【文章內容簡介】 明的方向性來說，光源有漫射或是直接照射兩種方式。直接照射時，光集中在一個非常窄的空間范圍；漫射時，光源發(fā)出的光在各個方向幾乎具有一樣的強度。從光源、相機和被測物的相對位置來說，如果光源與相機處于被測物的同側，則為正面照明；如果光源與相機分別位于被測物的兩側，則為背光照明方式。另外，照明方式還可以分為明場照明和暗場照明兩種。明場照明時，光源發(fā)出的絕大部分光都反射到了相機；暗場照明時，光源的位置使得僅有照射到被測物特定部分的光反射到相機[19]。這些標準相互獨立，可以組合產生多種照明方式。，[31]。（a） 沐光方式（b） 低角度方式（c） 扁平環(huán)狀照明（d） 圓頂方式（e） 背光照明（f） 同軸照明 常見的照明方式 常見的照明方式比較照明方式特點常見應用沐光方式亮度大、靈活，但會產生陰影和反光檢測平面和有紋理的表面低角度方式能夠凸顯被測物的表面結構邊緣檢測、劃痕、裂紋等檢測扁平環(huán)狀均勻漫射的頂光，可避免眩光和陰影檢測環(huán)形物體（墊片，墊圈）圓頂方式可以得到非常均勻的照明檢測表面凹凸、曲面、弧形表面背光照明可以獲得高清晰的輪廓物體外形檢測、尺寸檢測等同軸照明抑制反光和消除圖像中的重影高自反性對象檢測，如鏡面劃痕3） 照明系統(tǒng)方案設計活塞包膠組件表面缺陷具有多樣性，只有采取合適的照明方式才能凸顯缺陷特征，降低后續(xù)圖像處理的難度。通過查找資料和實驗驗證，我們設計了適合活塞包膠組件的照明方案。前面提到過，活塞上端面的缺陷多為閥線掉塊、無阻尼孔或是氣孔，這些結構在環(huán)形光低角度照明方式下尤為明顯，低角度照明可以凸顯活塞包膠組件的閥線掉塊缺陷，但是圖像陰影極為嚴重，沐光方式雖能獲得照明均勻的圖片，但在沐光方式照明下，缺陷極不明顯，難以識別。因此我們將兩者結合起來，（a）的照明方式。（a） 上端面照明方式（b）左示照明方式下的圖像（c） 低角度方式的圖像（d） 沐光方式的圖像側面圖像的拍攝同時采用了自制背光源和環(huán)形光進行照明。背光源可以凸顯活塞包膠組件的側面輪廓，環(huán)形光起前向照明的作用，以便提高組件包膠的裂紋、劃痕等缺陷與膠套的對比度。而活塞包膠組件的下端面缺陷多是內閥線掉塊，雖然低角度照明方式對該種缺陷較有效，但組件下端面的結構導致低角度照明的光無法到達下端面，因而只能采用沐光方式照明。 活塞包膠組件的側面及下端面圖像 圖像采集設備圖像采集設備一般包括圖像采集卡、工業(yè)相機及鏡頭。它的主要功能是快速獲取被測對象的圖像，將其轉換為數字圖像供計算機處理。1）工業(yè)相機工業(yè)相機按圖像傳感器可以分為CCD相機和CMOS相機。一般說來，CCD相機比CMOS相機的信號采集能力更強，噪音更低，但技術要求很高，成品率底，因而成本較高；CMOS相機雖然信號采集和噪音控制能力均不及CCD相機，但它勝在集成度高，生產工藝簡單，因而成本低廉。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，CMOS相機逐漸成熟，以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)中采用了CMOS工業(yè)相機。除了圖像傳感器芯片以外，選擇相機時還應綜合考慮下列因素：a) 掃描類型工業(yè)相機按照掃描類型可以分為線陣相機和面陣相機。