基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究（可编辑） .doc

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1、基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 姓江苏大学 二零一叁年六月独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果,也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:害及凌 加了年月弓日学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术

2、期刊光盘版电子杂 志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致,允许论文被查阅和借阅, 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提 供查询,授权中国学术期刊光盘版电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论 文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布包括刊登授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名:圭诞谨. 沙卜年易月少日 指导教师签名献二喜 州年多月卢江苏大学硕士学位论文 摘要 从上世纪年代至今,中国眼镜业实现了腾飞的质变,目前中国眼镜总产量占到了

3、 世界总产量的%。然而眼镜镜片缺陷的种类、数量及面积比例检测一直是镜片检测工 作的重点与难点。由于检测样品数量大、品种多、检测精度要求高,使用人工检测法不仅 耗时长、效率低、成本高,而且依靠人眼观察检测具有误检率高、对人眼伤害严重等缺点, 因此人工检测法亟待改进。 本文研究了一种基于机器视觉技术的树脂镜片缺陷瑕疵自动化检测方法,根据本课题 的实际情况,设计了树脂镜片 自动检测光学硬件照明 系统,为树脂镜片瑕疵缺陷的精确检测提供了优良的均匀照明光源。在获得均匀背景照明 的前提下,计算和选取合适的及工业镜头来进行图像获取工作,以满足本课题对于 精度、速度等要求。详细阐述了对树脂镜片精细检测的图像处

4、理过程,系统地研究了树脂 镜片的图像预处理、图像滤波、图像分割、特征提取、目标计数等问题。系统阐述了利用 软件实现图像处理的整个过程,并对本树脂镜片瑕疵缺陷检测系统进行准确度验证,最终 实现了对树脂镜片瑕疵缺陷获取、处理、识别和计数,为自动化分级分拣系统的研发提供 重要的数据支持的同时,也为镜片缺陷检测系统的后续分级分拣的数字控制模块提供了可 操作性。 本文研究的基于机器视觉技术的树脂镜片自动化检测系统是机械、光学、电气智能一 体化检测产品,其具有机器视觉技术的快速性、可靠性的特点,还具备数字图像处理技术 及模式识别技术的智能化、精度高的特点,实现了树脂镜片缺陷瑕疵自动化检测,从而避 免了人工

5、检测的各种弊端,大大提高了检测效率及精度,具有广泛的市场应用前景。 关键词:机器视觉,特征提取,图像处理,瑕疵识别,目标计数基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究江苏大学硕士学位论文 ,?%.,. , ,., , , . , . , , ,. , ,., , , ,.基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 : , ,江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论?. .研究背景及意义?. .国内外研究现状? .质量检测研究? . 自动化光学检测研究. .图像处理研究 .本文研究内容及结构?. .本文研究内容. .本文的结构?. 第二章图像获取光学平台设计?. .树脂镜片缺陷瑕疵特征分析

6、?。 .光学照明模块设计?. .检测光源种类. .照明方案.光学结构.本课题照明方案?. .工业相机的选型. .工业相机镜头的选型?. .镜头主要参数. .镜头的选取? .本章小结. 第三章树脂镜片缺陷瑕疵的图像处理?. .图像处理技术简介?. .图像处理技术的主要目的? .图像处理技术的常用方法。 .图像预处理?. .缺陷获取环境及噪声分类. .图像格式转换?。 .图像灰度变换?.基丁机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 .图像平滑去噪 .图像分害? .基于阈值的图像分割法?。 .基于区域的图像分割法?。 .基于边缘的图像分割法?。 .膨胀与腐蚀?。 .本章小结. 第四章镜片缺陷图像特

7、征提取?。 .树脂镜片缺陷瑕疵的特征提取原理? .各种树脂镜片缺陷的特征?. .树脂镜片缺陷的特征提取?. .镜片缺陷特征提取依据.镜片缺陷的几何特征. .图像瑕疵的图像特征参数. .缺陷目标类别判断?. .缺陷特征实验结果分析? .缺陷瑕疵计数?. .本章小结. 第五章基于树脂镜片图像缺陷图像处理系统的实现. .开发环境选择?. .介绍? .树脂镜片缺陷瑕疵处理.软件设计流程. .系统程序具体设计方案.系统检测结果对比分析.本章小结 第六章总结与展望?. .全文总结. .展望?. 参考文献? 翌谢?. 攻读硕士学位期间发表的学术论文?. 江苏大学硕士学位论文 .研究背景及意义 第一章绪论 弟

