活塞環(huán)缺陷檢測實(shí)驗(yàn)的圖像評價

賈正峰，于忠海，張曉鋒，陳 田

(1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)(2.上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245)(3. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

活塞環(huán)缺陷檢測實(shí)驗(yàn)的圖像評價

賈正峰1,2，于忠海1,2，張曉鋒2,3，陳 田1,2

(1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)(2.上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245)(3. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

在活塞環(huán)缺陷檢測過程中，數(shù)據(jù)采集是缺陷分析處理的第一步，圖像質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響后續(xù)圖像處理的準(zhǔn)確性。相機(jī)的曝光時間以及相機(jī)與活塞環(huán)之間的相對運(yùn)動速度直接影響圖像的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)從曝光時間與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速兩個方面著手，應(yīng)用圖像質(zhì)量評價函數(shù)分析獲取的圖片，得到適合的曝光時間及轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速，作為整個活塞環(huán)缺陷檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

活塞環(huán)；缺陷檢測；實(shí)驗(yàn)分析；圖像評價

實(shí)驗(yàn)是分析和解決問題的重要方法，是制訂解決方案或是設(shè)定某些參數(shù)時的基礎(chǔ)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軒椭O(shè)計者更好地達(dá)到設(shè)計要求?；钊h(huán)缺陷檢測系統(tǒng)由圖像采集、圖像數(shù)據(jù)處理、缺陷分析等部分組成。圖像采集是整個檢測系統(tǒng)工作的開始，采集到的圖像質(zhì)量決定了后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作中的難易程度以及缺陷分析的準(zhǔn)確性。在此，采集圖像的質(zhì)量是指圖像的模糊程度。運(yùn)動模糊圖像可以理解成景物在曝光時間內(nèi)不同時刻影像的疊加，所以拍攝靜止的物體時，景物疊加一致，沒有拖影；而拍攝運(yùn)動的物體，必定會有運(yùn)動模糊的現(xiàn)象。運(yùn)動模糊的程度由移動物體的速度和相機(jī)的曝光時間兩方面決定[1]。運(yùn)動速度越快，曝光時間越長，圖像也越模糊。

1 圖像質(zhì)量評價函數(shù)

圖像質(zhì)量評價有主觀評價和客觀評價2種[2]。主觀評價方法是最直接體現(xiàn)圖像質(zhì)量的方法。但是，由于主觀評價方法無法通過數(shù)學(xué)模型來描述，在實(shí)際工程應(yīng)用中多數(shù)情況下無法采用，因此主觀評價在本文中不再贅述?？陀^評價法是先計算出被評價圖像的某些統(tǒng)計特性和物理參量，通過比較這些值的大小來確定圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，能夠使用客觀的、定量分析的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)人對圖像的感受。

圖像質(zhì)量的客觀評價分為有參照圖像質(zhì)量評價和無參照圖像質(zhì)量評價2種。

有參照圖像質(zhì)量評價是指通過比較被評價圖像與參考圖像之間的差異來評判一幅圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，包括平均絕對誤差(MAE)、均方誤差(MSE)、信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)等圖像質(zhì)量評價方法，這些方法需要有和被評價圖像相應(yīng)的參考圖像。在本實(shí)驗(yàn)中，很難在拍攝運(yùn)動圖像的同時，拍攝相同位置的靜止圖像作為參考圖像，所以有參照圖像質(zhì)量評價不適合用于評價本實(shí)驗(yàn)采集的圖像。

無參照圖像質(zhì)量評價，不需要參考圖像，其基本思想是：圖像越清晰，圖像中的邊緣特征信息越豐富。因此，無參照圖像質(zhì)量評價的清晰度評價法實(shí)質(zhì)就是比較圖像的梯度能量，梯度能量值越大，圖像越清晰。

下面給出2種圖像清晰度評價函數(shù)。

a.Roberts算子清晰度評價函數(shù)。

Roberts算子梯度函數(shù)為：

(1)

