摘要： 將先進(jìn)的機器視覺理論成果應(yīng)用于航空輪胎的表面質(zhì)量檢測，為復(fù)雜的輪胎測量提供實時、有效的測量途徑。通過研究實現(xiàn)了一個航空輪胎表面缺陷識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)在機器視覺平臺下用分時和同步兩種方式實現(xiàn)了航空輪胎的各種表面缺陷在線檢測。該系統(tǒng)可使檢測時間縮短至15～30 s，達(dá)到在輪胎生產(chǎn)過程中實時監(jiān)控的目的。

關(guān)鍵詞： 機器視覺； 圖像檢測； 航空輪胎； 表面質(zhì)量

中圖分類號： TP 23文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

引言近年來，隨著生產(chǎn)工藝飛速發(fā)展，人們開始關(guān)注產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，比如印刷品、包裝、工藝品等以外觀質(zhì)量為重要附加價值的產(chǎn)品，又比如航空輪胎等表面缺陷會直接影響到使用效果甚至?xí)o使用者的生命財產(chǎn)安全帶來無可挽回的損失的產(chǎn)品。眾所周知，機器視覺已經(jīng)發(fā)展成為重要的工業(yè)生產(chǎn)加工手段之一，在中國成為全球重要的制造中心之一的背景下，中國成為繼美國、歐洲和日本后的全球第四大機器視覺市場，同時也是最具發(fā)展?jié)摿Φ氖袌?。一方面外國企業(yè)積極入駐中國帶來了巨大的視覺系統(tǒng)需求，另一方面國內(nèi)企業(yè)不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模，加大了對視覺系統(tǒng)的需求，以航空輪胎為例，未來十年，國家將在大飛機項目中投入500～600億資金，大飛機項目的發(fā)展，必將會帶動航空輪胎行業(yè)大規(guī)模的發(fā)展，對航空輪胎的質(zhì)量要求也會更加嚴(yán)格。1國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究國外對機器視覺技術(shù)的研究，由于開展的比較早，而且具有資金、技術(shù)以及硬件方面的優(yōu)勢，已經(jīng)走在了國內(nèi)的前面。國外的機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域涉及到了社會生產(chǎn)的各個方面，有原始的在線監(jiān)視，也有外觀檢測以及動作、行為控制，許多工業(yè)加工成套生產(chǎn)設(shè)備都集成了機器視覺系統(tǒng)，成為加工生產(chǎn)線的標(biāo)配，比如印刷生產(chǎn)線上的機器視覺質(zhì)量控制系統(tǒng)，又比如汽車制造業(yè)中的移動三坐標(biāo)測量系統(tǒng)[1]。由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)原因，國內(nèi)絕大多數(shù)圖像處理技術(shù)公司都以代理國外產(chǎn)品為主，沒有或者很少涉足擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的機器視覺在線檢測設(shè)備，對視覺技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用停留在比較低端的小系統(tǒng)集成上，對需要進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的實時在線檢測的研究很少，也很少有成功案例。但是，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)手段不斷提高，對產(chǎn)品質(zhì)量檢測要求就更高，對在線檢測設(shè)備的需求也就更大，具有巨大的市場潛力。計算機、攝像機等電子技術(shù)的飛速發(fā)展大大提高了機器視覺系統(tǒng)的硬件水平，同時圖像處理理論和算法的快速發(fā)展也給機器視覺系統(tǒng)提供了強大的軟件支持。但是，仍然伴隨著一些問題，主要有以下兩點：光學(xué)儀器第35卷

第3期謝珺，等：機器視覺在輪胎檢測領(lǐng)域的應(yīng)用研究

（1）算法的精確性提高伴隨著計算量的成倍增加，處理時間就成為了實時檢測的軟肋；（2）硬件的分辨率提高了，圖像的分辨率、精度也隨之提高了，但是數(shù)據(jù)量計算量都因此成倍增加。因此，如何保證檢測的實時性和準(zhǔn)確性，是機器視覺系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中需要解決的核心問題。2視覺檢測核心技術(shù)