8、一早硒化 机器视觉技术是指利用现代机器设备代替人眼来进行测量和识别的技术。通常,机 器视觉系统工作原理为:首先通过机器视觉设备图像获取装置将待测目标拍摄转换成 模拟图像信号传送给图像处理系统,然后根据图像特征如明暗、色彩、分布等基础信息将 模拟图像信号转变成数字化信号;接着图像处理模块对数字信号图像进行图像运算来提取 兴趣目标的特征,最后将提取识别出的目标结果输出给后续设备来控制设备动作。图像处 理技术的飞速发展是机器视觉技术得意大规模应该的基础,机器视觉实际是从计算机信息 处理的角度研究人类视觉认知过程的二门技术,近十年来,随着人类对机器视觉理论研究 和应用技术的不断深入,机器视觉正在以飞快

9、的速度发展,并广泛地应用到数字移动终端、 气象预报、航天技术、军事应用、农业研究等诸多新兴与传统领域,为社会发展提供了源 源不断的动力。 本论文主要研究机器视觉技术在树脂镜片缺陷瑕疵检测中的应用。目前中国眼镜镜片 总产量占到了世界总产量的%以上。眼镜镜片缺陷瑕疵的种类、数量、大小及位置等 信息检测一直是镜片检测工作的重点与难点。就目前而言,国内大部分镜片生产商都是采 用人工检测法来检测大批量的镜片,但是人工检测法有诸多缺点: .检测人员主观性影响。人工检测法检测的好坏与检测人员的工作经验及工作态度 有关,比如由于检测工人责任心不强。通过多次收集镜片公司数据发现单批次缺陷瑕疵的 漏检率高达%以上

10、,这样的误检率已经严重影响工厂的正常生产。 .人工检测速度慢。人工检测法的检测速度比较慢,通常一个熟练的检测人员检测 一个镜片需要至少以上,这样的速度不能适应现代化大生产的要求。 .人工检测精度低。由于人工检测仅通过人眼的观察,而人眼的分辨极限有限,对 于介于分辨极限的缺陷瑕疵,不同的检测人员会得出不一样的检测结果,这种不确定性为 产品分类带来不利影响;而且长时间的检测会造成人眼极端疲劳,这直接影响到检测的准 确性。 .人工检测成本高。随着中国人工劳动力成本越来越高,镜片生产公司的检测消耗 大量的人工劳动力,为此需要支出的工资成本逐年增加,这些成本已经开始影响企业的长 远效益。基丁机器视觉的镜

11、片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 因此,研究一种高效的自动化检测方法变得异常迫切。考虑到利用接触传感方式的自 动化检测受到检测精度要求高、镜片本身的脆弱性以及可能带来的二次污染的影响并不适 合高精度树脂镜片自动化检测,所以利用数字图像处理、机器视觉的非接触式技术对树脂 镜片产品进行在线高速检测已经成为保证产品质量的一种非常有效的技术手段。先进的自 动化检测技术是先进制造业的一个重要环节,树脂镜片缺陷的识别和高效、可靠检测已成 为提高镜片水平、提高产品质量和档次的一个重要因素。但国外高昂的自动化检测设备价 格极大的增加了国内厂商的生产成本。另一方面,随着国内外光源性能不断提升, 环形光源、低角度光

12、源、散射光源、同轴光源等多种类型颜色的高质量、长寿命的 光源大量出现;光源、高分辨率相机及光学镜头价格成本的下降,研究本课题 的可行性得到了有效的保证。 .国内外研究现状 .质量检测研究 国外在上世纪九十年代初开始研制机器视觉自动化检测设备,这些公司拥有雄厚的经 济实力和不断成熟的技术,国际上在上世纪九十年代初就开始研制计算机视觉检测设备, 如德国公司在,的帮助下,采用先进的摄像技术进行在 线缺陷检测,研制成功首台在线镜片检测系统,可区分气泡、颗粒物、线道、划痕等镜片 缺陷,检测精度为.,检测速度为秒/片。国内目前也有少数几个检测研制企业在 进行镜片及其制品检测设备的研制,但其开发出的产品仅相

13、当于国外八十年代的水平,由 于未采用诸如机器视觉、模式识别等先进技术,导致整机设备体积庞大、调试困难、功能 单一,其开发出的产品在检测精度和速度方面还远远不能满足镜片生产商的实际要求。因 此现阶段国内绝大多数镜片生产商通常采用最原始的人工检测法【】。 .自动化光学检测研究 自动光学检测 是基于光学原理来对生产中遇到的 常见缺陷进行检测的技术。是最近几年兴起的一种新型检测技术,但是其发展迅速, 并应用在人们生产各个方面,是光学非接触式的在线检测技术,利用计算机图像处 理技术对待测物进行分析与比较 检测。目前已经在国内外 诸多领域得到的应用,其的主要优点是易于模块化程度高、操作简便、编程开发容易、