線陣相機的芯片只有一行感光器件，每次只能對物體的一條線進行成像，具有速度快，分辨率高，可以實現運動物體的連續(xù)檢測的優(yōu)點，但需要拼接圖像的后續(xù)處理；面陣相機芯片的感光區(qū)是個矩形陣面，每次都能對物體進行整體成像，它的優(yōu)點是價格便宜，處理方面，可以直接獲得一幅完整的圖像。線陣相機更適用于分辨率要求極高的項目里，本系統(tǒng)中面陣相機即可滿足需求。b) 分辨率分辨率是影響圖像效果的重要因素。分辨率越高，圖像質量越清晰，但是圖像信息量也越大，會導致處理時間的增加。相機分辨率的計算公式如下[32]：活塞包膠組件的直徑在30mm左右。，根據上述公式有：由此可知，相機分辨率只需高于300300即可。c) 靈敏度靈敏度反映了相機傳感器對光線變化的敏感程度。數值越小，相機靈敏度越高。d) 信噪比信噪比越高則其噪音越小，拍攝的圖像越清晰。一般說來，相機的信噪比超過45dB就能獲得較好的圖像。本系統(tǒng)中采用了德國Basler公司的A602f工業(yè)相機。 Basler A602f性能參數相機參數技術指標分辨率656491芯片類型CMOS像元大?。ǎ┳畲髱瑪担‵PS）60接口類型IEEE 1394a信噪比（dB）47外形尺寸(L x W x H) mm x 44 mm x 29 mm鏡頭接口Cmount2） 圖像采集卡圖像采集卡的主要功能是將視頻信號轉換為電腦可處理的數字格式，經PCI總線實時傳到內存和顯存。在選擇采集卡時主要考慮以下兩點：a) 圖像采集卡與相機的匹配圖像采集卡與相機的匹配是一個尤為重要的問題。相機接口有多種制式，如Camera Link、LVDS/RS421394等，選擇圖像采集卡時接口一定要與所選用相機相匹配。另外，不同的相機還具有不同的分辨率、觸發(fā)方式和掃描模式等，在選擇圖像采集卡時，一定要保證所用圖像采集卡支持相機的這些功能。b) 圖像采集卡的軟件包目前各廠商的圖像采集卡和其專用的圖像處理軟件大多是捆綁銷售的，因此在選擇采集卡的同時還必須考慮該采集卡配套的軟件是否容易上手，能否縮短開發(fā)時間等，此外，還需考慮該軟件與電腦是否兼容的問題[33]。綜合考慮了采集時間、圖像質量等因素后選擇了Matrox MeteorⅡ/1394圖像采集卡。這是一款應用于PC機上的簡單化的高性能IEEE 1394toPCI數字視頻轉接卡，它具有下列特點[34]：l 3個400Mbps IEEE 1394 接口；l 擴展的FIFO保證采集到PC；l PC機可直接對IEEE 1394供電；l 應用MIL開發(fā)包可支持基于IIDC Digital Camera Specification的IEEE 1394數字視頻相機； Matrox MeteorⅡ/1394圖像采集卡3）光學鏡頭光學鏡頭的作用相當于人眼的晶狀體，離開了晶狀體，人眼看不到任何物體；同樣，離開了鏡頭，相機獲得的圖像就是白茫茫的一片，沒有清晰的圖像輸出。選擇鏡頭時需注意以下參數 [35]：l 鏡頭的成像尺寸：應與相機傳感器靶面尺寸相匹配，以1/2鏡頭為例，它既可用于1/2相機，也可用于1/3相機；但是1/3鏡頭不能用于1/2相機。l 鏡頭分辨率：指鏡頭清晰分辨被攝對象細節(jié)的能力，以每毫米能夠分辨的黑白條紋數為計量單位。