了详细分析 使系统满足了检测精度及实时性等要求 第三章 玻璃缺陷图像的预处理 本章首先分析采集得到的玻璃缺陷图像进行了分析 发现图像背景不一致 采用顶帽变换的方法去除背景不一致 然后对比了线性变换和形态 学增强的方法 发现采用形态学的方法对缺陷图像增强效果较好 这为后续对玻璃缺陷图 像分割处理提供了便利 第四章 缺陷特征的提取及识别方法 为了对玻璃缺陷进行分割提取 分析了三种阈 值分割的方法 分别是迭代法 最大类间差方法和双阈值法的优缺点 经过实验验证 双 阈值的方法分割效果比较好 对分割后的玻璃缺陷 采用行扫描的方法对玻璃缺陷进行标 中北大学学位论文 5 记和提取缺陷特征参数 依据这些缺陷特征对玻璃缺陷进行分类识别 第五章 结论与展望 总结本文主要研究内容与研究成果 在提出本文的创新点的同 时提出为实际应用中需要解决的问题 为进一步的研究指明方向 中北大学学位论文 6 第二章 玻璃缺陷检测原理及检测系统方案 在原料加工 配合料制备 熔化 澄清 均化 冷却等各种玻璃生产工程中 各种各 样操作失误的存在会影响到玻璃的生产质量 23 27 如因池窑操作不当 配料中气体率过高 会产生气泡缺陷 混入杂质 配合料混合不均匀或难熔组分 如石英砂 颗粒过粗会产生 夹杂缺陷 玻璃传输中辊子停止转动或者转动速度不一致 传动辊子发生形变 传动辊子 表面有伤痕或被污染 会在玻璃表面产生划伤缺陷 当缺陷的种类 数量 大小 超过一 定的数目时 会严重影响玻璃制品美观和价值 因此国家出台了明确的玻璃质量国家标准 浮法玻璃最新的国家标准是由国家质量技术监督局于 1999 5 14 发布 并从 2000 1 1 开始实施的 28 标准中将浮法玻璃按用途分为制镜级 汽车级 建筑级 按厚度分为 2mm 3mm 4mm 5mm 6mm 8mm 10mm 12mm 15mm 19mm 根据建筑级浮法玻璃的外观质量标准 在玻璃的单位面积上 最多允许的缺陷为 5 5 个直径为 0 5mm 1 1 个直径为 1 5mm 0 44 个直径为 3mm 的气泡 5 5 个长为 0 5mm 1 1 个长为 1mm 的夹杂物 0 44 个长为 2mm 的夹杂物 3 条宽为 0 5mm 长为 60mm 的划伤 单位面积上允许的缺陷个数最多为 17 个 根据汽车级浮法玻璃的外观质量标准 在玻璃的单位面积上 最多允许的缺陷为 3 个直径为 0 3mm 2 个直径为 0 5mm 0 5 个直径为 1mm 的气泡 2 个长为 0 3mm 1 个长 为 0 5mm 的夹杂物 0 3 个长为 1mm 的夹杂物 2 条宽为 0 2mm 长为 40mm 的划伤 单位 面积上允许的缺陷个数最多为 11 个 根据制镜级浮法玻璃的外观质量标准 在玻璃的单位面积上 最多允许的缺陷为 2 个直径为 0 5mm 1 个直径为 0 5mm 0 5 个直径为 1 5mm 的气泡 2 个长为 0 5mm 0 5 个长为 1mm 的夹杂物 2 条宽为 0 1mm 长为 30mm 的划伤 单位面积上允许的缺陷个数最 多为 10 个 2 1玻璃缺陷在线检测系统指标要求 根据玻璃质量国家标准中的技术指标以及生产线上的实际要求 玻璃缺陷在线检测系 统需要达到如下指标 1 检测玻璃厚度 2 19mm 中北大学学位论文 7 2 检测最小缺陷 0 3mm 大小的缺陷 3 实现缺陷的定位 面积计算和分类识别 2 2 检测系统原理 对于玻璃这种物质 当光束照射到玻璃上的时候 