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可(kě)靠的(de)質量 ● 完善的(de)服務
基于機(jī)器(qì)視(shì)覺的(de)表面缺陷檢測
發布時(shí)間(jiān)：
2025-04-02
來(lái)源：
我們是(shì)一(yī)個(gè)制(zhì)造大(dà)國(guó)，每天都(dōu)要(yào)生(shēng)産大(dà)量的(d≈e)工(gōng)業(yè)産品。用(yòng)戶和(hé)生(shēng)産企業(yè)對(duì)産品質量的(de)要(yào)求越來(lái)越高(gāo)，除要(yào)求滿足使用(yòng)性能(néng)外(wài)，還(hái)要(yào)有(yǒu)良好(hǎo)的(de)外(wài)觀，即良好(hǎo)的(de)表面質量。但®(dàn)是(shì)，在制(zhì)造産品的(de)過程中，表面缺陷的(de)産生(shēng)往往是(shì)不(bù)可(kě)避免的(de)。人(rén)工(gōng)檢測是(shì)β産品表面缺陷的(de)傳統檢測方法，該方法抽檢率低(dī)、準确性不(bù)高(gāo)、實時(shí)性差、效率低(dī)、勞動強度大(dà)₩、受人(rén)工(gōng)經驗和(hé)主觀因素的(de)影(yǐng)響大(dà)，而基于機(jī)器(qì)視(shì)覺的(de)檢測方法可(kě)以很(hěn)大(dà)程度上(shàng)克服上(shàng)述弊端。
美(měi)國(guó)機(jī)器(qì)人(rén)工(gōng)業(yè)協會(huì)(RIA)對(duì)機(jī)器(qì)視(shì)覺下(xià)的(de)定義為(wβèi)：“機(jī)器(qì)視(shì)覺是(shì)通(tōng)過光(guāng)學的(de)裝置和(hé)非接觸的(de)傳™感器(qì)自(zì)動地(dì)接收和(hé)處理(lǐ)一(yī)個(gè)真實物(wù)體(tǐ)的(de)圖像，以獲得(d≠e)所需信息或用(yòng)于控制(zhì)機(jī)器(qì)人(rén)運動的(de)裝置”。
機(jī)器(qì)視(shì)覺檢測系統通(tōng)過适當的(de)光(guāng)源和(hé)圖像傳感器(qì)(CCD攝像機(jī))獲取産品的(de)表面圖像，利用(yòng)相(xiàng)應的(de)圖像處理(lǐ)×算(suàn)法提取圖像的(de)特征信息，然後根據特征信息進行(xíng)表面缺陷的(de)定位、識别、分(fēn)級等判别和(hé)統計(jì)、存儲、查詢等操作(zuò);
視(shì)覺表面缺陷檢測系統基本組成主要(yào)包括圖像獲取模塊、圖像處理(lǐ)模塊、圖像分(fēn)析模塊、數(sh∞ù)據管理(lǐ)及人(rén)機(jī)接口模塊。
圖像獲取模塊
圖像獲取模塊由CCD攝像機(jī)、光(guāng)學鏡頭、光(guāng)源及其夾持裝置等組成，其功能(néng)是(shì)完成産品表面圖像的(de)采集。在光(guāng®)源的(de)照(zhào)明(míng)下(xià)，通(tōng)過光(guāng)學鏡頭将産品表面成像于相(xiàσng)機(jī)傳感器(qì)上(shàng)，光(guāng)信号先轉換成電(diàn)信号，進而轉換成計(jì)Ω算(suàn)機(jī)能(néng)處理(lǐ)的(de)數(shù)字信号。
圖像處理(lǐ)模塊
