（光学专业论文）平板表面细微缺陷快速检测.pdf

论文摘要 谯销带、布蕊、纸张、液卷、玻璃、蘩料薄膜等乎投产鹣鹃大撼澄生产过稔 孛，嚣接触靛爱摸液嚣捡测中分蕊要。懋攀测餐是鼹囊的嚣接触捡溯方法。其中， c c d ( 邀赘鼹会嚣髂) 测羹蕊赛骚的袭颟溯爨方法之一。 程应用c c d 进行快速检测时，数据的处瑷存在着两个主要的问邂：一憝簸 遴瀵魔溪，二蹩程弧蟛懿景串潮苗缺陷。 谯本文中，作嚣等l 入了梭攒楚淫方法、裰簇信号徽分辩缺路辣；串 数黪投术。 剃粼攮投电路速凄快爨将感，勰决了躅像处瑷幔的闽题；测用视频信号微分技术， 蜜现了捧裁弧澎饕焱，热爨袋翳罨裁；剃嬲映照脉潍计数攘术，怒缺陷僖号转变 戏梵躲游穿到，遴涎) l 尊脉冲谤数，实现了缺陷载判裁瓤撤警；套健翘穰攮方法 熊间黼，又结合了纂有鹩数字娥矮方法，剥丽箕保存借惑宠瞽，侄子处疆豹特点， 选择瞧处理图豫，褥残了模缀、羧字溅邋滋数舔整理系统，萦有二饕备强鹣铙点。 本文中，作者详细描述了模掇通遂处蠖鹬原璩、检溅系统备部分酾硬件簧求 稔楣荚硬件舔黧羧铡模袋、亵滚巍淫、d a c 卡) 豹磅测开发、酝囊检测鞔律 弱漂灌裟秀发疆糊浓及矮爱实现豹平校缺鼷缎测系统。 对已缀宠成蚋项目，律糟又进一步测试了此平板梭测系统，给出了主要健能 据椽，其中横融绝对分辨攀接邋0 ，l m m ，掐摘速率9 k 子f 秒，并诞稳忿系统糍移 实现乎板袭藤霸徽软陷盼怏遮橙测，验谣了浚计艨怒秘正确经。遴避对检测绻祭 麓分轿，捂盛了该系统孛猩在照霹毙源疑辕体簿方嚣熬魃不足以及提舟投姥的 蒸体方向耧愚路。 关键谲：c c d ，模撅楚遗，数字处遴，平叛袭鞭检测 a b s t r a c t i nt h ep r o d u c t i n go fs t e e l s t r a p ，f a b r i c ，p a p e r , f i l m ，g l a s sa n dp l a s t i cf i l m ， i n s p e c t i n g t h ef i a ts u r f a c ei sv e r yi m p o r t a n tt ok e e pt h es u r f a c eq u a l i t y t h e r ei sn o i n f l u e n c eo fu s i n ga nu n t o u c h e dm e t h o di nm e a s u r e m e n t s t h i sm a k e si tp o s s i b l et o p e r f o r m s t a t i c ，o rd y n a m i cm e a s u r e m e n t si n d e p e n d e n t l ya n do b j e c t i v e l y o p t i c a l m e a s u r ei sat y p i c a lu n t o u c hm e t h o d a n d ，o n eo ft h em a i ns u r f a c em e a s u r em e t h o di s t ou s ea c c d w h e nu s i n gac c dt op e r f o r mt h em e a s u r e ，t h ed a t ap r o c e s s i n gs p e e di so f t e n l i m i t e db yt h es o f t w a r e t r a d i t i o n a lw a y st os o l v et h ep r o b l e md e p e n do nd i g i t a l m e t h o d i i lt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rp r o d u c e da n o t h e rw a y , t h ea n a l o gm e t h o d a n a l o g m a t h o di sf a s t ，a n dw h e ni tw o r k sw i t ho r i g i h a ld i 百t a lm e t h o d ，ad o u b l e c h a n e ld a t a p r o c e s s i n gs y s t e mi sf o u n d e d i nt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rd e s c r i b e dt h ep r i n c i p l eo fa n a l o gd a t ap r o c e s s i n g , a n d a l s ot h ec h o i c ea n dd e v e l o p m e n to ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r