摘 要:在工業(yè)零件外觀檢測(cè)中，圖像處理技術(shù)日益得到重視，對(duì)一些精度要求較高的微小零件，其缺陷檢測(cè)的作用更加重要。通過(guò)分析零件表面缺陷檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀問(wèn)題，綜合運(yùn)用了圖像處理技術(shù)。對(duì)零件表面缺陷檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，并開(kāi)發(fā)了一套零件質(zhì)檢系統(tǒng)軟件，為圖像處理技術(shù)在復(fù)雜零件質(zhì)檢工作中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:圖像處理;表面檢測(cè);濾波;邊緣檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào):TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)04-061-03

Application and Research of Image Processing Technology in Quality Inspection Work

LI Caihua，HU Xaoping，ZHANG Jinbo

(College of Mechanical Engineering，Jiamusi University，Jiamusi，154007，China)

Abstract:Research and application of image processing technology are paid more and more attention in quality inspection work which has resulted in excellent results in many fields.The actuality of surface detection techniques are analyzed，the image processing technology is synthetically applied，the methods of surface detection are researched，and a set of quality inspection system software is developed，which has established academic foundation for surface detection of complex parts in control field.

Keywords:image processing;surface detection;filter;edge detection

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化水平的發(fā)展，零件外觀缺陷檢測(cè)自動(dòng)化顯得越來(lái)越重要，尤其是對(duì)一些精度要求較高的微小零件的缺陷檢測(cè)。一般的零件缺陷通常表現(xiàn)為裂紋、劃線、銹斑和污點(diǎn)等。傳統(tǒng)的外觀檢測(cè)是用人的視覺(jué)來(lái)完成的，不可避免地帶來(lái)了一些人為的不確定因素，而且效率低。在現(xiàn)代化生產(chǎn)過(guò)程中，隨著電子計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)與理論的迅速發(fā)展，對(duì)零件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的視覺(jué)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來(lái)，并越來(lái)越受到人們的重視。

以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理是，通過(guò)CCD攝像頭采集一幅無(wú)缺陷的零件標(biāo)準(zhǔn)圖像，保存在計(jì)算機(jī)中。然后在線采集待檢圖像，不斷將待檢圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)出錯(cuò)誤圖像，從而完成零件的質(zhì)檢工作任務(wù)?；趫D像處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一套零件自動(dòng)化質(zhì)檢的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粰z測(cè)零件進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，用于零件質(zhì)檢工作中，大大提高了生產(chǎn)率。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

要檢測(cè)的零件經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷為表面裂紋、孔洞和中心不重合，這里缺陷的定義為表面裂紋長(zhǎng)度大于30個(gè)像素，孔洞面積大于10×10個(gè)像素 ，中心點(diǎn)距離偏差小于1×1個(gè)像素。檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

工作過(guò)程如圖2所示，是通過(guò)攝像頭采集零件待檢測(cè)表面圖像，把圖像存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)內(nèi)，然后進(jìn)行濾波、邊緣檢測(cè)、中心位置提取等圖像處理過(guò)程，再與標(biāo)準(zhǔn)零件圖像進(jìn)行對(duì)比，篩查出不合格產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)零件質(zhì)檢工作的自動(dòng)化。

圖2 檢測(cè)過(guò)程

2 檢測(cè)算法的研究

數(shù)字圖像處理，即利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理[1]，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理有兩個(gè)目的:一是產(chǎn)生更適合人觀察和識(shí)別的圖像;二是希望計(jì)算機(jī)能自動(dòng)識(shí)別和處理圖像。為了能?chē)?yán)格地用數(shù)學(xué)來(lái)研究圖像的邊緣檢測(cè)[2-4]，有必要對(duì)數(shù)字圖像做如下假設(shè)[5]:

(1) 圖像是一個(gè)二元連續(xù)函數(shù)f(x，y):(x，y)∈D。函數(shù)的定義域設(shè)為D;(x，y)表示二維空間中某個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo);f(x，y)表示點(diǎn)的灰度值，值域?yàn)閂。

(2) 數(shù)字圖像是對(duì)函數(shù)f(x，y):(x，y)∈D的離散表示。在空間域D上進(jìn)行抽樣:用有限個(gè)像素(Pixel)來(lái)表示定義域D，每一個(gè)像素表示對(duì)應(yīng)區(qū)域的平均灰度值;在值域空間V中進(jìn)行量化即用有限個(gè)值代表V。

(3) 圖像帶有噪聲。由于機(jī)器設(shè)備等的原因這些像素值都是有誤差的或者是帶有隨機(jī)噪聲的。

(4) 圖像用矩陣表示。矩陣中每一個(gè)元素代表一個(gè)像素，像素的取值代表這個(gè)像素的灰度值。因此在圖像的離散模型中也常用M表示圖像，使用m(i，j)代表圖像的第(i，j)元素。

2.1 圖像濾波

實(shí)際得到的圖像由于各種原因被強(qiáng)度隨機(jī)信號(hào)(也稱(chēng)為噪聲)所污染。一些常見(jiàn)的噪聲有椒鹽噪聲、脈沖噪聲、高斯噪聲等[6]。椒鹽噪聲含有隨機(jī)出現(xiàn)的黑白亮度值;脈沖噪聲則只含有隨機(jī)的白強(qiáng)度值(正脈沖噪聲)或黑強(qiáng)度值(負(fù)脈沖噪聲);高斯噪聲含有亮度服從高斯或正態(tài)分布的噪聲，是許多傳感器噪聲的很好模型[7，8]。