圖像處理(lǐ)模塊主要(yào)涉及圖像去(qù)噪、圖像增強與複原、缺陷的(de)檢測和(hé)目α标分(fēn)割。由于現(xiàn)場(chǎng)環境、CCD圖像光(guāng)電(diàn)轉換、傳輸電(&diàn)路(lù)及電(diàn)子(zǐ)元件(jiàn)都(dōu)會(huì)使圖像産生(shēng)噪聲，這(zhΩè)些(xiē)噪聲降低(dī)了(le)圖像的(de)質量從(cóng)而對(duì)圖像的(de)處理(lǐ)和(hé)分( fēn)析帶來(lái)不(bù)良影(yǐng)響，所以要(yào)對(duì)圖像進行(xíng)預處理(lǐ)以去(qù)噪。圖像增強目是(sh→ì)針對(duì)給定圖像的(de)應用(yòng)場(chǎng)合，有(yǒu)目的(de)地(dì)強調圖像的(de)整體(tǐ)或局部特性，将原來(láiε)不(bù)清晰的(de)圖像變得(de)清晰或強調某些(xiē)感興趣的(de)特征，擴大(dà)圖像中不(bù)同物(wù)體(tǐ)特征之間(jiān)的(de)差别，抑制(zhì)不(bù)感興趣的(de)特征，使之改善圖像質量、豐富信息量，加強圖像判讀(dú)和(hé)識别效果的(de)圖像處理(lǐ)ε方法。圖像複原是(shì)通(tōng)過計(jì)算(suàn)機(jī)處理(lǐ)，對(duì)質量下(xià)降的(de)圖像加以重建或複原的(de)處理(lǐ)過程。圖像複原很(h'ěn)多(duō)時(shí)候采用(yòng)與圖像增強同樣的(de)方法，但(dàn)圖像增強的(de)結果還(hái)需要(yào)下(xià)一(yī)階段↔來(lái)驗證;而圖像複原試圖利用(yòng)退化(huà)過程的(de)先驗知(zhī)識，來(lái)€恢複已被退化(huà)圖像的(de)本來(lái)面目，運動模糊的(de)複原等。圖像分(fēn)割的(λde)目的(de)是(shì)把圖像中目标區(qū)域分(fēn)割出來(lái)，以便進行(xíng)下(xià)一(yī)步的( de)處理(lǐ)。
圖像分(fēn)析模塊
圖像分(fēn)析模塊主要(yào)涉及特征提取、特征選擇和(hé)圖像識别。特征提取的(de)作(zuò)用(yòng)是(shì)從(&cóng)圖像像素中提取可(kě)以描述目标特性的(de)表達量，把不(bù)同目标間(jiān)的(de)差異映射到(dào)低(dī)維的(de)特征™空(kōng)間(jiān)，從(cóng)而有(yǒu)利于壓縮數(shù)據量、提高(gāo)識别率。表↓面缺陷檢測通(tōng)常提取的(de)特征有(yǒu)紋理(lǐ)特征、幾何形狀特征、顔色特征、變換系數(shù)特征等，用(yòng)這(zhè)些(xiē)多(duō)信息融合的(de)特征向量來(lái)可(kě)靠地(dì)區(qū)分(fēn)不(bù)同類型的(de♦)缺陷;這(zhè)些(xiē)特征之間(jiān)一(yī)般存在冗餘信息，即并不(bù)能(néng)保證特征集是(shì)好(hǎo)的(de)，好(hǎo)的(de)特征集應具備簡約性>和(hé)魯棒性，為(wèi)此，還(hái)需要(yào)進一(yī)步從(cóng)特征集中選擇更有(yǒu)↑利于分(fēn)類的(de)特征，即特征的(de)選擇。圖像識别主要(yào)根據提取的(de)特征集來(lái)訓練分(fēn)類器(qì)，使其對(duì)表面缺陷類型進行(xíng→)正确的(de)分(fēn)類識别。
産品缺陷檢測
産品缺陷檢測方法可(kě)以分(fēn)為(wèi)三種。
一(yī)種是(shì)人(rén)工(gōng)檢測法，這(zhè)種方法不(bù)僅成本高(gāo)，而且在對(duì)微(wēi)小(xiǎo)缺陷進行(xíng)判别時(shí)，難以達到(dào)所需要(yào)的(de)精度和(hé)©速度，人(rén)工(gōng)檢測法還(hái)存在勞動強度大(dà)、檢測标準一(yī)緻性差等缺點。
第二種是(shì)機(jī)械裝置接觸檢測法，這(zhè)種方法雖然在質量上(shàng)能(néng)滿足生(shēng)産的(de)需要(yào)，但(dàn)存在檢測設備價格高(gāo)、靈活性差、速度慢(↔màn)等缺點。
