賈正峰，于忠海，張曉鋒，陳 田

(1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)(2.上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245)(3. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

活塞環(huán)缺陷檢測實(shí)驗(yàn)的圖像評(píng)價(jià)

賈正峰1,2，于忠海1,2，張曉鋒2,3，陳 田1,2

(1. 上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)(2.上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 200245)(3. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240)

在活塞環(huán)缺陷檢測過程中，數(shù)據(jù)采集是缺陷分析處理的第一步，圖像質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響后續(xù)圖像處理的準(zhǔn)確性。相機(jī)的曝光時(shí)間以及相機(jī)與活塞環(huán)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度直接影響圖像的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)從曝光時(shí)間與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速兩個(gè)方面著手，應(yīng)用圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)分析獲取的圖片，得到適合的曝光時(shí)間及轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速，作為整個(gè)活塞環(huán)缺陷檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

活塞環(huán)；缺陷檢測；實(shí)驗(yàn)分析；圖像評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)是分析和解決問題的重要方法，是制訂解決方案或是設(shè)定某些參數(shù)時(shí)的基礎(chǔ)研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)?zāi)軒椭O(shè)計(jì)者更好地達(dá)到設(shè)計(jì)要求。活塞環(huán)缺陷檢測系統(tǒng)由圖像采集、圖像數(shù)據(jù)處理、缺陷分析等部分組成。圖像采集是整個(gè)檢測系統(tǒng)工作的開始，采集到的圖像質(zhì)量決定了后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作中的難易程度以及缺陷分析的準(zhǔn)確性。在此，采集圖像的質(zhì)量是指圖像的模糊程度。運(yùn)動(dòng)模糊圖像可以理解成景物在曝光時(shí)間內(nèi)不同時(shí)刻影像的疊加，所以拍攝靜止的物體時(shí)，景物疊加一致，沒有拖影；而拍攝運(yùn)動(dòng)的物體，必定會(huì)有運(yùn)動(dòng)模糊的現(xiàn)象。運(yùn)動(dòng)模糊的程度由移動(dòng)物體的速度和相機(jī)的曝光時(shí)間兩方面決定[1]。運(yùn)動(dòng)速度越快，曝光時(shí)間越長，圖像也越模糊。

1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)

圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)有主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)2種[2]。主觀評(píng)價(jià)方法是最直接體現(xiàn)圖像質(zhì)量的方法。但是，由于主觀評(píng)價(jià)方法無法通過數(shù)學(xué)模型來描述，在實(shí)際工程應(yīng)用中多數(shù)情況下無法采用，因此主觀評(píng)價(jià)在本文中不再贅述。客觀評(píng)價(jià)法是先計(jì)算出被評(píng)價(jià)圖像的某些統(tǒng)計(jì)特性和物理參量，通過比較這些值的大小來確定圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，能夠使用客觀的、定量分析的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)人對(duì)圖像的感受。

圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)分為有參照?qǐng)D像質(zhì)量評(píng)價(jià)和無參照?qǐng)D像質(zhì)量評(píng)價(jià)2種。

有參照?qǐng)D像質(zhì)量評(píng)價(jià)是指通過比較被評(píng)價(jià)圖像與參考圖像之間的差異來評(píng)判一幅圖像質(zhì)量的優(yōu)劣，包括平均絕對(duì)誤差(MAE)、均方誤差(MSE)、信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)等圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，這些方法需要有和被評(píng)價(jià)圖像相應(yīng)的參考圖像。在本實(shí)驗(yàn)中，很難在拍攝運(yùn)動(dòng)圖像的同時(shí)，拍攝相同位置的靜止圖像作為參考圖像，所以有參照?qǐng)D像質(zhì)量評(píng)價(jià)不適合用于評(píng)價(jià)本實(shí)驗(yàn)采集的圖像。

無參照?qǐng)D像質(zhì)量評(píng)價(jià)，不需要參考圖像，其基本思想是：圖像越清晰，圖像中的邊緣特征信息越豐富。因此，無參照?qǐng)D像質(zhì)量評(píng)價(jià)的清晰度評(píng)價(jià)法實(shí)質(zhì)就是比較圖像的梯度能量，梯度能量值越大，圖像越清晰。

