專利名稱：基于ccd線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)圖像處理，產(chǎn)品表面瑕疵檢測(cè)，尤其涉及一種基于C⑶線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
卷板材的使用覆蓋著我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫热?合成革、紙張、橡膠、薄膜、玻璃板、鋼板、有色金屬板、亞克力板、鋁箔及應(yīng)用在電子液晶屏上的光學(xué)膜等。目前在卷板材生產(chǎn)工業(yè)，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少材料的表面瑕疵，增加瑕疵檢測(cè)設(shè)備的在線檢測(cè)手段成為高質(zhì)量卷板材生產(chǎn)的主要任務(wù)。傳統(tǒng)的檢測(cè)是由人眼“目測(cè)”完成，由于人類生理因素的限制，不可能完全準(zhǔn)確客觀的檢測(cè)出瑕疵。而機(jī)器視覺是利用工業(yè)相機(jī)配合處理器來代替人眼做測(cè)量和判斷的技術(shù)，不僅能夠替代人工監(jiān)檢，而且具有能適應(yīng)在線生產(chǎn)的高速、連續(xù)工作、高測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)。卷板材的生產(chǎn)速度一般在幾十米到幾千米每分鐘，并且需檢測(cè)瑕疵大小大多在零點(diǎn)幾毫米，有的高端光學(xué)膜的生產(chǎn)需要檢測(cè)的精度在幾微米的程度。因此只有借助高速相機(jī)才可以完成在線檢測(cè)。目前國內(nèi)此項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)幾乎為和空白，而在歐美日等發(fā)達(dá)國家，該類設(shè)備都已經(jīng)非常成熟。例如:德國的ISRA (伊斯拉)、日本的FUTEC (飛達(dá)科)等公司的檢測(cè)設(shè)備。他們的處理大多以FPGA進(jìn)行并行處理的系統(tǒng)方案為主。假定一副圖像背景色用O表示，而瑕疵部分用I表示，那么標(biāo) 記瑕疵就是將圖像中所有為I的連通成分的像素點(diǎn)標(biāo)記為對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)和連通域一一對(duì)應(yīng)。所謂連通域是指一個(gè)像素集合，如果集合內(nèi)每一個(gè)像素和其它像素連通則該集合為一個(gè)連通域。又有四連通域和八連通域之分。四連通域是一個(gè)像素點(diǎn)和它上下左右4點(diǎn)的連通。八連通是和它上、下、左、右、左上，左下、右上、右下8點(diǎn)的連通。標(biāo)記不意圖如附

圖1，其中a圖為原始圖像背景色用空白表不，物體用I表7]^，b圖為標(biāo)記結(jié)果。最早的Rosenfeld和Pfaltz提出來的4鄰域和8鄰域采用數(shù)組結(jié)構(gòu)標(biāo)記法類似于二分法查找，將圖像數(shù)組依次二分查找后再合并。Haralick提出了一種新的方法先將黑色全部標(biāo)記為-1，白色標(biāo)記為0，從上往下掃面圖像更改標(biāo)記，再從下往上掃描更改標(biāo)記，反復(fù)進(jìn)行直到標(biāo)記不改變?yōu)橹?。以上兩種方法隨圖像的大小變化復(fù)雜度成倍數(shù)遞增，而且只適合靜態(tài)圖像標(biāo)記。剩下經(jīng)典的是遞歸方法和序貫方法，還有較新的基于游程編碼的遞歸方法，但遞歸方法同樣不適用于大圖片和動(dòng)態(tài)更新圖片為應(yīng)用于高速的在線檢測(cè)采用序貫方法。所謂序貫方法具體步驟如下:
背景色為O，物體像素值為I。從左至右、從上到下逐行掃描圖像:
1、如果像素點(diǎn)為I，則: CE如果上面點(diǎn)和左面點(diǎn)只有一個(gè)標(biāo)記,則復(fù)制這一標(biāo)記。(2如果兩點(diǎn)有相同的標(biāo)記，復(fù)制這一標(biāo)記。S如果兩點(diǎn)有不同的標(biāo)記，則復(fù)制上點(diǎn)的標(biāo)記且將兩個(gè)標(biāo)記輸入等價(jià)表中作為等價(jià)標(biāo)記。 否則給這一個(gè)像素點(diǎn)分配一新的標(biāo)記并將這一標(biāo)記輸入等價(jià)表。2、在等價(jià)表的每一等價(jià)集中找到最低的標(biāo)記；
