基于計(jì)算機(jī)視覺的構(gòu)件表面缺陷特征提取
2012-12-31 00:00:00鐘家洪賴敏
【摘 要】計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用非常廣泛的計(jì)算機(jī)科學(xué)分支，是一項(xiàng)與圖像處理、模式識(shí)別以及光學(xué)等緊密聯(lián)系的技術(shù)。構(gòu)件的表面缺陷是影響構(gòu)件質(zhì)量的重要因素之一，通過對(duì)構(gòu)件的表面特征進(jìn)行檢測(cè)和提取是構(gòu)件質(zhì)量控制的關(guān)鍵。本文將基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，探究構(gòu)件表面缺陷特征的提取。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)視覺；構(gòu)件；表面特征；檢測(cè)
表面缺陷檢測(cè)以及特征提取，所涉及的范圍是非常廣泛的，包括了鐵軌表面缺陷、帶鋼表面缺陷以及織物表面缺陷等。因此加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品的表面缺陷提取以及質(zhì)量檢測(cè)顯得尤為重要，目前基于計(jì)算機(jī)視覺的構(gòu)件缺陷檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視，如何更好地將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)引入到產(chǎn)品表面質(zhì)量缺陷檢測(cè)中去是未來發(fā)展的重點(diǎn)。筆者將在下文中就此展開詳細(xì)的闡述。
1.計(jì)算機(jī)視覺的基本工作原理
1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
計(jì)算機(jī)視覺是一項(xiàng)涉及范圍廣泛的技術(shù)，他通過圖像采集裝置將檢測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，再經(jīng)過專門性的額圖像處理系統(tǒng)最終生成具體的表面特征。具體來講在圖像處理環(huán)節(jié)米旭濤根據(jù)圖像的具體像素以及圖像分布和顏色、亮度、飽和度等進(jìn)行目標(biāo)提取，再比照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參照值得出最終的檢測(cè)結(jié)果，例如尺寸大小、顏色等師傅偶合格。計(jì)算機(jī)視覺處理系統(tǒng)包括了光源、鏡頭、計(jì)算機(jī)以及圖像采集裝置和處理系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)綜合組成共同推動(dòng)了計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。
1.2計(jì)算機(jī)視覺硬件設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的硬件平臺(tái)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭相機(jī)以及圖像采集裝置和工控機(jī)四個(gè)部分，這四個(gè)部分缺一不可，共同組成了整個(gè)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)。
1.2.1照明系統(tǒng)
照明系統(tǒng)是整個(gè)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵，尤其是在光源和照明方案的配合上更是直接影響了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的成敗。因此在照明方案的制定以及光源的選擇上應(yīng)該盡可能的突出物體特征參量，綜合考慮對(duì)比度以及亮度等因素，將計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的光源與照明方案相匹配，選擇需要的幾何形狀以及均勻度等，同時(shí)還需要結(jié)合被檢測(cè)物體的表面特征幾何形狀。針對(duì)構(gòu)件表面缺陷的照明方案，筆者認(rèn)為應(yīng)該選擇功率相對(duì)較大的LED光源，用低角度的方式進(jìn)行照明。
1.2.2相機(jī)鏡頭
相機(jī)系統(tǒng)是成像的關(guān)鍵，因此在相機(jī)鏡頭的選擇上應(yīng)該適用于具體的構(gòu)件。一般來說相機(jī)鏡頭包括了兩方面內(nèi)容，一是線掃，二是面掃。通過二者的綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)更好地成像效果。
1.2.3圖像采集卡
圖像采集卡主要是指在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中位于圖像裁剪機(jī)設(shè)備和圖像處理設(shè)備之間的重要接口。是成像的中間環(huán)節(jié)，發(fā)揮著不可或缺的作用。
2.基于計(jì)算機(jī)視覺的構(gòu)件表面缺陷特征提取
基于計(jì)算機(jī)視覺的構(gòu)件表面缺陷特征提取可以分為為三個(gè)重要部分，分別是圖像預(yù)處理部分：主要是指針對(duì)構(gòu)件進(jìn)行區(qū)域的定位，將非構(gòu)件的部分移出計(jì)算機(jī)視覺的缺陷提取技術(shù)中去，從而降低了后續(xù)工作的工作難度；其次是進(jìn)行缺陷定位，主要是指通過特定的技術(shù)和算法將缺陷從結(jié)果當(dāng)中直接分離出來。第三部分是缺陷特征的提取，也是系統(tǒng)處理的結(jié)果部分，是通過計(jì)算缺陷的程度以及缺陷大小，從而為后期的構(gòu)件維護(hù)提供參考依據(jù)。具體來說，這三個(gè)部分的操作主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