下面給出2種圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。

a.Roberts算子清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。

Roberts算子梯度函數(shù)為：

(1)

式中g(shù)rad(x,y)為點(diǎn)(x,y)處的梯度能量。運(yùn)用整幅圖像的梯度能量總和即可評(píng)價(jià)圖像的清晰度。清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)為：

(2)

b.Sobel算子清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。

Sobel算子梯度函數(shù)為：

(3)

其中：

Δxf(x,y)=[f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)]-[f(x-1,y-1)+2f(x,y-1)+f(x+1,y-1)]

(4)

Δyf(x,y)=[f(x-1,y-1)+2f(x-1,y)+f(x-1,y+1)]-[f(x+1,y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1,y+1)]

(5)

2 活塞環(huán)檢測實(shí)驗(yàn)實(shí)例

以活塞環(huán)表面缺陷——端面砂孔為例，采集其圖像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速：10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38r/min。

曝光時(shí)間：20,30,40,50,60,70,80,90,100,150μs。

相機(jī)采用某品牌面陣CCD相機(jī)，光源為條燈。

將實(shí)驗(yàn)采集到的圖像數(shù)據(jù)運(yùn)用清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1和表2。

3 實(shí)驗(yàn)分析

運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1和圖2所示。

由圖像數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知：

a.當(dāng)曝光時(shí)間為20μs，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)，得到的圖片質(zhì)量最好，說明運(yùn)動(dòng)速度越慢，曝光時(shí)間越短，圖像也越清晰。

表1 Roberts算子圖像清晰評(píng)價(jià)

圖1 Roberts評(píng)價(jià)函數(shù)數(shù)據(jù)分析

圖2 Sobel評(píng)價(jià)函數(shù)數(shù)據(jù)分析

b.曝光時(shí)間在100μs以內(nèi)，隨著曝光時(shí)間的延長，圖像梯度能量逐漸降低，即圖像越不清晰。

c.隨著轉(zhuǎn)速的增大，圖像梯度能量有波動(dòng)，總體趨勢降低，即圖像越不清晰。

d.曝光時(shí)間在100μs以上時(shí)，Sobel算子圖像梯度能量增大。

4 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，旨在說明曝光時(shí)間和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)圖像質(zhì)量的影響，同時(shí)通過數(shù)據(jù)比較，選擇合適的曝光時(shí)間和轉(zhuǎn)速作為實(shí)際應(yīng)用中的參考。本文從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，驗(yàn)證了曝光時(shí)間越長、轉(zhuǎn)速越快，圖像的質(zhì)量越差。在實(shí)際檢測過程中，考慮到檢測效率和成本等因素，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在20～30 r/min，曝光時(shí)間在40～60 μs內(nèi)選取。實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)際檢測中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和曝光時(shí)間。

[1] 張明謙. 運(yùn)動(dòng)模糊圖像的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)及復(fù)原研究[D].成都：電子科技大學(xué), 2009.

[2] 徐魯安. 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué),2003.

Analysisondefectdetectionexperimentofpistonring

JIA Zhengfeng1,2,YU Zhonghai1,2,ZHANG Xiaofeng2,3,CHEN Tian1,2

(1.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)(2.Shanghai Dianji University, Shanghai, 200245, China)(3.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

The experiment is an important method to analyze and solve problems. The process of defect detection in piston ring, data acquisition is the first step of defect analysis processing, image quality directly affects the accuracy of subsequent image processing. The exposure time of camera and the relative velocity between camera and piston ring directly influence the quality of the image. Based on two aspects from the exposure time and the rotating speed, it designs the experiment, analyzes the image quality evaluation function applied in the field of the picture. It obtains the suitable exposure time and rotating speed, is the experimental basis of piston ring defect detection system.

piston ring; defect detection; experiment analysis; image evaluation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.013

2014-07-15

賈正峰(1989—)，男，內(nèi)蒙古包頭人，上海理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y試控制技術(shù)。

TP391.4

A

2095-509X(2014)10-0059-03