陶瓷磚表面質量視覺檢測系統(tǒng)研究

李慶利 郭彩玲 張向紅

(唐山學院，河北唐山063000)

陶瓷磚表面質量視覺檢測系統(tǒng)研究

李慶利 郭彩玲 張向紅

(唐山學院，河北唐山063000)

重點介紹了機器視覺技術在陶瓷磚表面質量檢測中的應用。系統(tǒng)采用面陣攝象機作為測量工具，應用方向算子進行對目標邊緣的定位和跟蹤，以便獲得完整、精確、封閉的目標邊緣。實現了對陶瓷磚的邊直度、直角度、缺邊和缺角等項目的非接觸檢測。

圖像測量，邊緣檢測，方向算子，表面質量

1 引言

GB/T 3810.2-2006(陶瓷磚實驗方法，第2部分：尺寸和表面質量的檢驗)推薦了陶瓷磚的尺寸和表面質量的檢驗項目及方法，各陶瓷磚生產企業(yè)據此并結合生產實踐增加了一些檢驗項目以保障產品質量。目前，國內大多數陶瓷磚生產企業(yè)通常采用人工抽樣的方法進行表面質量檢測，質檢過程效率低，質檢結果精度差[1]。

本課題所研究的應用機器視覺技術的陶瓷磚表面質量在線檢測系統(tǒng)，能夠對陶瓷磚的邊直度、直角度、缺邊、缺角、對角線長度等檢測項目（前兩項為國家標準推薦檢驗項目）實現快速準確的檢測。

2 視覺檢驗項目及檢驗方法

陶瓷磚尺寸（長度、寬度、厚度、邊直度、直角度、表面平整度）和表面缺陷（裂紋、針孔、磕碰、缺邊、缺角、對角線長度等）檢驗項目較多，其中長度、寬度、邊直度、直角度、缺邊、缺角、對角線長度等項目適合采用單個面陣CCD或CMOS相機進行在線非接觸檢測，下面以邊直度為例介紹如何應用機器視覺技術進行對陶瓷磚質量的在線檢測。

GB/T 3810.2-2006對邊直度定義為（如圖1）:邊直度式中：C為測量邊的中央偏離直線的偏差，L為測量邊長度，結果用百分比表示。

進行邊直度檢測前，應對采集的陶瓷磚圖像應用一系列圖像處理算法（主要是濾波和邊緣檢測）進行處理，以獲取完整、精確、封閉的陶瓷磚邊緣。然后綜合應用多種尺寸計算算法（Hough變換和最小二乘法等[2-3]精確擬合出陶瓷磚的長度和寬度。最后，對圖像中的陶瓷磚邊緣點進行分組處理，按照邊直度的定義計算出檢驗結果。

檢測流程見圖2，直角度、缺邊、缺角、對角線長度等項目的檢驗與此相類似。

3 關鍵檢測算法及步驟

陶瓷磚質量的在線檢測要求快速和魯棒性，上述檢驗項目與陶瓷磚長度、寬度尺寸檢驗要求相比，對于圖像預處理算法提出了更高的要求。對于陶瓷磚長、寬尺寸的檢驗，應用閾值分割或Canny算子進行邊緣檢測[4]，即可獲得在速度和精度兩方面均較滿意的效果。對于進行邊直度、直角度、缺邊、缺角等項目的檢測，必須獲得完整、封閉和有序的陶瓷磚邊緣點列(閾值分割或Canny算子只能獲得邊緣點，無法對邊緣點進行排序)。因此，在閾值分割的基礎上，應用改進的Sobel算子對原始圖像進行處理，然后依據目標邊緣灰度梯度的性質，進一步對目標邊緣進行精確定位和跟蹤，以期獲得完整、封閉和有序的陶瓷磚邊緣點列。利用圖像邊緣的灰度梯度信息進行邊緣跟蹤，關鍵在于獲得灰度圖像中目標邊緣的梯度信息。下面簡要介紹其算法原理。