2.1區(qū)域定位
區(qū)域定位是減少構(gòu)件處理和選擇時(shí)間的關(guān)鍵，能夠大大提高構(gòu)件缺陷提取的效率。構(gòu)件的表面的基本特征和大致集合框架提取是區(qū)域定位和的第一步，要將計(jì)算機(jī)區(qū)域定位和缺陷提取結(jié)合起來，更好地實(shí)現(xiàn)缺陷分析。要做好構(gòu)件的區(qū)域定位首先需要明確構(gòu)件的基本種類和特征：一是根據(jù)構(gòu)件的重用方式來說，可以分為白匣子、灰匣子、黑匣子從構(gòu)件的使用范圍來看又可以分為通用構(gòu)件和專用構(gòu)件；根據(jù)構(gòu)件的粒度的大小可以分為小。中大三種不同粒度的構(gòu)件；再次是從構(gòu)件的功能上來看可以分為系統(tǒng)構(gòu)件、支撐構(gòu)件以及領(lǐng)域構(gòu)件三個(gè)部分。四是從構(gòu)件的基本結(jié)構(gòu)特征來看可以分為原子構(gòu)件以及組合構(gòu)件。最后從構(gòu)件的狀態(tài)來說，又可以分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)構(gòu)件。因此從不同種類的構(gòu)件進(jìn)行區(qū)域定位為視覺系統(tǒng)正常運(yùn)行創(chuàng)造了優(yōu)良的條件。
2.2缺陷提取
在進(jìn)行缺陷提取的過程中，難免會(huì)受到客觀的環(huán)境影響，比如噪聲、溫度以及濕度等對(duì)圖像處理的結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)區(qū)域定位中產(chǎn)生的區(qū)域進(jìn)行濾波處理，然后再采用閾值分割的辦法進(jìn)行缺陷提取。具體操作步驟如下所示：
（1）計(jì)算出成像中的最小最大灰度值，并且設(shè)置初始閾值。
（2）根據(jù)閾值，結(jié)合圖像的分割目標(biāo)，將圖像分割成為目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，求導(dǎo)出平均灰度值。
（3）再根據(jù)新的平均灰度值計(jì)算出新的閾值。
（4）觀察閾值的初始值與新閾值之間的關(guān)系，如歌二者相等則整個(gè)計(jì)算過程就結(jié)束，如果不相等，則就需要進(jìn)一步計(jì)算。
通過閾值計(jì)算得出啊的最佳閾值分割效果圖，能夠進(jìn)行初步的缺陷預(yù)判，但是初步預(yù)判當(dāng)中還存在較多的不確定因素，主要包括兩類，一是在邊緣部分出現(xiàn)的細(xì)小毛刺，由于與缺陷的距離較近，因此在初步缺陷提取中容易形成誤判、再次是在構(gòu)件表面有一些非常細(xì)小的缺陷，這些缺陷的影響較小，不會(huì)對(duì)構(gòu)件的性能造成影響，因此在進(jìn)行缺陷提取的過程中需要將這兩個(gè)因素排除在外，具體主要是指采用圖像形態(tài)學(xué)中開運(yùn)算和閉運(yùn)算，從而達(dá)到對(duì)構(gòu)件中的明了細(xì)節(jié)和暗色細(xì)節(jié)的過濾。具體來說缺陷的分割提取采用的是Sobel算子。主要是利用了圖像像素點(diǎn)的上下左右灰度加權(quán)算法，對(duì)構(gòu)件表面的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。再采用二值圖像邊界跟蹤法，將缺陷從構(gòu)件圖像中分離出來。
2.3缺陷特征提取
缺陷特征提取，又可以稱之為缺陷的定量計(jì)算和定性過程，是將前期所得的數(shù)據(jù)結(jié)果以更加直觀的形式展現(xiàn)出來，通過對(duì)比指標(biāo)參數(shù)判斷構(gòu)件的表面質(zhì)量是否合格，符合基本的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。一般來說常用的表示缺陷特征的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種：
（1）周長(zhǎng)：周長(zhǎng)是對(duì)缺陷的邊界長(zhǎng)度的描述，在圖像特征上顯示則是指構(gòu)件成像上的缺陷區(qū)域的邊界像素?cái)?shù)量。
（2）面積：面積相對(duì)于周長(zhǎng)能夠更加直觀地反映整體缺陷的大小，它是缺陷區(qū)域中的像素的總數(shù)，因此更高體現(xiàn)缺陷的影響規(guī)模。
（3）致密性：這是一個(gè)相對(duì)專業(yè)的缺陷指標(biāo)概念主要是指每平方面積上的平方周倉(cāng)，是一個(gè)雙單位描述指標(biāo)。
（4）區(qū)域的質(zhì)心：區(qū)域質(zhì)心是描述缺陷的影響關(guān)鍵也就是缺陷區(qū)域內(nèi)的核心區(qū)域，是對(duì)整個(gè)區(qū)域的核心描述。
（5）最小外接矩形。
3.結(jié)語
綜上所述，構(gòu)件表面缺陷直接影響構(gòu)件的最終使用效果，構(gòu)件表面缺陷的檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸廣泛，而計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在檢測(cè)缺陷中的優(yōu)越性更體現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)視覺的構(gòu)件表面缺陷特征提取的研究?jī)r(jià)值。本文主要針對(duì)構(gòu)件表面缺陷的檢測(cè)，綜合計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)提出了具體的檢測(cè)方法和檢測(cè)工作原理，通過對(duì)表面缺陷的檢測(cè)，力圖提高構(gòu)件的整體質(zhì)量。
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