2.1機器視覺圖像處理技術(shù)機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。有大量的文獻(xiàn)和著作給與介紹和討論，其中比較著名的馬頌德的《計算機視覺》介紹了計算機視覺的算法和理論，以及Richard Hartley的《Multiple View Geometry in Computer Vision》介紹了在計算機視覺中的幾何理論和方法[2]。機器視覺中的圖像處理方法，主要包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既優(yōu)化了圖像的視覺效果，又便于處理器對圖像進(jìn)行分析、處理和識別[3]。機器視覺理論應(yīng)用于現(xiàn)代檢測領(lǐng)域，是上世紀(jì)末本世紀(jì)初計算機視覺的一個新的研究方向。它使用計算機視覺的理論方法來識別物體的關(guān)鍵點，經(jīng)過分析處理以后，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生檢測數(shù)據(jù)。國內(nèi)已有學(xué)者把機器視覺技術(shù)運用于檢測領(lǐng)域[4]。但是在輪胎檢測領(lǐng)域，機器視覺技術(shù)的應(yīng)用還僅僅停留在理論之上，還沒有可實際應(yīng)用的商品化的設(shè)備，更不用說結(jié)合機器視覺和嵌入式兩種技術(shù)的便攜式檢測儀了。

2.2嵌入式技術(shù)嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，有計算機功能但又不稱之為計算機的設(shè)備或器材。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適應(yīng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)幾乎包括了生活中的所有電器設(shè)備，如掌上PDA、移動計算設(shè)備、電視機頂盒、手機上網(wǎng)、數(shù)字電視、多媒體、汽車、微波爐、數(shù)字相機、家庭自動化系統(tǒng)、電梯、空調(diào)、安全系統(tǒng)、自動售貨機、蜂窩式電話、消費電子設(shè)備、工業(yè)自動化儀表與醫(yī)療儀器等。嵌入式系統(tǒng)有以下幾大優(yōu)點[56]：（1）嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，它通常都具有低功耗、體積小，集成度高等特點；（2）嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行的，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，就具有較長的生命周期；（3）由于空間和各種資源相對不足，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對處理器的選擇更具有競爭力。本研究選取嵌入式系統(tǒng)中的DSP（數(shù)字信號處理器）來進(jìn)行開發(fā)，具體型號為TI公司的TMS320。它具有很高的編譯效率和執(zhí)行速度，在信號處理方面具有優(yōu)勢，它的特點如下：（1）程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線與數(shù)據(jù)總線，可以同時對數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址，大大提高了數(shù)據(jù)處理能力；（2）由于廣泛采用了流水線操作，減少了指令的執(zhí)行時間，可以同時運行8條指令；（3）與一般計算機不同，乘法（除法）不由加法和移位實現(xiàn)，它具有硬件乘法器，乘法運算可以在一個指令周期內(nèi)完成；（4）指令周期降到了1.67 ns。隨著工作頻率進(jìn)一步提高，指令周期將進(jìn)一步縮短；（5）擁有自己獨特的專門為數(shù)字信號處理而設(shè)計的指令系統(tǒng)；（6）相比傳統(tǒng)的處理芯片，它還具有體積小、功耗小、使用方便、實時處理迅速、處理數(shù)據(jù)量大、處理精度高、性能價格比高等許多優(yōu)點。3輪胎檢測系統(tǒng)構(gòu)成

