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        改進(jìn)Otsu算法的鍍鋅板表面缺陷檢測方法

        2021-12-22 13:48:28張蜀紅
        計算機(jī)測量與控制 2021年12期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域檢測系統(tǒng)

        張蜀紅

        (新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,烏魯木齊 830021)

        0 引言

        隨著我國現(xiàn)代工業(yè)化水平的不斷提高,鍍鋅板已經(jīng)成為現(xiàn)代化機(jī)械、電器、汽車、航空航天方面不可缺少的材料[1]。近年來這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹀冧\板的質(zhì)量要求越來越高,產(chǎn)業(yè)更加重視對鍍鋅板質(zhì)量的檢測。由于鍍鋅板生產(chǎn)工藝復(fù)雜,要經(jīng)過開卷、焊接、爐區(qū)控制、熱鍍鋅、剪切等生產(chǎn)過程,影響鍍鋅板表面的因素較多,容易對鍍鋅板表面造成劃痕、擦傷、鋅渣等缺陷,影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量和抗腐蝕性[2]。

        針對上述存在的問題,文獻(xiàn)[3]提出了紅外檢測技術(shù),對生產(chǎn)線上鍍鋅板進(jìn)行紅外掃描,檢測出鍍鋅板表面的缺陷。但是檢測的有效速度范圍較小,當(dāng)線速度過大時,紅外檢測很難準(zhǔn)確掃描到鍍鋅板表面上的缺陷信息,造成誤檢和漏檢。文獻(xiàn)[4]中開發(fā)出基于CCD器件的檢測技術(shù),應(yīng)用了電荷耦合器件,不受線速度的影響可自動檢測鍍鋅板表面,快速識別出鍍鋅板表面的缺陷。但檢測系統(tǒng)的識別精度不高,對分辨率較小和對比度較低的缺陷不能很好地識別。

        針對上述研究中存在的不足,本文基于改進(jìn)的Otsu算法設(shè)計出鍍鋅板表面缺陷檢測系統(tǒng),數(shù)字光源控制器、高速CCD相機(jī)和編碼器之間相互連接,采集到清晰明亮、光照均勻、成像清晰的鍍鋅板表面圖像[5]。將采集到的圖像傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中進(jìn)行缺陷識別,在鍍鋅板表面發(fā)現(xiàn)缺陷時在圖像中標(biāo)記出來并發(fā)出告警提醒工作人員及時處理存在缺陷的鍍鋅板,提高了鍍鋅板的正產(chǎn)質(zhì)量。

        1 總體方案設(shè)計

        本研究的創(chuàng)新點在于:

        1)改進(jìn)了Otsu算法,克服了一維Otsu算法分割圖像后光照不均勻,噪聲過多,圖像質(zhì)量不佳的問題。改進(jìn)后算法分割后的圖像中像素灰度大致一致,不會出現(xiàn)過亮或過暗的區(qū)域,圖像中噪聲明顯較少,對鍍鋅板的檢測效果更好。

        2)利用編碼器和表面同步器實現(xiàn)數(shù)字變頻觸發(fā)采集到鍍鋅板表面的圖像,獲取到的圖像畫面清晰,缺陷特征更容易區(qū)分。

        3)對鍍鋅板缺陷的在線監(jiān)測和識別,使用分塊檢驗算法過濾缺陷圖像,缺陷單元對缺陷區(qū)域圖像進(jìn)行識別和分類,對鍍鋅板表面的檢測效率更高。

        由于鍍鋅板的表面平滑,在圖像的成像上顯示出比較均勻的灰度特征,圖像的像素之間灰度變化不明顯。出現(xiàn)缺陷的鍍鋅板,缺陷處的灰度值發(fā)生強(qiáng)烈變化,灰度值明顯低于周圍像素[6]。利用相機(jī)進(jìn)行采樣圖像,對鍍鋅板表面的圖像進(jìn)行處理和分析,可以及時發(fā)現(xiàn)存在缺陷的鍍鋅板,進(jìn)行特征提取,識別出缺陷的種類[7]。要想更好地檢測到表面存在缺陷的鍍鋅板,對檢測系統(tǒng)的要求更高,如表1所示。

