第期谢臖等机器视觉在轮胎检测领域的应用研究 % 国内外相关技术研究国外对机器视觉技术的研究由于开展的比较早而且具有资金技术以及硬件方面的优势已经走在了国内的前面国外的机器视觉系统的应用领域涉及到了社会生产的各个方面有原始的在线监视也有外观检测以及动作行为控制许多工业加工成

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弛代窦
5 years ago
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1 第卷第期年月光学仪器! "#$%#% &' 文章编号机器视觉在轮胎检测领域的应用研究谢臖黄上海市质量监督检验技术研究院上海摘要将先进的机器视觉理论成果应用于航空轮胎的表面质量检测为复杂的轮胎测量提供实时有效的测量途径通过研究实现了一个航空轮胎表面缺陷识别系统该系统在机器视觉平台下用分时和同步两种方式实现了航空轮胎的各种表面缺陷在线检测该系统可使检测时间缩短至 - 达到在轮胎生产过程中实时监控的目的关键词机器视觉图像检测航空轮胎表面质量中图分类号文献标识码 %((+%,-%%%% *+))* 8#./5./,-,'#?'/$,-34,#/24.,4/$-/4../5./,.,/!./28/42.##/4.,8,-,#:/-'-2,.-'/4='/$,/-' #/,4/,-# 3#8,2//$,/2 4,8.#2#.4#3$,4/2,- /-'%,2,,4/,#--#.-'/424-,/,4/,-:/-3#3#-2/2 3',#3/4,4/2./-2#.3$/##/4.,8,-,#.,-./,5/2-4.##'-.#2-:/2#32#/4.,8./$,/-'#/$,2-#-'/4 24-,/,4/,-%9,..,---.24,#, :/--.##-.#.3'3#-#/$,#,#,5.#'5..3#4--,5#,-3#2'4,#:/- /4.,82% "#$/4.,8,-,#,/524,#/,4/,--'/4='/$, 引言近年来随着生产工艺飞速发展人们开始关注产品的外观质量比如印刷品包装工艺品等以外观质量为重要附加价值的产品又比如航空轮胎等表面缺陷会直接影响到使用效果甚至会给使用者的生命财产安全带来无可挽回的损失的产品众所周知机器视觉已经发展成为重要的工业生产加工手段之一在中国成为全球重要的制造中心之一的背景下中国成为继美国欧洲和日本后的全球第四大机器视觉市场同时也是最具发展潜力的市场一方面外国企业积极入驻中国带来了巨大的视觉系统需求另一方面国内企业不断扩大生产规模加大了对视觉系统的需求以航空轮胎为例未来十年国家将在大飞机项目中投入亿资金大飞机项目的发展必将会带动航空轮胎行业大规模的发展对航空轮胎的质量要求也会更加严格收稿日期基金项目上海市质量技术监督局科研项目作者简介谢臖 (( 男上海人工程师学士主要从事质检方面的研究