折射的光束多于反射的光束 但是 在整个光谱范围内 不同材料的物质 不同厚度的材料或不同化学特性的物体 光线从这 些物质中穿过时 每种物质的穿透率是不一定相同的 因而本文的检测系统采用背光垂直 照射方式 检测系统通过线阵 ccd 机可以采集从玻璃带下面直射过来的均匀视场的光 当 玻璃带中存在缺陷时 背光照明可以轻易检测出玻璃带中光学密度差异的变化 所以背光 垂直照射是检测玻璃缺陷的较好方法 当玻璃中没有杂质时 光线垂直入射玻璃后 出射方向不会发生改变 因而得到的光 强信号是均匀的 当玻璃中存在夹杂缺陷 如砂粒等夹杂物 时 入射光在夹杂缺陷表面发 生反射 该位置的光强便被削弱 因而得到的信号与周边相比也相应减弱 如图 2 1 所示 当玻璃中存在透射型缺陷时 入射光经由空气再折射出去 该位置光强便有可能比周围大 因而得到的信号与周边相比也相应增强 分析采集到的光强信号的强弱变化 便能获取相 应位置的缺陷信息 2 3 检测系统构成 a 无缺陷时背光照明 b 有缺陷时背光照明 图 2 1 背光照明检测示意图 ccd 相机 玻璃带 光源 夹杂缺陷 中北大学学位论文 8 本文中的玻璃缺陷检测系统采用背光式照明 即在玻璃的背面放置光源 光线经玻璃 透射进入线阵 ccd 相机镜头 如图 2 2 所示 光源采用两个具有一定间隔的 ccfl 冷阴极 荧光灯 垂直于玻璃运动方向 线阵 ccd 相机实时采集透过玻璃带的光强信号 当玻璃 中没有杂质时 光线垂直入射玻璃后 出射方向的光强不会发生改变 因而线阵 ccd 相机 上采集到的光强信号是均匀的 当玻璃中存在缺陷时 入射光在缺陷位置表面发生反射或 折射 该缺陷位置与该缺陷位置附近处的光强便会发生变化 因而线阵 ccd 相机采集到的 信号是不同于与无缺陷是的均匀光强 而是缺陷位置处相应变化的光强 将线阵 ccd 相机 采集到的玻璃带光强信号通过具有双 dma 的高速数据采集卡传输至计算机 计算机依次读 取两个 dma 中的数据 分析线阵 ccd 相机采集到的玻璃图像信号的强弱变化 便能获取玻 璃中相应位置的缺陷信息 这样可以实时的实现玻璃带数据采集和处理 2 2 3 13 1 光源和照明系统光源和照明系统 在基于机器视觉玻璃缺陷检测的实际应用中 每种检测方案都不可避免的要使用各种 不同的光源 用以提高玻璃图像的亮度和对比度 同时 在玻璃缺陷检测中 光源的作用 并不是为了照亮玻璃而设计的 在基于机器视觉的玻璃检测系统中 光源和照明方案的优 劣对整个系统的处理效果有着决定性的影响 在基于机器视觉的检测系统中 首先可能采 取的处理过程就是二值化过程 在图像的二值化处理过程中 可以将图像中被检测物体 前 景 和目标 缺陷 二值化为两个简单值 1 和 0 1 代表前景 0 代表缺陷 性能优秀的光 学照明系统可以使玻璃和缺陷之间的差异突出显示出来 因此 对玻璃图像分割的算法是 一种简化 提高了玻璃检测系统的检测效率 性能优秀的光学照明系统还提高玻璃缺陷边 缘处的变化 所以提高了玻璃缺陷检测系统对玻璃缺陷的检测精度 因设计不合适 而造 成光学照明系统性能较差 可能会使整个玻璃图像的亮度不均匀 所以给后续的玻璃图像 带来处理的困难 增加了玻璃缺陷处理算法的复杂性 在玻璃检测系统中 当曝光不够产 图 2 2 玻璃缺陷检测结构图 玻璃原板 双 ccfl ccd 相机 图像采集卡 缺陷特征提取 缺陷特征分类 中北大学学位论文 9 生阴影或者过度曝光时 都会使玻璃缺陷在图像上的一些特有的特征的细节丢失 