14、非江苏大学硕士学位论文 接触式无损检测、自动化程度高和检测精度高。 目前就国内而言,设计生产技术还刚刚起步,年神州视觉公司研发了国内 首台系统品牌,年该公司开始批量生产设备,年成功研 制在线式 .并于同年开始销售,年研制成功并上市新款离线试 .,年总销售量突破台并以%的速度快速增长,年成 功研发智能在线式设备及全新离线式和系列设备;深圳 易科讯科技有限公司的系统研制项目完成了控制软件的开发,首台离线自动光 学检测设备具有高清晰度图像、支持离线检测、检测精度高等优点。然而 国内这些设备依然有许多不完善的地方,并不能真正实现稳定精确的在线检测要求。 国内设备的研制有诸多困难:一是光学照明系统、及工

15、业镜头等视觉设备的技 术依然相对落后,对国外视觉设备依赖性强;另外人工智能、机器视觉、数字图像处理等 领域的研究和应用还处于初级阶段。由于国内技术的相对落后,导致进口设备 相对昂贵许多,国外技术已经逐渐非常成熟,产业链发达。目前世界上设备主 要的开发商有美国、德国/以色列、英国、日本和, 而他们的设备价格每套都在百万以上。 .图像处理研究 自二十世纪年代中期以来,随着计算机软硬件水平的不断提高,图像处理技术已 经取得了长足的发展,图像处理技术研究方向主要负责研究和探索计算机图形学和图像处 理领域的沿技术及其应用。目前图像处理技术已经广泛地应用在空间探测、交通管理、 气象灾害预报、军事侦察、移动

16、客户端、自动驾驶、生物医学、电子商务、人工智能、文 化艺术等领域,极大的促进了这些行业的发展【。】。尤其近二十年来,图像处理技术的发 展速度惊人,现在人类已经将数字图像处理技术作为促进社会生产力的重要手段,其已经 成为二十一世纪各国白热化竞争的关键领域之一。 通常而言,图像通常指各种图形和影像的同意称呼。在日常生活以及科学研究中,图 像都是不可或缺的成分之一。经采集的传统照片一般是模拟信号组成的,为了便于计算机 运算处理与储存,需要对模拟图像信号进行数模转换成数字图像,所谓数字图像就是以二 维计算机数字组形式组成的图像,单位为像素,经由计算机不同的数学运算执行某些特定 的处理和分析。 本课题利

17、用图像处理技术对树脂镜片缺陷瑕疵进行检测,用以研发在线的自动化瑕疵基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 缺陷检测系统。本文在树脂镜片缺陷瑕疵自动化检测系统中用到的数字图像处理技术如 下: .图像获取 本文图像获取采用工业相机,结合设计的均匀背景光照明装置,拍摄获取待测镜片的 模拟图像,然后经过数模转换模块,将模拟图像信号转换成数字图像信号,传送给图像处 理计算机。 .图像预处理 图像的预处理【】是指对原始获取获取图像进行前期图像处理,达到消除减小噪声、杂 波等影响,如图像二值化、中值滤波和边缘增强等。图像预处理的主要目的是消除图像中 无关的信息,恢复有用的真实信息,增强有关信息的可检

18、测性和最大限度地简化数据,从 而改进特征提取、图像分割、匹配和识别的可靠性。 .图像分割 图像分割【】是 把图像分成各具特性的区域并提取需要目标区域的技术。将该区 域的特性如灰度值、颜色或纹理等划分为独立的区域。图像分割的目的是将图像分割 出关键而有意义的区域,然后从中提取出目标对象,为后续的图像识别等操做准备准备。 .特征提取 特征提取【】是指利用计算机提取图像有用信息,判断图像中每一个像素点是否属于 同一个图像特征,因此特征提取的最终结果是把图像上的像素点分为不同的集合,这些集 合通常属于孤立的点、连续的曲线或者连续的区域,为目标瑕疵缺陷计数打下基础。 .本文研究内容及结构 .本文研究内容

19、 本文对树脂镜片缺陷瑕疵自动化检测设备图像获取与图像处理系统等相关技术问题 进行深入研究,研究内容包括以下几点: .对图像获取的硬件系统进行研究:系统分析图像获取系统原理;比较照明光 源种类及照明方式对视觉图像的影响;分析及相关配套光学镜头关键硬件参数对本 系统性能的要求;设计适合本系统光学照明的机器视觉系统,成功搭建可以进行更深入研 究的硬件平台。 .对图像处理的技术进行研究:系统深入的分析了图像处理技术的主要目的及常用江苏大学硕士学位论文 方法;分析了本课题树脂镜片缺陷瑕疵的主要来源,并针对其特点选择合适的图像预处理 手段;详细阐述了图像分割的意义及技术手段,分别利用不同的图像分割技术对本