2 第期谢臖等机器视觉在轮胎检测领域的应用研究 % 国内外相关技术研究国外对机器视觉技术的研究由于开展的比较早而且具有资金技术以及硬件方面的优势已经走在了国内的前面国外的机器视觉系统的应用领域涉及到了社会生产的各个方面有原始的在线监视也有外观检测以及动作行为控制许多工业加工成套生产设备都集成了机器视觉系统成为加工生产线的标配比如印刷生产线上的机器视觉质量控制系统又比如汽车制造业中的移动三坐标测量系统由于经济和技术原因国内绝大多数图像处理技术公司都以代理国外产品为主没有或者很少涉足拥有自主知识产权的机器视觉在线检测设备对视觉技术的开发应用停留在比较低端的小系统集成上对需要进行大数据量的实时在线检测的研究很少也很少有成功案例但是随着国内经济发展和技术手段不断提高对产品质量检测要求就更高对在线检测设备的需求也就更大具有巨大的市场潜力计算机摄像机等电子技术的飞速发展大大提高了机器视觉系统的硬件水平同时图像处理理论和算法的快速发展也给机器视觉系统提供了强大的软件支持但是仍然伴随着一些问题主要有以下两点算法的精确性提高伴随着计算量的成倍增加处理时间就成为了实时检测的软肋硬件的分辨率提高了图像的分辨率精度也随之提高了但是数据量计算量都因此成倍增加因此如何保证检测的实时性和准确性是机器视觉系统在工业应用中需要解决的核心问题 ' 视觉检测核心技术 '&% 机器视觉图像处理技术机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断机器视觉系统是指通过机器视觉产品即图像摄取装置分和 * 两种将被摄取目标转换成图像信号传送给专用的图像处理系统根据像素分布和亮度颜色等信息转变成数字化信号图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征进而根据判别的结果来控制现场的设备动作有大量的文献和著作给与介绍和讨论其中比较著名的马颂德的计算机视觉! 介绍了计算机视觉的算法和理论以及,4./2</$ 的 '$,3$",: >#, #3'",-,#! 介绍了在计算机视觉中的几何理论和方法机器视觉中的图像处理方法主要包括图像增强数据编码和传输平滑边缘锐化分割特征抽取图像识别与理解等内容经过这些处理后输出图像的质量得到相当程度的改善既优化了图像的视觉效果又便于处理器对图像进行分析处理和识别机器视觉理论应用于现代检测领域是上世纪末本世纪初计算机视觉的一个新的研究方向它使用计算机视觉的理论方法来识别物体的关键点经过分析处理以后转换成坐标数据然后产生检测数据国内已有学者把机器视觉技术运用于检测领域但是在轮胎检测领域机器视觉技术的应用还仅仅停留在理论之上还没有可实际应用的商品化的设备更不用说结合机器视觉和嵌入式两种技术的便携式检测仪了 '&' 嵌入式技术嵌入式系统一般指非系统有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材它是以应用为中心软硬件可裁减的适应对功能可靠性成本体积功耗等综合性严格要求的专用计算机系统嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备如掌上 * 移动计算设备电视机顶盒手机上网数字电视多媒体汽车微波炉数字相机家庭自动化系统电梯空调安全系统自动售货机蜂窝式电话消费电子设备工业自动化仪表与医疗仪器等嵌入式系统有以下几大优点嵌入式系统通常是面向特定应用的它通常都具有低功耗体积小集成度高等特点嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起它的升级换代也是和具体产品同步进行的因此嵌入式系统产品一旦进入市场就具有较长的生命周期由于空间和各种资源相对不足嵌入式系统的硬件和软件都必须设计量体裁衣去除冗余力争