        表1 對檢測系統(tǒng)的要求

        系統(tǒng)能夠?qū)﹀冧\板表面進(jìn)行缺陷檢測,篩選出具有缺陷的鍍鋅板,檢測到缺陷信息后,對存在缺陷的區(qū)域進(jìn)行識別和分類,然后在圖像系統(tǒng)中保留缺陷區(qū)域的圖像,以便于后期檢查中隨時查看[8]。系統(tǒng)能夠根據(jù)缺陷區(qū)域的特征分析缺陷的類型,發(fā)出告警提醒工作人員進(jìn)行操作[9]。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

        鍍鋅板表面缺陷檢測系統(tǒng)組成部分包括:數(shù)字光源控制器、同步觸發(fā)控制器、高速CCD相機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、表面同步器、編碼器、顯示器和圖像處理系統(tǒng)[10]。

        完成對鍍鋅板缺陷的檢測,要先對鍍鋅板圖像進(jìn)行采集,選擇合適的相機(jī)完成圖像采集[11]。本系統(tǒng)中使用高速CCD相機(jī),相較于傳統(tǒng)的圖像傳感器性能更高。如表2所示。

        表2 高速CCD相機(jī)與傳統(tǒng)的圖像傳感器性能比較

        高速CCD相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)為Gige,基于千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議,能夠快速傳輸圖像,反饋更加及時。同時圖像的質(zhì)量更佳,分辨率更高[12]。傳統(tǒng)的圖像傳感器檢測范圍寬闊,成像面積更大,對鍍鋅板的成像不夠集中,識別目標(biāo)較為分散。高速CCD相機(jī)線狀檢測,能夠快速識別到鍍鋅板,對鍍鋅板表面缺陷的檢測速度更快,識別更加集中[13]。

        本系統(tǒng)中采用了數(shù)字光源控制器,不會產(chǎn)生熱輻射對相機(jī)造成影響,被照射到的鍍鋅板也不受影響。多種照明方式能夠清晰地采集到鍍鋅板表面的每個細(xì)節(jié),使采集到的圖像不存在盲區(qū),提高了檢測系統(tǒng)的效率[14]。

        2 核心技術(shù)設(shè)計

        2.1 改進(jìn)Otsu算法進(jìn)行圖像處理

        實際中采集到的圖像并不是每張都可以進(jìn)行檢測,有的圖像存在光照不均勻的問題,存在噪聲影響了圖像的質(zhì)量,所以運(yùn)用圖像分割算法對采集到的圖像進(jìn)行處理[15]。由于采集到的鍍鋅板圖像背景部分沒有明顯的紋理特征,所以對表面圖像的灰度圖采用閾值分割法分割出表面缺陷的區(qū)域。在閾值分割中,Otsu算法計算效率高,能夠計算出圖像的自適應(yīng)閾值,很適合對鍍鋅板表面圖像進(jìn)行缺陷檢測[16]。

        傳統(tǒng)的Otsu算法直接處理光照過強(qiáng)、噪聲過多的圖像得到的效果較差。對于放大倍率大、分辨率高的圖像,相對照度曲線并不平穩(wěn),往往會存在中間部分進(jìn)光量大、邊緣部分進(jìn)光量少的情況[17]。同時被檢測的鍍鋅板在運(yùn)動過程中可能存在豎直方向上的振動,圖像發(fā)生明暗變化,不同倍率下的相對照度曲線如圖2所示。

        圖2 不同放大倍數(shù)下相對照度曲線

        對于光照亮度不均勻的鍍鋅板表面圖像,如果使用一維Otsu算法求得圖像的全局閾值,使用全局閾值分割圖像,會造成圖像分割不均的情況[18]。鍍鋅板的運(yùn)動導(dǎo)致圖像背景亮度變化不平均,因此不適用全局閾值進(jìn)行圖像的分割。

        本研究針對一維Otsu算法的不足,對Otsu算法改進(jìn)。以(i,j)表示由像素點的灰度級二元組,i+j表示直方圖中截距為k的直線,共有2L條。圖像中像素點滿足i+j=k的概率密度為:

        (1)

        (2)

        (3)

        其中:μ(T)表示圖像的總均值,ω(T)表示圖像的灰度級。下一步可計算出類間方差:

        ω0(T)ω1(T)[μ0(T)-μ1(T)]2

        (4)

        公式(4)中,T′為圖像的最佳閾值,T′可表示為:

        (5)

        得到最佳閾值T′后,對像素點進(jìn)行分類,表示為:

        (6)