3、掃描圖像，用等價(jià)集中的最低標(biāo)記取代每一標(biāo)記；
原始的序貫方法沒有給出等價(jià)表的具體操作和等價(jià)集的完備化方案，具體實(shí)踐中如果不對(duì)僅通過掃描圖像得到的原始的等價(jià)表進(jìn)行處理會(huì)使得標(biāo)記結(jié)果出現(xiàn)同一個(gè)連通域出現(xiàn)不同標(biāo)號(hào)的情況。本發(fā)明就這一問題作了完備化的設(shè)計(jì)并給出證明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于CCD線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。本發(fā)明利用Intel CPU+windows的多核多線程編程實(shí)現(xiàn)在線瑕疵標(biāo)記,給出被檢測(cè)卷板材有多少瑕疵，瑕疵的大小、位置、形狀并將瑕疵區(qū)域截圖的功能。本發(fā)明提出的一種基于CCD線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)，由相機(jī)單元1、光源2、顯示器3、編碼器4、圖像處理器5和標(biāo)簽機(jī)6組成。所述檢測(cè)系統(tǒng)放置于工作臺(tái)上，工作臺(tái)上設(shè)有支架和平臺(tái)，其中:被測(cè)線卷板材位于平臺(tái)上由電機(jī)帶著卷動(dòng)，被測(cè)線卷板材的上部和下部設(shè)有光源2，位于上部的光源2上方設(shè)有相機(jī)單元1，相機(jī)單元I固定于支架上，所述編碼器4和標(biāo)簽機(jī)6也分別位于支架上，相機(jī)單元I的輸出端連接圖像處理器5的輸入端，圖像處理器5的輸出端分別連接標(biāo)簽機(jī)6和顯示器3，標(biāo)簽機(jī)6的輸出端連接被測(cè)卷板材，編碼器4采輸出端連接相機(jī)單元I的輸入端；圖像處理器5包括圖像抓取板卡和Intel多核CPU的計(jì)算機(jī)，編碼器4采集卷板材速率，將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。通過脈沖信號(hào)控制相機(jī)單元I的曝光速率，相機(jī)單元I采集實(shí)時(shí)圖像并傳輸?shù)綀D像處理器5的圖像抓取板卡上，圖像抓取板卡存儲(chǔ)的圖像可以被編碼器的Intel C P U直接讀取，采用C++多線程編程方法對(duì)實(shí)時(shí)的圖像進(jìn)行標(biāo)記處理，并在顯示器3上顯示標(biāo)記結(jié)果，同時(shí)反饋給標(biāo)簽機(jī)6執(zhí)行標(biāo)簽命令。本發(fā)明中，所述光源2為照明設(shè)備，相機(jī)鏡頭及CCD傳感器組成，采用智能圖像傳感器的專用照明:標(biāo)準(zhǔn)LED頻閃光源，使圖像的亮度比較均勻，有利于圖像的采集和后期處理。本發(fā)明中，所述相機(jī)單元I采集實(shí)時(shí)圖像并傳輸?shù)浇邮諗?shù)據(jù)的圖像處理器的圖像抓取板卡上，機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像傳感器的選擇涉及到圖像分辨率、成像質(zhì)量、圖像采集傳輸速度以及可靠性等能否滿足使用需求。選擇圖像傳感器的依據(jù)是用戶實(shí)際需要:檢測(cè)最小缺陷尺寸、機(jī)組速度、現(xiàn)場(chǎng)安裝條件等?？紤]到在線卷板材的高速運(yùn)動(dòng)，本系統(tǒng)采用線陣CXD相機(jī)掃描圖像。本發(fā)明中，編碼器4在卷板材生產(chǎn)時(shí)速度有快有慢，為使相機(jī)拍攝速度和卷板材生產(chǎn)一致需要用編碼器采集卷板材生產(chǎn)速率，然后根據(jù)生產(chǎn)速度由編碼器發(fā)射不同脈沖信號(hào)來控制相機(jī)曝光頻率使拍攝的圖像不被拉長(zhǎng)或縮短。