依據以經典Sobel算子的基礎上定義的8個方向模板（如圖3所示）構造方向算子（使用這種多模板的梯度算法統(tǒng)稱為方向算子)[5-6]，使模板表示的方向為圖像的實際邊緣方向，而模板方向順時針轉90o即為梯度方向。算子運算時采取類似卷積的方式，將模板在圖像上移動，利用這組模板分別計算在不同方向上的差分值，取其中最大的值作為梯度值（邊緣強度），而將與之對應的方向作為邊緣方向。

進行邊緣定位和跟蹤時，具體步驟如下：

（1）在由閾值法邊緣檢測處理后得到的邊緣點中搜索一個目標邊緣的起點[7-8]。

（2）應用方向算子進行計算。為了提高邊緣搜索的效率，并不是應用方向算子對整幅圖像進行處理，而是對于已知點的3×3鄰域應用方向算子進行處理。

（3）由已知點出發(fā)在圖像上繼續(xù)搜索下一邊緣點。搜索時以當前點的方向為搜索方向，在該方向上確定一相鄰點，判斷在該點的正負梯度方向上與其相鄰的兩個像素點的梯度幅值必須小于該點的梯度幅值。如果滿足條件，則判定該點為新的邊緣點，由該點出發(fā)繼續(xù)搜索下一邊緣點；不滿足條件，則將搜索方向沿逆時針轉到下一個方向（方向定義見圖3），并確定新的相鄰點進行條件判斷。

（4）重復步驟2、3直到回到起點為止。獲得有序的陶瓷磚目標邊緣點列后，依據擬合后得到的標準矩形（圖4c）對邊緣點列進行分組。最后根據檢驗項目的定義即可計算出邊直度(圖4d)、直角度、缺邊、缺角和對角線長度等檢驗結果。

4 結論

圖4d所示為邊直度檢測結果，將機器視覺技術應用于陶瓷磚表面質量檢測可以極大的提高效率，可實現陶瓷磚的在線全檢。根據實驗數據，使用P4級工控機對上述檢測項目測量耗時約0.15秒。攝像機的分辨率均1280×1024像素，對于1000×1000mm陶瓷磚的測量，有效區(qū)域像素數約為500×500，對應尺寸關系為0.5mm/像素。由此可見，應用機器視覺技術可實現對陶瓷磚尺寸的在線、高精度檢測。

1周云風.陶瓷墻地磚幾何尺寸在線檢測系統(tǒng)研制.浙江:浙江大學,2005

2邢希東.裝飾材料尺寸偏差檢測系統(tǒng)的設計及分析.計量技術,2003,8:35～37

3李慶利,王永強,郝天鹿.陶瓷磚長、寬尺寸視覺檢測系統(tǒng)研究.陶瓷學報,2009,30(4):508～510

4艾矯健.數字圖像處理技術在尺寸測量系統(tǒng)中的應用研究.北京:北京科技大學,2002

5李慶利,張少軍,李忠富等.一種基于多項式插值改進的亞像素細分算法.北京科技大學學報,2003,23(3):280～283

6王建民,尹繼學.空間矩亞像素細分算法的研究.光學技術, 1999,（4）:37～42

7朱偉.復雜零件尺寸的計算機圖像處理測量系統(tǒng)的研究.上海:上海交通大學,1994

8尹輝,諸昌鈴.一種基于圖象處理技術的幾何參數測量系統(tǒng).計算機應用,1997,17（1）:11～14

Abstract

In this paper,an on-line machine vision system for surface quality inspection of ceramic tiles is introduced,which grabs the images scanned by area-array cameras.The image processing algorithm which uses direction masks is used to locate the edge points exactly.The surface quality of ceramic tiles is measured by the real-time,high precision and non-contact method,which can detect straightness of sides,deviation from rectangularity,rough edge,chip and so on.

Keywords imaging measurement,edge detection,direction masks,surface quality

Received on Nov.2,2010

Li Qingli,E-mail:qljlql@163.com

SURFACE QUALITY INSPECTION OF CERAMIC TILES BY MACHINE VISION

Li QingliGuo Cailing Zhang Xianghong
(Tangshan College,Tangshan Hebei 063000,China)

TQ174.1+2

A

1000-2278（2011）01-0097-03

2010-11-02

李慶利，E-mail:qljlql@163.com