基于機(jī)器視覺(jué)的膠合板芯板缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺(jué)的膠合板芯板缺陷檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭紅英

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建漳州 363000)

膠合板是將多層芯板經(jīng)涂膠、熱壓而成的一種人造板板材，以形成硬度較高、強(qiáng)度較強(qiáng)、質(zhì)地均勻的合成板，其原材料品質(zhì)各異，紋理復(fù)雜多變，因部分芯板會(huì)存在缺陷，如蟲(chóng)洞、樹(shù)脂、裂紋、腐爛等，膠合前，需要對(duì)芯板進(jìn)行篩選分級(jí)，否則會(huì)造成膠合板表面碳化使產(chǎn)品質(zhì)量不佳[1-4]。為保證成品質(zhì)量，通常需要對(duì)缺陷部位進(jìn)行涂膠、刮膩處理使膠合板表面平整[5-6]。一般對(duì)膠合板芯板檢測(cè)均通過(guò)人工的方式，這種方式的判斷標(biāo)準(zhǔn)存在人為主觀性，檢測(cè)效率低。由于人眼視覺(jué)疲勞，容易出現(xiàn)將不良品檢測(cè)為良品的現(xiàn)象，檢測(cè)出來(lái)的芯板質(zhì)量參差不齊。通過(guò)人工的方式對(duì)芯板進(jìn)行上料，效率較低，增加了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[7]。針對(duì)這些情況，為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)了一種膠合板用板薄片表面識(shí)別檢測(cè)裝置，可有效地解決以上問(wèn)題。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)

膠合板芯板表面識(shí)別檢測(cè)裝置如圖1(a)(b)所示，檢測(cè)機(jī)架頂端的一側(cè)固定安裝有推動(dòng)裝置，推動(dòng)裝置包括固定柱、連接桿、壓塊、推板和凸輪、儲(chǔ)料箱、挑選箱等。固定柱中部開(kāi)設(shè)的第一圓孔與連接桿的中部穿插連接，推板通過(guò)連接桿與壓塊固定連接，且連接桿一端的中部套接伸縮彈簧，凸輪位于靠近壓塊的一端，凸輪與第二電動(dòng)機(jī)的輸出軸固定連接，第二電動(dòng)機(jī)固定安裝于機(jī)架底端一側(cè)的外壁，機(jī)架的中部固定安裝挑選箱和儲(chǔ)料箱，挑選箱內(nèi)部上方安裝板底端的兩側(cè)等距安裝有若干個(gè)條形燈，安裝板底端的中部固定安裝相機(jī)，如圖1(c)所示。封閉式的挑選箱可以避免外界光線變化的干擾，穩(wěn)定圖像拍攝采集環(huán)境，加速后期圖像特征提取。

1.機(jī)架；2.固定柱；3.連接桿；4.壓塊；5.推板；6.凸輪；7.儲(chǔ)料箱；8.第一條形開(kāi)口；9.第二條形開(kāi)口；10.挑選箱；11.控制箱；12.第一安裝板；13.光源；14.相機(jī)；15.轉(zhuǎn)輥；16.齒輪；17.鏈條；18.第一電動(dòng)機(jī)；19.側(cè)推裝置；20.第二電動(dòng)機(jī)。圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 光源及相機(jī)選擇

光源的選擇至關(guān)重要，合適的光源可以使圖像的目標(biāo)特征更加突出，機(jī)器視覺(jué)常用光源有熒光光源、金屬鹵素光源、紅外光源等[8]?？紤]膠合板芯板的紋理顏色偏黃，缺陷部位如死節(jié)、樹(shù)皮都呈暗色。熒光燈的顯色指數(shù)較高，光效強(qiáng)，因而選擇三基色條形熒光燈可以調(diào)節(jié)光源三基色比例，提高圖像對(duì)比度，突出缺陷特征[9]。相機(jī)是視覺(jué)圖像采集的核心部件，為檢測(cè)項(xiàng)目選擇合適的相機(jī)需要考慮的因素有：相機(jī)分辨率、幀率、像元尺寸等。根據(jù)感光芯片的不同，工業(yè)相機(jī)主要有CCD(Charge coupled Device)相機(jī)與COMS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)相機(jī)兩種。相較于COMS相機(jī)，CCD相機(jī)的成像質(zhì)量更好、解析度更高，但成本及功耗也較高[9-11]。考慮到膠合板芯板表面缺陷所檢測(cè)的內(nèi)容對(duì)圖像質(zhì)量的要求較高，主要有：毛刺、樹(shù)皮、樹(shù)節(jié)(包括活節(jié)和死節(jié))，故選擇CCD相機(jī)，又因?yàn)樾景迕倘毕萃ǔＥc芯板紋理同向，且芯板的規(guī)格固定、表面積較大，選用線掃相機(jī)可以更好更全面地采集到膠合板芯板的表面特征信息。待測(cè)膠合板芯板最大寬值w為1220 mm,最小的缺陷尺寸γ約為0.2 mm，每行所需像素值為：

(1)

因此，選擇分辨率為8 k，行頻為2.5～33.7 kHz的CCD相機(jī)便可滿足要求。

3 膠合板圖像采集及處理算法

CCD線掃相機(jī)與DMA(Direct Memory Access)緩沖高速圖像采集卡相配合，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)采集處理，工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程