3 光学仪器第卷在同样的硅片面积上实现更高的性能这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力本研究选取嵌入式系统中的 * 数字信号处理器来进行开发具体型号为公司的它具有很高的编译效率和执行速度在信号处理方面具有优势它的特点如下程序和数据具有独立的存储空间有着各自独立的程序总线与数据总线可以同时对数据和程序进行寻址大大提高了数据处理能力由于广泛采用了流水线操作减少了指令的执行时间可以同时运行条指令与一般计算机不同乘法除法不由加法和移位实现它具有硬件乘法器乘法运算可以在一个指令周期内完成指令周期降到了 %- 随着工作频率进一步提高指令周期将进一步缩短拥有自己独特的专门为数字信号处理而设计的指令系统相比传统的处理芯片它还具有体积小功耗小使用方便实时处理迅速处理数据量大处理精度高性能价格比高等许多优点轮胎检测系统构成 &% 研究目标机器视觉用于产品表面缺陷检测需要面对以下主要问题数据处理量非常庞大如何快读匹配图像如何快速实现缺陷分割并剔除伪缺陷如何选取缺陷特征用以实现缺陷识别以具体产品为例相对其他轮胎产品航空轮胎对质量检测的要求较为严格只要航空轮胎的检测技术到位其他轮胎产品也基本可以检测以航空轮胎的缺陷检测为例根据 >@( 航空轮胎试验方法!>@ 航空轮胎表面质量! 和 >@(( 航空轮胎内胎! 等标准的要求研究表面缺陷在线检测的图像处理方案开发一套基于机器视觉的产品表面缺陷的在线检测设备同时根据 >@ 航空轮胎 6 射线检测方法! 所述配合 6 射线发射仪利用一对一的服务器客户机构架的机器视觉对标准中所描述的航空轮胎的一系列缺陷如断层气泡和裂口等进行高精度高实时性高连续性以及非接触式的在线缺陷检测具体技术指标能检测出最小直径 % 的轮胎内部缺陷即横向纵向最小均为 % 并能对缺陷进行分类识别主要包括结构类气泡类和夹杂物类对缺陷的检出率要求大于 (C 对缺陷部位进行定量和定位分析读出缺陷的尺寸误差 % 测出缺陷距离轮胎表面的深度决定缺陷在轮胎内部的位置在线检测设备的检测检测速度与 6 射线管旋转速度同步 6 射线管旋转一周即完成一个轮胎一个圆周的缺陷检测 &' 研究内容和技术路线 %'%% 确定机器视觉检测系统的基本框架在数据量大时采用一个处理器搭配一台摄像机的一对一方式在产品表面检测中由于航空轮胎的圆周面比较大数据量也就比较大通常采用的机器视觉单摄像机方式很难满足圆周面检测分辨率高数据量大的要求而多台摄像机能满足分辨率和数据量的要求却又相应带来实时性差的问题若采用多台摄像机的方式就需要配备多套成像系统一套成像系统造价在万元左右基于成本和计算数据量的考虑本研究选用一对一方式利用分时运动克服单台摄像机采集数据量不足的缺点具体来说就是在经典的服务器客户端模式架构的基础上设计一种基于机器视觉的系统结构以实现轮胎圆周面产品表面缺陷的在线检测该结构主要由四部分组成服务器嵌入式系统客户端图像处理子系统信

4 第期谢臖等机器视觉在轮胎检测领域的应用研究号模块输出单元系统框架如图所示每隔一定的时间系统初步设定为 - 服务器通过控制步进电机驱动轮胎做圆周转动每转过一个固定角度系统定为服务器就调动客户端完成此区域内相对独立的视觉检测任务一次间隔只检测轮胎的三分之一经过个时间间隔客户端即完成了整个轮胎的全面检测然后利用拼接原理把各部分拼接起来统一到一个坐标系下拼接测量的关键是利用重叠区计算出各次测量时基准的不同然后消除不同统一在一个坐标系下拼接测量的方法可以直接计算出被测轮胎的全面信息为了保证服务器和客户端之间图像检测数据可靠实时的交互本研究采用千兆以太网的方式传输数据作为整个检测系统的管理控制单元和人机交互接口服务器不仅要完成检测任务的调度还要可以设定检测参数接收和实时显示客户端上传的图像数据和处理结果缺陷等并将信息存入数据库中此外服务器还接收传来的位置检测信号用于与客户端的同步并且根据检测结果中的位置信号对执行机构发出动作信号标记并剔除有缺陷的产品在客户端处理核心中安装有图像采集卡接收服务器设置的参数和任务调度控制采集卡和摄像机完成图像实时采集利用图像处理算法处理和分析图像数据将最终得到的缺陷位置和分类信息上传给服务器保存缺陷图像以备查图系统框架图 ),5%@$#42,/5/#.-- %'%' 设计编写表面缺陷检测的图像处理方案在表面缺陷检测中根据图像数据的特点本研究提出以下图像处理过程缺陷分割特征提取及缺陷分类首先是缺陷分割在表面缺陷检测的时候利用图像处理算法处理采集到的产品表面图像将缺陷从复杂的背景图像中分离出来接着是特征提取提取缺陷后对缺陷的各种标识性属性进行提取主要是几何特征和灰度统计特征以保证后续的缺陷分类和识别几何特征指的是轮廓特征比如长度形状面积重心等灰度统计特征指的是分布位置统计值均方差等等还有缺陷分类本研究采用改算法对网络进行训练构建神经网络分类器来实现轮胎缺陷分类为了提高检测系统对伪缺陷的适应性本研究将部分伪缺陷也作为网络输出并对其进行训练由于图像处理中需要运用大量的计算机内存处理算法为避免编程中出现内存泄露进而造成计算机内存资源流失的现象决定采用对内存进行托管的语言进行编程 %'% 服务器和客户机系统之间的同步服务器客户端模式架构的机器视觉系统具有独立性和并行性的特点它不得不面临的一个重要问题是如何解决服务器和图像处理子系统之间的同步问题包括摄像机同步采集数据同步处理和轮胎运动同步控制等本研究利用摄像机本身的外同步特性采用对摄像机提供统一的线扫描触发信号保证摄像机采集同步机器视觉系统基本组成模块见图图机器视觉系统基本组成模块 ),5%@/-,4',$2,5$#4#/4.,8,-,# --,5'$/3#--/:# 下转第./ 页