式中g(shù)rad(x,y)為點(diǎn)(x,y)處的梯度能量。運(yùn)用整幅圖像的梯度能量總和即可評價圖像的清晰度。清晰度評價函數(shù)為：

(2)

b.Sobel算子清晰度評價函數(shù)。

Sobel算子梯度函數(shù)為：

(3)

其中：

Δxf(x,y)=[f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)]-[f(x-1,y-1)+2f(x,y-1)+f(x+1,y-1)]

(4)

Δyf(x,y)=[f(x-1,y-1)+2f(x-1,y)+f(x-1,y+1)]-[f(x+1,y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1,y+1)]

(5)

2 活塞環(huán)檢測實(shí)驗(yàn)實(shí)例

以活塞環(huán)表面缺陷——端面砂孔為例，采集其圖像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

實(shí)驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速：10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38r/min。

曝光時間：20,30,40,50,60,70,80,90,100,150μs。

相機(jī)采用某品牌面陣CCD相機(jī)，光源為條燈。

將實(shí)驗(yàn)采集到的圖像數(shù)據(jù)運(yùn)用清晰度評價函數(shù)進(jìn)行計算，結(jié)果見表1和表2。

3 實(shí)驗(yàn)分析

運(yùn)用MATLAB軟件對實(shí)驗(yàn)所得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖像數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知：

a.當(dāng)曝光時間為20μs，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為10 r/min時，得到的圖片質(zhì)量最好，說明運(yùn)動速度越慢，曝光時間越短，圖像也越清晰。

表1 Roberts算子圖像清晰評價

圖1 Roberts評價函數(shù)數(shù)據(jù)分析

圖2 Sobel評價函數(shù)數(shù)據(jù)分析

b.曝光時間在100μs以內(nèi)，隨著曝光時間的延長，圖像梯度能量逐漸降低，即圖像越不清晰。

c.隨著轉(zhuǎn)速的增大，圖像梯度能量有波動，總體趨勢降低，即圖像越不清晰。

d.曝光時間在100μs以上時，Sobel算子圖像梯度能量增大。

4 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，旨在說明曝光時間和相對運(yùn)動速度對圖像質(zhì)量的影響，同時通過數(shù)據(jù)比較，選擇合適的曝光時間和轉(zhuǎn)速作為實(shí)際應(yīng)用中的參考。本文從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，驗(yàn)證了曝光時間越長、轉(zhuǎn)速越快，圖像的質(zhì)量越差。在實(shí)際檢測過程中，考慮到檢測效率和成本等因素，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在20～30 r/min，曝光時間在40～60 μs內(nèi)選取。實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)際檢測中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和曝光時間。

[1] 張明謙. 運(yùn)動模糊圖像的運(yùn)動參數(shù)估計及復(fù)原研究[D].成都：電子科技大學(xué), 2009.

[2] 徐魯安. 圖像質(zhì)量評價方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué),2003.

Analysisondefectdetectionexperimentofpistonring

JIA Zhengfeng1,2,YU Zhonghai1,2,ZHANG Xiaofeng2,3,CHEN Tian1,2

(1.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)(2.Shanghai Dianji University, Shanghai, 200245, China)(3.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

The experiment is an important method to analyze and solve problems. The process of defect detection in piston ring, data acquisition is the first step of defect analysis processing, image quality directly affects the accuracy of subsequent image processing. The exposure time of camera and the relative velocity between camera and piston ring directly influence the quality of the image. Based on two aspects from the exposure time and the rotating speed, it designs the experiment, analyzes the image quality evaluation function applied in the field of the picture. It obtains the suitable exposure time and rotating speed, is the experimental basis of piston ring defect detection system.

piston ring; defect detection; experiment analysis; image evaluation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.013

2014-07-15

賈正峰(1989—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，上海理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y試控制技術(shù)。

TP391.4

A

2095-509X(2014)10-0059-03