專利名稱：基于ccd線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及工業圖像處理，產品表面瑕疵檢測，尤其涉及一種基于C⑶線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統及其檢測方法。
背景技術：
卷板材的使用覆蓋著我們日常生活的方方面面，比如:合成革、紙張、橡膠、薄膜、玻璃板、鋼板、有色金屬板、亞克力板、鋁箔及應用在電子液晶屏上的光學膜等。目前在卷板材生產工業，為提高產品質量，減少材料的表面瑕疵，增加瑕疵檢測設備的在線檢測手段成為高質量卷板材生產的主要任務。傳統的檢測是由人眼“目測”完成，由于人類生理因素的限制，不可能完全準確客觀的檢測出瑕疵。而機器視覺是利用工業相機配合處理器來代替人眼做測量和判斷的技術，不僅能夠替代人工監檢，而且具有能適應在線生產的高速、連續工作、高測量精度等優點。卷板材的生產速度一般在幾十米到幾千米每分鐘，并且需檢測瑕疵大小大多在零點幾毫米，有的高端光學膜的生產需要檢測的精度在幾微米的程度。因此只有借助高速相機才可以完成在線檢測。目前國內此項檢測技術幾乎為和空白，而在歐美日等發達國家，該類設備都已經非常成熟。例如:德國的ISRA (伊斯拉)、日本的FUTEC (飛達科)等公司的檢測設備。他們的處理大多以FPGA進行并行處理的系統方案為主。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 記瑕疵就是將圖像中所有為I的連通成分的像素點標記為對應標號，標號和連通域一一對應。所謂連通域是指一個像素集合，如果集合內每一個像素和其它像素連通則該集合為一個連通域。又有四連通域和八連通域之分。四連通域是一個像素點和它上下左右4點的連通。八連通是和它上、下、左、右、左上，左下、右上、右下8點的連通。標記不意圖如附
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圖為標記結果。最早的Rosenfeld和Pfaltz提出來的4鄰域和8鄰域采用數組結構標記法類似于二分法查找，將圖像數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記為-1，白色標記為0，從上往下掃面圖像更改標記，再從下往上掃描更改標記，反復進行直到標記不改變為止。以上兩種方法隨圖像的大小變化復雜度成倍數遞增，而且只適合靜態圖像標記。剩下經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態更新圖片為應用于高速的在線檢測采用序貫方法。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、如果像素點為I，則: CE如果上面點和左面點只有一個標記,則復制這一標記。(2如果兩點有相同的標記，復制這一標記。S如果兩點有不同的標記，則復制上點的標記且將兩個標記輸入等價表中作為等價標記。 否則給這一個像素點分配一新的標記并將這一標記輸入等價表。2、在等價表的每一等價集中找到最低的標記；
3、掃描圖像，用等價集中的最低標記取代每一標記；
原始的序貫方法沒有給出等價表的具體操作和等價集的完備化方案，具體實踐中如果不對僅通過掃描圖像得到的原始的等價表進行處理會使得標記結果出現同一個連通域出現不同標號的情況。本發明就這一問題作了完備化的設計并給出證明。
發明內容
本發明的目的在于提出一種基于CCD線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統及其檢測方法。本發明利用Intel CPU+windows的多核多線程編程實現在線瑕疵標記,給出被檢測卷板材有多少瑕疵，瑕疵的大小、位置、形狀并將瑕疵區域截圖的功能。本發明提出的一種基于CCD線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統，由相機單元1、光源2、顯示器3、編碼器4、圖像處理器5和標簽機6組成。所述檢測系統放置于工作臺上，工作臺上設有支架和平臺，其中:被測線卷板材位于平臺上由電機帶著卷動，被測線卷板材的上部和下部設有光源2，位于上部的光源2上方設有相機單元1，相機單元I固定于支架上，所述編碼器4和標簽機6也分別位于支架上，相機單元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簽機6和顯示器3，標簽機6的輸出端連接被測卷板材，編碼器4采輸出端連接相機單元I的輸入端；圖像處理器5包括圖像抓取板卡和Intel多核CPU的計算機，編碼器4采集卷板材速率，將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。通過脈沖信號控制相機單元I的曝光速率，相機單元I采集實時圖像并傳輸到圖像處理器5的圖像抓取板卡上，圖像抓取板卡存儲的圖像可以被編碼器的Intel C P U直接讀取，采用C++多線程編程方法對實時的圖像進行標記處理，并在顯示器3上顯示標記結果，同時反饋給標簽機6執行標簽命令。