第三種是(shì)機(jī)器(qì)視(shì)覺檢測法，即利用(yòng)圖像處理(lǐ)和(hé)分(fēn)析對(duì)産品可(kě)能(néng)存在的(de)缺陷進行(xíng)檢測，這(zhè)種方法采用(y↔òng)非接觸的(de)工(gōng)作(zuò)方式，安裝靈活，測量精度和(hé)速度都(dōu)比較高(gāo)。同一(yī)台機(jī)器(qì)視(shì)覺檢測設備可(k≈ě)以實現(xiàn)對(duì)不(bù)同産品的(de)多(duō)參數(shù)檢測，為(wèi)企≈業(yè)節約大(dà)筆(bǐ)設備開(kāi)支。
差值檢測缺陷待檢測物(wù)品的(de)缺陷表現(xiàn)在圖像上(shàng)，即為(wèi)缺陷處的(de™)灰度值與标準圖像的(de)差異。将缺陷圖像的(de)灰度值同标準圖像進行(xíng)比較，判斷其差值(兩幅圖灰度★值的(de)差異程度)是(shì)否超出預先設定的(de)阈值範圍，能(néng)判斷出待測物(wù)品有(yǒ←u)無缺陷。
表面缺陷類型
在實際應用(yòng)中，不(bù)同産品對(duì)缺陷的(de)定義也(yě)不(bù)一(yī)樣。一(yī)般來(lái)說(shuōΩ)，産品表面缺陷分(fēn)為(wèi)結構缺陷、幾何缺陷和(hé)顔色缺陷等幾種類型。
常見(jiàn)的(de)工(gōng)件(jiàn)完整性檢測屬于結構缺陷檢測，尺寸規格檢測屬于幾何缺陷檢測，而印刷品質量β檢測中常需要(yào)進行(xíng)顔色缺陷檢測。
問(wèn)題和(hé)難點
1）基于機(jī)器(qì)視(shì)覺的(de)表面缺陷檢測将是(shì)未來(lái)研究和(hé)發展的(de)主要(yào)方向，目前☆，基于機(jī)器(qì)視(shì)覺的(de)表面缺陷檢測理(lǐ)論研究和(hé)實際應用(yòng)等環節均有(yǒu)可(kě)喜的(de)成果，但(dàn)仍存在下(xià)面主要(yào)的(de)問(wèn)題和(hé)難點：
2）受環境、光(guāng)照(zhào)、生(shēng)産工(gōng)藝和(hé)噪聲等多(duō)重因素影(yǐng)響，檢測系統的(de)信噪比一(yī)般較低(dī)，微(wēi)弱信号難以檢出或不(bù)能(néng)與噪聲有(☆yǒu)效區(qū)分(fēn)。如(rú)何構建穩定、可(kě)靠、魯棒的(de)檢測系統，以适應光(guāng)照(zhào)變化(≠huà)、噪聲以及其他(tā)外(wài)界不(bù)良環境的(de)幹擾，是(shì)要(yào)解決的(de)問(wèn)題之一(yī)。
3）機(jī)器(qì)視(shì)覺表面缺陷檢測，特别是(shì)在線檢測，其特點是(shì)數(shù)據量龐大(dà)、冗餘信息多∑(duō)、特征空(kōng)間(jiān)維度高(gāo)，同時(shí)考慮到(dào)真正的(de)機(jī)器(qì)視(shì)覺面→對(duì)的(de)對(duì)象和(hé)問(wèn)題的(de)多(duō)樣性，從(cóng)海(hǎi)量數(shù)據中提取有(÷yǒu)限缺陷信息的(de)算(suàn)法能(néng)力不(bù)足，實時(shí)性不(bù)高(gāo)。
4）與機(jī)器(qì)視(shì)覺表面檢測密切相(xiàng)關的(de)人(rén)工(gōng)智能(néng)理(lǐ)論雖然得(de)到(dào)了(le)很(hěn)大(dà)的(←de)發展，但(dàn)如(rú)何模拟人(rén)類大(dà)腦(nǎo)的(de)信息處理(lǐ)功能(★néng)去(qù)構建智能(néng)機(jī)器(qì)視(shì)覺系統還(hái)需要(yào)理(lǐ)論上(s hàng)的(de)進一(yī)步研究，如(rú)何更好(hǎo)的(de)基于生(shēng)物(wù)視(shì)覺認識、指導機(jī)器(qì→)視(shì)覺的(de)檢測也(yě)是(shì)研究人(rén)員(yuán)的(de)難點之一(yī)。
