曹利鋼，唐 磊，馮 浩

(景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

0 引 言

墻地磚外形檢測(cè)是墻地磚生產(chǎn)線上一道必不可少的檢驗(yàn)工序，關(guān)系到墻地磚的質(zhì)量等級(jí)。目前，國(guó)內(nèi)墻地磚生產(chǎn)企業(yè)，所采用的檢驗(yàn)手段以人工方法為主，即利用量具對(duì)墻地磚外形進(jìn)行檢測(cè)。這種檢測(cè)方法除了需要增加人工成本外，檢測(cè)的項(xiàng)目和檢測(cè)數(shù)量也比較有限，不能反映所有墻地磚的統(tǒng)計(jì)外形特征。

視覺(jué)測(cè)量具有精度高、測(cè)量范圍廣，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是目前發(fā)展較快的一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，在墻地磚檢測(cè)方面已有一些應(yīng)用研究，如浙江大學(xué)周云鋒[1]提出的基于線陣CCD的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)可在線檢測(cè)墻地磚幾何尺寸；沈陽(yáng)建筑大學(xué)趙新亞[2]提出的一種基于灰度共生矩陣檢測(cè)墻地磚缺陷的方法等。與國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)相比，本文所提出的墻地磚外形檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)效率高，功能豐富，重復(fù)性好等特點(diǎn)，硬件以工業(yè)相機(jī)和上位機(jī)為核心，軟件上利用亞像素分割技術(shù)提取邊緣，采用ramper算法進(jìn)一步確定墻地磚四個(gè)輪廓邊，檢測(cè)輪廓尺寸、邊直度和直角度特征。

1 墻地磚外形檢測(cè)硬件系統(tǒng)

墻地磚外形檢測(cè)硬件系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)、光源、瓷磚位置檢測(cè)電路和上位機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了提高系統(tǒng)檢測(cè)精度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用的是較高精度的高速工業(yè)相機(jī)用于抓取墻地磚表面輪廓圖像，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口向上位機(jī)傳送；由于瓷磚表面光滑，為了獲取高質(zhì)量圖像，系統(tǒng)采用漫射場(chǎng)光源；反射式光電開(kāi)關(guān)用于觸發(fā)工業(yè)相機(jī)，其狀態(tài)信號(hào)送至光電開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)板。當(dāng)反射光電開(kāi)關(guān)狀態(tài)改變時(shí)，光電開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)板將該狀態(tài)信號(hào)通過(guò)RS232串口送入上位機(jī)處理。上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其上安裝的軟件控制自動(dòng)檢測(cè)的整個(gè)過(guò)程。

圖1 地磚外形檢測(cè)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of the floor tile inspection

其工作過(guò)程為：當(dāng)墻地磚在背景板傳送時(shí)，會(huì)遮擋反射光電開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān)信號(hào)將會(huì)改變。光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)板以AVR單片機(jī)為核心，其不斷查詢P1口狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到與P1口相連的反射開(kāi)關(guān)兩個(gè)以上信號(hào)改變時(shí)，通過(guò)RS232串口將光電開(kāi)關(guān)狀態(tài)編碼傳送至上位機(jī)，上位機(jī)程序檢測(cè)到光電開(kāi)關(guān)編碼信號(hào)有效后，啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)抓取多幅圖像，進(jìn)行圖像處理、特征提取操作，從而實(shí)現(xiàn)墻地磚外形在線檢測(cè)。

2 墻地磚外形檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

墻地磚外形檢測(cè)軟件是系統(tǒng)的控制核心，其主要作用包括墻地磚表面圖像的抓取控制、墻地磚位置檢測(cè)、圖像處理、特征提取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，其開(kāi)發(fā)環(huán)境以Visual Stdiuo 20015為主，Halcon為圖像處理軟件 C#為編程語(yǔ)言。

2.1 軟件基本結(jié)構(gòu)

墻地磚外形檢測(cè)軟件主要包括外設(shè)接口控制、圖像處理、工作模式及參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)操作四個(gè)部分，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

“外設(shè)接口控制”包括三個(gè)模塊，其中墻地磚位置檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)接收并解釋光電開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)板發(fā)送的狀態(tài)編碼信號(hào)，給圖像抓取控制模塊發(fā)送合適的事件。為了保證實(shí)時(shí)性，該模塊以線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)相機(jī)訪問(wèn)接口提供與工業(yè)相機(jī)數(shù)據(jù)交換的函數(shù)接口，這個(gè)接口由工業(yè)相機(jī)廠商提供。圖像抓取控制模塊以工業(yè)相機(jī)訪問(wèn)接口為基礎(chǔ)，提供圖像抓取參數(shù)設(shè)置，圖像抓取、攝像等功能。

“工作模式及參數(shù)設(shè)置”用于設(shè)置墻地磚外形檢測(cè)工作模式及操作方式參數(shù)。系統(tǒng)工作模式主要分為兩種：(1)自動(dòng)模式，這是墻地磚正常運(yùn)行時(shí)所采用的模式。在該模式下，抓取圖像，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，圖像處理等操作均自動(dòng)完成，無(wú)需人工干預(yù)。(2)手動(dòng)模式：這種模式下，抓取圖像、圖像處理、數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作均需與人交互完成，主要用于調(diào)試。

“數(shù)據(jù)操作”用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查看和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的生成。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括檢測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)置和報(bào)表數(shù)據(jù)。由于系統(tǒng)主要工作于自動(dòng)模式，條件基本不變，檢測(cè)的數(shù)據(jù)量較小，因此數(shù)據(jù)采用文件的存儲(chǔ)方式。

