[發明專利]一種基于圖像數據變窗口缺陷監控的統計過程控制方法

有效

• 申請號: 201710609737.7
• 申請日: 2017-07-25
• 公開（公告）號: CN107515596B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 黃婷婷;王尚剛;侯濤
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;G06Q10/06
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種基于圖像數據變窗口缺陷監控的統計過程控制方法，其特征在于：該方法步驟如下：

步驟一：獲取圖像

在生產過程中，每隔預設的時間間隔，獲取一張產品的圖像，將圖像數據實時存儲并按順序編號為1,2,…；以下將圖像所對應的編號稱為“圖像序數”；

步驟二：圖像預處理

對實時獲取的產品圖像數據，進行圖像處理，包括去除圖像背景影響、平衡光照、去除噪聲、歸一化圖像大小及分辨率、顏色空間變換，使獲得的圖像的背景具有一致性；

步驟三：理想圖像的獲取

根據產品在實際制造過程中所產生的大量受控圖像數據，對這些受控圖像進行圖像預處理步驟后，對這些受控圖像進行算術平均，得到一幅受控狀態下的理想圖像；對受控圖像數據整理和排序后，建立圖像像素點亮度值服從的數學分布的模型；

步驟四：變窗口監控

產品質量發生變異的區域處，其產品圖像的像素點亮度值將會偏高或偏低于正常波動范圍；根據這一原理，對經過圖像預處理后的產品圖像進行二值化，根據預設需求標記較明或較暗的區域，即為可能發生變異的區域，記為p；針對需要監控的產品圖像，預先對其進行標記，只針對標記部分而不是針對整幅圖像進行監控，即“變窗口監控”，具體如下：

對于每一幅新增加的產品圖像，稱為“當前圖像”，記為t，都通過上述“變窗口監控”過程，標記出與之對應的可能發生變異的區域，記為k，k＝1,2,…,p；以像素的亮度值為特征進行分析；當前圖像t中標記的可能發生變異的區域k內的像素點的實際平均亮度值，記為Y_tk；同時根據步驟三，得到在對應區域內，受控狀態下產品圖像的像素的平均亮度值，記為X_k；以此類推，得到每個標記的可能發生變異的區域內的像素的平均亮度值；對每一幅當前圖像t，進行如下劃分：

Y_t＝(Y_t1，Y_t2，…，Y_tk，...，Y_tp) (1)

其中t為當前圖像，p為當前圖像中標記的可能發生變異的區域；

步驟五：極大似然率統計量計算

對于每一幅當前圖像t，其之前的圖像，即當前圖像之前的全部或部分圖像數據，稱之為“歷史圖像”，數量為m，m≤t，分別標記出對應的區域；因此，每當一幅當前圖像加入的時候，都會有對應的多幅歷史圖像及當前圖像的多個區域的圖像數據；按照如下的計算方法，得到最大的極大似然率統計量及其定位；

理想狀態下第k劃分區塊內的亮度值應服從于正態分布，X_k代表受控狀態下產品圖像數據在第k劃分區塊的亮度均值，也即步驟三得到的理想圖像的第k劃分區塊內的亮度均值；代表第k劃分區塊內圖像像素波動范圍的方差，從步驟三中建立的數學模型中得到；如果制造過程發生了偏移，則μ_1，k代表制造過程發生偏移后第k劃分區塊內的亮度均值，其值未知；根據實際經驗以及采用的數學模型，假設在制造過程中不發生變化；

假設當前進行到第s層，則得到一個關于層數與區域的序列Y₁，Y₂，…，Y_s，每一個分量根據公式(1)定義；假設制造過程在圖像τ處發生了偏移，τ＜s，則第s幅圖像的第k區域上的似然函數被定義為：

如果過程未發生偏移，則似然函數為：

對數似然比統計量R_s定義為：

可化簡為：

n_k為劃分區域k上的像素數，可見公式(2)包含了圖像的時間與空間信息；

采用實時更新的辦法，考慮距離s圖像之前的m層圖像，即為“歷史圖像”，根據實際情況選擇m的數值，m≤s，可能發生偏移，改進(2)得到：

當R_m,sh_GLR，時認為發生異常并報警，同時記錄下和h_GLR是控制圖上界，可由步驟六得到，因此，(3)表述為：

是出現異常的圖像層數,是出現異常的區域數；

步驟六：確定控制圖上界

根據步驟三中的理想圖像，以此為標準，通過模擬制造過程生成仿真數據；計算仿真數據得到受控狀態下的似然率統計量；

因為誤警風險的必然存在，在平均一段時間里，控制圖會出現一次誤警；在誤警之前，控制圖上的受控點數被稱作平均運行鏈長，記為ARL₀；根據步驟三所確定的圖像像素亮度值所服從的數學分布及人為確定的誤警率，通過統計過程控制方法的相關知識確定相應的ARL₀；

選取合適的閾值h_GLR，使得在該閾值下仿真數據的控制圖恰好達到ARL₀，則此h_GLR即是控制圖的上界，當實際生產時的極大似然率統計量超過此h_GLR就報警；

步驟七：繪制控制圖

按照產品圖像數據的產生順序，繪制控制圖，圖上每個點的橫坐標表示為圖像序數，縱坐標是該幅圖像對應的極大似然率統計量，平行于橫坐標軸的一條線是閾值線；當繪制的點超出閾值時，發出報警信號。