而且可 能会增加一些在玻璃图像中本来可以避免的玻璃图像的噪声 因而提高了玻璃图像处理的 难度 会干扰到玻璃缺陷的精确测量程度 所以 对玻璃缺陷检测系统的光学照明部分进 行优先设计是极其必要的 性能优秀的光源对玻璃缺陷检测是十分重要的 在玻璃缺陷检测中 需要一种亮度高 光强均匀的光源 29 ccfl 冷阴极荧光灯是一 种新型的照明光源 它是将三基色荧光粉或单色荧光粉涂于玻管内壁 在两端配置含汞电 极和引出线 在真空状态下充入惰性气体熔封而成 ccfl 冷阴极荧光灯还具有以下一些 优点 寿命长 稳定工作寿命达到 20000 小时 启动速度快 亮度高 功耗低 因此 系统选用 ccfl 冷阴极荧光灯作为玻璃缺陷检测系统的照明光源 当检测系统进行缺陷检测时 为保证检测点光强的前后对称 线阵 ccd 需扫描位于 双 ccfl 光源中间位置处的玻璃 图 2 3 a 中 a 为光源某横截面的光强分布图 利用线阵 ccd 相机对光源整体波谷点进行扫描得到如图 2 3 b 所示的光强图 据图分析可知 ccfl 冷阴极荧光灯不但具有良好的稳定性 而且该光源还具有良好的线均匀性 与目前普遍采用的 led 阵列的平行光照射的方式相比较 采用双 ccfl 冷阴极荧光 灯为光源的光路系统 这样的照明方式可以使得玻璃缺陷的光学特征突出 在同一个玻璃 检测实验装置中 将双 ccfl 冷阴极荧光灯和 led 阵列作为两种不同的光源 调整它们 的光强强度到一致的状态 使用线阵 ccd 采集这两种照明方式下典型玻璃缺陷的光强信 号 分别采用两种不同的照明光源 对气泡 夹杂和划痕等典型玻璃缺陷图像进行实时的 图 2 3 相机采集的 ccfl 光源整体光强图 b 玻璃横向光强分布 像素 1 0 0 5 0 75 0 25 1 0 0 5 0 75 0 25 像素 0 20 40 60 80 a 0 1000 2000 3000 4000 5000 a 光源横截面光强分布 归 一 化 光 强 归 一 化 光 强 a 中北大学学位论文 10 采集 将采集到的典型玻璃缺陷的图像特征效果对比分析如下 如图 2 4 所示 在 led 阵列光源照明条件下的气泡缺陷图像 只在缺陷范围内仅形 成一个与缺陷大小相同的黑点 而在双 ccfl 冷阴极荧光灯作为光源的照明条件下 不仅 在气泡缺陷范围内形成一个黑点 而且在缺陷的周围由于有两个 ccfl 冷阴极荧光灯的存 在 气泡的边缘的光线反射形成了一个亮的圆环 在线阵 ccd 相机同等分辨率的条件下 在双 ccfl 冷阴极荧光灯的条件下 气泡缺陷的特征更加明显 如图 2 5 所示 在 led 阵列作为光源的照明方式下 可以从夹杂缺陷图像看出 仅 在夹杂缺陷范围内形成一个与夹杂缺陷形状相似的黑色区域 而采用双 ccfl 冷阴极荧光 灯作为光源的照明条件下 不但在夹杂缺陷位置上形成一个与夹杂缺陷形状相似的黑色区 域 而且由于两个 ccfl 冷阴极荧光灯波峰处的光线反射在夹杂缺陷周围形成了一个亮的 a ccfl 成像 b led 成像 图 2 4 两种成像方式下的气泡缺陷图像 图 2 5 两种成像方式下的夹杂缺陷图像 a ccfl 成像 b led 成像 中北大学学位论文 11 边缘 还可以从图 2 5 中可以看出 除了较大的夹杂缺陷之外 还存在其他三个小的夹杂 缺陷 在 led 阵列光源方式下 较小的夹杂缺陷缺陷特征不明显 容易发生了漏判 而双 ccfl 冷阴极荧光灯光源照射下的缺陷图像特征非常明显 