5）從(cóng)機(jī)器(qì)視(shì)覺表面檢測的(de)準确性方面來(lái)看(kàn)，盡管一(yī)系列算(suàn)法不(bù)斷出現(xiàn)，但(dàn)在實際應用(yòng)中準确率仍然與滿足實際應用(yòng)的(de)需求尚有(yǒu)一(yī)定差距，如(rú)何解決準确識别與模糊特征之間(jiān)、實時(shí)性與準确性之間(jiān)₩的(de)矛盾仍然是(shì)目前的(de)難點。
發展趨勢
随著(zhe)計(jì)算(suàn)機(jī)技(jì)術(shù)、信息技(jì)術(shù)、電(diàn)子(zǐ)技(j₽ì)術(shù)、傳感器(qì)技(jì)術(shù)和(hé)仿生(shēng)技(jì)術(shù✔)等的(de)發展，機(jī)器(qì)視(shì)覺檢測方法也(yě)必将得(de)到(dào)迅速的(de)發展。技(jì)術(shù) 和(hé)市(shì)場(chǎng)需求等因素決定了(le)機(jī)器(qì)視(shì)覺表面缺↑陷檢測的(de)發展趨勢為(wèi)：
1)MARR理(lǐ)論對(duì)計(jì)算(suàn)機(jī)視(shì)覺發揮了(le)巨大(dà)作(zuò)用(yòng)，其核心是(shì)将視(shì)覺理(lǐ)解±為(wèi)3D重建的(de)過程。但(dàn)是(shì)，從(cóng)3D場(chǎng)景到(dào)2D圖像是(shì)一(yī)個φ(gè)多(duō)對(duì)一(yī)的(de)映射，在映射的(de)過程中損失了(le)深度信息;灰度是(shì)對(€duì)場(chǎng)景的(de)惟一(yī)的(de)測量值，諸如(rú)光(guāng)照(zhào)、材料特性、朝向和(hé)距離(lí)等信息都(dōu)©無法反映;成像中由于噪聲及環境等因素的(de)幹擾，都(dōu)會(huì)使圖像産生(shēng)失真。為(wèi)此，需要(yào)研究視(sh$ì)覺檢測新理(lǐ)論和(hé)新方法，如(rú)發展主動視(shì)覺、增強視(shì)覺系統的(de)智能(néng)學習(xí)能£(néng)力等。
2)從(cóng)生(shēng)物(wù)視(shì)覺得(de)到(dào)啓發，吸收來(lái)自(zì)心理(lǐ)學、生(shēng)理(lǐ)學等其他(tā)學科(kē)中生λ(shēng)物(wù)視(shì)覺的(de)研究成果，基于生(shēng)物(wù)視(shì)覺機(jī)制(zhì)為(wèi)視(shì)覺檢測提供研究新思路(¶lù)，模仿生(shēng)物(wù)視(shì)覺多(duō)尺度、層次性的(de)視(shì)覺特點，結合視(shì)覺任務，引入先驗知( zhī)識的(de)指導，同時(shí)将機(jī)器(qì)視(shì)覺、機(jī)器(qì)聽(tīng)覺、機(jī)器(qì)嗅覺、機(jī)器(qì)觸覺等多(duō)信息相(xià♥ng)互融合，突破單一(yī)視(shì)覺信息的(de)局限性，也(yě)将成為(wèi)機(jī)器(qì)視(shì)覺檢測的(de)發展方向之一(yī)。
3)研究更具魯棒性的(de)圖像處理(lǐ)和(hé)分(fēn)析算(suàn)法，提高(gāo)圖像處理(lǐ)的(de)有(yǒu)效性和(hé)和(hé)執行(xíng)效率，±降低(dī)算(suàn)法的(de)複雜(zá)度，提高(gāo)識别的(de)準确性。在在線檢測系統中，要>(yào)特别注重實時(shí)性，視(shì)覺本身(shēn)具有(yǒu)內(nèi)在的(de)并₽行(xíng)性，為(wèi)此，還(hái)在要(yào)理(lǐ)論、算(suàn)法和(hé)技(jì)術(shù)等多(duō)方面δ研究視(shì)覺并行(xíng)計(jì)算(suàn)，提高(gāo)視(shì)覺計(jì)算(suàn)的(de)速度。同時(sh>í)，進一(yī)步研究算(suàn)法性能(néng)的(de)評價方法，以對(duì)算(suàn)法的(de)效率和(h™é)性能(néng)作(zuò)了(le)科(kē)學、準确的(de)刻畫(huà)和(hé)評價。