本發(fā)明中，所述圖像處理器5為具有多核Intel CPU的臺(tái)式計(jì)算機(jī)和連接在計(jì)算機(jī)上的收取圖像數(shù)據(jù)的板卡，板卡存儲(chǔ)的圖像可以被臺(tái)式機(jī)直接讀取，在微處理器上實(shí)現(xiàn)圖像處理軟件(visual C++)的編程,將相關(guān)方法利用C++多核多線程編程技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)的圖像進(jìn)行標(biāo)記處理并記錄瑕疵的大小位置形狀等相關(guān)信息，對(duì)瑕疵截圖，并在顯示器上顯示記錄的信息。本發(fā)明中，顯示器3顯示被標(biāo)記卷板材瑕疵的大小位置截圖等信息。本發(fā)明中，標(biāo)簽機(jī)6即為輸出控制，為卷板材在瑕疵處做上標(biāo)記。以便于處理不合格產(chǎn)品。在圖像處理器5上設(shè)計(jì)的圖像檢測(cè)軟件主要是為用戶提供簡(jiǎn)潔友好的操作界面，并完成智能圖像傳感器與計(jì)算機(jī)之間的圖像通信，以及圖像預(yù)處理、特征提取等工作。總之，這套系統(tǒng)主要任務(wù)是在整個(gè)檢測(cè)過程中完成圖像采集、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、圖像處理、特征提取、等工作，使各個(gè)系統(tǒng)組成部分能夠協(xié)調(diào)工作，按照要求對(duì)卷板材的瑕疵進(jìn)行檢測(cè)，以克服人工檢測(cè)的許多弊端。本發(fā)明提出的一種基于CCD線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法，具體步驟如下:
步驟1:對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中相機(jī)單元采集的圖像數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行Shading操作由于相機(jī)鏡頭及CCD傳感器各部分感光能力不均的原因，線陣相機(jī)的光波輝度呈現(xiàn)中間高兩邊低的現(xiàn)象。利用本系統(tǒng)提案的Shading方法將相機(jī)光波實(shí)時(shí)地處理成同一輝度范圍內(nèi)波動(dòng)。本試驗(yàn)的相機(jī)拍攝的像素值為O到255的灰度圖像。Shading方法的步驟:
(一)取模版
系統(tǒng)在檢測(cè)之前收取圖像數(shù)據(jù)10000行，每一百行取一行，取出的100行平均，計(jì)算出模板中各點(diǎn)像素值和128之間的差，記為第一模板差值。模板差值是一維數(shù)組。圖像數(shù)據(jù)采集板卡每次收取圖像2000行，程序每次讀取500行，即每次取5個(gè)模版。共取20次。(二)更新模版差值
在收取10000行之后，每格100行仍需抽取一行，計(jì)算出模板中各點(diǎn)像素值和128之間的差，得到第二模板差值，用這一行得出的第二模板差值和第一模板差值進(jìn)行加權(quán)操作，第二模板差值*0.01%+第一模板差值* (1-0.01%)=第三模板差值。使第三模版差值不受光亮度變化的影響。(三)修正圖像
得到的新圖像的每一行的像素值和第三模板差值做差，用此次的結(jié)果取代步驟(二)得到的圖像，就使各點(diǎn)都達(dá)到128左右。實(shí)際抽取的一行圖像的像素值和shading后的像素值進(jìn)行比較，結(jié)果使得原來該行彎曲的像素值，變得平齊，且都集中在128左右，便于后續(xù)處理。步驟2:對(duì)shading后的灰度圖像瑕疵初步標(biāo)記
由于被測(cè)線卷板材相對(duì)于相機(jī)單元的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將相機(jī)單元拍攝到的每行像素值拼接即可得到被測(cè)線卷板材的圖像，和在線掃描一致，采用序貫方法逐行掃描圖像，采用八連通域的標(biāo)記。具體如下:
背景色為O，物體像素值為I。(I)、從左至右、從上到下逐行掃描圖像；
如果像素點(diǎn)為1，則:
如果左上點(diǎn)，上點(diǎn)，右上點(diǎn)和左點(diǎn)，只有一個(gè)標(biāo)記，則復(fù)制這一標(biāo)記；
G如果有多點(diǎn)有標(biāo)記，且有相同的標(biāo)記，復(fù)制這一標(biāo)記；
<3如果多點(diǎn)有不同的標(biāo)記，則復(fù)制其中一點(diǎn)的標(biāo)記且將不同的標(biāo)記輸入等價(jià)表中作為等價(jià)標(biāo)記；