        其中:f(x,y)表示分割后的圖像。

        使用改進(jìn)后的Otsu算法進(jìn)行圖像分割,得到的圖像灰度范圍集中,灰度值比較平均,灰度級變化不大。改進(jìn)后的算法具有更好的抗噪聲能力,離散度較低,計算速度更快,性能更優(yōu)[19]。

        2.2 鍍鋅板表面缺陷檢測

        為提高缺陷檢測效率,本研究通過分塊檢驗算法進(jìn)行無缺陷過濾。將整個鍍鋅板表面圖像劃分為50*50像素大小的若干區(qū)域,檢驗每個區(qū)域內(nèi)缺陷系數(shù)T是否超過檢驗常數(shù)K,如果超過將該區(qū)域圖像標(biāo)記為疑似缺陷,沒有超過則過濾點該區(qū)域的圖像[20]。疑似缺陷檢驗系數(shù)T可表示為:

        I′={(x,y)|f(x,y)>avg+sdv}

        (7)

        其中:T表示鍍鋅板圖像的疑似缺陷檢驗系數(shù),f(x,y)表示被檢測區(qū)域鍍鋅板圖像的像素。對于檢測到的疑似缺陷鍍鋅板圖像還需進(jìn)一步識別分類,確定鍍鋅板缺陷的類型[21]。缺陷單元識別流程如圖3所示。

        圖3 缺陷單元識別流程

        首先按照順序掃描疑似缺陷鍍鋅板圖像,再選用合適的高斯模板,以圖像的掃描點為中心,計算缺陷圖像的高斯加權(quán)和再確定動態(tài)閾值,對疑似圖像進(jìn)行判斷,將確認(rèn)的缺陷圖像添加缺陷單元標(biāo)記[22]。建立樣本空間a∈{a1,a2,…,an},其中ai表示鍍鋅板疑似缺陷單元的灰度值。判斷是否存在缺陷模糊劃分矩陣可表示為:

        (8)

        其中:μ表示矩陣分量。進(jìn)一步確定鍍鋅板缺陷區(qū)域的聚類中心:

        (9)

        式中,xi表示第i個缺陷圖像樣本的灰階,ωi表示各樣本灰階概率密度。缺陷單元迭代計數(shù)器b值大于或等于設(shè)定的最大限制時,迭代檢驗停止,可得到:

        (10)

        當(dāng)FCN的值大于迭代限值時,對模糊矩陣進(jìn)行更新,對鍍鋅板區(qū)域圖像重新檢測直到確定聚類中心。當(dāng)疑似缺陷的鍍鋅板圖像灰度值大于聚類中心時,缺陷單元將這區(qū)域圖像標(biāo)記為確認(rèn)缺陷部分。

        根據(jù)鍍鋅板表面缺陷的圖像特征對缺陷類型進(jìn)行分類,建立鍍鋅板表面缺陷庫,把缺陷圖像保存在缺陷庫中,建立圖像和缺陷類型的對應(yīng)關(guān)系,缺陷特征被數(shù)字化用來和實時采集到的缺陷圖像進(jìn)行對比,實現(xiàn)鍍鋅板表面缺陷的分類[23]。缺陷分類流程如圖4所示。

        圖4 缺陷分類流程

        鍍鋅板表面缺陷識別分類是一個長期的過程,對于檢測缺陷的圖像缺陷種類的分類還需結(jié)合有關(guān)技術(shù)人員的實際經(jīng)驗,完善鍍鋅板表面缺陷圖庫。隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加,能夠識別更多的鍍鋅板缺陷類型,提高了缺陷識別的準(zhǔn)確率。

        3 實驗結(jié)果與分析

        為驗證本文所研究基于Otsu算法的鍍鋅板表面缺陷檢測系統(tǒng)的性能,給出5組鍍鋅板表面缺陷樣本,1組樣本數(shù)量為100個,分別使用文獻(xiàn)[3]檢測方法、文獻(xiàn)[4]檢測方法和本文研究系統(tǒng)的鍍鋅板表面檢測方法對樣本進(jìn)行檢測,記錄數(shù)據(jù),進(jìn)行對比3種檢測方法的檢測識別的正確率和精度,如表3所示。

        表3 鍍鋅板樣本數(shù)據(jù)

        檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)是基于硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)之間互相結(jié)合完成對鍍鋅板表面缺陷的檢測。軟件操作系統(tǒng)的實驗環(huán)境如表4所示。