4)研究完整3維場(chǎng)景重建方法。現(xiàn)有(yǒu)3維場(chǎng)景重建理(lǐ )論和(hé)算(suàn)法基本都(dōu)局限于對(duì)目标“可(kě)視(shì)”部分(fēn)的(de)重構，如(rú)果用(yòng)Marr視(shì↕)覺計(jì)算(suàn)理(lǐ)論來(lái)說(shuō)，還(hái)主要(yào)停留在2.5維表達上(shàng)，這(zhè)種表達僅提供了(le)物(wù)體(tǐ)可(kě )見(jiàn)輪廓以內(nèi)的(de)3維信息。如(rú)何恢複物(wù)體(tǐ)完整表面的(de)信息，即包括物(wù)®體(tǐ)表面不(bù)可(kě)見(jiàn)部分(fēn)，是(shì)一(yī)個(gè)複雜(zá)但(dàn)也(yλě)亟待解決的(de)問(wèn)題。
5)采用(yòng)統一(yī)而開(kāi)放(fàng)的(de)标準，構建标準化(huà)、一(¶yī)體(tǐ)化(huà)和(hé)通(tōng)用(yòng)化(huà)的(de)解決方案，标準化(h✔uà)與個(gè)性化(huà)的(de)進一(yī)步統一(yī)，研發可(kě)靠性高(gāo)、λ維護性好(hǎo)、便于不(bù)斷完善和(hé)升級換代、網絡化(huà)、自(zì)動化(huà)和(hé)智能(néng)化(huà)更高(gāo)的(de)機(jī)器(q↕ì)視(shì)覺系統是(shì)今後的(de)發展趨勢。
總結
機(jī)器(qì)視(shì)覺系統的(de)研究和(hé)應用(yòng)範圍涵蓋了(le)工(gōng)業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事(shì)、交通(tōng)和(γhé)安全等國(guó)民(mín)經濟的(de)各個(gè)領域，基于機(jī)器(qì)視(shì)覺的(de)産品表面質量檢測在現(xiàn)代自(zì)動化(huà)生(shēng)産中得(de)到(dào)了(le)越來(lái)越↕多(duō)的(de)重視(shì)和(hé)應用(yòng)。
機(jī)器(qì)視(shì)覺表面缺陷檢測系統中，圖像處理(lǐ)和(hé)分(fēn)析算(suàn)法是(shì)重要(yào)的(de)內(nèi)容，通(tōng)常的(de)流程¥包括圖像的(de)預處理(lǐ)、目标區(qū)域的(de)分(fēn)割、特征提取和(hé)選擇及缺陷的(d e)識别分(fēn)類。每個(gè)處理(lǐ)流程都(dōu)出現(xiàn)了(le)大(dà)量的(de)算(suàn)法，這(zhè)些(γxiē)算(suàn)法各有(yǒu)優缺點和(hé)其适應範圍。如(rú)何提高(gāo)算(suàn)法的(de)準确性、執行(xíng)效率、實 時(shí)性和(hé)魯棒性，一(yī)直是(shì)研究者們努力的(de)方向。
機(jī)器(qì)視(shì)覺表面檢測比較複雜(zá)，涉及衆多(duō)學科(kē)和(hé)理(lǐ)論，機(jī)器(γqì)視(shì)覺是(shì)對(duì)人(rén)類視(shì)覺的(de)模拟，但(dàn)是(shì)目前對(duì)人(rén)的(de)視(shì)覺機Ω(jī)制(zhì)尚不(bù)清楚，盡管每一(yī)個(gè)正常人(rén)都(dōu)是(shì)“視(shì)覺專家(jiā)&rdqu↑o;，但(dàn)難以用(yòng)計(jì)算(suàn)機(jī)表達自(zì)己的(de)視(shì)覺過程，&因此構建機(jī)器(qì)視(shì)覺檢測系統還(hái)要(yào)進一(yī)步通(tōng)過研究生(shēng)物(wù)視(shì)覺機(jī)理(lǐ)來(lái)完善，使檢€測進一(yī)步向自(zì)動化(huà)和(hé)智能(néng)化(huà)方向發展。
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