20、课题样 本进行分割处理,比较得出最适合本课题的图像分割算法。 .对图像缺陷瑕疵特征提取技术进行研究:分析特征提取的主要原理;比较树脂镜 片各种类型缺陷的特征;分析树脂镜片缺陷瑕疵特征的提取及对缺陷瑕疵种类的判断;对 样本缺陷进行计数。 .本文的结构 论文分六章进行阐述: 第一章、绪论:全面描述了本课题研究的内容、背景和意义,回顾了国内外、 机器视觉及图像处理技术的研究现状。 第二章、图像获取光学平台设计:分析树脂镜片缺陷特征:设计适合本课题树 脂镜片的机器视觉系统,搭建可以进行下一步研究的硬件平台。 第三章、树脂镜片缺陷瑕疵的图像处理:介绍分析了图像处理技术的主要目的及常用 方法;运用图像预处

21、理技术对树脂镜片进行相关处理比较;分析图像分割技术,并分别对 样本图像进行图像分割处理,得出最优方案。 第四章、镜片缺陷图像特征提取:分析树脂镜片缺陷瑕疵的特征提取原理;分析各种 树脂镜片缺陷的特征;分析树脂镜片缺陷的特征提取,包括镜片缺陷特征提取依据、镜片 缺陷的几何特征、图像缺陷的图像特征参数;分析缺陷目标类别判断、缺陷特征实验结 果分析、缺陷瑕疵计数。 第五章、基于树脂镜片图像缺陷图像处理系统的实现:分析了本课题开发 环境选择;对系统进行介绍,包括特点、的主要组成部 分、的图像处理功能;树脂镜片缺陷瑕疵处理 第六章、总结和展望:总结全文对树脂镜片缺陷瑕疵自动光学检测相关技术的研究, 提出

22、需要改进的研究方向。基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 第二章图像获取光学平台设计 图像获取是图像检测技术的第一步同时也是至关重要的一步,其本质上是一个 光电转换过程,即将待测物体的图像转换成可以被计算机识别处理的数字图像【】。图像 获取系统是获取客观事物的图像信息,进行相应的图像处理,最终进行实际检测识别跟控 制。一个典型的工业图像处理检控系统包括照明光源、光学成像系统、图像采集系统、图 像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断识别模块和机械控制执行模块,图.为图 像处理简图。 从图中可以看出基本流程:首先通过摄像机或其他图像拍摄装置拍摄经过照明 系统优化的待测镜片,将目标信号转

23、换成图像信号,然后转码成数字信号传送给图像处理 系统,再根据像素分布、亮度和颜色等图像信息,进行各种图像运算来提取目标特征,最 后根据检测标准和其他筛选条件进行分级判断输出判断分级结果。 在图像处理检测系统中,初始段便是图像获取系统,其主要由光学照明系统、 摄像机及配套镜头和图像采集卡组成,图像获取装置性能的好坏,将直接影响所获取图像 的质量,进而影响后续的图像处理与分级分析结果的准确性。因此对图像准确信息的获取 是镜片缺陷检测系统的首要任务。由于现场拍摄所得的树脂镜片表面图像受检测环境、照 明以及摄像机本身等因素的影响,会引起获取图像的失真降质,图像的噪声对后期识别中 纹理、形状、色度等特征

24、的提取有很大影响,直接关系到识别分级结果的准确性,因此必 须选择设计合理的图像获取结构。 待测镜片一照明系统一摄像机?.图像采集卡一工业 ,?。?。一 。?。 。?。 。? 。?。 图.图像处理结构 .本项目的设备是专用于检测树脂镜片缺陷瑕疵的照明设备,因此在设计检 测照明设备前,必须清楚了解待测镜片上存在的主要瑕疵特征,针对待测镜片瑕疵缺陷的 特征进行分析,设计照明设备,并解构其模块构成,提出设计指标。江苏大学硕士学位论文 .树脂镜片缺陷瑕疵特征分析 树脂镜片的质量好坏主要是由镜片上缺陷瑕疵的种类、个数、位置、大小决定的,多 次实验采集镜片瑕疵数据,可将主要缺陷杂质种类归纳为以下三种:颗粒物

25、缺陷、气泡缺 陷及划伤缺陷。如图.所示,左上为颗粒物缺陷、右上为气泡缺陷、下为划伤缺陷。 图.三种缺陷杂质图 .从图.中可以看出颗粒物缺陷瑕疵分布比较随机,且亮度跟背景差别较大,所占整 个镜片面积比较较小;气泡缺陷瑕疵的分布比较集中在镜片边缘,这是由于磕碰或者搬运 等原因造成的,且呈现出类圆形;而划伤缺陷瑕疵呈细小线状,这是由于人为划破表面造 成的。 根据调研树脂镜片实际生产过程,对产生瑕疵的原因进行了归纳,可以分为以下几种 情况: .在压模过程中掺杂进去了空气: .树脂镜片烘烤过程中受热不均匀: .生产环境中灰尘比较多; .工人搬运过程中产生了磕碰;基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础