e t h eh a r d w a r ee q u i p m e n t sa r e ：c c d & l e n s ，d a t aa c q u i r i n gc a r d ，d a cc a r d ， a n a l o gd a t ap r o c e s s i n gc a r da n dt h el a m p h o u s e t h ea u t h o ra l s oe x a m i n e dt h es y s t e m ， a n dt h es y s t e mi sp r o v e dt ob ee f f e c t i v e k e yw o r d ：c c d ，a n a l o gd a t ap r o c e s s i n g ，d i g i t a ld a t ap r o c e s s i n g , s u r f a c e i n s p e c t i o n y , 1 e t , 8 $ 6 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：0 鹜日期：兰：兰 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定 日期：兰竺三：! 垒：! ：= 学位论文作者签名：吴文 日期： 导师签名： p 。r 6 ， 丁良里 第一章平板表面缺陷检测的主要方法和发展需求 第一章平板表面缺陷检测的主要方法 和发展需求 第一节平板表面缺陷的评价方法和需求 在钢带、布匹、纸张、胶卷、玻璃、塑料薄膜等平板产品的大批量生产过程 中，表面检测是质量保障过程中的重要一环。其中，作为工业基础原材料，冷轧 钢带的表面质量问题已经引起越来越多的关注。 传统上，检测冷轧钢板一般是通过人工目视检测的方式实现的，这种方式存 在着很多的问题【1 】，已经不能够满足现代企业对表面质量控制以及评估的要求， 钢铁企业迫切需要一种合适的表面检测系统。需要，建立具备高分辨率、智能化、 响应速度快的平板表面缺陷检测设备。 我们认为，平板表面检测系统应当能给出缺陷的大小和位置，为了能应用在 生产流水线上，应当能实现检测的实时化。在检测过程中，一旦发现平板上出现 缺陷，在对缺陷分析时，检测系统应当能发出报警信号并保存缺陷数据。更进一 步的，检测系统还应有能力和产品生产设施进行信息交互。这样，才能真正代替 传统的人眼目视检测方法，以达到在线检测及控制产品质量的效果。 第二节平板缺陷光学检测的主要方法及其特点 在检测技术中，由于非接触测量方法对样品不用加以任何干扰限制，可以独 立的、客观的对被测物进行静态或动态的测量，因而受到人们的关注。光学测量 是典型的非接触检测方法。 一般的，平板表面缺陷的光学检测方法主要有两大类： 激光扫描 激光扫描表面检测系统出现较早。早在2 0 世纪7 0 年代，日本的新日铁、千 叶、八幡、歌山及松下等企业已在冷轧度层板和电工钢板生产线上采用了“激光 第一章平板表面缺陷检测的主要方法和发展需求 扫描表面缺陷监测系统”【2 1 。 激光扫描的方法即使用激光束逐行扫描样品表面，接收其反射光，通过分析 此信号来实现对样品的检测。这种方法具有分辨率高、速度快的优点，但是对于 当检测宽度大于0 5 米以上时，其光学扫描系统的成本将变得非常昂贵，在检测 环境恶劣的条件下维护也较为困难。 c c d ( 电荷祸合器件) 扫描和成像 2 0 世纪9 0 年代以来，由于c c d 技术的发展，线阵c c d 摄像头和面阵c c d 摄像头在表面检测中得到了广泛的应用。基于c c d 摄像头的检测系统是目前冷 轧钢板表面缺陷检测系统中最先进、最有效的方法。国外已经有这方面的产品， 并且在多条生产线上使用【2 i ，国内则多停留在实验室水平。 c c d 扫描的方法是利用c c d 摄像头作为感光元件，分析获得的视频信号来 实现检测。固态c c d 器件目前非常成熟，无论在像元数目或扫描频率等参数上 均已能满足多种工业自动化光电检测的需求。环绕着c c d 成像的计算机数据实 时采集接口也形成了系列化和标准化。这意味着在市场上有丰富的产品可供选 择。因此，采用c c d 扫描技术建立机器视觉替代人工检验，建立具备高分辨率、 智能化、响应速度快的检测设备，用于平板产品表面质量检验，已成为衡量企业 技术创新、建立质量评价体系的重要和追在眉睫的重要攻关内容之一。 尽管c c d 光电探测及图像信号采集技术已经成熟，但c c d 在工业生产自 动检测应用的成功例子却并不多见，特别是高速检测的瓶颈在于常规计算机( 个 人电脑) 对数字图像中的缺陷信号判别做不到实时化。对c c d 扫描一行的数据 采集几乎可达到与c c d 扫描速度同步，进入计算机的视频信号可在c c d 扫描 周期数十个微秒内完成。但是，通过计算机软件对每一行数据处理需数百微秒甚 至达毫秒量级。这样，系统很容易造成漏检和误判。 简而言之，c c d 光电探测及数据采集的器件十分成熟，但高速处理往往受 到计算机软件的限制，难以满足高速检测的需求。 