不会发生漏判现象 如图 2 6 所示 从 led 阵列光源和 ccfl 冷阴极荧光灯两种照明方式的获取的划痕缺 陷图像 可以看出 两种方式下的划痕图像特征基本相同 但是在双 ccfl 冷阴极荧光灯 照明条件下的划痕边缘有轻微反光 边缘细节较好 从两种照明方式的三种缺陷特征可以看出 采用双 ccfl 冷阴极荧光灯作为光源的成 像方式 在气泡 夹杂和划痕缺陷的周围形成了灰度较高反光的区域 缺陷本身则形成了 灰度较低的区域 所形成的缺陷特征十分明显 2 2 3 23 2 线扫描线扫描 ccdccd 相机相机 ccd 是一种自扫描的光电转换式图像传感器 它利用光电转换原理把图像信息直接转 换成电信号 ccd 图像采集系统原理如图 2 7 所示 被测物成像在 ccd 图像传感器的光敏 阵列上 通过 ccd 内部将光信号转化成电信号 再经过一定的数字处理送至微处理器 cpu ccd 光 源 被 测 物 透 镜 图 2 7 ccd 图像采集原理 a ccfl 成像 b led 成像 图 2 6 两种成像方式下的划痕和砸伤缺陷图像 中北大学学位论文 12 按照 ccd 相机传感器结构特征的不同 可以将 ccd 相机分为线阵 ccd 相机和面阵 ccd 相机 但是在玻璃缺陷在线检测系统中 面阵 ccd 存在以下缺点 1 面阵 ccd 相机无法满足高速数据采集的要求 2 面阵 ccd 相机每次完成的是一整个平面的光强信号的采集 进行缺陷检测时需保 证整个采集面的光强均匀 这对光源提出了更高的要求 在玻璃缺陷检测系统中 与面阵 ccd 相机相比 线阵 ccd 有以下优点 1 在线阵 ccd 相机中 光学传感器中的感光单元部件是单独排列 感光单元的数目 可以比面阵 ccd 单独一行多很多 因此 在相同测量精度的条件下 线阵 ccd 的 测量范围比面阵 ccd 的测量范围较大 2 在实时传输时 线阵 ccd 光信号转变为电信号的速率高 响应的频率快 可以实 现玻璃缺陷的实时动态测量 3 线阵 ccd 相机采集速度高 同时只需光源具有线均匀光强 并能在低照度下工作 所以 本文研究的玻璃缺陷检测系统采用线阵 ccd 相机 30 32 其线阵 ccd 相机的实物图如 图 2 8 所示 选用线阵ccd相机 玻璃检测系统中还要考虑的一个因素就是线阵ccd的分辨率问题 线阵 ccd 相机的分辨率可以分为横向分辨率和纵向分辨率 当线阵 ccd 相机选定以后 系 统的横向分辨率就是确定的 即线阵 ccd 拍摄到的实际玻璃带的检测宽度与相对应的线阵 ccd 相机有效像素的比值 系统所采用的高速线阵 ccd 相机的有效像素 5150 像元 最高 行频为 7 5khz 根据玻璃缺陷检测系统精度要求 检测系统可以检测 0 1mm 的玻璃缺陷 在实际的玻璃缺陷检测过程中 单个的线阵 ccd 相机在垂直玻璃运行方向 横向 需要采 集 515mm 宽度的玻璃带 sw 515mm 5150pixel 0 1mm pixel 图 2 8 atmv ld2000 系列线扫描相机 中北大学学位论文 13 线阵 ccd 相机的纵向分辨率与 ccd 相机的行扫描频率和生产线的传输速度有关 当 生产线的传输速度与线阵 ccd 相机的行扫描频率相匹配的时候 系统采集到的缺陷图像 是实际的缺陷图像 如图 2 10 a 所示 当线阵 ccd 相机的行扫描频率大于生产线的 传输速率是 系统采集到的图像是拉伸的缺陷图像 如图 2 10 