本發明中，所述光源2為照明設備，相機鏡頭及CCD傳感器組成，采用智能圖像傳感器的專用照明:標準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。本發明中，所述相機單元I采集實時圖像并傳輸到接收數據的圖像處理器的圖像抓取板卡上，機器視覺系統中，圖像傳感器的選擇涉及到圖像分辨率、成像質量、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是用戶實際需要:檢測最小缺陷尺寸、機組速度、現場安裝條件等。考慮到在線卷板材的高速運動，本系統采用線陣CXD相機掃描圖像。本發明中，編碼器4在卷板材生產時速度有快有慢，為使相機拍攝速度和卷板材生產一致需要用編碼器采集卷板材生產速率，然后根據生產速度由編碼器發射不同脈沖信號來控制相機曝光頻率使拍攝的圖像不被拉長或縮短。本發明中，所述圖像處理器5為具有多核Intel CPU的臺式計算機和連接在計算機上的收取圖像數據的板卡，板卡存儲的圖像可以被臺式機直接讀取，在微處理器上實現圖像處理軟件(visual C++)的編程,將相關方法利用C++多核多線程編程技術對實時的圖像進行標記處理并記錄瑕疵的大小位置形狀等相關信息，對瑕疵截圖，并在顯示器上顯示記錄的信息。本發明中，顯示器3顯示被標記卷板材瑕疵的大小位置截圖等信息。本發明中，標簽機6即為輸出控制，為卷板材在瑕疵處做上標記。以便于處理不合格產品。在圖像處理器5上設計的圖像檢測軟件主要是為用戶提供簡潔友好的操作界面，并完成智能圖像傳感器與計算機之間的圖像通信，以及圖像預處理、特征提取等工作。總之，這套系統主要任務是在整個檢測過程中完成圖像采集、光電信號轉換、圖像處理、特征提取、等工作，使各個系統組成部分能夠協調工作，按照要求對卷板材的瑕疵進行檢測，以克服人工檢測的許多弊端。本發明提出的一種基于CCD線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統及其檢測方法，具體步驟如下:
步驟1:對檢測系統中相機單元采集的圖像數據首先要進行Shading操作由于相機鏡頭及CCD傳感器各部分感光能力不均的原因，線陣相機的光波輝度呈現中間高兩邊低的現象。利用本系統提案的Shading方法將相機光波實時地處理成同一輝度范圍內波動。本試驗的相機拍攝的像素值為O到255的灰度圖像。Shading方法的步驟:
(一)取模版
系統在檢測之前收取圖像數據10000行，每一百行取一行，取出的100行平均，計算出模板中各點像素值和128之間的差，記為第一模板差值。模板差值是一維數組。圖像數據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，計算出模板中各點像素值和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行加權操作，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，用此次的結果取代步驟(二)得到的圖像，就使各點都達到128左右。實際抽取的一行圖像的像素值和shading后的像素值進行比較，結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，便于后續處理。步驟2:對shading后的灰度圖像瑕疵初步標記
由于被測線卷板材相對于相機單元的相對運動，將相機單元拍攝到的每行像素值拼接即可得到被測線卷板材的圖像，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；
如果像素點為1，則:
如果左上點，上點，右上點和左點，只有一個標記，則復制這一標記；
G如果有多點有標記，且有相同的標記，復制這一標記；
<3如果多點有不同的標記，則復制其中一點的標記且將不同的標記輸入等價表中作為等價標記；
現否則周圍四點沒有標記，給這一個像素點分配一新的標記并將這一標記輸入等價
表;
(2)、在等價表的每一等價集中找到最低的標記；
(3)、掃描圖像，用等價集中的最低標記取代每一標記；
首先介紹等價表的構建方式:
所謂等價表是首列為依次增大的自然數代表不同的標號，其它列元素為首列值的等價值的二維表格，最后一列可以記錄為該行等價集的最小值，如表3所示。當遇到典型的 圖像某一部分其圖像的像素分布如下表時，
表1.原始像素
權利要求