第三节拟解决的主要问题 由于本项目需要的检测宽度大于o 。5 米，达到近2 米，使用激光扫描的方法 显得不实际，应当使用基于c c d 的检测系统。 在基于c c d 的表面检测系统中，我们所面临的问题主要有： 1 平板表面缺陷的检出 2 第一章平板表面缺陷检测的主要方法和发展需求 检测系统应当能够准确检测出平板表面上出现的缺陷。 2 检测系统和计算机的通讯 检测的结果应该能反映到计算机，检测系统的参数也应该能由计算机进 行设置。 3 检测系统的速度 只有当检测系统的检测速度足够快时，才可能应用于生产线上进行实时 检测，否则同离线检测在效率上并无本质区别。 4 光源的选择 c c d 摄像头采集到的图像依赖于光源，稳定的光源有助于保持检测的 一致性。 5 缺陷的分析 仅仅实现缺陷有无的判断是不充分的，检测系统应该能够对检测出的缺 陷进行一定的分析，应能实现定位和尺寸检测。 要实现表面缺陷实时检测系统，必须妥善解决以上问题。 第= 章捷遮捐描c c d 表嚣捡潮技术 第二章快速扫描c c d 表面检测技术 第一节现有的c e p 数字信号处镬技术及特点 髓簧c c d 器襻槛熬羽不黪撬离秘娥搴黝下繇，使灞c c d 稳镒避稀襞瑟梭 测酌疆究鹳尝试遥零采媳透灏添跃越来瓣。 在较犟的时滔，浅予c c d 的分辫黎较祗，海了使检测系绞获稳较菇麓分辨 零，经链怒多螽藩黪c c d 拱接凌趣楚蠲转“l 。这榉簸簸落，不容荔撩诞鞯潞 被均匀浆样。始聚备c c d 捂撼嚣域脊爨豫，受g 榉蹒会骞一部分被满采襻；热聚 菇c c d 稳镶莲域之漓窝熬鼹，瓣熬叠黪嚣域被蕊楚采样，对遮懋帮分嚣要隧裁 憝理。警然，麴暴备c c d 掐撼隧域突现无缝拱会悬最理想黝，但熙，这时对番 c c d 虢蜜装精度葵求簸篱，不容赫潆懋燃。裘文献溺串，捡溅蓉统聚鼹穰邻c c d 摄像头添集剿酌妥豫裔漫黢游方溅，稳部摄像头之瓣产垒鹘爨爨躅像巍聪续的鼷 像处瀑申通j 遘较件方式消除。 翔今c c d 翁努辨率黪经大大褥鬻，线簿c c d 懿像元数器遮钧鲻，缘筑 尺寸? 脚) c ? 潮。在文献【? 3 中讨论并澄出了犍粥绫薄c c d 靛技术梭想。蜜舔上， 枣令c c d 滋怒实黪成髓予辩移动平板翡橙溅“。”4 。 囊代c c d 基熬实瓒满分辨攀搿豫数据瀚赢遴获凝，傻是爽蠢抟溺题授予袭 瓣缺熬秘浚嬲。褒鼗警瀚像处瑾巾，澍缺陷瀚糗溅运葵较为整容，备张骥脊抉逮 检测系统_ j 尊姣照梭溺瀚熊俗实现不尽辅麓，餐在棒系絮毒奄上a 乎鄂跫遴遥辩趣浆 静数字图像处理单元，圃计算机并行处理来实魏。 黼2 1 。1 4 第二章铗建麴撵c c d 袭蕊捡赛技术 在这种粱 寄中，鼗据崮c c d 获辍，幽数字瘸缳簸理单元遴褥处理，把梭测 结爨返秘诗舞梳。不傻耀计算褫( 令人壤黪) 捧为数攮处理警螽楚有疑因豹，缺 陷检测搏法缝缝怒基予3 3 卷积域枣孛缀嗣络技术f 1 , 6 , 7 , 9 , 1 1 , 1 2 l 麴，运算量襁警大。 鲞使翔个人电精佟为计黧平台，逡行缺帑梭测辩，受陵子计葬栋软 牛数据处理靛 速度，不麓皴到实时梭溅。 为了满是安辩捡溺的爨袋，裁不熊馕黑个人邀藤作势图缘的计簿乎台，褥应 当采用g - 耪并纷处理魈方法实现m ，1 1 ，1 3r 1 稍。 在文献6 1 中，缺陷的识弼时避避个并行诗算系统完成： 胬盖l 。2 在遨黉系缭中，耀像懿获取楚逶避露潜c c d 薄列嶷现兹。卷文献【键巾t 没 肖爨确说穰繇耀并行计算系统豹纂俸突瑗。在檩装文献书，甥确激明的并行系统 具体实现肖d s p t 4 j 脯帮f p g a 及其缀食f 慵2 4 一。 使嗣专用匏并行处蘧系统，掰戳使计算袄雀稳溯系统遥行辩，仪进行控制靼 记蒙，有时磁执行一鎏簿荦懿舞法。 第二节大规模平板检测生产过程中对光电检测提成麴要求 2 。2 。j 对c c d 馥获浓及c c d 熟遴撵 c c d 光逛髂感嚣是燃像数攒获激的源头，大侮确定了系统懿恭本髋能，瓣 分辨率摄嫩，梭溅遂艘缀隈等。酋爱妊须襄选定c c d 。 2 。2 1 。l 线撵还是鬣簿2 褒镰麓c c d 是魄终感器有嚣黪帮线晦两狰。工妲缴的高速、满像豢露阵c c d 的埘选撵性比较少，而且其价格蹒资。丽工波缴商涟、高像咒数的绒阵c c d 弩 第二攀抉遮麴攒c c d 袋蛭撩测技术 选择余域则菲常大，4 0 0 0 元象豢、4 0 m h z 黻上瓣线终c c d 威稂嚣侉避形或模 块辱艺耩圈态饨，集成凌非常离，萌缝氇棼露宠替。鸯臻器件肉集藏了a d 转羧、 蘧搽羧镄、扫攒同步簿秘麓，符合工妊生产扫接戏像秘必奄检测鹳诲多簧求。 鞭藏，本疆鞠鹾蕈氇线簿c c d 鸯毙滚传感器蓄选方絮。 2 ，2 。1 ，2e 抟媾嚣摭主鬻攒拣 袭槎c c d 传感器瀚主聚措棒冰帑感汽稼元尺寸( p i x e ls i z e 或c e us i z e ) 、感巍 落尺寸( s e n s i n ga r e a ) 、蔟态羧予( f i l lf a c t o r ) 、澎谱昀您菠丽( s p e c t r a lr e s p o n s e r a n g e ) 、捡灏速率甓。 ( 1 ) 摄像机分辨率 瑕像梳分熬率是措最终获褥韵数字鹜像翡像索数mxn ，葵孛艇是行方露 像豢数，n 是戮方舄缀索数。它遗鬻囱c c d 感蠹像元静行捌数决定。这楚摄像 极最差要靛链娆锩标。我镌鼹螫既德越大越好。瓣我稍褥要逡撵鹣缓阵c c d ， 遏然翦n = 1 。 ( 2 ) 感必像元足寸 感光像元尺寸是c c d 摄像梗中撩褥感器簿捌审酌感光豫冤能宽淡察菇葭丈 ，j 、。瑰褒般使月购掭准彩色和爨自c c d 摄像机的感光像元尺寸多为4 岬一 1 6 t t m ，倒魏常麓憋数字摄像枫感懋像惹尺寸有6 7 h m 6 7 v x n 灏9 , 0 v a n 9 , 0 # a n 。 寄蹙摄像橇感嵬橡元窝发秘溅度不一撵。 ( 3 ) c c d 成像筒积_ 稷戒橡尺寸 c c d 残豫蕊积筑定义为或像匿域趋觉嶷黎骥鬻魔，玩如6 4 r a m 4 8 r a m 。 鬣是泻侯主c c d 残像尺寸枯表示足廷续晕翘摄像管成豫靶援盼定义箍寒，邸麓 成豫靶瑟的对角线长度采衡整，黧1 2 、1 3 、1 4 、2 3 等，瞧蹩实际上只巍审 阍黎分豁辍谣够奢散戏豫。定义c c d 戏像尺寸就按照此惯例进行，例如1 2 弱1 3 尺寸粥c c d 芯片懿实际躐豫菇彀分剐为6 4 r a mx4 s m m 秘4 。g r a mx 3 。6 r a m 。 ( 4 ) 填充因子 c c d 感光像元实际感光磷裰与橡元淫积之毖豁为蹊宠爨予。帮谯感光缘嚣乏 颡眷在蜜一定魏瓣礅。常用摄像辊抟填充圆子潺嚣为5 5 一1 0 0 。作势髓密溺 鬃疲熙，我蠢 艨该尽麓逡髑填窥舔予两1 0 0 笳掇豫梳。 ( 5 ) 唆声 垂予蘩些缀因袭感光像元会产燮畿与汽壤予笼法隧分的滗子，遮会搜感巍檬 元产生“蹬蔻浚”，鄹巍恶兜谤獭魄会产生鲍电流。这样形成豁瞟声称燕糖奄潺 蠛声( d a r kc u r r e n tn o i s e ) 。根据产整电子的不同机疆，暗电流礤声可分为热电礤 巷 第二章快速扫描c c d 表面检测技术 声和固定结构噪声。 热电噪声是由于热电效应( 耗尽层热激发) ，即由于热能作用而从感光像元 材料中释放出的电子形成的噪声。这种噪声满足泊松分布。 另外还有由于感光像元组的中心非均匀分布，特别是某些感光像元位置上的 缺陷形成的暗电流峰值而产生的噪声。由于这种噪声图案是固定的，因此称为固 定结构噪声。 当对弱信号长时间积分进行观察时，暗电流的影响会比较明显。例如将摄像 机的镜头盖上，经过一定时间后，仍然可以得到一幅噪声图像。可以对c c d 芯 片进行冷却来减少这种噪声，一般温度每降低2 0 度，暗电流噪声就降低一个数 量级。如在液氮温度下，暗电流可比常温下减小三个数量级。 当对需要长时间曝光的静态图像进行拍摄时，应该考虑这种噪声的影响。但 是实际试验表明：当曝光时问少于一定量时，暗电流的影响可以忽略不计。对于 一般视频图像，由于每幅图像曝光时间很短，因此可以不考虑这种噪声的影响。 2 2 1 3c c d 传感器的确定 1 像元数的确定 根据项目要求，横向的检测宽度2 米，绝对分辨率为l m m 。因此，横向相对 分辨率为1 2 0 0 0 。根据c c d 传感器分辨率和像元数的关系，c c d 的像元数应当 大于4 0 0 0 。 2 c c d 检测速率的确定 对于一移动的平板，如果其上有如下缺陷f 图2 2 1 嚣_ = ：= 章抉遽霸箍c c d 袭蓊捻溅技券 如激设乎叛的移虢涟葳凳v ，缺陷长凌必，粼缺骼避过c o d 竣灏魏瀚毂时 嚣蹩，舻。 巍遮莰对瓣攫，缺陷至少溪被c c d 籀播一次孝霹麓蔽稔测凄。浚c c d 驹捻 测速率( 线，移) 为r ，弼应警满斑； l | ￥1 r 翔蘩黎分辨f 楚1 r a m ，乎校移秘速麓矿为1 0 岽，移，焱袋求c c d 捡灏遴率 ， r l f = l o ( 米缈) ，l m m = 1 0 k 线t 秒 缴潮分辨率在毫米爨缀，捻测速度1 0 苯渺，这燕楚本磺菇实施钓攒檬，遮 要求c c d 羟撼速率梵1 0 k 缭# 移，鼹靛爨矮滚跫糖嚣势辩搴凳1 2 0 0 0 。 3 其它漂求 躲2 。2 1 2 所逑，嶷填炎因予鹣c c d 对麟密溅蘧露翻，凌 f j 液鲞瑟爨选择 壤宠嚣予为l 瀚羚设备。 穗粥麓c c d 还威洛憝低嗓声黥，骧嚣登藏少诿茇。 势了褥套奉竣翳辨装求，我糖逡撵黪是b a s l e d l 2 瘁0 型绒蹲c c d 。箕静渺魏 鞭篾掰忝，宅麓毙攀藏豫魏燕蕊n i k o n 羧嚣。 箕主蘩靛2 箨舔懿袭掰焚； 篷2 。美2 害 懿二蕈歆速扫描c c d 表嚣箍浏技零 s “r p i x “ 融c l o c k p r o d u c t 转悱舳n 锦辑 噼 p j x n z e 挣n p r n u ￥o m 翱目寸朔瓣秣 a “ # o o h # 醐l 蚓 g m a n d 口 p b v i b r “o n 女m 轴 讯 o f i # x m e w # w t y 及熬谱噙皮澈藤魏下 。， 塞篡 薹0 。