缺陷識別技術(shù)在壓花玻璃檢測中的應(yīng)用

張子秋

（秦皇島市第一醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備管理處，河北秦皇島 066000）

1 壓花玻璃缺陷識別技術(shù)概述

玻璃生產(chǎn)中需要對產(chǎn)品的質(zhì)量、等級進(jìn)行篩選分類，人工篩選分類玻璃存在效率低、漏檢、辨識不準(zhǔn)確等諸多問題，采用機(jī)器識別的方式能大幅度提高檢出精度，有效提高玻璃生產(chǎn)過程中玻璃雜質(zhì)檢測準(zhǔn)確度和效率[1]。當(dāng)前玻璃工藝生產(chǎn)中大部分玻璃檢測產(chǎn)品主要針對浮法玻璃，壓花玻璃缺陷識別技術(shù)產(chǎn)品亟待進(jìn)一步開發(fā)。

針對壓花玻璃的視覺檢測系統(tǒng)，其核心是缺陷分析技術(shù)，通過紋理分析和智能分類檢出并分類缺陷玻璃產(chǎn)品。通過該技術(shù)可以將人工篩選轉(zhuǎn)換為機(jī)器自動篩選，提高檢出效率和檢測精度，而且便于實(shí)現(xiàn)對缺陷類型的分類。

壓花玻璃分析系統(tǒng)利用機(jī)器視覺代替人眼對壓花玻璃缺陷做出檢出和判斷。機(jī)器視覺是通過CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）或CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）工業(yè)級相機(jī)采集樣品信息轉(zhuǎn)化成機(jī)器信號進(jìn)行缺陷分析、篩選和信號傳輸。機(jī)器視覺是科學(xué)交叉研究領(lǐng)域，有非接觸、實(shí)時性、自動化和智能高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2 智能缺陷識別系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

壓花玻璃檢測系統(tǒng)采用機(jī)器視覺識別技術(shù)，利用工業(yè)相機(jī)進(jìn)行視覺捕捉，通過智能分析模塊作出判斷控制機(jī)械部位完成指令動作（圖1）。

圖1 壓花玻璃檢測流程

壓花玻璃檢測系統(tǒng)有在線檢測和離線檢測2種方式：在線檢測指在生產(chǎn)線上對玻璃進(jìn)行缺陷分析判別；離線檢測則在生產(chǎn)線下對一部分產(chǎn)品樣本獨(dú)立進(jìn)行分析判別。無論哪一種檢測方式，其組成結(jié)構(gòu)及原理、功能基本一樣?；窘M成一般包含工業(yè)相機(jī)、光源、分析處理模塊、打標(biāo)器、操控面板及算法（圖2）。

2.1 工業(yè)相機(jī)

圖2 壓花玻璃檢測示意

玻璃檢測首先要靠工業(yè)相機(jī)采集目標(biāo)產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)換成電信號。一般使用線陣CCD相機(jī)，具有圖像穩(wěn)定、傳輸速度快的特點(diǎn)，可快速實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，適合實(shí)時檢測。而且線陣CCD相機(jī)對光照度要求低，能在均勻低光強(qiáng)下采集信息。其拍攝寬度和行頻分別決定了采集到的玻璃表面橫向、縱向分辨率?？v向分辨率要求相機(jī)行頻與玻璃帶運(yùn)行速度相適合，通過傳送帶上編碼器產(chǎn)生脈沖信號，線陣CCD相機(jī)進(jìn)行一次采集行。將線陣相機(jī)置于光源帶正上方中心線，可以得到較高信噪比的缺陷特征，使缺陷部位與非缺陷部位產(chǎn)生較明顯的差別，增加對比度。

壓花玻璃的檢測中應(yīng)選用高質(zhì)量的工業(yè)相機(jī)，在充分保證分辨率的前提下，降低生產(chǎn)中由于機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的抖動使相機(jī)光圈產(chǎn)生的變化。

2.2 光源

光源分為2種：一種是置于相機(jī)與玻璃帶正下方的條形主光源，一種是置于玻璃帶邊緣側(cè)的側(cè)光源。主光源采用高光發(fā)光二極管陣列排列方式，側(cè)光源采用白強(qiáng)光，以提高照度以便獲得高分辨率（圖3）。其中，l，m和n為一固定距離，θ為角度。

圖3 壓花玻璃檢測系統(tǒng)側(cè)視圖

2.3 分析處理模塊

分析處理部分分為下位（處理）機(jī)和上位（通信）機(jī)。上位機(jī)處理采取黑匣屏蔽下位機(jī)的操作（圖4）。

圖4 上位機(jī)、下位機(jī)及通信指示

2.4 打標(biāo)模塊

檢測到壞點(diǎn)時，PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制打標(biāo)器對缺陷標(biāo)識。PLC每t秒接收變頻脈沖信號對相機(jī)控制，當(dāng)檢測有壞點(diǎn)時通知打標(biāo)器標(biāo)記。

3 檢測標(biāo)準(zhǔn)