現(xiàn)否則周圍四點(diǎn)沒有標(biāo)記，給這一個(gè)像素點(diǎn)分配一新的標(biāo)記并將這一標(biāo)記輸入等價(jià)
表;
(2)、在等價(jià)表的每一等價(jià)集中找到最低的標(biāo)記；
(3)、掃描圖像，用等價(jià)集中的最低標(biāo)記取代每一標(biāo)記；
首先介紹等價(jià)表的構(gòu)建方式:
所謂等價(jià)表是首列為依次增大的自然數(shù)代表不同的標(biāo)號(hào)，其它列元素為首列值的等價(jià)值的二維表格，最后一列可以記錄為該行等價(jià)集的最小值，如表3所示。當(dāng)遇到典型的 圖像某一部分其圖像的像素分布如下表時(shí)，
表1.原始像素
權(quán)利要求
1.一種基于CCD線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)，由相機(jī)單元(I)、光源(2)、顯示器(3)、編碼器(4)、圖像處理器(5)和標(biāo)簽機(jī)(6)組成，其特征在于所述檢測(cè)系統(tǒng)放置于工作臺(tái)上，工作臺(tái)上設(shè)有支架和平臺(tái)，其中:被測(cè)線卷板材位于平臺(tái)上由電機(jī)帶著卷動(dòng)，被測(cè)線卷板材的上部和下部設(shè)有光源(2)，位于上部的光源(2)上方設(shè)有相機(jī)單元(1)，相機(jī)單元(I)固定于支架上，所述編碼器(4)和標(biāo)簽機(jī)(6)也分別位于支架上，相機(jī)單元(I)的輸出端連接圖像處理器(5)的輸入端，圖像處理器(5)的輸出端分別連接標(biāo)簽機(jī)(6)和顯示器(3)，標(biāo)簽機(jī)￠)的輸出端連接被測(cè)卷板材，編碼器(4)采輸出端連接相機(jī)單元(I)的輸入端；圖像處理器(5)包括圖像抓取板卡和Intel多核CPU的計(jì)算機(jī)，編碼器⑷采集卷板材速率，將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大??；通過脈沖信號(hào)控制相機(jī)單元(I)的曝光速率，相機(jī)單元(I)采集實(shí)時(shí)圖像并傳輸?shù)綀D像處理器(5)的圖像抓取板卡上，圖像抓取板卡存儲(chǔ)的圖像可以被編碼器的Intel C P U直接讀取，采用C++多線程編程方法對(duì)實(shí)時(shí)的圖像進(jìn)行標(biāo)記處理，并在顯示器(3)上顯示標(biāo)記結(jié)果，同時(shí)反饋給標(biāo)簽機(jī)(6)執(zhí)行標(biāo)簽命令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光源(2)為照明設(shè)備，由相機(jī)鏡頭及CCD傳感器組成，采用智能圖像傳感器的專用照明:標(biāo)準(zhǔn)LED頻閃光源。
3.—種如權(quán)利要求1所述的基于CCD線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)采用的檢測(cè)方法，其特征在于具體步驟如下: 步驟1:對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中相機(jī)單元采集的圖像數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行Shading操作 由于相機(jī)鏡頭及CCD傳感器各部分感光能力不均的原因，線陣相機(jī)的光波輝度呈現(xiàn)中間高兩邊低的現(xiàn)象；利用本系統(tǒng)提案的Shading方法將相機(jī)光波實(shí)時(shí)地處理成同一輝度范圍內(nèi)波動(dòng)；本試驗(yàn)的相機(jī)拍攝的像素值為O到255的灰度圖像； Shading方法的步驟: (一)取模版 系統(tǒng)在檢測(cè)之前收取圖像數(shù)據(jù)10000行，每一百行取一行，取出的100行平均，計(jì)算出模板中各點(diǎn)像素值和128之間的差，記為第一模板差值；模板差值是一維數(shù)組；圖像數(shù)據(jù)采集板卡每次收取圖像2000行，程序每次讀取500行，即每次取5個(gè)模版；共取20次； (二)更新模版差值 在收取10000行之后，每格100行仍需抽取一行，計(jì)算出模板中各點(diǎn)像素值和128之間的差，得到第二模板差值，用這一行得出的第二模板差值和第一模板差值進(jìn)行加權(quán)操作，第二模板差值*0.01%+第一模板差值* (1-0.01%)=第三模板差值；使第三模版差值不受光亮度變化的影響； (三)修正圖像 