l 光圈或通光量：鏡頭的通光量衡量標準是鏡頭的焦距和通光孔徑的比值，以F為標記。通光量與F值的平方成反比關系，F值越小，則光圈越大。每個鏡頭上均標有其最大的F值[36]。l 鏡頭焦距與視野角度：焦距與視角具有焦距越小，視角越大的關系。而要滿足系統(tǒng)成像要求需選擇合適的焦距?？梢愿鶕鄼C到被攝對象的距離，按照式（）計算鏡頭的焦距： （）式中，u是相機到被攝對象的距離，w為相機傳感器靶面長度，d是被攝對象的長度。在鏡頭焦距確定以后，由于相機靶面尺寸已確定，視角大小也可根據公式計算得出。我們選用了Computar M0814MP鏡頭。 Computar M0814MP鏡頭 Computar M0814MP鏡頭參數表產品型號M0814MP焦距（mm）8靶面尺寸2/3最大成像尺寸（mm） （Φ11）光圈范圍視場角(DHV)后焦距（mm）接口CMount尺寸（mm） 本章小結本章介紹了活塞包膠組件缺陷檢測系統(tǒng)的總體設計方案，在分析活塞包膠組件存在的主要缺陷的基礎上，比較了多種照明方法，針對組件缺陷的實際情況制定了合適的照明方案。同時根據硬件選用原則選擇了符合系統(tǒng)需要的相機、鏡頭、采集卡等硬件，為后續(xù)圖像處理環(huán)節(jié)打下了良好的基礎。3 活塞包膠組件缺陷檢測算法研究3 活塞包膠組件缺陷檢測算法研究 活塞包膠組件的圖像預處理數字圖像處理技術是機器視覺檢測技術的核心，它使用計算機對量化的數字圖像進行處理，具體地說就是利用各種手段對圖像進行加工以改善圖像外觀，使圖像具有更好的效果，為后續(xù)的圖像分析和識別做準備[37]。本課題的要求是檢測活塞包膠組件（以下簡稱組件）的缺陷特征，即需對組件圖像進行分析和識別，判斷其是否存在缺陷。一般說來，圖像采集過程中的晃動及光源照明情況會導致圖像對比度不高或是噪聲干擾的情況，因此，在圖像分析和處理之前需要對組件圖像進行處理，下面將介紹課題中用到的圖像處理技術。 圖像濾波數字圖像形成、傳輸及記錄過程中，往往會因成像設備、傳輸介質和記錄設備等的不完善而受到噪聲的污染。圖像濾波處理的目標是在盡量保留圖像細節(jié)特征的條件下抑制圖像的噪聲，增強圖像的對比度，其處理效果的好壞將直接響到后續(xù)圖像處理和分析的有效性和可靠性。圖像的濾波方法一般分為頻域濾波和空域濾波兩大類，考慮到算法簡單性問題，這里主要討論均值濾波和中值濾波兩種方法。 均值濾波均值濾波用濾波掩模在圖像中逐點移動，在每個點處的像素值由相應掩模所確定的鄰域內所有像素的平均灰度值代替，能有效減少圖像灰度的尖銳變化，使圖像變得平滑[38]。用表示一幅大小的輸入圖像，表示的濾波掩模（一般情況下，取奇數），表示均值濾波的輸出，則輸出結果可由下式得出： （） 式中。 ，即圖像在二維空間是有限的，因此，在計算靠近圖像邊緣的像素時，掩模會訪問到圖像外未定義的灰度值。要解決該問題，可以將圖像外的灰度值定義為0，也可以令其灰度值等于相近邊緣的灰度值[39]。 中值濾波中值濾波是一種常用的非線性濾波方法。與均值濾波不同，均值濾波以掩膜范圍內的平均值代替中心像素值，而中值濾波是將濾波器包圍區(qū)域中的所有像素灰度值進行排序，取其中值作為相應位置的替代值。