        表4 軟件操作系統(tǒng)

        本研究建立了運(yùn)動控制實驗平臺,模擬檢測對象在生產(chǎn)線的檢測狀態(tài),采用一個4K工業(yè)線陣相機(jī),保證對鍍鋅板檢測的全面覆蓋。采用2個具有CameraLink接口的圖像采集卡,傳輸速率可達(dá)255 MB/s。建立缺陷庫的方法是把已認(rèn)知的缺陷進(jìn)行采樣,采樣圖像分辨率、大小參照線上采樣圖片,把常見缺陷特征數(shù)字化,利用離線統(tǒng)計、在線驗證的方法逐步確定缺陷的類別。確缺陷識別流程如圖5所示。

        檢測到的鍍鋅板上存在劃傷、孔洞和劃痕的鍍鋅板圖像如圖6所示。

        圖6 鍍鋅板劃傷、孔洞和劃痕圖像

        對鍍鋅板缺陷區(qū)域進(jìn)行定位依靠采集圖像的位置信息和帶鋼長度方向的位置信息。獲取線程生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)管理庫中帶鋼位置信息也能對缺陷進(jìn)行定位。鍍鋅板缺陷位置信息包括水平位置、縱向位置、缺陷上下表面的信息和帶鋼編碼。圖像處理使用OpenCV2.2,使用分塊檢驗算法過濾缺陷圖像,并標(biāo)記處缺陷區(qū)域,利用Sobel算子對圖像邊緣進(jìn)行檢測,鍍鋅板劃痕缺陷特征如圖7所示。

        圖7 鍍鋅板劃痕缺陷特征

        采用3種檢測系統(tǒng)對表3中鍍鋅板樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測,得到檢測結(jié)果如圖8所示。

        圖8 檢測結(jié)果

        觀察圖8可知,本研究系統(tǒng)對鍍鋅板表面缺陷的檢出率最高,檢測到的鍍鋅板表面缺陷數(shù)量最多。對五組樣本檢測到的數(shù)量分別為:94、92、95、92、97,可計算出平均檢出率為94%。文獻(xiàn)[3]檢測系統(tǒng)的檢測到缺陷樣本數(shù)量最少,最低為60個。是因為紅外掃描的分辨率低,檢測精度不高,無法檢測到細(xì)小的表面缺陷。文獻(xiàn)[4]檢測系統(tǒng)檢測到的鍍鋅板表面缺陷的樣本數(shù)最高可達(dá)到88個,最低低至70個。檢測個樣本組的檢出率不穩(wěn)定,檢測到樣本表面缺陷的數(shù)量變化幅度過大。說明文獻(xiàn)[4]檢測系統(tǒng)的檢測性能不夠穩(wěn)定,采集到圖像的分辨率不高,圖像質(zhì)量不佳,對圖像處理的算法對圖像中大量噪聲處理的效果也不好,導(dǎo)致無法檢測到不明顯的表面缺陷,造成檢測系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定。

        4 結(jié)束語

        本文應(yīng)用基于Otsu算法的鍍鋅板表面缺陷檢測系統(tǒng),通過高速CCD相機(jī)、數(shù)字光源控制器、同步觸發(fā)控制器、編碼器和表面同步器之間協(xié)同作用,編碼器根據(jù)鍍鋅板位置的變化發(fā)出脈沖信號,高速CCD相機(jī)接收到信號后完成對鍍鋅板表面圖像的采集。將采集到的圖像通過以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)杰浖幚聿糠?,運(yùn)用改進(jìn)后的Otsu算法對采集到的鍍鋅板表面圖像進(jìn)行分割,根據(jù)圖像中像素灰度的變化和邊緣信息識別出鍍鋅板是否存在缺陷,若鍍鋅板表面存在缺陷,識別出缺陷的類型并進(jìn)行標(biāo)記,同時在系統(tǒng)中發(fā)出告警。

        由于鍍鋅板在制作工藝和傳送過程中會出現(xiàn)各種各樣的缺陷,同一種缺陷類型千奇百怪,一塊鍍鋅板表面可能會存在多種確缺陷,各種缺陷可能在同一區(qū)域互相重疊,檢測系統(tǒng)可能無法同時識別到多種缺陷的存在,對檢測系統(tǒng)還需改進(jìn),建立更加完善的缺陷分析機(jī)制。

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