趙蘭鵬,，劉堂友

　　（東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,，上海 201620）

       摘要：硅鋼鋼帶是變壓器等工業(yè)設(shè)備發(fā)展的一項重要原材料,，其質(zhì)量的高低直接影響著產(chǎn)品性能的好壞。傳統(tǒng)的人工檢測具有效率低,、精確度差等特點,。為此提出基于機器視覺的表面缺陷自動檢測研究,。該研究采用圖像處理及模式匹配的方法，通過對由CCD工業(yè)相機采集到的圖片進行幾何矯正,、圖像拼接,、缺陷處理等過程,，實現(xiàn)了硅鋼鋼帶表面缺陷輪廓檢測、特征提取,、分類等功能,，從而完成鋼帶質(zhì)量的判定,。

　　關(guān)鍵詞：機器視覺,；硅鋼鋼帶；缺陷檢測,；特征分類

0引言

　　硅鋼鋼帶是變壓器等工業(yè)設(shè)備發(fā)展的一項重要原材料,，其以良好的表面質(zhì)量和機械性能在該領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,，因此不斷增強對硅鋼鋼帶質(zhì)量的提升有著重要的意義［1］。隨著高精度的圖像傳感器件,、數(shù)字信號處理技術(shù)和計算機技術(shù)的提高,，真正實用化的質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展［2］,。

　　本文研究基于機器視覺的硅鋼鋼帶表面缺陷自動檢測識別技術(shù)，是在初級硅鋼鋼帶進一步深加工使其成為生產(chǎn)變壓器原材料的生產(chǎn)過程中,，采用圖像處理及模式匹配的方法并依據(jù)MATLAB軟件仿真,，對采集到的圖像進行相應(yīng)的圖像處理，從而達到對鋼帶缺陷的判斷,，最終完成鋼帶質(zhì)量的判定,。

1系統(tǒng)設(shè)計要求

　　系統(tǒng)研究是在鋼帶生產(chǎn)線傳輸速率為0~40 m/min的環(huán)境下，使用CCD工業(yè)相機采集圖像,，采集速率最大可達16幀/s,，獲取的圖像分辨率為1 392×1 040。為了提高系統(tǒng)的處理速度,，必須考慮圖像處理和缺陷檢測算法的選取及軟件的運算方式，進而達到在有限時間內(nèi)做到對龐大圖像數(shù)據(jù)量的處理,，并保證最終的目標效果,，因此在滿足缺陷檢測準確度的條件下，有效地控制算法和軟件編程中總體方案設(shè)計的復(fù)雜度非常重要,。

2系統(tǒng)研究

　　2.1系統(tǒng)流程圖

　　基于機器視覺的硅鋼鋼帶缺陷自動檢測識別研究系統(tǒng)流程圖如圖1所示,。

　　2.2圖像的采集

　　在傳輸?shù)匿搸a(chǎn)線上方架設(shè)CCD工業(yè)相機和LED燈，并將相機與計算機連接,，接著在計算機上運行工業(yè)相機和視覺傳感器軟件,，進而控制相機對鋼帶進行拍攝，并將拍攝的圖像傳輸給計算機,。

　　2.3圖像的幾何校正

　　在圖像采集過程中,，由于相機會發(fā)生輕微的傾斜使得采集到的圖像發(fā)生幾何畸變，因此首先需要對圖像進行幾何校正。幾何校正主要包括兩個內(nèi)容：像素坐標校正和像素灰度估算［3］,。

　　(1)像素坐標校正采用具有一般形式的投影變換來進行幾何畸變校正,。投影變換是利用原圖像找出若干個控制點，同時找出失真圖像與之相對應(yīng)的控制點的坐標,，利用這些對應(yīng)的坐標可以確定空間變換結(jié)構(gòu),，最后利用這個空間變換結(jié)構(gòu)對失真圖像中每個像素進行變換，得到校正后的圖像坐標,。

　　(2)數(shù)字圖像像素的坐標都是整數(shù),，而經(jīng)過計算后得到的坐標不一定是整數(shù)，這就需要對經(jīng)過計算得到的像素點進行像素灰度估算,。這里采用雙線性內(nèi)插法對灰度進行估計,。雙線性內(nèi)插法是根據(jù)某點坐標周圍4個像素點灰度在兩個方向上對其灰度進行內(nèi)插。最后再去除圖像邊緣與鋼帶不相關(guān)部分得到校正后的圖像,。

　　圖2~圖5為失真圖像和校正后的圖像,。

　　2.4圖像拼接

　　為了保證對圖像邊緣處的缺陷做到完整檢測，需要進行圖像拼接,。這里根據(jù)相機拍攝頻率和鋼帶傳輸速度,，設(shè)置有效的拼接參數(shù)，進行簡單的位置計算,，使得左右兩張相鄰圖像共同區(qū)域重疊在一起,，得到有效的拼接；然后利用圖像融合技術(shù)使得兩張圖像重疊區(qū)域平滑過渡,，濾除明顯分界線［4］,，如圖6所示。

