[發明專利]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

有效

• 申請號: 201310078605.8
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN103196917A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 程晨;周洪鈞;劉金生;富山雅山
• 申請（專利權）人: 同濟大學;無錫動視科技有限公司
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88;G06T7/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 張磊

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(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，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(1)?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(1)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(1)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(1)的曝光速率，相機單元(1)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?ＣＰＵ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。

3.一種如權利要求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0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0，物體像素值為1；

(1)、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；

如果有多點有標記，且有相同的標記，復制這一標記；

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；

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；

表5?原始等價表

（4.1）首次從頭逐行掃描原始等價表，復制第一個掃描到的不為空的那一行到抽取矩陣，并清空原始等價表該行，如表6所示，即抽取第一行；

表6?第一次抽取后的抽取矩陣和原始等價表

（4.2）掃描步驟（4.1）中抽取矩陣抽取的行首列后各列的等價值，有記錄就拷貝到附帶數組一，如表7所示：

表7?拷貝得到的附帶數組一

（4.3）掃描附帶數組一記錄的值所對應的原始等價表的那一行，即為原始等價表c,d,j行，有記錄就抽取到抽取矩陣對應行，清空附帶數組一和原始等價表該行，如表8所示：

表8?由附帶數組一第二次抽取的各表

（4.4）掃描步驟（4.3）中抽取矩陣中所抽取的各行首列后各列的值，有記錄就拷貝到附帶數組二，即掃描抽取矩陣c,d,j行的值，只有a和f如表9所示（采用0,1數組的形式可以在這一步去除重復記錄，步驟（6）同樣）：

表9?由上次抽取得到的附帶數組二

（4.5）掃描附帶數組二記錄的值所對應的原始等價表的那一行，有記錄就再次抽取到抽取矩陣，只有f行有數據，就抽取該行，清空附帶數組二和原始等價表該行，結果如表10所示：

表10由附帶數組二再次抽取的各表

（4.6）掃描步驟（4.5）中抽取矩陣中所抽取的各行首列后各列的值，有記錄就拷貝到附帶數組一，即掃描第f行，有c和l記錄下，如表11所示：

表11?拷貝得到的附帶數組一

（4.7）回到步驟（4.3），并循環執行，直到附帶數組無記錄時一棵樹抽取結束；此時應抽取原始等價表c和l行，只有l行有記錄，抽取出來，如表12所示：

表12由附帶數組一再次抽取的各表

再回到步驟（4.4），得到的附帶數組二，如表13所示：

表13由上次抽取拷貝得到的附帶數組二

再根據附帶數組二的值從原始等價表中抽取f和i行，只有i行有數據，抽取出來，如表14所示：

表14?由附帶數組二再次抽取的各表

最終得到的抽取矩陣就是一個完備的等價集，如上圖所示，求取其最小值即為該抽取矩陣所有元素的標號；

剩下的原始等價表需要進行下一輪的抽取；

(5)對等價表完備性的證明

A、如果等價表不是雙向的則會導致抽取的不完全，如下表：

MnN?

(5.1)、假定(m,n)等價，若只記錄第m行第n個數為1；

(5.2)、先抽取到第m行后接下去會抽取第n行；

(5.3)、先抽取到第n行則不會再抽取m行該行可能會丟失；

B、值表是雙向時的證明：

(6.1)、只需證明每個等價值都被串接；

(6.2)、證明：不失一般性，任意等價數m，n；

(6.3)、直接等價時若(m,n)等價，由以上m等價的值與n等價的值都會被抽取到同一抽取矩陣中；

(6.4)、間接等價時(m,p)，(p,n)分別等價等價則等價表如下，無論先抽取到誰，該三行m,n,p都會被抽到同一抽取矩陣下：

mp?pmnnp?

(6.5)、同理多次間接等價時也會被抽到同一矩陣下；

(6.6)、故該方案是完備的；

步驟3：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

掃描標記后的像有標記的即為瑕疵，標號不同的即為不同的瑕疵,具體做法如下：

(1)、計算所有瑕疵外接矩形頂點坐標的相對距離；

(2)、四個頂點只有兩個橫坐標兩個縱坐標；

(3)、兩個瑕疵取橫坐標和縱坐標差各四次；

(4)、取橫坐標縱坐標差最小值利用距離公式求距離；

(5)、設定閥值，將小于閥值距離的兩個標號記錄到等價表中，并記錄相關坐標信息等；

(6)、按照等價表的操作方法再次處理使臨近區域也被賦上同一標號；

步驟4：利用Intel?CPU+windows的多核多線程編程

(1)利用多核多線程編程充分利用cpu資源，防止丟幀,要求：?

(1.1）各個線程間的傳遞要求是必須對同一幀圖像的處理；

(1.2）返回的數據必須相互對應：瑕疵的坐標位置大小種類等信息和顯示的圖像必須一致；

(1.3）線程中需要盡量減少至消除丟幀的情況；

(2)?線程設計如下：

(2.1）線程1：讀取圖像數據，板卡每次讀取2000行，程序每次讀取行數自定義，初設為500行，若板卡剩余的行數不夠500行則需從下一次中補足；

(2.2）線程2：對圖像數據處理，shading方法將圖像像素拉到128附近的灰度圖便于處理，逐行掃描圖像數據記錄初步的等價表等相關信息；

(2.3）線程3：等價表處理；

(2.4）線程4：顯示標記圖像數據。