1.一種基于CCD線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統，由相機單元(I)、光源(2)、顯示器(3)、編碼器(4)、圖像處理器(5)和標簽機(6)組成，其特征在于所述檢測系統放置于工作臺上，工作臺上設有支架和平臺，其中:被測線卷板材位于平臺上由電機帶著卷動，被測線卷板材的上部和下部設有光源(2)，位于上部的光源(2)上方設有相機單元(1)，相機單元(I)固定于支架上，所述編碼器(4)和標簽機(6)也分別位于支架上，相機單元(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簽機(6)和顯示器(3)，標簽機￠)的輸出端連接被測卷板材，編碼器(4)采輸出端連接相機單元(I)的輸入端；圖像處理器(5)包括圖像抓取板卡和Intel多核CPU的計算機，編碼器⑷采集卷板材速率，將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小；通過脈沖信號控制相機單元(I)的曝光速率，相機單元(I)采集實時圖像并傳輸到圖像處理器(5)的圖像抓取板卡上，圖像抓取板卡存儲的圖像可以被編碼器的Intel C P U直接讀取，采用C++多線程編程方法對實時的圖像進行標記處理，并在顯示器(3)上顯示標記結果，同時反饋給標簽機(6)執行標簽命令。
2.根據權利要求1所述的檢測系統，其特征在于所述光源(2)為照明設備，由相機鏡頭及CCD傳感器組成，采用智能圖像傳感器的專用照明:標準LED頻閃光源。
3.—種如權利要求1所述的基于CCD線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統采用的檢測方法，其特征在于具體步驟如下: 步驟1:對檢測系統中相機單元采集的圖像數據首先要進行Shading操作 由于相機鏡頭及CCD傳感器各部分感光能力不均的原因，線陣相機的光波輝度呈現中間高兩邊低的現象；利用本系統提案的Shading方法將相機光波實時地處理成同一輝度范圍內波動；本試驗的相機拍攝的像素值為O到255的灰度圖像； Shading方法的步驟: (一)取模版 系統在檢測之前收取圖像數據10000行，每一百行取一行，取出的100行平均，計算出模板中各點像素值和128之間的差，記為第一模板差值；模板差值是一維數組；圖像數據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，計算出模板中各點像素值和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行加權操作，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，用此次的結果取代步驟(二)得到的圖像，就使各點都達到128左右； 實際抽取的一行圖像的像素值和shading后的像素值進行比較，結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，便于后續處理； 步驟2:對shading后的灰度圖像瑕疵初步標記 由于被測線卷板材相對于相機單元的相對運動，將相機單元拍攝到的每行像素值拼接即可得到被測線卷板材的圖像，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； 如果像素點為1，則: CE如果左上點，上點,右上點和左點，只有一個標記,則復制這一標記； 2如果有多點有標記，且有相同的標記，復制這一標記； 3如果多點有不同的標記，則復制其中一點的標記且將不同的標記輸入等價表中作為等價標記； 3否則周圍四點沒有標記，給這一個像素點分配一新的標記并將這一標記輸入等價表; (2)、在等價表 的每一等價集中找到最低的標記； (3)、掃描圖像，用等價集中的最低標記取代每一標記； (4)等價表的獲得，具體步驟如下: 首先設置三個數組用來存儲從原始等價表中抽取的數，分別是抽取矩陣、附帶數組一、附帶數組二 ；抽取矩陣采用和原始等價表相同的設計； 初始時抽取矩陣除首列外其它列位空，附帶數組一、附帶數組二為空； 假定原始等價表如表5所示，這里省略了最后一列的最小值；
全文摘要
本發明涉及一種基于CCD線陣相機的在線卷板材表面瑕疵檢測系統及其檢測方法，所述檢測系統由相機單元、光源、顯示器、編碼器、圖像處理器和標簽機組成，檢測方法包括對檢測系統中相機單元采集的圖像數據首先要進行Shading操作，對shading后的灰度圖像瑕疵初步標記，利用等價表的概念將臨近的瑕疵合并為同一瑕疵賦給同一標號，利用IntelCPU+windows的多核多線程編程。本發明最后該設計能實現實時，完整的反饋檢測結果瑕疵的個數，大小，坐標位置，形狀，面積，像素均值等信息并按此來對瑕疵分類，可以對瑕疵截圖并分類等功能這是或者部分是以往的產品所沒有的。本發明主要是自我完善設計標記方法，將方法編寫成軟件應用在工業生產上。
文檔編號G01N21/88GK103196917SQ20131007860
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者程晨, 周洪鈞, 劉金生, 富山雅山 申請人:同濟大學, 無錫動視科技有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