b 所示 当线阵 ccd 相机的行扫描频率小于生产线的传输速率是 系统采集到的图像是压缩的缺陷图像 如图 2 10 c 所示 所以 检测系统必须使相机在外同步模式下工作 通过生产线上安装的 速度编码器产生行触发信号 这样才能使得当生产线的传输速率发生改变时 线阵 ccd 的行扫描频率相应的进行调整 这样才能保证检测系统的纵向分辨率 即保证传输速率和 行扫描频率的比值是一个确定的值 以玻璃带生产线在运行速度500mm s为例 线阵ccd相机应具有 mm pixel mm hzl s 行扫描频率 输送带运行速率 纵向分辨率 l 500 0 1mm 5khz 即相机的行扫描频率应大于 5khz 2 3 3 2 3 3 图像采集卡图像采集卡 在图像处理系统中 因为线阵 ccd 相机采集到的信号为模拟信号 这样的信号计算机 是不能直接处理的 所以要将采集到的模拟光强信号转换成为可以检测系统处理的数字光 强信号 图像采集卡就是协同线阵 ccd 相机 完成将采集到的图像数字化的处理设备 在 本系统中我们采用 clvpci 系列高速数据采集卡 33 为了保证高速在线检测过程中 进行 不中断的连续检测 采集卡采用 clvpci 系列高速数据采集卡可与 ld2000 系列线扫描相机 a 速度匹配 b 行频太高 c 行频过低 图 2 9 玻璃带不同运行速度下采集的图像 中北大学学位论文 14 完全兼容 进行高速实时数据采集 clvpci 采集卡则提供双路线扫描并行同步数据采集 功能 特有的双 dma 缓冲技术 采集卡提供丰富的扩展接口可满足玻璃缺陷在线检测的应 用 clvpci 采集卡特有 dma direct memory access 数据传输技术 这种技术的优势就是 在数据的传输过程不需要 cpu 的参与 clvpci 的总线主控设计可以进行双缓冲切换的 dma 实时数据传输 当数据传输过程启动后 pci 的总线交由 clvpci 采集卡主控 系统采集 到的光强数据将直接被传输至处理系统主机内存区域中 在这个过程中不占用主机线程 主机 cpu 占用率为 0 双 dma 缓冲的工作原理如图 2 11 所示 当启动采集卡的实时采集 功能后 dma 的缓冲区域 a 首先接收传输来的光强数据 当光强数据到达缓冲区 a 的最大 数据容量后 dma 的缓冲区 b 自动接收后续传输来的光强数据数据传输 在此缓冲区域交 替接收数据期间 因 cpu 是空闲的 所以检测系统数据处理模块可以对 dma 缓冲区 a 的光 强数据进行运算和处理工作 当光强数据达到缓冲区 b 最大的数据容量后 缓冲区 a 自动 工作 接收光强数据 而此时检测系统的数据处理模块可以对 dma 缓冲区 b 的玻璃光强 数据进行运算和处理工作 这样交替往复的采集和处理光强数据 可以实现玻璃数据的实 时处理 图 2 10 clvpci 系列高速数据采集卡 dma 缓冲区 a dma 缓冲区 b 数据的 运算 与处理 相机数据 输出控制 图 2 11 双 dma 缓冲的工作原理图 中北大学学位论文 15 在数据采集卡两个 dma 缓冲区中 它们的数据容量是完全等同的 设定符合检测要求 的合适的的缓冲区容量 可以使检测系统采集模块和处理模密切的配合 只有在玻璃光强 数据的采集时间大于玻璃光强数据运算时间的情况下 才可以满足玻璃缺陷在线检测的要 求 如果采集卡缓冲区域的数据容量设置的过大 系统遵照设置的数据量进行采集光强数 据 增加了缓冲区域的等待时间 