機(jī)器視覺(jué)在布匹生產(chǎn)在線檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

一、 布匹生產(chǎn)在線檢測(cè)概述

自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)作為一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)，已逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)信息化、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力不可缺少的技術(shù)工具和手段。布匹在現(xiàn)代生產(chǎn)流水線上，需要判別出布匹的顏色是否合格、布匹上是否有雜質(zhì)及雜質(zhì)的數(shù)量。由于生產(chǎn)線運(yùn)行速度較快，要求雜質(zhì)分辨直徑較小，用人工難以做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，事后抽樣檢測(cè)效率低下，且抽檢后的產(chǎn)品仍然有存在瑕疵的可能。計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化，正好適合于快速實(shí)時(shí)地檢測(cè)。布匹生產(chǎn)在線檢測(cè)系統(tǒng)正是基于機(jī)器視覺(jué)的技術(shù)，快速高效的檢測(cè)出布匹的顏色和存在的雜質(zhì)。機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)識(shí)別圖像的內(nèi)容或控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

二、項(xiàng)目要求

在布匹的生產(chǎn)過(guò)程中，像布匹質(zhì)量檢測(cè)這種有高度重復(fù)性和智能性的工作只能靠人工檢測(cè)來(lái)完成,在現(xiàn)代化流水線后面常?？煽吹胶芏嗟臋z測(cè)工人來(lái)執(zhí)行這道工序,給企業(yè)增加巨大的人工成本和管理成本的同時(shí),卻仍然不能保證100 %的檢驗(yàn)合格率(即“零缺陷”) 。對(duì)布匹質(zhì)量的檢測(cè)是重復(fù)性勞動(dòng)，容易出錯(cuò)且效率低。

流水線進(jìn)行自動(dòng)化的改造，使布匹生產(chǎn)流水線變成快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的流水線。在流水線上，所有布匹的顏色、及數(shù)量都要進(jìn)行自動(dòng)確認(rèn)(以下簡(jiǎn)稱“布匹檢測(cè)”)?，F(xiàn)在采用機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)完成以前由人工來(lái)完成的工作。在大批量的布匹檢測(cè)中，用人工檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。

三、項(xiàng)目方案

機(jī)器視覺(jué)是在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下使用計(jì)算機(jī)來(lái)處理和分析圖像信息并作出結(jié)論。機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀、非接觸和高精度,與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比,機(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)的是精度和速度,以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。

在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，包括以下幾個(gè)過(guò)程：

圖像采集

通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)，由相機(jī)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式式并傳入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。

圖像處理

處理器運(yùn)用不同的算法來(lái)處理對(duì)決策有重要影響的圖像要素，如對(duì)圖像進(jìn)行顏色辨識(shí),面積、長(zhǎng)度測(cè)量，圖像增強(qiáng)，邊緣銳化，降噪等處理。

特性提取

處理器識(shí)別并量化圖像的關(guān)鍵特性，例如布匹的顏色和雜質(zhì)的形狀等等。然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序。

判決和控制

處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論。例如：這些數(shù)據(jù)包括雜質(zhì)的直徑是否在要求規(guī)格之內(nèi)或者布匹的顏色是否合格。

視覺(jué)系統(tǒng)一般包括：光源、光學(xué)系統(tǒng)、相機(jī)、圖像處理單元、圖像分析處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。布匹檢測(cè)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成如下圖所示。視覺(jué)系統(tǒng)的輸出是經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理之后的檢測(cè)結(jié)果——各種雜質(zhì)的數(shù)量。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果后,指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或輸入輸出系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作(如分選)。

下面就布匹檢測(cè)系統(tǒng)提出詳細(xì)方案設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū):

圖像處理軟件

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，視覺(jué)信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺(jué)效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。

特征提取辨識(shí)

一般布匹檢測(cè)(自動(dòng)識(shí)別)先利用高清晰度、高速攝像鏡頭拍攝標(biāo)準(zhǔn)圖像，在此基礎(chǔ)上設(shè)定一定標(biāo)準(zhǔn);然后拍攝被檢測(cè)的圖像，再將兩者進(jìn)行對(duì)比。但是在布匹質(zhì)量檢測(cè)工程中要復(fù)雜一些：

1. 圖像的內(nèi)容不是單一的圖像，每塊被測(cè)區(qū)域存在的雜質(zhì)的數(shù)量、大小、顏色、位置不一定一致。

2. 雜質(zhì)的形狀難以事先確定。

3. 由于布匹快速運(yùn)動(dòng)對(duì)光線產(chǎn)生反射，圖像中可能會(huì)存在大量的噪聲。

4. 在流水線上，對(duì)布匹進(jìn)行檢測(cè)，有實(shí)時(shí)性的要求。

由于上述原因，圖像識(shí)別處理時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的算法，提取雜質(zhì)的特征，進(jìn)行模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)智能分析。

我們使用德國(guó)Stemmer公司的機(jī)器視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)包-CVB中的color、blob工具，它適合于開(kāi)發(fā)顏色模式識(shí)別和斑點(diǎn)的檢測(cè)。

Color檢測(cè)