得到的新圖像的每一行的像素值和第三模板差值做差，用此次的結(jié)果取代步驟(二)得到的圖像，就使各點(diǎn)都達(dá)到128左右； 實(shí)際抽取的一行圖像的像素值和shading后的像素值進(jìn)行比較，結(jié)果使得原來該行彎曲的像素值，變得平齊，且都集中在128左右，便于后續(xù)處理； 步驟2:對(duì)shading后的灰度圖像瑕疵初步標(biāo)記 由于被測(cè)線卷板材相對(duì)于相機(jī)單元的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將相機(jī)單元拍攝到的每行像素值拼接即可得到被測(cè)線卷板材的圖像，和在線掃描一致，采用序貫方法逐行掃描圖像，采用八連通域的標(biāo)記；具體如下: 背景色為O，物體像素值為I; (1)、從左至右、從上到下逐行掃描圖像； 如果像素點(diǎn)為1，則: CE如果左上點(diǎn)，上點(diǎn),右上點(diǎn)和左點(diǎn)，只有一個(gè)標(biāo)記,則復(fù)制這一標(biāo)記； 2如果有多點(diǎn)有標(biāo)記，且有相同的標(biāo)記，復(fù)制這一標(biāo)記； 3如果多點(diǎn)有不同的標(biāo)記，則復(fù)制其中一點(diǎn)的標(biāo)記且將不同的標(biāo)記輸入等價(jià)表中作為等價(jià)標(biāo)記； 3否則周圍四點(diǎn)沒有標(biāo)記，給這一個(gè)像素點(diǎn)分配一新的標(biāo)記并將這一標(biāo)記輸入等價(jià)表; (2)、在等價(jià)表 的每一等價(jià)集中找到最低的標(biāo)記； (3)、掃描圖像，用等價(jià)集中的最低標(biāo)記取代每一標(biāo)記； (4)等價(jià)表的獲得，具體步驟如下: 首先設(shè)置三個(gè)數(shù)組用來存儲(chǔ)從原始等價(jià)表中抽取的數(shù)，分別是抽取矩陣、附帶數(shù)組一、附帶數(shù)組二 ；抽取矩陣采用和原始等價(jià)表相同的設(shè)計(jì)； 初始時(shí)抽取矩陣除首列外其它列位空，附帶數(shù)組一、附帶數(shù)組二為空； 假定原始等價(jià)表如表5所示，這里省略了最后一列的最小值；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于CCD線陣相機(jī)的在線卷板材表面瑕疵檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法，所述檢測(cè)系統(tǒng)由相機(jī)單元、光源、顯示器、編碼器、圖像處理器和標(biāo)簽機(jī)組成，檢測(cè)方法包括對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)中相機(jī)單元采集的圖像數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行Shading操作，對(duì)shading后的灰度圖像瑕疵初步標(biāo)記，利用等價(jià)表的概念將臨近的瑕疵合并為同一瑕疵賦給同一標(biāo)號(hào)，利用IntelCPU+windows的多核多線程編程。本發(fā)明最后該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)，完整的反饋檢測(cè)結(jié)果瑕疵的個(gè)數(shù)，大小，坐標(biāo)位置，形狀，面積，像素均值等信息并按此來對(duì)瑕疵分類，可以對(duì)瑕疵截圖并分類等功能這是或者部分是以往的產(chǎn)品所沒有的。本發(fā)明主要是自我完善設(shè)計(jì)標(biāo)記方法，將方法編寫成軟件應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)上。
文檔編號(hào)G01N21/88GK103196917SQ20131007860
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者程晨, 周洪鈞, 劉金生, 富山雅山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué), 無錫動(dòng)視科技有限公司