用一幅大小的輸入圖像，表示的濾波掩模（一般情況下，取奇數），表示中值濾波的輸出圖像，中值濾波的計算過程如下：1） 將在掩模窗口內的像素點灰度值按升序（降序）排列，得到序列向量；2） 按下式計算： （）3） 令掩模在圖像中逐點移動，計算所有點的像素值。（a）原始圖像（b）均值濾波結果（c）中值濾波結果 均值濾波和中值濾波結果對比由圖可知，均值濾波雖然能夠去除一些噪點，但是會造成輸出圖像的邊緣模糊，不利于進行后續(xù)處理操作。中值濾波在有效地去除一些尖銳的噪聲點的同時，能夠保證圖像的清晰度。本文選用33中值濾波器對組件圖像進行濾波處理。 圖像分割圖像分割是非常重要的圖像處理技術。機器視覺系統(tǒng)中的圖像通常由目標和背景構成，目標即是指圖像中與感興趣物體（被測對象）相對應的部分，剩余部分即為背景。圖像分割的目的就是把目標從背景中分離出來，這樣才能對其進行后續(xù)的特征提取，進而達到辨識和分析目標的目的。目前圖像分割的方法有很多種，對于單色圖像的分割算法來說，它們都基于圖像亮度值的兩個基本特性：不連續(xù)性和相似性。前者利用亮度的突變來分割圖像，如邊緣檢測、邊界跟蹤等算法；后者則是根據事先定義的準則把圖像分割成相似的區(qū)域，如閾值分割、區(qū)域生長等[40]。 閾值處理算法圖像閾值處理在圖像分割應用中占據中心地位，它具有直觀性和簡單性的特征，其基本思想是利用圖像中目標與背景像素的灰度級差異，選取一個閾值T來判斷圖像中的像素點屬于背景還是目標，生成相應的輸出圖像。設輸入圖像為，按照一定的準則找出一個范圍Z，以此為標準將圖像分割為兩部分，對輸出圖像有： （）若，得到的圖像為二值圖像。常見的閾值分割算法有雙峰法、最大類間方差法及迭代法等。1） 雙峰法如果圖像中目標和背景具有較均勻的灰度分布。這時可以選擇雙峰之間谷底的灰度值作為分割閾值。此種方法簡單易行，但是容易受到噪聲的干擾，導致閾值選取錯誤。 雙峰法確定閾值2） 最大類間方差法（OTSU法）1978年Otsu提出的最大類間方差法是一種常用的閾值分割方法，它的閾值選定依據是使目標的平均灰度、背景的平均灰度與圖像的平均灰度之間的差異（即區(qū)域的方差）最大。對于圖像，令為目標像素占整幅圖像的比例，目標區(qū)域平均灰度記為；為背景占整幅圖像的比例，背景區(qū)域平均灰度記為。整幅圖像的平均灰度為，則類間方差g可按下式計算： （）該方法能夠自動選擇閾值，且分割結果較好，因而應用廣泛。3） 迭代法迭代法的基本思想是先設定一個近似值作為閾值，然后依照特定的規(guī)則計算得出新的閾值，直到滿足規(guī)定條件為止。一種典型的迭代閾值分割算法步驟如下：l 設定初始估計值；l 利用將圖像分割為背景和目標兩個區(qū)域；l 分別計算兩個區(qū)域的灰度平均值和；l 按照計算新的閾值；l 重復上面3個步驟，直到迭代所得的閾值T小于預先定義的參數[41]。 因為圖像直方圖的雙峰相距太遠，已不適用于活塞包膠組件圖像的分割，這里列出了其余兩種閾值分割的處理結果對比。由圖可知，最大類間方差法和迭代法雖然可以有效地分割出活塞包膠組件的輪廓，但是其中阻尼孔一類的信息已經丟失了。（a）原始圖像（b）最大類間方差法（c）迭代法（d） 原始圖像（e）最大類間方差法（e） 迭代法 閾值分割方法處理效果對比 邊緣檢測算法邊緣是邊緣點的集合，它是圖像的最基本特征。所謂邊緣點是指圖像中灰度值導數較大或極大的地方，它們的周圍像素灰度會產生階躍變化或是屋頂變化