壓花玻璃檢測系統(tǒng)不針對浮法玻璃檢測，要求玻璃透射率至少為50%，缺陷的檢出精度依賴于相機(jī)的數(shù)量和玻璃帶的寬度，可以檢測的最小缺陷為a×a個像素（a為可識別缺陷的最小像素邊長，a要求盡量?。?。檢測系統(tǒng)的檢測取決于產(chǎn)品缺陷和背景之間的視覺差異，如果產(chǎn)品變化遮蔽了缺陷，檢測就得不到保證。因此，要求缺陷對比度反差應(yīng)盡量明顯，相距較近的缺陷會被報(bào)告成為同一個缺陷的概率較大。

4 缺陷類型

壓花玻璃生產(chǎn)中的缺陷類型有氣泡、夾雜物、劃傷、癤瘤等。玻璃缺陷分析中，可以根據(jù)缺陷的特點(diǎn)對其種類進(jìn)行分類標(biāo)識。

（1）氣泡缺陷內(nèi)為空氣或中空，主要因生產(chǎn)中氣體混雜進(jìn)玻璃液中或固體夾雜物在玻璃液中高溫汽化形成，氣液界面因密度不同形成較大折射，其核心區(qū)域灰度值較低，而在核心周圍由于光學(xué)特點(diǎn)造成其形成了一小范圍內(nèi)的較高灰度值。

（2）夾雜物缺陷指玻璃內(nèi)部及表面含有的固體不規(guī)則物質(zhì)，一般為包裹體呈現(xiàn)，分為內(nèi)核、外核特征明顯。內(nèi)核一般不透光或透射差，分析處理中的背景灰度值較低。因夾雜物的存在，造成玻璃表面小范圍形變，形成明顯的光學(xué)特征。

（3）劃傷缺陷可認(rèn)為是由線性內(nèi)核構(gòu)成，無外核的缺陷僅存在玻璃表面，劃傷處光的透射率下降。

（4）癤瘤由玻璃態(tài)夾雜物形成，但由于其夾雜物為玻璃，光學(xué)特性明顯，因此其不存在低灰度內(nèi)核，只有高灰度值外核。

5 缺陷參數(shù)的提取方法及分類法

缺陷特征參數(shù)的提取對檢測結(jié)果有直接影響，標(biāo)識缺陷特征的參數(shù)很多，一般包括缺陷邊長、長寬比、面積、周長、弧度、灰度值、能量強(qiáng)度等。缺陷特征越明顯，越容易區(qū)分缺陷類型。選擇高識別度的特征參數(shù)是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識別缺陷類型的關(guān)鍵。

缺陷特征有多種分類方法，其中：統(tǒng)計(jì)法是較為經(jīng)典的分類方法，可以作為大數(shù)據(jù)樣本分類結(jié)果的對照標(biāo)準(zhǔn)樣本，起到參照作用；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類法有自適應(yīng)、容錯、自組織等多種優(yōu)點(diǎn)和特性，能夠減少誤差和迭代數(shù)，但其結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)較難設(shè)計(jì)。

6 紋理分析和缺陷識別簡述

紋理是物體表面的結(jié)構(gòu)屬性，基本單位是紋理單元。壓花玻璃又稱花紋玻璃，表面紋理經(jīng)光線透過產(chǎn)生漫射，因此，從一面看物體會感覺模糊。一種壓花玻璃一般有基于相同類型連續(xù)的紋理單元構(gòu)成的表面，但相同類型的紋理單元構(gòu)成的整體紋理效果又會呈現(xiàn)出新的獨(dú)立的紋理特征。因此，對紋理分割分析對區(qū)分紋理和缺陷特征十分重要。

分析過程中一般將采集到的圖像進(jìn)行切割，對每個子圖像進(jìn)行紋理提取和分析，識別紋理和缺陷的特征（圖5）。切割圖像分析前，需要對圖像進(jìn)行預(yù)處理分析，包括濾波和圖像增強(qiáng)處理等，以突出圖像的某些關(guān)鍵信息，保證識別缺陷的可靠性。依據(jù)圖像的灰度值、幾何特征等因素，將圖像分割為子圖，缺陷特征提取要盡量反映出原本缺陷的特點(diǎn)，根據(jù)每種缺陷的物理光學(xué)特性進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和類型劃分。

圖5 缺陷分析處理流程

7 總結(jié)

由于生產(chǎn)條件及狀況的限制和差異，玻璃生產(chǎn)中產(chǎn)生的缺陷類型比較隨機(jī)、沒有規(guī)律，能否準(zhǔn)確判斷缺陷類型對生產(chǎn)工藝的改進(jìn)有一定指導(dǎo)作用。衡量壓花玻璃是否達(dá)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是，規(guī)定面積內(nèi)的壞點(diǎn)數(shù)量和尺寸是否在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。因此，只有準(zhǔn)確描述產(chǎn)品缺陷信息，才能為準(zhǔn)確的玻璃等級分類提供可靠的依據(jù)。除了壓花玻璃缺陷檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理等內(nèi)容，關(guān)于壓花玻璃的缺陷識別和等級分類等問題，在科研和生產(chǎn)實(shí)踐中還會有更多的探索和挑戰(zhàn)。