26、研究 人工检测过程中人为摩擦等。 .光学照明模块设计 通常光学照明系统的光源【】需满足以下四点指标: .亮度 对于机器视觉的检测而言,亮度是关键指标之一,一般光学照明系统必须保证 工作面的亮度至少应稍高于周围环境背景的亮度。否则,可能出现以下三种情况: .的信噪比不足。光源的亮度不足可以使得获取的图像对比度下降,反应在图 像上就是噪声的出现概率增大。 .外部自然光对图像获取的影响增大。 .当光源亮度不够时,相机必然加大光圈增加光通量,但是却使景深缩小,景深太 小就不能同时采集到树脂镜片上下两个表面的瑕疵信息。 .对比度 对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。对于光源选取需要考

27、 虑和可以控制的因素是光源的亮度和颜色。通过调整选取合适的光源亮度和颜色,使待测 物的目标特征与背景图像特征之间产生最大的对比度,以便后期特征的图像处理。通常, 对比度与光源的亮度、颜色和检测面的反射率有关。 .均匀性 照明系统的均匀性对检测系统同样至关重要,均匀的光源照明系统可以补偿物 体表面的角度变化,光源在各部分的反射也保证是相对均匀的。而非均匀的光源系统会使 得不均匀的反射光进入摄像头,非均匀的背景光会使有效拍摄面积区域的光比其他区域 多,从而造成待测物体表面反射不均匀,最终导致检测精度的下降。通常,光源的均匀性 很大程度上取决于光源的工艺及照明点分布有关。 .鲁棒性 鲁棒性是检测光源

28、对位置敏感度的指标,将鲁棒性高的光源放置到镜头可视区域的不 同角度或位置时,获取到的图像的变化比较小,即光源对位置和角度不敏感,这有利于光 源提供均匀背景光。通常光源的对比度、亮度、均匀性影响着光源的鲁棒性。 本文光源设计充分考虑以上光源四个指标,设计分为以下三个步骤进行:检测光源种 类、照明方式及光学结构。江苏大学硕士学位论文 .检测光源种类 光源是系统中图像输入的一个非常重要的环节,其可以直接影响获取图像信息 的质量。由于系统要求测量时间短,精度高,因此对树脂镜片的照明系统提出了较高的要 求。由于需要检测的镜片缺陷瑕疵具有种类多、位置不一、大小各异等特点,要选择合适 的光源,以达到最佳效果

29、。因此对于测量精度要求高、测量数量多、速度快的自动测量的 高精度测量系统而言,照明光源是满足测量系统精度要求的首要因素。 光源一般可分为自然光源和人造光源两类【】。自然光源使用起来不方便而且其发光 特性不易控制,一般不适合用于图像采集系统的照明光源。在工业检测应用系统中,通常 采用人造光源。人造光源又分为以下几种。 表.各种光源的比较 .通过表.的比较,光源凭借其发热少、性能稳定等诸多优点使其在现代 机器视觉应用系统中得到越来越多的应用,并且其设计形状的多样性,寿命长,响应快等 优点使得光源成为本课题的首选,考虑到准备采集彩色图像,因而选用白色光 源。 .照明方案 在现在的图像处理检测系统中,

30、照明方案的设计往往是整个系统成败的关键环节之 一。设计照明方案的组合应该尽量地突出待测物体特征,在物体待测部分与非关键部分之 间应该尽可能的产生明显的区别,尽量增大背景与物体边缘的灰度差,增加其对比度,同 时,还应该尽可能的保证系统足够的图像获取亮度。 在一般的照明方案中需要考虑照明入射方式和照明类型两种因素: .照明入射方式基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 利用各种不同性质和结构的光源,以及物体和背景对光的反射和传送特性差异可以 设计不同的照明方案。照明入射方式一般可以分正向入射和背向入射两类。 .正向入射 正向入射照明是系统中常用的一种照明方式,其是指光源和摄像机位于待测物

31、体的同侧,相对于背向照明,正向照明方案能够提供待测物体的二维平面信息和三维物体 表面的部分特征信息,特别适用于本课题透明树脂镜片表面特征的获取。 正向照明方案可以分为三种:一种是前入射式光束照明待测物体如图.,这 类照明可以再突出或者减弱物体表面特征的同时削减光源镜像影响;一种是用同轴正射式 的正向光束照明待测物体如图.,这类照明可以突出或减弱物体表面某一部分的照 明亮度;第三种是用环形入射式光束照明待测物体如图.,这种照明方式可以增加 环境中的照明亮度,但是对物体表面特征的增强作用并不强。前两者对突出镜片细节起到 主要作用,后者可以起到补充和衬托作用。 值得注意的是,在正向照明方式中必须要考