因此，在對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理之前，應(yīng)首先對(duì)圖像進(jìn)行濾波。在此，采用邊緣保持濾波器。該濾波器在濾除脈動(dòng)噪聲的同時(shí)，又不至于使圖像邊緣十分模糊。

邊緣保持算法的基本過(guò)程是對(duì)灰度圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)(i，j)取適當(dāng)大小的一個(gè)鄰域(如3×3鄰域)，分別計(jì)算(i，j)的左上角子鄰域、左下角子鄰域、右上角子鄰域和右下角子鄰域的灰度分布均勻度V，然后取最小均勻度對(duì)應(yīng)區(qū)域的均值作為該像素點(diǎn)的新的灰度值。計(jì)算灰度均勻度的方法見(jiàn)式(1)所示，也可以用式(2)計(jì)算。邊緣保持算法的濾波結(jié)果如圖3所示。

V=∑f2(i，j)-[∑f(i，j)]2/N(1)

V=∑[f(i，j)-(i，j)]2(2)

2.2 邊緣檢測(cè)

Sobel算子是3×3算子，因此可以避免在像素之間內(nèi)插點(diǎn)上計(jì)算梯度，所以它是邊緣檢測(cè)器中最常用的算子之一。Sobel算子也是一種梯度幅值，如式(3)所示，其中的偏導(dǎo)數(shù)如式(4)的計(jì)算。

M = S2x  +S2y (3)

Sx=(a2+ca3+a4)-(a0+ca7+a6)

Sy=(a0+ca1+a2)-(a6+ca5+a4)(4)

式中:a0a1a2

a7a8a3

a6a5a4為模板位置矩陣;c為常數(shù)，這里為2，所得Sobel算子Sx和Sy的卷積模板如式(5)所示。Sobel算子邊緣檢測(cè)法的檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。

Sx=-101

-202

-101， Sy=121

000

-1-2-1(5)

圖3 邊緣保持算法濾波

圖4 Sobel邊緣檢測(cè)結(jié)果

2.3 中心位置檢測(cè)

常用的圓檢測(cè)方法是圓Hough變換法，該方法可靠性高，在噪聲、變形，甚至部分區(qū)域丟失的狀態(tài)下仍然能取得理想的結(jié)果。但是該方法的缺點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜，資源需求大。為此，本文用點(diǎn)Hough變換法實(shí)現(xiàn)圓檢測(cè)的方法[9]，即利用圓周上任意兩條不平行弦的中垂線相交于圓心的性質(zhì)，同時(shí)選取三點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，降低了計(jì)算的復(fù)雜性，如圖5所示。互不重合(不平行)的弦KL和LM，根據(jù)圓的幾何性質(zhì)，KL的中垂線lKL與LM的中垂線lLM必然相交于圓的中心點(diǎn)O，因此選取不同的三個(gè)點(diǎn)就可確定幾個(gè)中心點(diǎn)，再取平均值即可得到中心位置坐標(biāo)。

圖5 點(diǎn)Hough變換圓中心檢測(cè)原理示意圖

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究

零件缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為攝像頭作為外部傳感器讀取外界圖像數(shù)據(jù)并存入圖像采集卡緩沖區(qū)，在Visual C++環(huán)境下[10]，這些數(shù)據(jù)可以隨時(shí)調(diào)用。通過(guò)圖像處理技術(shù)(濾波、邊緣檢測(cè)和確定中心位置)，得到圖像清晰的邊緣并已知零件的中心位置坐標(biāo)(主要是判斷中心重合度)，然后與標(biāo)準(zhǔn)的零件邊緣圖像對(duì)比，看表面裂紋長(zhǎng)度、孔洞面積與中心點(diǎn)距離偏差是否超出了規(guī)定值，繼而判斷零件的合格與否。

在Visual C++環(huán)境下開(kāi)發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面如圖6所示。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)軟件演示界面

軟件界面的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠在固定窗口實(shí)時(shí)顯示視頻圖像，這樣在工作過(guò)程中，工作人員對(duì)采集圖像質(zhì)量的好壞會(huì)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，以便隨時(shí)調(diào)整。采用深圳市宏威達(dá)科技有限公司代理的SHIKA(視佳)攝像機(jī)和北京微視凌志圖像技術(shù)有限公司代理的Matrox圖像采集卡，采集到的圖像是640×480像素，攝像頭采用高分辨率的黑白CCD工業(yè)攝像頭，有效像素為752×582，對(duì)不太復(fù)雜的簡(jiǎn)單零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，具體統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)和測(cè)試統(tǒng)計(jì)

缺陷結(jié)果

檢測(cè)類(lèi)型

檢測(cè)樣品數(shù)不合格數(shù)檢測(cè)出不合格數(shù)準(zhǔn)確率 /%

表面裂紋100454395.6

孔洞100302996.7

中心點(diǎn)偏離100282796.4

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不太復(fù)雜的簡(jiǎn)單零件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試表明，零件的檢測(cè)合格品率均在95%以上，達(dá)到了預(yù)期要求。對(duì)于復(fù)雜的零件(孔洞較多、形狀復(fù)雜)，檢測(cè)算法和檢測(cè)系統(tǒng)都需要重新規(guī)定，但這些研究為圖像處理技術(shù)在復(fù)雜零件質(zhì)檢工作中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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