“圖像處理”包括圖像預(yù)處理和圖像分割及特征提取二個(gè)模塊。圖像預(yù)處理模塊用于消除相機(jī)和環(huán)境所產(chǎn)生的噪聲；圖像分割及特征提取模塊用于提取墻地磚的外部輪廓，將外部輪廓擬合成墻地磚的四個(gè)邊沿，檢測(cè)外形特征。為了提高檢測(cè)精度，采用了基于亞像素的邊緣提取技術(shù)。

圖2 地磚外形檢測(cè)軟件基本結(jié)構(gòu)Fig.2 The basic structure of the floor tile shape detection software

2.2 墻地磚外形分割及特征提取模塊實(shí)現(xiàn)

墻地磚外形分割及特征提取模塊的功能是從圖像中精確提取墻地磚的外部輪廓，并將輪廓進(jìn)一步形成墻地磚的四條邊，計(jì)算外形指標(biāo)。系統(tǒng)的檢測(cè)精度主要取決于該模塊的設(shè)計(jì)。

如圖3所示，為墻地磚外形分割及特征提取模塊程序流程圖。在流程的第5步，實(shí)際上形成了墻地磚的外部輪廓，但是這是從闕值處理得到的區(qū)域生成的，精度不高。為了提高邊界提取的精度，利用圓模板對(duì)邊界進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹，從而生成一個(gè)ROI(Region of Interest)。ROI的形成可減少圖像的處理范圍，從而將圖像處理集中于ROI區(qū)域。墻地磚邊界形成是通過(guò)canny算法提取ROI的邊緣得到，該算法具有亞像素級(jí)精度。墻地磚四邊的形成主要是采用ramer算法。

2．2．1 亞像素邊界提取canny算法簡(jiǎn)介[3,4]

Canny于1983年提出了一種亞像素邊緣提取算法，該算法受白噪聲硬性的階躍型邊緣是最優(yōu)的，其最優(yōu)性與其提出的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)：(1)不丟失重要邊緣，無(wú)虛假邊緣；(2)實(shí)際邊緣與檢測(cè)到的邊緣歐式距離最??；(3)將多個(gè)響應(yīng)降為單個(gè)邊緣響應(yīng)。

其算法主要步驟為：

(1)將圖像與尺度為σ高斯函數(shù)卷積

(3)利用公式找到邊緣的位置(公式參數(shù)含義同2)

(5)對(duì)邊緣圖像作滯后闕值化處理，消除虛假響應(yīng)3．2．2 墻地磚四邊提取算法

在利用canny算法得到墻地磚輪廓后，必須進(jìn)一步將輪廓線精確分段成墻地磚的四條邊，從而可得到墻地磚輪廓尺寸、邊直度和直角度指標(biāo)。為此，采用如下算法實(shí)現(xiàn)：

(1)選擇較高闕值，利用ramer算法將輪廓線用polygon近似。

(2)如果多個(gè)輪廓直線段能被圓弧近似，則將圓弧代替。

(3)選擇較低闕值，利用ramer算法將未被圓弧代替的輪廓線用polygon近似。

(4)重復(fù)第2步，結(jié)束。

上述算法可以將輪廓線進(jìn)一步分割成直線、圓弧等基本形狀，從而可以獲取墻地磚尺寸、方向等基本信息。上述算法用到了ramer算法，其基本步驟[5]為：

(1)將曲線首尾兩個(gè)端點(diǎn)連接成直線

(2)計(jì)算兩個(gè)端點(diǎn)間所有點(diǎn)至該直線的最大距離，如果距離大于闕值，則標(biāo)記該點(diǎn)為頂點(diǎn)，將曲線分為兩個(gè)部分；若小于闕值，則舍棄。

(3)將所得曲線段重復(fù)第2步任務(wù)，直到頂點(diǎn)不再增加為止。

(4)連接所有頂點(diǎn)，所得的多變形即為曲線的近似。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，對(duì)規(guī)格為300 mm×300 mm的墻地磚進(jìn)行了外形檢測(cè)。檢測(cè)的主要條件為：工業(yè)相機(jī)500萬(wàn)像素，距離墻地磚1米，工業(yè)相機(jī)安裝位置與背景板是垂直的，光源條件為漫射場(chǎng)光源。

圖3 地磚外形分割及特征提取模塊流程圖Fig.3 The flow chart of the wall tile shape segmentation and the feature extraction module

試驗(yàn)之前，利用標(biāo)定板對(duì)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)定的參數(shù)包括相機(jī)內(nèi)部參數(shù)(焦距，徑向扭曲系數(shù)，列方向放大系數(shù)，行方向放大系數(shù)，主點(diǎn)的列方向偏移量，主點(diǎn)行方向偏移量)和外部參數(shù)(x軸平移量，y軸平移量，z方向平移量，繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度)。

如圖4所示，為該型號(hào)墻地磚經(jīng)過(guò)一次試驗(yàn)后，在軟件中所呈現(xiàn)的結(jié)果。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)量具實(shí)測(cè)對(duì)比表明：輪廓的長(zhǎng)度和寬度方向的誤差≤ 0．3 mm，墻地磚的邊直度和直角度[6]重復(fù)性好，可較好反映墻地磚的外形特征。

圖4 地磚外形自動(dòng)檢測(cè)軟件結(jié)果畫(huà)面Fig.4 The screen shot of floor tile shape detection results by the automatic software

4 結(jié) 論

本文采用圖像處理技術(shù)對(duì)墻地磚外形檢測(cè)進(jìn)行了研究，利用亞像素分割canny算法提取墻地磚邊緣，在ramer算法基礎(chǔ)上提出了得到墻地磚輪廓四條邊的算法；在此為核心提出了墻地磚外形檢測(cè)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)；試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)具有較高的尺寸檢測(cè)精度，較好反映了墻地磚的外形特征。