32、虑阴影问题,因为阴影的存在会严重影 响后期图像分析和识别的准确度。通常避免阴影的方法【】有两类:一类是同轴上正向照 明入射,即照明入射光束方向与摄像机同轴;第二类是漫射照明入射。环形光源照明是一 种对称照明方法,其的轴线与摄像机光轴一致,可以有效避免阴影。 前入射式 同轴正射式 环形入射式 图.正向入射三种方式 .背光入射 背光入射照明是指光源和摄像机分别位于物体的两侧。背光照明方式可以获取高对比 度图像如图.,其的优点是可以得到待测物体外轮廓的锐化图像,并且可以直接获得二江苏大学硕士学位论文 值图像。因此背光照明般适用于物体有无的探测或二维非接触测量中。 在背光照明中,想要采集到一个理想的图

33、像,要求光源发出的所有光束都被物体阻挡, 因为如果物体只挡住了一部分入射光,就会在后方产生半阴影区,使得物体的轮廓线变得 模糊不清,严重影响图像质量,因此并不适合本课题的透明树脂镜片缺陷检测。 正透射式 斜透射式 图.背光入射两种方式 .通常背光照明【】方法还可以分为以下两类: 一类是点光源照明:背光照射方式的光源常用准直光束【】或会聚光束来设计点光源, 因为虽然点光源照明可以产生比较理想的轮廓锐度信息,但是其在摄像机上图像的大小随 着点光源与待测物体的距离变化而变化。运用准直光束可以得到较为理想的图像,但光束 口径比较小,所以准直光束对大横截面的物体不太适用。 另一类是漫射照明】:漫射照明指

34、入射光通过一个漫射表面如毛玻璃片后,出 射光束具有朗伯辐射特性,因此漫射背光照明的背景光比较均匀,其主要适用于对物体整 体形状的辨识方面,而不太看重对外轮廓边缘的精确测量,这种照明方式的优点是设计制 造方便,而且待测物体的摆放位置不受有限光束照明范围的影响。 .照明类型 照明一般分为两种类型【捌:明场照明 和暗场照明 。一般而言,明场照明是依靠直接反射回摄像机的光,而暗场照明则依靠的是沿各个不 同方向斜角反射的光进入摄像机,反射光与光源角度相同。简而言之,明场是光线反射后 进入摄像机,而暗场就是光线反射后未进入摄像机。基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 图.明场与暗场的区别 .恤

35、在明场照明中,沿某个角度发出的光沿着几乎相反角度镜面垂直反射。对于一个平滑 发光表面而言,绝大部分入射光会反射离开,因此将摄像机沿镜像角度安装,摄像机就能 接受待测物体的明场信息; 瓷 目.明场税场砌“ 示甚瞄 .而在暗场照明中,光源一般与物体表面成某个斜角放置,摄像机则安装在表面的法线 位置上或是与照明角度相近的位簧上,这样会生成暗场图像,因为预计光线会反射出去而 不进入摄像机,而物体中的缺陷可能会导致光线散射入摄像机,从而在暗场图像中产生明 亮区域。乒、.。.。.,.黧嬲。 一口江苏大学硕士学位论文 .光学结构 光学结构对于整个照明系统的优劣影响同样占有很大的比重,其的结构布局直接影响 照

36、明的均匀度,照明反射杯的设计不仅要考虑其结构如球形,锥形,抛物线形,椭球形 等,同时还要考虑其制作材料,从而决定照明系统的性能。 对于照明系统而言,其目标就是把光源发出的光线通过不同的光学结构后在照明面上 产生特定分布,因此,实际使用中用户提出的对照明面的要求是由光源的特定结构来实现 的,如图.所示是本课题设计的带有碗型反射杯的光源设计,其通过三层不同角度的 灯板形成比较均匀的光强分布。 ? 图.光源的碗型反射杯照明设计 .:.本课题照明方案 综上所述,结合本课题待测树脂镜片缺陷瑕疵的具体特征?瑕疵缺陷主要分布在 树脂镜片上下表面或浮于表面,且瑕瑕疵缺陷种类繁多、大小不、分布不均、层次各异,

37、因此仅使用单角度入射照明不能完全显现瑕疵缺陷的全部特征。此外,在充分考虑树脂镜 片瑕疵缺陷特征的基础,还要考虑入射方式的选择上:同轴正射式照明可以突出或减弱 物体表面某一部分的照明亮度,前入射式光束照明可以在突出或者减弱物体表面特征的同 时削减光源镜像影响,环形入射式光柬照明可以增加环境中的照明亮度,但是对物体表面 特征的增强作用并不明显。前两者对突出镜片细节起到主要作用,后者可以起到补充和衬 托作用。另一方面,明场照明和暗场照明的优缺点,即对比成高对比度有益,但反光表面 会形成镜面反射,避免灯珠影响;暗场照明可以使漫射光反射进入摄像机,但是镜面反射 光不能进入摄像机,除了有纹理的表面和凸出高