数据的采集速度远超过数据的处理速度 是对处理模块 的浪费 这样会影响系统的工作效率 如果采集卡缓冲区域的数据容量设置的太小 相应 的缓冲区域转换时间间隔也将减小 光强数据在短时间内无法完成处理 而缓冲区域已经 开始下一次转换 数据的处理速度无法保证采集的数据的完整性 容易造成光强数据的丢 失 无法实现玻璃缺陷数据的在线处理 在本文中 检测系统所选择的线阵 ccd 相机的有效像素数 5150 个 以玻璃带运行速 度 500mm 为例 按照如下方法计算采集卡的 dma 缓冲区数据容量 线阵 ccd 每行的数据量 等于采样行频与采集数据大小的乘积 即 5khz 8bit 5 15kb 系统一次处理的数据量 等于行数与每秒钟的数据量的乘积 即行数 5000 5 15kb 处理的数据量 检测系统要实现数据的实时检测就必须使数据运算和处理的时间小于 dma 缓冲区传 输数据的时间 选取不同行数的数据 比较 dma 数据传输时间和系统数据处理时间 当采 集卡采集的玻璃数据容量为 2000 行时 玻璃检测系统每处理 1000 行的采集数据需要用时 大约为 0 15s 而采集这 1000 行玻璃光强数据需要耗时大约 0 28s 这个采集容量可以实 现系统的采集处理的要求 系统的使用率也较高 所以 可以确定 dma 缓冲区的数据容量 为 2000 行 每个缓冲区域 1000 行的采集处理容量 2 4 本章小结 在本章中 根据玻璃质量国家标准 提出了检测装置的需要达到的技术指标 分析了 玻璃缺陷检测装置的工作原理 对玻璃带检测装置进行了整体设计 在此基础上 分别对 玻璃检测系统中的光源照明系统进行了详细的分析和对图像采集部分进行了详细计算说 明 使玻璃缺陷检测系统满足了预期的检测精度及实时性等要求 中北大学学位论文 16 第三章第三章 玻璃缺陷图像的预处理玻璃缺陷图像的预处理 虽然浮法玻璃工艺是平板玻璃生产中最先进的一种生产工艺 但是由于生产工艺中不 同环节的影响 生产的玻璃制品难免会含有缺陷 由于采集到的玻璃缺陷图像都是从生产 线上通过线阵 ccd 相机采集到的光强信号组成的 在原料加工 熔化 冷却等各种生产工 程中存在例如光线强度 粉尘等各种环境因素会影响采集到的缺陷图像特征 为了剔除这 些干扰因素便于后续的到图像的特征提取 对采集到的玻璃缺陷图像做预处理是必要的 玻璃图像预处理最根本的目的是为了去除图像中多余的不必要的信息对玻璃缺陷特 征的影响 有目的有选择地增强对缺陷特征提取有用的信息 从而增强了包含缺陷特征有 用信息的稳定性 提高了所提取缺陷特征的准确性 对于玻璃缺陷检测系统 预处理主要 包括背景趋势消除和图像增强 其中背景趋势消除是为了降低周围光强对玻璃缺陷所形成 的光学特征的影响 图像增强是为了改善图像的对比度 增强图像的边缘轮廓 可以使处 理系统更便捷分辨的待处理的图像 提高缺陷特征提取的准确性 3 1玻璃缺陷的图像及特征 浮法玻璃生产过程中常见的缺陷有 气泡 结石 砸伤 划痕等 1 气泡 气泡是玻璃中一种可见的气体夹杂物 不仅影响玻璃的外观质量 还影 响玻璃的透明性和机械强度 34 气泡图像如图 3 1 a 所示 图 b 为 a 中位于气泡中心线的 特征信号 a 气泡 b 气泡信号特征 图 3 1 气泡及其信号特征 0100200300 0 50 100 150 200 250 像 素 值 灰度值 中北大学学位论文 17 2 夹杂 夹杂是出现在玻璃中的结晶状固体夹杂物 