5 光学仪器第卷梁铨廷 % 物理光学 % 北京电子工业出版社 % ( 胡中文 % 广义光栅方程与光栅密度测试及二维 * 全谱仪的研制 *% 合肥中国科学技术大学 % 沙连生杨庆俊 % 像散和球面反射镜 &% 应用光学 (% <!< 9 < %'2#/#3,4/$--:,./:#$-'$4#4#/2/-,5$$4#&%,"-/"/,- 2,-(% 唐玉国陈少杰巴音贺希格等 % 中阶梯光栅光谱仪的谱图还原与波长标定 &% 光学精密工程 % 上接第. 页结论实际测量结果证明应用视觉检测方法可以较好地解决传统测量方法中时间长工作量大测量效率低的问题该方法能够充分利用现代计算机技术的优势设备简单易用克服了传统测量仪器的许多误差来源具有快速准确非接触测量的优点在实验室中初步完成了实验系统的核心部分如图所示与传统的测量方法相比原先需要, 的测量时间现在只需要 - 就可完成操作也更加简单便捷该系统可检测出最小直径 % 的轮胎内部缺陷即横向纵向最小均为 % 并能对缺陷进行分类识别主要包括结构类气泡类和夹杂物类对缺陷的检出率为 (C 图实验系统图 ),5% /3#03,/$-- 参考文献彭向前 % 产品表面缺陷在线检测方法研究及系统实现 *% 武汉华中科技大学 % <>%*,,5.!3,3#$/5#/2,-'4/,&%:10"#/*-//$"*5)/(( (% 章毓晋 % 图像处理和分析 % 北京清华大学出版社 (((% 朱方文 % 基于方法的机器人灵巧手控制 *% 上海上海大学 % 张嘉琪 % 基于嵌入式系统图像处理平台的万寿菊水分状态检测系统的研究 *% 重庆西南大学 (% 赵国峰侯民贤 % 汽车前照灯光形检测的嵌入式系统设计 &% 光学仪器 (% 胡金滨唐旭清 % 算法及其应用 &% 信息技术 %

自然科学版预处理视盘粗定位视盘垂直坐标的粗定位视盘水平坐标的粗定位

自然科学版预处理视盘粗定位视盘垂直坐标的粗定位视盘水平坐标的粗定位自然科学版文章编号视网膜图像中视盘的快速自动定位方法赵晓芳林土胜李碧摘要基于眼底视网膜血管的分布结构及视盘本身的特点提出一种快速自动定位视盘的方法首先根据视网膜血管的网络分布结构大致定位视盘的垂直坐标然后根据视盘的亮度信息及视盘与血管的关系来定位视盘的水平坐标最后把视盘限定在以粗定位的视盘为中心的一个小窗口内用变换精确定位视盘中心该方法不需要事先分割视网膜血管也不需要对算法进行训练