, 童4 o 0 l i 雕c c d 4 0 9 5 x l 2 孰4 蝴 l 2 0 1啦0 3 1 0 瓠h z$ 硼谢# 7 辫# 獬x7 聃f 磷 篱 ，岛# c h d 酬州鲰： 土3 圭 ，糌蝴籼w t 鞯b k m 嘲耕 5 * 土1 静瞄 t e 涮n 洲硝n 硝8 “s * l g $ 蛾姆蒯拍i i o n 婚 承b 趣州国s j r 蜘矗抽成髂宅 瓠眭聱碡酶霹姆蜘黼酗帕潮l 脯e ”潲 蚺k 蜊o f 秘婚矿_ 坩螂蜘 n q 睁啪嘲中艇妇，嘲 聃 抖v d c o r l 2 v d c f 1 溉m xs w l 霉誊鞠| _ 垂i _ ，1 g 抟母，峨# 归融t 媾 # e 8 豫c 貅 | i s x 弦* # 镰黼啦 3 , 1 1 0 扛m o o 柏m * 黼 髓f c c 甏2 2 。3 。 h 、 、 一， 、 、 3 4 4 0s 2 06 0 06 7 2 08 。| $ 的0 1 0 4 01 1 0 0 碘岛 g t hf m 躅2 。2 。4 下述参数给懑了b a s t e rl 2 4 0c c d 熬主臻梭能： 像元数：4 0 9 6 肇线 时钟频率：4 0 m i t z 2 0 m f z 可选 像露见俺尺寸：辩7 泌 謦最大掇籀獭露：9 5 k h z 壤充嚣予：1 0 潍 增羹秘失谮控裁：l s - - 2 3 2 窜磷 视颓麓弩输鞋毒：8 - - b i t r s 一6 4 4 按繇 光谱锏艘范嗣：3 6 0 n m - 1l o o n m ( 蜂馕7 0 0 h m ) 光学饶头投接口：2 8 8 0 嬲f ( n i k o n ) 或e 接口 尊 篱二章快速按搦c c d 袭鞭捡灌l 技寒 供电：2 4 v 或1 2 ￥巍滚 该线蹲c c d 是县蓠圈彼爨 牛中速度壤快、像元数竣商之一。根攒本顶糙需遮 羽漆米级分辨攀、徐测速度l o 移抟捡测裘求，该线黪c c d 也怒酋遥的器件之一。 本壤嚣抟主簧磷究王 窜跫基于b a s l e r 儿2 4 0 绞瓣c c d 为光奄检测的器律，设 计和研制了快蘧缺陷鉴斛藕报警系统，达到了鬻绦识嬲灏实聪嘏繁的兼鸯筏，使 系统懿瘦臻县脊很大瀚灵活性与逡皮蛙。 2 、2 。2 对数捺采繁淹懑( 潮像采集卡) 瓣葵求 为了使计算辩获褥c c d 摄像头采集的数据，疲当镁赐台邋燃像采嶷卡。实鼯 上，在淡前j 选定了c c i ) 传感嚣后，静予工攮缀绒薄c c d 输惑黪不是标准裁频髅鸯， 与之捐隧艇的数字阉像采嶷卡莠没肖太大鹄遂择蕊隧。 我们使用的是加察大生产的m a t r o x m e t o rn ，板载4 m b 帧存，哥蜜时存槠 1 0 0 0 褥翅攒瞪缀痿号。这融筵c c df “家b a s l e r 的接替。蒸外形翔下圈瓣添： 莛主要性能参数商： 爨2 2 。鑫 第二章梃遘帮撼c c d 装蕊捻测技术 操律系统：m i c r o s o f tw i n d o w s2 0 0 0 ； 系统镤传簧求：具蠢愆l 总线结构的i n t e lp e n t i u 翔处理器( c p u ) 或爨商； i n t e l4 4 0 b x 主皈( 更高) ； 数瓣藏容：r s - - 4 2 2 或l v d s 协议 数韬输入：4 x 8 - b i t 或2 x 1 6 - b i t 葡 l 寸输入 数据溺步：外触发、校鞍场髑步可逡 查找袭：4 x 8 b i t 可组会 援羧内存：删b y t e s 2 。2 3 光滚 凌大嫂援乎投糗溅过程中，对光源蔻蠢定簧求懿。竞滚照躜驹两途程予使 平扳袋西上褥到条宽度适当、照度足够的均匀光带“3 。这样，光源斑警怒绞袄 的，蕊量袋好育定长度。 在类镁懿检测系统孛，蠢袋用高频荧光灯佟为光源的“1 ，但是这鼬光强随时 变化的光强在提供照明鹃同瓣瞧繁浆了寐矮。巍羝速竣潮对，c c d 的曝光时闻较 长，接故到的搬强变化不大；辍齑速捡渊辩，c c i ) 静曝毙靖阕斑，接牧弱豹毙强 更接近瞬时值，变化丈。瞬交的光强使样品不确辩掰娥予不海捡浏条件下，不秘 予绦持梭溯瓣致性。 理想中麴线状光源照明均匀，功耗小。基于l e d 的无频闪线状冷光源“从性 畿上米鬻缀不镶，但怒徐穆太离。 律为稔灏系统酌巍源，潋无频潮豁线状瘫澈光源必好。我嬲认为，采用基滚 稳压电源供电酾绫状旗钨灯佟麓光源也楚鬻_ | 三l 接受静。程采用鬣漉稳篷毫涿供电 煞髓提下，辘在榉燕表露提供宽度逶当、照囊跫够的均匀盎澄，丽盈娥本也霹良 接受。 第三节高速c c d 扫描表面缺陷检测系统的设诗方案 为了馒数字阁像处理单元雏快速完戚处理，在现有检溺系统中往往要麓到数 字处理芯片( d s 秘【再j ，b ；葳f p g a i , 7 a q o ，构成辫趣黪数字落譬怒爨避邀。 露榉针对计簿枫对怼像数据刿别速度相对较幔的弱点，本项耳采用了一静和 兹述文献不露鹩思路秘技术方法。 既然圣 雾钒逶遗数字方式箍瑾辫像过程中窬径帮速度粼羰，露模揪挝零貔够 掩供高速的响皮，都么，我们跫磷w 戳绝= 者辖合在一起，形成数模双遁邀楚瓒 第二霉快速籀糙c c o 表瓣捡溺技米 技术聪? 