38、度变化的表面之外,光线被反射而不能很基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 好进入摄像机。 综合考虑以上因素,整合适合本课题瑕疵缺陷特征照明方式,本课题采用明场同轴 照明和环形多角度碗型照明相结合的设计方案。图.为本课题采用的光源的结构图,其 中.摄像机.拍摄窗口.半反半透镜.毛玻璃.灯板.灯板.灯板 .灯箱.待测镜片。 图.光源截面示意图 .本课题设计的同轴照明光源装置,通过三组光源从不同角度入射,第一组 从侧面入射,通过扩散毛玻璃板照射到半透镜上,然后利用半透镜的半 透半反特性,将第一组的入射光大部分反射到待测镜片上,从而提供了同轴垂 直入射角的入射光束;第二、三组光源、提供了不同

39、的低角度入射光,尤其 第三组光源提供了近似平行角度的入射光,从而能够很好的呈现待测镜片在厚度上 缺陷瑕疵的特征层次变化。 其中照明方案中间部分主要目的是提供一个垂直入射光束,同时不影响摄像机 采集光路,因此本方案设计了利用一块半透镜,将大部分入射光反射到待测镜片上, 同时可以将灯板的镜像呈现不到摄像机上,且让灯不需要从垂直角 度入射就可以提供垂直角度入射光束,这种设计可以在有效的消除镜像对摄像机的 成像影响的同时能够提供理想的均匀垂直同轴入射明场光束;第二组灯板提供环形 。入射光束形成暗场前入射式照明;第三组灯板提供的近乎平行于待测镜片的入射 光束可以形成暗场层次照明。这样三组灯组很好的结合了

40、同轴正射式照明、前入射江苏大学硕士学位论文 式光束照明和环形入射式光束照明,这种结合可以突出或减弱物体表面某一部分的照明亮 度,同时在突出或者减弱物体表面特征的同时削减光源镜像影响,增加环境中的照明亮度。 这样的组合设计形成碗型照明结构,能够很好的形成均匀照明,从而为本课题瑕疵缺陷特 征提取提供了可能。 图.为此照明系统照明光强分布圈,图.为照明照度均匀度分布图。从这两幅 中可以看出此照明系统的有效区域呈完整圆形,照明均匀度为.,被照射面亮度均匀, 能有效地控制发光区域,且能最大限度的提供一个均匀多角度的背景照明,基本满足本课 题的图像获取需求。 ;黯茹:篇暑 图照明光强分布图基于机器视觉的镜

41、片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 暖”一 卜。 。 ?. ;叫 ;. 。图.照明均匀度分布图 .本课题设计的该照明系统具有以下优点: .光源亮度可控。这样设计的目的是适应不同表面特征材料的镜片,照明强度发生 改变后,从而可以在不同光源亮度下对图像拼接精度做比较,以寻求最佳亮度环境,方便 后期图像处理识别难度。 .照明入射角度多。因为碗状三层灯板的三个角度设计为待测物体检测提供了 良好的入射角度,这样就可以方便采集树脂镜片上不同位置、不同高度、不同反射率的缺 陷。为同时拍摄多种不同类型的缺陷瑕疵提供可能。 .照明均匀性好。由于采用碗型多角度环形光设计,入射光可以通过多个角度均匀 照射到被测树脂镜片

42、上,可以多层次的体现镜片上下层表面及内部缺陷瑕疵的特征。 经过多次试验,本照明设计方案能够很好的满足本课题的瑕疵检测精度要求,图. 为利用本设计方案拍摄到的树脂镜片完整图,通过图片可以看出此镜片瑕疵缺陷层次 分明、种类特征清晰、边缘棱角分明。江苏大学硕士学位论文 图树脂镜片完整图 .工业相机的选型 工业相机. 也称作机器视觉相机,工业相机是机器视觉 系统中的一个关键组件,其基础功能就是将光信号转变成为有序的电信号【”。选择合适 的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,工业相机的好坏不仅是直接决定所采集到的 图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。相比于传统的民用数 码相机摄

43、像机而言,其具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等,工业相 机还同时被应用在医疗、科研和安保等重要领域。 数字工业相机安装在机器流水线上代替人眼来做测量和判断,通过数字图像摄取目标 转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,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,广泛应用于饮料、制药、电子 制造、包装、汽车制造等行业。 工业相机一般由两大基本部件组成:图像感光芯片和数字化的数据接口。图像感光芯 片由数十万至数百万个像素组成。像素把光线的强度转换为电压输出。这些像素的电压被 以灰度值的形式输出,所有像素放在一起就形成了图像,发送给计算机。