由于圖像具有局部連續(xù)性，相鄰像素之間的灰度值較為接近，而當(dāng)有噪聲存在時(shí)，噪聲點(diǎn)處存在數(shù)值突變，平均模板的濾波可使數(shù)字圖像中的噪聲點(diǎn)灰度值得到修正，但同時(shí)圖像也變得模糊，當(dāng)模板增大時(shí)，圖像細(xì)節(jié)也將難以辨識(shí)，即濾波模板的尺寸直接影響圖像的細(xì)節(jié)。本文采用高斯模板濾波，其分布函數(shù)呈正態(tài)分布，使得鄰近像素權(quán)重較高，距離較遠(yuǎn)的像素權(quán)重較低，克服了均值平滑濾波對(duì)模塊內(nèi)像素一視同仁的弱點(diǎn)，其二維函數(shù)如公式(2)，其均值為0，方差為σ2。

(2)

因此建立一個(gè)(2k+1)×(2k+1)的矩陣M，使得原點(diǎn)位于模板的中心點(diǎn)位置(k，k)，(i,j)位置處的元素值由公式(3)計(jì)算所得，式中k，i，j均為整數(shù)值，對(duì)應(yīng)矩陣M的行列位置。

(3)

M矩陣經(jīng)過(guò)歸一化處理后得到高斯模板w(s,t)，s、t為奇數(shù)正整數(shù)，對(duì)應(yīng)高斯模板矩陣w的行列數(shù)(如：3、5、7)，圖像f(x,y)高斯濾波后得圖像g(x,y)，其缺陷細(xì)節(jié)能被較好地保留下來(lái)，如圖3所示。公式(4)中x,y取整數(shù)值，其為圖像的像素坐標(biāo)。

(4)

(a)芯板濾波前 (b) 高斯平滑濾波后圖3 圖像濾波效果對(duì)比

圖像邊緣提取算法主要有 Canny、Prewitt、Roberts等[12]。對(duì)濾波后的圖像采用3×3掩模矩陣的sobel邊緣算子進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示，芯板的邊緣信息豐富，死結(jié)、樹(shù)皮、孔洞及大毛刺的邊緣較為明顯，而正常的紋理及允許范圍內(nèi)小缺陷(如活節(jié)、小毛刺)的邊緣較弱，采用灰度值特征便可將缺陷邊緣提取出，如圖5(a)。由于噪聲和光照的不均衡，邊緣點(diǎn)往往不連續(xù)，為進(jìn)一步提取有效的缺陷邊緣，經(jīng)灰度閾值提取后對(duì)邊緣圖像先進(jìn)行閉運(yùn)算再做缺陷區(qū)域分割，對(duì)分割區(qū)域進(jìn)行面積篩選，提取影響板材品質(zhì)的缺陷區(qū)閾，結(jié)果如圖5(b)所示。

(a)邊緣檢測(cè)結(jié)果圖

(b)邊緣檢測(cè)局部放大圖圖4 sobel算子檢測(cè)結(jié)果

(a)灰度特征提取 (b) 面積特征提取圖5 缺陷特征提取

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)芯板選用缺陷豐富的板材，尺寸大小為1200 mm×800 mm。圖6(a)中部位1為正常紋理，部位2為正常的活節(jié)，部位3～7的缺陷分別是樹(shù)皮、毛刺、死節(jié)、裂邊、孔洞，其檢測(cè)結(jié)果如圖6(b)所示，芯板的主要缺陷特征均能被檢測(cè)出來(lái)。圖6(c)的主要缺陷是樹(shù)皮及小區(qū)域的死結(jié)，檢測(cè)結(jié)果如圖6(d)所示。圖6(e)的主要缺陷是死結(jié)及少數(shù)的樹(shù)皮，檢測(cè)結(jié)果如圖6(f)所示。分別對(duì)三種芯板的缺陷檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，按缺陷統(tǒng)計(jì)的總面積比率值判定芯板的質(zhì)量級(jí)別，結(jié)果如表1。從檢測(cè)效果可知，各芯板紋理復(fù)雜度不一，所含缺陷種類(lèi)也不同，經(jīng)濾波處理后紋理被平滑模糊但其缺陷細(xì)節(jié)都能較好地保留下來(lái)，經(jīng)灰度閾值及面積閾值分割后，影響品質(zhì)的缺陷都能被提取出來(lái)，同時(shí)可實(shí)時(shí)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù)，將分級(jí)依據(jù)數(shù)字化，修改分級(jí)閾值便可進(jìn)一步細(xì)化或是更改分級(jí)數(shù)量，使得篩選分級(jí)更加客觀準(zhǔn)確。

(a)待測(cè)芯板1

(b) 檢測(cè)結(jié)果1

(c)待測(cè)芯板2 (d)檢測(cè)結(jié)果2

(e)待測(cè)芯板3 (f)檢測(cè)結(jié)果3圖6 測(cè)試結(jié)果

表1 分級(jí)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

此設(shè)計(jì)目標(biāo)是將整套系統(tǒng)集成到芯板的加工生產(chǎn)環(huán)節(jié)，令整個(gè)系統(tǒng)能夠在芯板的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)木板上的缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、定位，并附帶質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)。此前依靠傳統(tǒng)的人工視覺(jué)對(duì)缺陷進(jìn)行分析判斷存在主觀性強(qiáng)、判斷效率低的不足，而且，膠合板加工廠的工作環(huán)境特點(diǎn)是機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)嘈雜、粉塵大、膠水味刺鼻，整體環(huán)境惡劣不利于人員長(zhǎng)期勞作。該系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)的分析判斷，使判斷效率更高，判斷結(jié)果更準(zhǔn)確，將員工從惡劣環(huán)境中解放出來(lái)的同時(shí)大大降低了人工管理成本。