采用移動掃描成像法實現(xiàn)高壓氣瓶內(nèi)壁凹坑缺陷檢測

賈丹平 陳思蒙

摘要：高壓氣瓶在生產(chǎn)和使用中會在內(nèi)壁產(chǎn)生凹坑、劃痕、縱向拉伸等缺陷，為消除安全隱患，設(shè)計了一種基于機(jī)器視覺的高壓氣瓶內(nèi)壁凹坑缺陷的檢測系統(tǒng)。為實現(xiàn)氣瓶內(nèi)壁的全部采集，設(shè)計移動掃描成像系統(tǒng)對氣瓶內(nèi)壁進(jìn)行圖像拍攝。針對金屬氣瓶的內(nèi)壁表面顏色一致、凹坑缺陷與背景對比度小的弊端，采用明場側(cè)向光照射的方法獲取圖像。利用canny算子對凹坑邊緣進(jìn)行提取，通過凹坑邊緣的輪廓擬合、區(qū)域轉(zhuǎn)化、規(guī)則化表征，得出凹坑缺陷檢測結(jié)果。實驗表明，該方案能夠有效實現(xiàn)高壓氣瓶內(nèi)壁凹坑缺陷檢測，具有較高的檢測準(zhǔn)確率和精度。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺；缺陷檢測；圖像采集；canny算子；輪廓擬合；規(guī)則化

中圖分類號：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）24-0226-02

由于高壓氣瓶充裝易燃易爆氣體，它的安全檢測已成為目前人們關(guān)注焦點之一。在氣瓶生產(chǎn)過程中，由于打磨或機(jī)械加工時會造成氣瓶內(nèi)壁不同程度的缺陷，如劃痕、凹坑、拉伸傷等，這些缺陷會在高壓工作所帶來的持續(xù)載荷作用下不斷擴(kuò)大，如不及時發(fā)現(xiàn)會產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患[1]。

目前高壓氣瓶內(nèi)壁缺陷檢測有以下四種方法。

（1）人工檢測法：人工檢測法是國內(nèi)氣瓶生產(chǎn)商使用最普遍的質(zhì)檢方法。該方法使用強(qiáng)光照射氣瓶內(nèi)壁，靠質(zhì)檢員肉眼觀察，憑借其工作經(jīng)驗對氣瓶內(nèi)壁質(zhì)量加以判斷。人工目測方法最大問題在于人的主觀性與長時間工作下引起的身體疲勞。

（2）超聲檢測法：該方法通過探頭發(fā)射和接受超聲波，超聲波在工件中遇到缺陷就反射，再在探頭中轉(zhuǎn)換為電信號[2]。通過超聲波的傳輸時間與聲壓獲得缺陷的檢測結(jié)果。但該方法的不足之處在于：a.聲波對裂紋方向非常敏感，當(dāng)裂紋方向與聲波方向平行時，會出現(xiàn)漏檢。b.對缺陷進(jìn)行精確的定量分析還很困難。c.氣瓶內(nèi)壁不光滑，會降低檢測精度。

（3）紅外熱成像法：該方法通過使用脈沖熱源加熱被測物體，再使用紅外熱像儀記錄變化過程，通過紅外熱像圖測量物體內(nèi)缺陷[3]。此方法的局限性為：a.紅外熱成像法對缺陷的定量分析精度較低。b.檢測精度受限于：發(fā)射率、反射表象溫度、距離、相對濕度、大氣溫度等。

（4）聲發(fā)射檢測法：當(dāng)物體收到形變或外力作用時，其應(yīng)變能會以聲波的形式釋放，根據(jù)其聲波發(fā)射特征及發(fā)射強(qiáng)度等信息可得到缺陷狀態(tài)[4]。該方法的缺陷在于：a.傳感器與被測物體的耦合性難以調(diào)整。b.某些低幅值的聲發(fā)射會成為檢測噪音。c.聲發(fā)射檢測設(shè)備昂貴，對檢測人員培訓(xùn)要求較高。

相機(jī)器視覺檢測技術(shù)中的非接觸、檢測成本低、檢測條件要求低和精度高等優(yōu)點，可彌補(bǔ)以上方法的不足之處[5]。所以本文提出一種基于機(jī)器視覺的檢測方案。缺陷類型不同，識別判據(jù)也存在差異，下面以凹坑缺陷檢測為例，詳細(xì)介紹高壓氣瓶內(nèi)壁缺陷檢測方法。