它不仅破坏玻璃的外观和光 均匀性 而且降低了玻璃的使用价值 是玻璃出现开裂损坏的主要原因 35 夹杂图像如图 3 2 a 所示 图 b 为 a 中位于夹杂中心线的特征信号 3 划痕 砸伤和划痕是玻璃某一位置连续或断续出现的表面划破伤痕 它不仅影 响玻璃外观 而且影响玻璃的透射性能 36 划痕图像如图 3 5 a 所示 图 b 为 a 中位于划 痕中心一线的特征信号 3 2 图像的背景噪声分析和剔除 a 夹杂 b 夹杂信号特征 图 3 2 夹杂及其信号特征 0100200300 0 50 100 150 200 250 像 素 值 灰度值 a 划痕 b 划痕信号特征 图 3 3 划痕及其信号特征 0100200300 0 50 100 150 200 250 像 素 值 灰度值 中北大学学位论文 18 在生产的各个环节 玻璃缺陷的图像信号 不可避免的受到噪声的影响 噪声存在对 图像的质量有着直接的影响 分析上面系统采集到的缺陷图像可以看出 由于采集到的图 像是两根 ccfl 中间位置的光强信号 所以采集到的玻璃缺陷信号背景颜色较暗 由于环 境因素影响的缘故 不但影响了玻璃缺陷图像的采集部分 而且还影响了玻璃缺陷图像的 输出结果 在采集玻璃缺陷图像时 由于周围环境光强的影响 可能会导致玻璃背景亮度 不均匀 如背景光强波动 跳变等现象 使得玻璃的背景图像不一致 从图 3 1 3 2 和 3 3 的缺陷信号背景灰度图可以更清楚的反映这一现象 从图 3 4 可以看出 采集图像时 由于周围环境光线的影响 导致背景亮度明暗变换 造成了图像背景抖动 导致亮度不一致 由于背景图像不一致 图像其中没有缺陷的部分 也有不均匀的情况 有亮度不一致的条纹显示 a 气泡图像 b 背景信号 图 3 4 气泡背景灰度曲线 0100200300 100 110 120 130 140 150 像 素 值 灰度值 a 夹杂图像 b 背景信号 图 3 5 夹杂背景灰度曲线 0100200300 100 110 120 130 140 150 像 素 值 灰度值 中北大学学位论文 19 从玻璃夹杂缺陷的图 3 5 a 可以看出 不仅在夹杂缺陷处的灰度值与无缺陷处的灰度 值差别比较大 而且在无玻璃缺陷的背景图像中 背景的灰度值也存在一些差异 从图 3 5 玻璃夹杂图像无缺陷背景处的灰度曲线可以看出 玻璃的背景灰度曲线有一个逐渐下 降势头 从玻璃划痕图像图 3 6 a 可以看出 因为划痕缺陷占用背景一定的长度 在划痕的背 景灰度曲线有较大的跳变 背景灰度值缺乏一致性 玻璃图像的复杂背景趋势对于玻璃缺陷后续提取有着一定的影响 尤其有其是影响了 玻璃缺陷检测的准确性 所以必须依靠图像预处理来解决玻璃图像中背景趋势的问题 即 首要问题是要消除玻璃图像背景趋势对玻璃图像质量的影响 3 3 2 2 1 1 形态学原理形态学原理 数学形态学是从集合和函数的角度来刻画和分析图像 它的基本思想是用具有一定形 状的结构元素 去度量和提取图像中对应形状 以达到图像分析和识别的目的 36 39 它的 基本运算包括腐蚀 膨胀 开运算和闭运算 基于这些运算可以组合成各种的使用的形态 学算法 用于形态学滤波的高低帽算法就是原图像和开闭运算的组合 设f为输入的灰度 图像 g为结构元素 f d和 dg为f和 g 的定义域 则f关于 g 的基本形态学变换如下所 述 1 膨胀 a 划痕图像 b 背景信号 图 3 6 划痕背景灰度曲线 0100200300 125