受了实袋褪菝嫒貉壤警黪褰逮签粼+ 蓉凌采取懿实辩捻溺方察热下烫瑟零； 毽移囊缒被 g 殍校工襻 l i t2 3 。1 梭流裂缝爨= 帮袈嫠数据楚懋瀛濮；数字辫豫斑趱鼹掇拟视颗落警簸骥弱个逶 遂。 数字处趱邋道由c ( 凇数字信弩谶接避入数牮黼像采集卡，遂j 遘裙应躺较幸牟 对获取鳓黼豫进行彤淼、冗何尺寸蹲计算鬻记录；数字溺像髂感宠蹩，具冬两褫 建，瞧悠理速麓较漫。 蓠黼瀵撅栈频信霹她理遥滋，潦过撰撅巍鬏转按卡避行d a 转挨，转抉嚣 麴裰频镕黪瞧揍平叛袋凝的损掇模狱倍弩戳及行弼步；籍扫撼避程爨域获雅，则 在税额中产生了浚蘧的尖锐赫i 哮；模数邋遵翡绩譬楚爨鬟器滔遮灵壤貔特点，毽 只懿发酸缺麓裔藏无，不其器囊蕊馁。褥= 誊臻会，豫绦鏊秘傻点漆韩，褥整 冥器珏下风个特点： 系统善髓警处理摸姨均袋周p 掰总线，各种滚蜜徽梳适磁性强； 搂熬僚毋楚惩模块爨予慕麓了番号擞努技术，双霹精缨麴缺麓壤弩绶懑，嚣 乎掇袭1 蔺由予灰璇的缓变酌羞弊不会产生缺黪诶搬繁； l i d 遽避横投棱号楚魏滤遴攘裂姣嫩发滋魏擐警，控制数字通道鼬鞠像信号越壤 与誉，使整个捻溅过程啜嚣记秉与存在装麓鹣翅援强豫，酶大丈帮终蠹褥空 阕帮掰占臻鹚搬钒e 甲u 巍对； 系统激鼹静双羹嚣像缝爨方浚，熬套离蘧、离分瓣及箍意宠整缝簸备麴特点e 逶过数字镯横援技零魏络台，褒臻模攘藩琴莰逮粼龋藏藤，瓣愆数掌方式逡撵鼗 处理图德，溉充分刹用了c c d 掴撤的极限裣浏滤废 中隆凌辨示。崮 图可觅，大鄂分的f 穰浚射爨接近l i 豹获凄蒗潮，如只取g 麴这部分获度爨 示，就达副了藤缩动态范围的露豹。 4 。骥俊浃魁 映射鼯狭发镶没有发生变化，输入和输融相同。如阁3 i 2 ( d ) 审瞎线所示n 蕊3 。l 。2 程这整l u t 饺徽躁镶赕瓣，媒鲤获艘校懑鲍功能。 3 l , 3d i a 卡输融麓模羧税额信号 经过簸糍，d a 卡靛输出鼹反榴黪摸裂褪频键号，蠛凄及镳嚣均可调。 圈3 i 3 对予这撵的藏穗僚弩，嵩龟平袭示低豹获发馕，按邋予黑色；低瓣媳平袭示 较高的获壤值，搂遥予瓯惫。囱上黪突起袭臻，蠢蔡穆爨素破鼹了平扳袭丽获度 鹣筠匀分布，详恐下节。 第二节细微毛刺捕捉瓣微分技术 3 0 。1 模撼携凝信号鹣特点 模拟邋邋申进程的是抉逮梭灏，酋先要对欲处瑗濑信弩襻掰了解。雠带徐 穗的燕葳糟信芍，下鬣懿讨谂为了篙犟、踅观起熙，均是菠姻傣号。 熬三章主器帮辨的硪制 对一定光照下鹣平援撵鼹，壶予c c d 熟筏角翳避成的照发不均匀，筏撅胬 像酌镶号一般憾猊下中翘较边缘髑强，势形藏弧度。 慰巍法嚣缺陷斑警投，篡燕篓l 视频傣警辩下： 甏3 2 。l 瓤巢使用的蹩交流先深，在豕波器主会瓣察列上滚波形土下瓣淤，显然，这 楚由于光强随辩变纯，不够稳定逡残的。在嶷流光照盟鹣螬形下，不存在明驻的 擗渤。 麴果平板袭巍捻溅藏露巾痞在映赡，则英典瑟的筏频信弩如下图所示： t i t3 2 2 豳中麓弧瘦囱c c d 褫角澎成，麓下翡滔滔畿警授袭瑟静缺终造成。慰予这 样不均匀抟裰频信号，如鬈巢翅电平溺馥黪粼灼方法过滤细微缺陷铸号： 工 m 辫3 ，2 。3 妇慕爆上黧掰示靛邈送毙较器憩黪，设霆一个鍪蠛魄平，必然会裔或多躐少 瓣背景氛终嫔号参与鉴蝠过程，丽真藤的缺陷信蛩姗未必畿梭浅； 1 ， 第誉鞲主要鼯粹鹣铡戳 糕3 。2 4 浅上瀚舞示麓勰浚瓣瞧擎情形牵，趣嚣张黢器绱辕龄巾遗漏了袭铡瀚缺雅绩 学，鼯纛邋边缘酌皱滔倍感丢炎； 菇3 , 2 ，5 瓣褒羔鬻搿承辩德鍪骧遣乎精移孛，遣溪魄鞍器鹣赣撼中主鼗潴了者翻懿竣辩 锩号，耀黪近中心瓣敞麓德感鬟失。 搬上蘸二黼虚线错波鼗的鉴嬲魄乎，= 釉艨缝酝设饕懿邀乎鍪裂鼢髂暴褥截 然苓懑，诲多缨礅靛麓凝产生秘痦喾隧饕簦裂憩乎瓣不隧瓣装失。对予这撵鹃凌 额繁蛩，采鼹瓣壤憋潮豹方法露潦楚行不邈熬，箕中鹩穰率髹灏凌予蔽澎箭黎髂 粤鹳张猩。 3 。襞，2 黼澎罄豢穰蛰魏濮豫 秘了潲涂弧形鹜綮谂号对糗测鹃不爨影蟪，避去镶卷潋悠方法，剿斑； l 。预定群糖冤浚潞豹撵鼹德肇，糗测髂遴稃毖辫； 2 。袋喾溉翘姆豫翡走滚，黪痰强薄警蠢魏鹜豢。 第三章主要部件的研制 不论其技术难度如何，以上方法的移植性、适应性均比较差： 预存储无缺陷信号的方法容易理解也较容易实现，但是对每种样品均需存储 相应数据，而且其检测条件( 光照强度、c c d 曝光时间、检测速度) 同生成预 存信号时相比，不能相差太多。 特殊光源在技术上不容易实现，而且适应性较差，主要表现为对不同样品宽 度，光强必须重新分布。 通过对模拟视频信号的观察分析，我们可以发现，此种信号可以分为两类： 慢变信号和快变信号。其中慢变信号是弧形的背景包络信号，而快变信号则是缺 陷信号和样品边缘的信号。 慢变都分 图3 2 6 只要我们能把慢变的背景包络信号滤去，再去除边缘信号的影响，就能够获 得仅含有缺陷的信号了。 先把上述模拟视频信号通入微分电路： r 图3 2 7 借助于p r o t e l 的软件仿真功能，我们可以得到( 反相的) ： 1 9 焦三黎童藉鼯件静研勰 戳3 ，2 + 8 羟遨邋榉鹣照莲，缓燮筏藤努郄辍影鹜豢装失灾舞键，璃褒载客骞诀交黎慧， 魑怒同时镪括了样品瓣滚缘和表孺缺陷。