1 凹坑缺陷檢測系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 移動掃描成像系統(tǒng)設(shè)計

被測氣瓶直徑為78-208mm、長度為200-1370mm、壁厚為2.0-12.2mm。本檢測系統(tǒng)提出移動掃描成像的方案進(jìn)行圖像采集。為保持相機(jī)的工作距離，使用圖中的平移臺控制相機(jī)在氣瓶內(nèi)的縱向運動。當(dāng)相機(jī)每次到達(dá)氣瓶的瓶口和瓶底時，圖中承載氣瓶的旋轉(zhuǎn)裝置便會旋轉(zhuǎn)固定角度（本系統(tǒng)中使用的角度為30°），往復(fù)運行以上動作直至采集完整個氣瓶為止。整個系統(tǒng)由成像系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和處理控制系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)由相機(jī)和光源構(gòu)成，用于完成氣瓶內(nèi)壁圖像的獲取。支撐系統(tǒng)由平移臺和升降臺組成，用于調(diào)整相機(jī)的工作距離和動態(tài)拍攝位置。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)具有調(diào)節(jié)功能以實現(xiàn)針對不同尺寸的氣瓶均可承載和旋轉(zhuǎn)。處理控制系統(tǒng)由PLC和計算機(jī)構(gòu)成，計算機(jī)獲取相機(jī)拍攝的圖像，運行檢測算法，控制整個系統(tǒng)的運行。

2 凹坑缺陷檢測方法及實現(xiàn)

2.1 通過邊緣檢測獲得凹坑缺陷

缺陷提取是整個算法的重中之重，是后續(xù)檢測算法編寫的重要前提。Canny算子作為一種優(yōu)化后的邊緣檢測算子具有較好的信噪比和檢測精度[6]。Canny算子求邊緣具體實現(xiàn)方法為：首先用高斯濾波平滑圖像，然后用一階偏導(dǎo)數(shù)有限差分計算梯度、幅值和方向，并對梯度幅值進(jìn)行非極大值抑制，最后用雙閾值算法檢測和連接邊緣[7-9]。凹坑缺邊緣提取的難點在于被測氣瓶內(nèi)凹坑缺陷分布隨機(jī)、缺陷大小隨機(jī)、凹坑深度不同導(dǎo)致成像時形成陰影深淺也并不相同。所以在設(shè)計Canny算子參數(shù)時為了提高系統(tǒng)運行速率，只針對灰度值梯度變化較大的區(qū)域進(jìn)行保留。根據(jù)Canny算法原理首先對圖像進(jìn)行[σ]=2的高斯濾波，再以Canny卷積模板對圖像計算各點的梯度幅值及方向后進(jìn)行雙閾值篩選，其中設(shè)置的低閾值為10，高閾值為15。

2.2 缺陷擬合獲得完整的缺陷輪廓

Canny算子邊緣提取后獲得的亞像素輪廓并不是完整的缺陷輪廓，且氣瓶內(nèi)壁并不是只有凹坑缺陷輪廓。為避免對后續(xù)處理造成影響，需要對Canny算子的檢測結(jié)果進(jìn)行篩選，并將凹坑缺陷的輪廓補(bǔ)充完整。

Canny算子檢測的結(jié)果中也包含著一定的劃痕缺陷和一些雜質(zhì)干擾，據(jù)缺陷的幾何特點進(jìn)行以下幾步實現(xiàn)篩除和輪廓擬合：a.測量各個輪廓線長度，保留長度在1像素到1000像素的輪廓線；b.對保留輪廓線進(jìn)行擬合處理；c.對擬合后輪廓線取最小外接橢圓圓，測量外接橢圓圓度。保留圓度在0.4-0.6且輪廓長度大于20像素的輪廓線；d.對保留的輪廓線再次擬合。通過以上幾步的操作可基本保留凹坑缺陷輪廓，且將其他缺陷和干擾進(jìn)行篩除。其中外接橢圓圓度的計算公式如下：