44、数据接主要有 .、和千兆以太网三种。基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 对本课题具体实例而言:待测镜片是尺寸大小是,精度要求是., 流水线作业,检测速度是片,秒,现场环境是普通工业环境,不考虑其他干扰问题。首 先流水线作业对速度要求比较高,因此选用面阵扫描相机;视野大小可以设定为 考虑每次机械定位的误差,将视野比物体适当放大,假如能够取到很好 的图像比如可以打背光,那么需要的相机分辨率就是 像素数待测物体长度精度 即.像素 另一方向是,也就是说相机的分辨率至少需要即 万像素,帧率在帧,秒,因此选择市面上的万像素,帧率在帧/秒以上的即可, 本课题采用的是德国公司生产的系列工业相机/,

45、实 物如图.,参数如下表.所示。 表. 业相机参数 .图 工业相机./实物图 咖 /江苏大学硕士学位论文 .工业相机镜头的选型 .镜头主要参数 .焦距 :焦距是指镜头光学后主点到焦点的距离,其是镜头的重要性能 指标之一。根据焦距的可调节性,可以分为变焦镜头和定焦镜头两大类。一般焦距的 大小决定着视角的大小:焦距数值小,视角大:焦距数值大,视角小,因此在选取焦 距是还要充分考虑视野的大小,尽量单次拍摄就能完成图像获取。 .视野范围 ,:指相机实际拍摄区域的尺寸。 .景深 ,景深就是当焦距对准某一点时,其前后都仍可清晰的 范围。镜头的光圈值、焦距、拍摄距离决定景深大小。 .分辨率:分辨率以每毫米罩

46、面能够分辨黑白线对的数量。其代表镜头记 录物体细节的能力。 .光圈:光圈是用来控制光线透过镜头,进入机身内感光面的光量的装置,用, 表示,以镜头焦距和通光孔径的比值来衡量。值越小,光圈越大,值越大,光圈 越小 .光学放大倍数,:芯片尺寸除以视野范围,即/。 .数值孔径 ,:数值孔径等于由物体与物镜间媒质的折射率 与物镜孔径角的一半/的正弦值的乘积,计算公式为/。数值孔径 是物镜和聚光镜的主要技术参数,是判断两者尤其对物镜而言性能高低的重要标 志。 .镜头的选取 .尺寸和镜头接口的选取 镜头可支持的尺寸应大于等于选配相机芯片尺寸。镜头接口可以跟相机 接口匹配安装或可通过外加转换口匹配安装就可以了

47、: .镜头焦距的选取基于机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 口图.镜头焦距示意图 .如图.所示,根据公式 上:塑嬲 . ,.日 、在已知相机视野、工作距离和尺寸的情况下,可以计 算出所需镜头的焦距.厂。具体讲:本课题需要检测的树脂镜片选取的尺寸为/ 、工作距离为、视野为计算得需要的镜头焦距为。 .远心镜头的选取 远心镜头是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头,其可以在定的物距范围内, 使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化。 .镜头光圈的选取 镜头的光圈大小决定图像的亮度,因此在本课题拍摄检测高速运动树脂镜片、曝光时 间较短的研究中,应该选用手动大光圈镜头来提高图像亮度。 综合考虑

48、以上各种因素,本课题采用的是公司的工业镜头,.具体 参数如下表.所示。江苏大学硕士学位论文 表. 工业镜头参数 . 该镜头焦距为、尺寸为/,能够满足本课题待测树脂镜片选取的 的/尺寸及大约焦距,此外工作距离为.、视野为等各项参 数都适合本课题的研究。 .本章小结 本章对图像获取部分做了系统性介绍,对光学照明设计的基本知识作了详细概 括,主要分别从检测对象的特性、照明入射方式、光学结构这三方面进行介绍。另外,本 章对及镜头做了详细介绍,结合本课题具体要求选择合适参数的及镜头,在 本课题的照明系统的设计中,熟练运用了这些知识,根据实际树脂镜片缺陷瑕疵的特征来 组合设计了照明系统,从而得到最佳的效果

49、。基丁机器视觉的镜片缺陷瑕疵检测图像处理基础研究 第三章树脂镜片缺陷瑕疵的图像处理 数字图像处理 是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、 复原、分割、提取特征等处理的方法和技术【。近十年,数字图像处理计数的迅速发展 主要原因如下:一是数学的发展特别是离散数学理论的创立和完善;二是计算机的发 展;三是的军事领域、航天科技、气象灾害、人工智能、自动化生产等方面需求的快速增 长。 .图像处理技术简介 .图像处理技术的主要目的 通常,对图像进行数字图像处理的主要目的如下所述: .提取包含在图像中或特殊信息的一些特点,这些提取的特征的信息为计算机分析 图像提供方便。特征信息提取过程是模式识别、计算机视觉的预处理。提取的特征可以包 括很多方面,如边界特征、纹理特征、形状特征、频域特性、灰度或彩色特性、区域特征 和拓扑特征与结构的关系。 .为了改善图像表现