3.1研究目標(biāo)機器視覺用于產(chǎn)品表面缺陷檢測需要面對以下主要問題：（1）數(shù)據(jù)處理量非常龐大；（2）如何快讀匹配圖像；（3）如何快速實現(xiàn)缺陷分割并剔除偽缺陷；（4）如何選取缺陷特征，用以實現(xiàn)缺陷識別。以具體產(chǎn)品為例，相對其他輪胎產(chǎn)品，航空輪胎對質(zhì)量檢測的要求較為嚴(yán)格，只要航空輪胎的檢測技術(shù)到位，其他輪胎產(chǎn)品也基本可以檢測。以航空輪胎的缺陷檢測為例，根據(jù)GB/T 9747-2008《航空輪胎試驗方法》、GB/T 13652-2004 《航空輪胎表面質(zhì)量》和GB 15323-1994 《航空輪胎內(nèi)胎》等標(biāo)準(zhǔn)的要求，研究表面缺陷在線檢測的圖像處理方案；開發(fā)一套基于機器視覺的產(chǎn)品表面缺陷的在線檢測設(shè)備，同時根據(jù)GB/T 13653-2004 《航空輪胎X射線檢測方法》所述，配合X射線發(fā)射儀，利用一對一的服務(wù)器/客戶機構(gòu)架的機器視覺對標(biāo)準(zhǔn)中所描述的航空輪胎的一系列缺陷，如斷層、氣泡和裂口等進(jìn)行高精度、高實時性、高連續(xù)性以及非接觸式的在線缺陷檢測。具體技術(shù)指標(biāo)：（1）能檢測出最小直徑0.3 mm的輪胎內(nèi)部缺陷（即橫向縱向最小均為0.3 mm）并能對缺陷進(jìn)行分類識別，主要包括結(jié)構(gòu)類、氣泡類和夾雜物類，對缺陷的檢出率要求大于90%；（2）對缺陷部位進(jìn)行定量和定位分析：讀出缺陷的尺寸（誤差0.5 mm），測出缺陷距離輪胎表面的深度，決定缺陷在輪胎內(nèi)部的位置；（3）在線檢測設(shè)備的檢測檢測速度與X射線管旋轉(zhuǎn)速度同步，X射線管旋轉(zhuǎn)一周即完成一個輪胎一個圓周的缺陷檢測。

3.2研究內(nèi)容和技術(shù)路線

3.2.1確定機器視覺檢測系統(tǒng)的基本框架在數(shù)據(jù)量大時，采用一個處理器搭配一臺攝像機的一對一方式。在產(chǎn)品表面檢測中，由于航空輪胎的圓周面比較大，數(shù)據(jù)量也就比較大，通常采用的機器視覺單攝像機方式，很難滿足圓周面檢測分辨率高、數(shù)據(jù)量大的要求，而多臺攝像機能滿足分辨率和數(shù)據(jù)量的要求，卻又相應(yīng)帶來實時性差的問題。若采用多臺攝像機的方式，就需要配備多套成像系統(tǒng)，一套成像系統(tǒng)造價在10萬元左右，基于成本和計算數(shù)據(jù)量的考慮，本研究選用一對一方式，利用分時運動克服單臺攝像機采集數(shù)據(jù)量不足的缺點。具體來說，就是在經(jīng)典的服務(wù)器/客戶端模式架構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計一種基于機器視覺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)輪胎圓周面產(chǎn)品表面缺陷的在線檢測，該結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：服務(wù)器（嵌入式系統(tǒng)）、客戶端（圖像處理子系統(tǒng)）、信號模塊（PLC）、輸出單元。系統(tǒng)框架如圖1所示。每隔一定的時間（系統(tǒng)初步設(shè)定為5 s），服務(wù)器通過PLC控制步進(jìn)電機驅(qū)動輪胎做圓周轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)過一個固定角度（系統(tǒng)定為120°），服務(wù)器就調(diào)動客戶端完成此區(qū)域內(nèi)相對獨立的視覺檢測任務(wù)，一次間隔只檢測輪胎的三分之一（120/360），經(jīng)過3個時間間隔，客戶端即完成了整個輪胎360°的全面檢測，然后利用拼接原理把各部分拼接起來，統(tǒng)一到一個坐標(biāo)系下。拼接測量的關(guān)鍵是利用重疊區(qū)計算出各次測量時基準(zhǔn)的不同，然后消除不同，統(tǒng)一在一個坐標(biāo)系下。拼接測量的方法可以直接計算出被測輪胎的全面信息。為了保證服務(wù)器和客戶端之間圖像檢測數(shù)據(jù)可靠、實時的交互，本研究采用千兆以太網(wǎng)的方式傳輸數(shù)據(jù)。作為整個檢測系統(tǒng)的管理控制單元和人機交互接口，服務(wù)器不僅要完成檢測任務(wù)的調(diào)度，還要可以設(shè)定檢測參數(shù)，接收和實時顯示客戶端上傳的圖像數(shù)據(jù)和處理結(jié)果（缺陷等），并將信息存入數(shù)據(jù)庫中。此外，服務(wù)器還接收PLC傳來的位置檢測信號，用于與客戶端的同步，并且根據(jù)檢測結(jié)果中的位置信號，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出動作信號，標(biāo)記并剔除有缺陷的產(chǎn)品。在客戶端處理核心中安裝有圖像采集卡，接收服務(wù)器設(shè)置的參數(shù)和任務(wù)調(diào)度，控制采集卡和攝像機完成圖像實時采集，利用圖像處理算法處理和分析圖像數(shù)據(jù)，將最終得到的缺陷位置和分類信息上傳給服務(wù)器，保存缺陷圖像以備查。