　　2.5圖像去噪

　　由于受生產(chǎn)環(huán)境,、光照等因素的影響,，采集到的圖像會受到噪聲污染，造成圖像降質(zhì),，因此需要對圖像進行去噪處理,。

　　中值濾波在平滑脈沖噪聲方面非常有效，同時它可以保護圖像尖銳的邊緣,，不會使圖像產(chǎn)生明顯的模糊［5］,；另外將帶噪聲圖像進行小波變換處理，利用小波去噪所具有的多分辨率和去相關(guān)性的特點,，經(jīng)過去除噪聲的小波系數(shù),，再做小波逆變換重構(gòu)圖像，最后得到去噪圖像［6］,。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),，采用基于中值濾波與小波變換相結(jié)合的圖像去噪進行處理，在去除噪聲的同時保護了圖像邊緣輪廓，去噪后的圖像如圖7所示,。

　　2.6圖像增強

　　為了使鋼帶上的缺陷更加清晰,，在圖像去噪完成后，對圖像進行增強處理,。經(jīng)過對比,，最終采取拉普拉斯銳化方法。圖8為增強后的圖像,。

　　2.7缺陷輪廓提取

　　在得到增強的圖像之后需要對其進行缺陷輪廓提取,，進而可以得到直觀的缺陷邊緣信息。這里采取Canny邊緣檢測算子對缺陷圖像進行輪廓提取,。因為該算子采用高斯函數(shù)進行濾波,，具有很強的抗噪性、好的信噪比和定位性能等優(yōu)點,，能夠?qū)喞M行精確提取［7］,，結(jié)果如圖9所示,。接著對輪廓進行圖像膨脹和填充處理［8］，進而得到清晰的缺陷圖,，如圖10所示,。

　　2.8缺陷特征提取

　　缺陷特征提取是計算缺陷的特征值，為缺陷分類做準備,。對于人的視覺系統(tǒng)而言,，物體的形狀是可以得到識別的重要特征，也是物體穩(wěn)定的特征 ［9］,，因此本研究主要采用形狀特征分類,。

　　圖像中的像素點坐標用（x,y）來表示；像素灰度值用f(x,y)表示,，其取值為0或者1,。設(shè)R為所有像素點的集合，R′為缺陷區(qū)域中像素點的集合,。對于缺陷描述常用的形狀特征描述如下：

　　（1）缺陷的周長,，即缺陷的邊界長度,，這里的周長用鏈碼表示，求周長也即計算鏈碼長度,。當鏈碼值為偶數(shù)時,，其長度記作1；當鏈碼值為奇數(shù)時，其長度記作2,。周長為:

　　式中: Nε和Nθ分別為邊界鏈碼(8方向)中移動偶步與奇步的數(shù)目,。

　　（2）缺陷的面積,，即缺陷區(qū)域中像素點的個數(shù),，表達如式（2）：

　　（3）區(qū)域的圓形度,，即區(qū)域接近圓形的程度：

　?。?）區(qū)域的矩形度，即區(qū)域面積與其最小的外接矩形面積比值,，反映了一塊區(qū)域?qū)ζ浒鼑匦蔚某錆M程度：

　　Sbox是包圍矩形的面積,，矩形度不超過1。

　　通過以上特征提取方程的計算,，最終得到上面圖像的L=1.435 7e+04,，S=209 787，C=0.012 8,，R=0.570 1,根據(jù)廠商所給的質(zhì)量評定標準可以判定此缺陷為面積性缺陷,。

　　2.9缺陷的分類

　　在圖像處理完成后，根據(jù)廠商提供的硅鋼鋼帶質(zhì)量要求,，對硅鋼鋼帶進行質(zhì)量的評估,，最終根據(jù)鋼帶不同的質(zhì)量進行不同的分類，以適應(yīng)不同的市場需求,。

3結(jié)論

　　本文介紹了一種自動圖像缺陷檢測系統(tǒng),，它運用圖像處理技術(shù)，對所采集到的圖像進行了一系列處理,，進而得到清晰的缺陷圖像,；然后根據(jù)缺陷的形狀特征進行了分類，最終根據(jù)廠商對鋼帶質(zhì)量評定標準進行了準確的評估,，完成硅鋼鋼帶質(zhì)量的檢測,。

　　參考文獻

　　［1］ MIKOLAJCZYK K,， SCHMID C．A performance evaluation of local descriptors［J］．IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2005,27(10):1615 1630.

　?。?］ WU G,XU K, XU J．Application of a new feature extraction and optimization method to surface defect recognition of cold rolled strips［J］．Journal of University of science and Technology Beijing, 2007, 14(5):437 442.

　　［3］ 戴劍鋒．攝像頭徑向畸變自動校正系統(tǒng)［D］．廣州：華南理工大學(xué),，2010.

　?。?］ 邵向鑫．數(shù)字圖像拼接核心算法研究［D］．長春：吉林大學(xué)，2010.

　?。?］ 唐世偉,，林君．小波變換與中值濾波相結(jié)合圖像去噪方法［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,，2008，40（8）：1334 1336.

　?。?］ 歐陽誠梓,，李勇，郭振鐸,，等．基于小波變換與中值濾波相結(jié)合的圖像去噪處理［J］．中原工學(xué)院學(xué)報,，2006，17（2）：22-25.

　?。?］ 周超．邊緣檢測Canny算子的研究與改進［D］.重慶:重慶師范大學(xué),，2012.

　　［8］ 晏暉,，姜鵬,，陳貝．基于MATLAB工具箱的數(shù)字圖像處理技術(shù)［J］．微計算機信息，2010,，26(26)：214 216.

　?。?］ 張康，鐘平．汽車涂裝表面瑕疵快速檢測方法研究［D］．上海：東華大學(xué),，2014.