对上瓣申熬僚形，憾予蹙溅鹜最鹃部分 菠浚出谂骛中上升沿瀚傣惑；齑予巍滚謦聚熬帮分凝妖爨镶穆巾下黪沿趟黪息。 s 2 3 螨浚蔡瓣 对予嬲3 + 2 。8 中的髂号，我们仍然不能直按浆幅，谱则撒然将丢失上舟_ 凿倍 惩： l l 一 甏3 。2 ， 掇瓣3 ；2 。8 翡黎弩懑入豢、受敲太邀籍： 墨三雯圭至塑壁箜堑型一 得到 图3 2 1 0 。vv 负放大输出 和： 图3 2 1 1 正放大输出 irr 图3 2 1 2 第三章主要部件的研制 把上面的结聚输入减法器： 圈3 2 1 3 进行合成，厩负放大和减法器合成的结果相当于对原微分输出信号进行放 大、取绝对蓬。经过这样戆鲶疆，鬃有熬抉变部分舔交成正匏了，冀绫暴的渡彩 如下： k 卜l 一_ 。= - i k 。；一：百f 。百。i 一_ _ 。r 畦 图3 2 1 4 现在我们可以用图3 2 3 所示的电路对其进行幅度黢别了，从而把完整的快 变僖号捡出来： 来自边缘 赘3 ，2 。1 5 来自边缘 第兰攀主要掉转瓣职剡 在上述戆敞冲窿弼中，不论群蕊鹩裘魏鼹委露寝缺鼹，采褒予撵龋边缘静驻 释( 上黎审熬左农嚣裂) 始终蹩存亵戆，凌簿一霉予熬灏像撬鬏偿曝审，对成祥繇 翁鼹令边缘，箕边缘躲羚数想楚2 个。瓣飘耧晶豪瑟存在缺麓，燕必定会零 入 辩舰翁酸黻滁渖，使褥每额躲渖数大予2 。 函豌，热祭我稍辩予簿一镶露像申煞躲滓进行诗数，郑么爨诗数大于2 辩鄹 霹戳认炎襻程潜姣照。 3 。2 。4 麓疹 竣上绘国了横攒热溅鸽蘩零惑黪。模数检粼是懑滚滚实蠛黪，邈予惑路霞遂 行巾簧连续缝簸褒各行信号，摇栗辩备嚣不翔送分，谤数嚣将掇篱簿诗数繁热， 箕竣出靛续聚将会是混筑鹣。淹了避免这辩倚凝瓣掇溪，宓须逡辩澍计数嚣邀移 涛零，嚣必簧孳l 入一个弱疹楼苟，掇供器稽浆开始抟续粜，捷摸羧缝毽奄鼹蕤篓 确送分不瓣行，以确保稔灏缀采瓣燕潢链。 一基梭逖镶号中鸯蛾隧，模拟然璎单建即缎堪搬蛰僚号，通知计算机避杼桶 碰豹处滤。 3 。2 5 商速糗撤处理举溺 藏犟嚣横块蕊本黎骥炎l 上所述，实黼镄菝慧学瓣鬻速羧溅。 模掇褫凝傣号赡爨；瀵块鹣具薅楚趱瀛鼷翅下： 箕p c b 魄薅摄翅下； 蹒3 2 辐 第三章主要部件的研制 图3 2 1 7 在实际实施过程中，电路的设计和基本确定是先在p r o t e l 上仿真实现的，通 过仿真，基本上证明了其可行性。在这个基础上，又使用性能较差的器件在试验 板上实际验证了电路的功能。在示波器上能观察到这个验证电路输出的报警信 号，它已能检出某些显著的缺陷。 图3 2 1 8p r o t e l 仿真示意图 第三章主要部件的研制 图3 2 1 9 电路原理图 接着，在换用了更好的器件和调节、修改了各参数后，形成了上面的电路。 在实际电路中，模拟视频信号通过一个s m a 接口接收，同步信号( 见3 2 4 ) 通过一个i d c l 0 接口接收，而报警信号则由一个i d c 2 6 接口同计算机相连。 在前面的原理中没有提到数字电位器。在这里，电位器的作用是提供一个参 考电平( 图3 2 3 ) ，以便进行幅度鉴别。在进行幅度鉴别时，对于不同的样品， 以及不同的检测要求，鉴幅电平是需要调整的。传统的机械式电位器调节方式不 够灵活，而且存在抖动，同时难以实现计算机控制。因此，实际电路中采用数字 电位器( d c p ) 调节。选用的电位器采用1 2 c 总线接口方式，同3 线( n c s ，u n d ， n l n c ) 方式相比，功能更强大，如可以从d c p 读出当前抽头位置等。这里选用 的器件是x i c o r 公司的x 9 2 2 1 a w s i ，它包含两个6 4 抽头( 6 位) 的1 0 k 电位 器，上电后自动加载可编程的预设值。 第三章主要部件的研制 u p c 3 0 w n f u 面 阑 蕊 r h 。v 1 4 r 、 c a g w r l - v l 们 丽 丽 u m v 蠕： h 谶 r l 札 r w w d h i e d 图3 2 2 0 这两个电位器是可以级联的，从而提供更高的分辨率。 模拟处理电路的电源取自工控机p c i 槽。由于检测部分是模拟电路，所需的 5 v 不能直接取自计算机电源的5 v ( 高频噪声太大，数字电路能直接使用， 模拟电路不能使用) ，而是由p c i 槽的1 2 v 经7 8 0 5 7 9 0 5 后得到。整个电路板 ( 目前还不是p c i 卡) 插在p c i 槽上。和外界的联系有s m a ( 信号输入) ，i d c l 0 ( 到d a c 卡) 和i d c 2 6 ( 到打印口) 。 一旦检出信号中有缺陷，信号处理电路即通过打印口向计算机报警。 第三节帧图像处理的3x3 卷积及图像边缘增强 本节内容属于软件部分。 3 3 2 缺陷分析 通过监测报警电路的输出，可以知道当前行有否缺陷。根据项目要求，对缺 陷应有适当的分析，这里主要是定位和确定宽度，最好是由模拟处理电路来处理。 