輪廓擬合處理時，認(rèn)為滿足下列條件的凹坑缺陷是同一輪廓并將其合并，即：相鄰輪廓線之間的最大距離d≤MaxDistAbs、輪廓之間最大相對距離d/l≤MaxDistRel、第二條輪廓線與第一條輪廓線延長線的最大距離s≤MaxShift、兩條輪廓線間的最大角度α≤MaxAngle，如圖5所示。第一次各輪廓擬合閾值分別為：MaxDistAbs=10，MaxDistRel=1，MaxShift=10，α= π/6。第二次擬合參數(shù)分別為：MaxDistAbs=30，MaxDistRel=1，MaxShift=10，α= π/3。

2.3 凹坑缺陷規(guī)則化及缺陷檢測

在安全評定時規(guī)定對平面缺陷進(jìn)行規(guī)則化表征處理，將缺陷表征為規(guī)則表面缺陷，表征后的形狀一般為橢圓形、圓或矩形。再進(jìn)行輪廓擬合后得到一系列由亞像素級的曲線圍成的凹坑輪廓線，需要把各個輪廓線轉(zhuǎn)換為各個區(qū)域，再將各個區(qū)域規(guī)則化為最小外接圓或者外接矩形，通過形態(tài)學(xué)處理，使距離近的凹坑缺陷歸為一個缺陷。另外氣瓶內(nèi)有可能出現(xiàn)鐵屑或者其他雜質(zhì)，與背景的灰度值梯度較大，Canny算子會將這些雜質(zhì)篩選出來作為缺陷。在規(guī)則化之前需要將此區(qū)域剔除，方法為：a.計算已被轉(zhuǎn)換為各個區(qū)域的缺陷的平均灰度值。b.將各個區(qū)域以半徑為5像素的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行膨脹操作。c.計算膨脹后各個區(qū)域的平均灰度值。d.膨脹前的各個區(qū)域與其膨脹后的平均灰度值進(jìn)行比較，若膨脹后的灰度值更大，則認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)存在雜質(zhì)，將其篩除。缺陷檢測的判斷依據(jù)為凹坑的長度超過氣瓶外徑的2%或超過2mm即判定為不合格。本系統(tǒng)相機(jī)的工作距離為4.8cm，經(jīng)標(biāo)定后得到該系統(tǒng)的缺陷校正算法，即將待檢測的缺陷尺寸測量經(jīng)過校正算法后得到實際中該缺陷的尺寸。根據(jù)判定閾值判定該氣瓶是否合格，若不合格將其缺陷標(biāo)注出來。

3 實驗結(jié)果與性能分析

為檢測氣瓶內(nèi)壁凹坑缺陷算法是否穩(wěn)定且精確，通過以下兩種方法進(jìn)行性能測試：

（1）同一區(qū)域缺陷檢測測試：對氣瓶內(nèi)固定區(qū)域進(jìn)行拍攝并檢測，多次實驗后比較成像效果及檢測結(jié)論。隨機(jī)抽取實驗結(jié)果如表1所示。可以看出，該系統(tǒng)在同一測量條件下可以穩(wěn)定成像，缺陷檢測個數(shù)穩(wěn)定不變，由此證明該檢測系統(tǒng)與算法均能穩(wěn)定實現(xiàn)。

（2）氣瓶內(nèi)壁缺陷檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確性測試：運行整個系統(tǒng)，測試氣瓶內(nèi)壁不同區(qū)域，比較實際缺陷數(shù)與檢測缺陷數(shù)進(jìn)行比對，測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。進(jìn)行多次實驗，隨機(jī)抽取實驗結(jié)果制作表格，如表2所示。偏差率定義為偏差值除以實際個數(shù)，經(jīng)計算準(zhǔn)確率均低于10%，滿足現(xiàn)場測試要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）采用明場側(cè)向光照射的移動掃描成像法，可以很好地解決氣瓶內(nèi)壁因其材質(zhì)和徑向尺寸所造成的成像困難的問題，并且得到凹坑缺陷明顯的成像圖片。

（2）通過Canny算子對凹坑邊緣的提取、凹坑邊緣的輪廓擬合、缺陷規(guī)則化表征等的算法設(shè)計，可以實現(xiàn)氣瓶內(nèi)壁凹坑缺陷在線檢測，基本滿足現(xiàn)場測試要求。

（3）該種檢測方法不僅可以實現(xiàn)氣瓶內(nèi)壁凹坑缺陷的檢測可以根據(jù)修改算法參數(shù)和相關(guān)閾值便可以適用到氣瓶的劃痕缺陷檢測和拉伸傷痕檢測。

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