一般而言，從彩色CCD相機(jī)中獲取的圖像都是RGB圖像。也就是說(shuō)每一個(gè)像素都由紅(R)綠(G)籃(B)三個(gè)成分組成，來(lái)表示RGB色彩空間中的一個(gè)點(diǎn)。問(wèn)題在于這些色差不同于人眼的感覺(jué)。即使很小的噪聲也會(huì)改變顏色空間中的位置。所以無(wú)論我們?nèi)搜鄹杏X(jué)有多么的近似，在顏色空間中也不盡相同?；谏鲜鲈?，我們需要將RGB像素轉(zhuǎn)換成為另一種顏色空間CIELAB。目的就是使我們?nèi)搜鄣母杏X(jué)盡可能的與顏色空間中的色差相近。

Blob檢測(cè)

根據(jù)上面得到的處理圖像，根據(jù)需求，在純色背景下檢測(cè)雜質(zhì)色斑，并且要計(jì)算出色斑的面積,以確定是否在檢測(cè)范圍之內(nèi)。因此圖像處理軟件要具有分離目標(biāo)，檢測(cè)目標(biāo)，并且計(jì)算出其面積的功能。

Blob分析(Blob Analysis)是對(duì)圖像中相同像素的連通域進(jìn)行分析，該連通域稱為Blob。經(jīng)二值化(Binary Thresholding)處理后的圖像中色斑可認(rèn)為是blob。Blob分析工具可以從背景中分離出目標(biāo)，并可計(jì)算出目標(biāo)的數(shù)量、位置、形狀、方向和大小，還可以提供相關(guān)斑點(diǎn)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在處理過(guò)程中不是采用單個(gè)的像素逐一分析，而是對(duì)圖形的行進(jìn)行操作。圖像的每一行都用游程長(zhǎng)度編碼(RLE)來(lái)表示相鄰的目標(biāo)范圍。這種算法與基于象素的算法相比，大大提高處理速度。

結(jié)果處理和控制

應(yīng)用程序把返回的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)或用戶指定的位置，并根據(jù)結(jié)果控制機(jī)械部分做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)識(shí)別的結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息管理。以后可以隨時(shí)對(duì)信息進(jìn)行檢索查詢，管理者可以獲知某段時(shí)間內(nèi)流水線的忙閑，為下一步的工作作出安排;可以獲知近期內(nèi)布匹的質(zhì)量情況等等。

四、用戶界面及操作

項(xiàng)目要求利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，智能的識(shí)別出流水線上布匹的所有雜質(zhì)以及它們的數(shù)量、大小。根據(jù)項(xiàng)目要求，我們?cè)O(shè)計(jì)如下：

(1)圖像顯示區(qū)：實(shí)時(shí)的顯示由相機(jī)采集的彩色圖像，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的圖像內(nèi)容實(shí)時(shí)的識(shí)別布匹信息。

(2)信息顯示區(qū)：把圖像的內(nèi)容——各種雜質(zhì)的數(shù)量實(shí)時(shí)的顯示到表格里。系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)(如：實(shí)時(shí)檢測(cè)，停止檢測(cè)，觸發(fā)信號(hào)狀態(tài))實(shí)時(shí)的顯示在狀態(tài)顯示欄中，以便于操作人員了解系統(tǒng)狀態(tài)。

(3)信息管理區(qū)：管理人員可隨時(shí)查看流水線的統(tǒng)計(jì)信息。操作人員可以靈活的配置系統(tǒng)的配置信息(如：數(shù)據(jù)庫(kù)的配置，控制模塊通訊配置，識(shí)別參數(shù)的校正)。權(quán)限管理控制系統(tǒng)使用者的操作權(quán)限，例如：只有高級(jí)操作人員才能對(duì)系統(tǒng)信息進(jìn)行配置;只有擁有相應(yīng)權(quán)限的人員才能查看統(tǒng)計(jì)信息。

五、布匹顏色學(xué)習(xí)工具

我們開(kāi)發(fā)了布匹顏色學(xué)習(xí)工具，此工具界面友好，操作簡(jiǎn)單。

布匹顏色學(xué)習(xí)工具

一種顏色應(yīng)該提供多個(gè)模板圖像進(jìn)行訓(xùn)練，這樣可以提高識(shí)別的能力。學(xué)習(xí)完畢后要保存成CLF文件，以后模式識(shí)別就按照保存特征進(jìn)行識(shí)別。

六、總結(jié)

視覺(jué)系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，尤其在整個(gè)識(shí)別控制系統(tǒng)中，還要與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合完成后續(xù)操作。在本項(xiàng)目的視覺(jué)系統(tǒng)中提取識(shí)別對(duì)象顏色特征值，然后采用模式識(shí)別的方法，識(shí)別出不合格區(qū)域然后使用斑點(diǎn)分析判斷是否為雜質(zhì)。同時(shí)提到了整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)部件的選擇和用戶界面的設(shè)計(jì)。

總之，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠大幅降低檢驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率。對(duì)于現(xiàn)代化企業(yè)來(lái)說(shuō)，意識(shí)到技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)并首先付諸實(shí)施者無(wú)疑將走在競(jìng)爭(zhēng)的前列。