但不幸的是，由于考虑不周，在设计电路时只考虑了缺陷有无的检测，未考虑输 2 6 第三章主鍪部件的骈糊 蠢缺陷静位置髅怒，模羧电鼹在报警辩不熊绘& 获貉夜当饕纷豹其髂霞霉( 第豆 个像素) 。终为一静交通静方法，遮部分的动裁现在只缝国软搏处理。 于鼹在检测系统程序中不得不增加一个缺陷分析线程。原则上，这种做法降 羝了整个系统豹实蜡经。缺赡分孝厅线程实躲上楚在徽数字圈豫处理，它想是在自 己的缓冲区中依次寻找未处璐的缺陷图像。发现未处璁的图像后，即对其逐行检 测骥赢避( 基本上楚每彳亍中的快交部分，蕊本滕怒和徽分电貉类骰，疑体实现茭| l 是通过个3 3 的卷积) ，并对纛直边计数，计数为3 时，记下上一个位匿作为 缺陷。阂有实辩性要求，该符的装健缺翳在诧不处理。 在这里，臻憝瓣瑟俸定像喹较传实现，其中涉及裂一部分数字霪豫处瑗方法， 主甏是边缘检测。 3 。3 。2 。1 边缘撩灏 图像的边缘怒图像的最蕊本特征之l ，“。所谓边缘( 戏边沿) 楚措其周围 像索灰发耄阶跋变化箴类似攫顶变化的那些像索的集合。边缘广泛存在予物体与 背景之阕、物体与秘体之闯、基蕊与基元之间。 镌体的边缘楚密获度不遴续掰反馥蠡冬。经簇戆边缘提取方法是考察图像翡每 个像素在某个邻域内灰度的变化，利用边缘邻近一阶域二阶方向导擞变化规律。 翔簿擎豹方法稔溅逡缘。这秘方法稳为边缘捻测是懿葵予涤。 翔攫一个像素藩在图像中巢一个物髂魏边界上，那么它游邻玻捺成兔一个获 庹级的褒化带。对遮种变化竣有用的两个特征憝灰度的变化率和方向，它们分剐 以撵疫翔量麴楼度耪方囱来袭承。 下两来看醐3 3 1 脚像 一骑导数 = 辨导数 口 一纛曩 厂、一一止 j l 厂r 厂l + +十丫 秘 图3 3 1 第三章主要部件的研制 图3 2 1 中，第1 排是一些具有边缘的图像示例，第2 排是沿图像水平方向 的1 个剖面图，第3 和第4 排分别为剖面的一阶和二阶导数。由于采样的缘故， 数字图像中的边缘总有一定的模糊，所以这里垂直上下的边缘剖面都表示成有一 定坡度。常见的边缘有3 种： 阶梯状( 如图3 3 1 ( a ) 和图3 3 1 ( b ) 所示) 脉冲状( 如图3 3 1 ( c ) 所示) 屋顶状( 如图3 3 1 ( d ) 所示) 。 阶梯的边缘处于图像中具有2 个不同灰度值的相邻区域之间，它两边的像素 的灰度值有着显著的不同：脉冲状主要对应细条状的灰度值突变区域，它位于灰 度值从增加到减少的变化转折点，可看作图3 3 1 ( a ) 和图3 3 1 ( b ) 的两个阶梯 状相向靠得很近时的情况；而屋顶状的边缘上升下降沿都比较缓慢，可看做图 3 3 1 ( c ) 的脉冲坡度变化小的情况。 对阶跃性边缘，二阶方向方向导数在边缘处呈零交叉：而对于屋顶状边缘， 二阶方向导数在边缘处取极值。 在图3 3 1 ( a ) 中，对灰度值剖面的一阶导数在图像由暗变明的位置处有1 个向上的阶跃，而在其他位置都为零。这表示可用一阶导数的幅度值来检测边缘 的存在，幅度峰值一般对应边缘位置。对灰度值剖面的二阶导数在一阶导数的阶 跃上升区有1 个向上的脉冲，而在一阶导数的阶跃下降区有1 个向下的脉冲。在 这2 个阶跃之间有1 个过零点，它的位置正对应着原图像中边缘的位置。所以可 用二阶导数的过零点检测边缘位置，而用二阶导数在过零点附近的符号确定边缘 像素在图像边缘的暗区或明区。分析图3 3 1 ( b ) 可得到相似的结论。这里图像 是由明变暗，所以与图3 3 1 ( a ) 相比，剖面左右对换，一阶导数上下对换，二 阶导数左右对换。 在图3 3 1 ( c ) 中，脉冲状的剖面边缘与图3 3 1 ( a ) 的一阶导数形状相同， 所以图3 3 1 ( c ) 的一阶导数形状与图3 3 1 的二阶导数形状相同，而它的二阶 导数过零点正好分别对应脉冲的上升沿和下降沿。通过检测脉冲剖面的2 个二阶 导数过零点，可以确定脉冲的范围。 在图3 3 1 ( d ) 中，屋顶状边缘的剖面可看做是脉冲边缘底部展开得到的， 所以它的一阶导数是将图3 3 1 ( c ) 脉冲剖面的阶导数的上升沿和下降沿展开 得到的，而它的二阶导数是将脉冲剖面二阶导数的上升沿和下降沿拉开得到的。 通过检查屋顶状边缘剖面的一阶导数过零点，可以确定屋顶位置。 对图像中边缘的检测可以借助边缘检测算子通过卷积完成。边缘检测算子检 查每个像素的邻域并对灰度变化进行量化，也包括方向的确定。大多数使用基于 方向导数掩模求卷积的方法。实际上数字图像中求导数是利用差分近似微分来进 第三章主要部传的研制 彳亍的。 下面介绍几种常用的边缘检测算子： 3 32 1 。1 梯泼辣子 梯度对应一阶导数，梯发算子是一除静数算子。澍1 仑连续函数f ( x ，y ) ，它 在位置( x ，y ) 的梯度可表示为1 个矢量 v f ( x , y ) ：殴g y 卜f 芒当r c 辞 这个矢量的幅度( 也常直接简称为梯度) 和方向角分别为 m a g ( w ) 一【g 。2 + g 掣2 妒扛，y ) 一a r e t a n ( g ，瓯) 在实际中常用小区域模板卷积来近似计算上面3 式中的偏导数。对g 。和g ， 各麓1 个模板，掰以需要2 个模叛缀合起寒戳构成i 个撵度算