3.2.2設(shè)計編寫表面缺陷檢測的圖像處理方案在表面缺陷檢測中，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)的特點，本研究提出以下圖像處理過程：缺陷分割、特征提取及缺陷分類。首先是缺陷分割：在表面缺陷檢測的時候，利用圖像處理算法，處理采集到的產(chǎn)品表面圖像，將缺陷從復(fù)雜的背景圖像中分離出來。接著是特征提?。禾崛∪毕莺螅瑢θ毕莸母鞣N標(biāo)識性屬性進(jìn)行提取，主要是幾何特征和灰度統(tǒng)計特征，以保證后續(xù)的缺陷分類和識別。幾何特征指的是輪廓特征，比如長度、形狀、面積、重心等。灰度統(tǒng)計特征指的是分布位置、統(tǒng)計值、均方差等等。還有缺陷分類：本研究采用改進(jìn)的BP算法[7]對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器來實現(xiàn)輪胎缺陷分類，為了提高檢測系統(tǒng)對偽缺陷的適應(yīng)性，本研究將部分偽缺陷也作為網(wǎng)絡(luò)輸出并對其進(jìn)行訓(xùn)練。由于圖像處理中需要運用大量的計算機內(nèi)存處理算法，為避免編程中出現(xiàn)內(nèi)存泄露進(jìn)而造成計算機內(nèi)存資源流失的現(xiàn)象，決定采用對內(nèi)存進(jìn)行托管的C#語言進(jìn)行編程。

3.2.3服務(wù)器和客戶機系統(tǒng)之間的同步服務(wù)器/客戶端模式架構(gòu)的機器視覺系統(tǒng)具有獨立性和并行性的特點，它不得不面臨的一個重要問題是如何解決服務(wù)器和圖像處理子系統(tǒng)之間的同步問題，包括攝像機同步采集、數(shù)據(jù)同步處理和輪胎運動同步控制等。本研究利用攝像機本身的外同步特性，采用對攝像機提供統(tǒng)一的線掃描觸發(fā)信號保證攝像機采集同步。機器視覺系統(tǒng)基本組成模塊見圖2。

4結(jié)論實際測量結(jié)果證明，應(yīng)用視覺檢測方法可以較好地解決傳統(tǒng)測量方法中時間長、工作量大、測量效率低的問題。該方法能夠充分利用現(xiàn)代計算機技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)備簡單、易用，克服了傳統(tǒng)測量儀器的許多誤差來源，具有快速、準(zhǔn)確、非接觸測量的優(yōu)點。在實驗室中初步完成了實驗系統(tǒng)的核心部分（如圖3所示），與傳統(tǒng)的測量方法相比，原先需要15 min的測量時間，現(xiàn)在只需要15～30 s就可完成，操作也更加簡單便捷。該系統(tǒng)可檢測出最小直徑0.3 mm的輪胎內(nèi)部缺陷（即橫向縱向最小均為0.3 mm）并能對缺陷進(jìn)行分類識別，主要包括結(jié)構(gòu)類、氣泡類和夾雜物類，對缺陷的檢出率為96%。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭向前.產(chǎn)品表面缺陷在線檢測方法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[2]ZHANG Z.Determining the Epipolar geometry and its uncertainty[J].A Review Int Journal on Computer Vision，1998，27（2）：161-195.

[3]章毓晉.圖像處理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[4]朱方文.基于LAP方法的機器人靈巧手控制[D].上海：上海大學(xué)，2006.

[5]張嘉琪.基于嵌入式系統(tǒng)圖像處理平臺的萬壽菊水分狀態(tài)檢測系統(tǒng)的研究[D].重慶：西南大學(xué)，2009.

[6]趙國峰，侯民賢.汽車前照燈光形檢測的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2007，29（1）：42-46.

[7]胡金濱，唐旭清.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的BP算法及其應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2004，28（4）：1-4.