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基于差影和模板匹配的微小轴承表面缺陷检测


基于差影和模板匹配的微小轴承表面缺陷检测 — — — 陈廉清  崔  治

王龙山

基于差影和模板匹配的微小轴承表面缺陷检测
陈廉清1 崔  治2 王龙山2
1. 宁波工程学院 , 宁波 , 315016 2. 吉林大学 , 长春 , 130025

摘要 : 针对轴承表面缺陷的位置 、 面积 、 深度等随机变化导致图像采集具有不确定性的特 点 , 设计了一套采用光电耦合器图像识别技术进行缺陷自动检测的系统 。 该系统光源恒定 、 处 理速度快 、图像精度高 , 能长时间稳定工作 , 显著提高了图像采集质量 。 经过深入研究图像分 割、 图像差影 、 模板匹配等模式识别理论与技术及微小轴承图像特征发现 , 要检测轴承的表面 缺陷 , 需将轴承表面分割成两部分进行识别 , 轴承表面的均匀分布区域直接采用差影法 , 文字 刻印区域采用模板匹配法 , 结果表明该方法识别正确率达 98 %。 关键词 : 光电耦合器 ; 微小轴承 ; 表面缺陷 ; 差影 ; 模板匹配 中图分类号 : T P391. 4 ; T H 133. 3    文章编号 : 1004 —132X(2006)10 — 1019 —04 The Inspection of Bearing’ s Surface Defect Based on Image Substraction and Template Matching Chen Lianqing 1 Cui Zhi2 Wang L ongshan 2 1. Ningbo Unive rsity o f T echnolog y , Ning bo , Z hejiang , 315016 2. Ji li n Univ ersity , Changchun , 130025 Abstract : Focusing o n t he charact eri sti cs t hat t he col lected image w as uncer tain because of the bearing surface defect’ s posi tion and area as well as dept h chang ing random ly , an auto matic def ect inspection sy stem by t he image identifi catio n t echno logy w as desig ned. T he system had adv ant ag es of the i nvariableness of lig ht source and lo ng stable w o rking time , w hich i mproved the image collecting precision great ly . By studyi ng the digit al image feat ures and the theories and technolo gy of pat tern recog nitio n such as segment ation of i mage , t he subt ract ing bet ween tw o im ag es and tem plat e m atching , the paper came to t he co nclusions t hat t he bearing surface image should be divided into tw o part s t o inspect the def ect effi cient ly , one wi th reg ular g ray - value and the ot he r wi th ir reg ular g ray - value because of m odel tex t. T he subt ract ion could be directly used i n t he f ormer situatio n and t he t emplate mat chi ng could be used in t he later. Finally t he expe riment resul t show s that accuracy of t he sy st em reached as hig h as 98 %. Key words : change couple device( CCD); micro bearing ; surface defect ; subst raction ; template matching

0  引言
微小轴承在 生产 、装 配过程中 , 由于 加工技 术、 微小异物等因素 , 在轴承的外圆表面 、密封盖 端面等处会产生各种压痕 、吭伤 、划痕等缺陷 , 这 些缺陷将会对微小轴承的使用性能和外观产生一 定影响 。 对微小轴承 进行表面检测 是保证其正 常、 安全 、可靠运行的重要技术手段 。 目前 , 国内 轴承生产厂家对轴承表面的检测主要利用人工目 测完成 , 由于受检查人员技术 、 经验 、工作环境以 及视力疲劳等影响 , 很容易出现误检和漏检 , 这种 方法不仅效率低 、 缺乏准确性和规范化 , 并且不能 将检测数据实时送入计算机进行质量管理 , 对企业 造成不必要的损失 。 本文提出一种将光电耦合器 (change couple device , CCD)技术应用于微小轴承 表面缺陷检测的方法 , 并开发出一套利用计算机控 制且具有实时图像处理和分类功能的检测系统 。
收稿日期 : 2005 — 12 — 05 基金项目 : 宁波市工业科研攻关项目(2005B100014)

1

数字图像采集系统设计
在基于 CCD 技术的微小轴承表面缺陷检测

系统中 , 光源的设计 、 图像的采集与处理是整个系 统成功与否的关键 。 为了采集到高质量的图像信 息 , 便于后续图像特征量的提取和分析 , 本系统采 用德国 Basler 公司的 A102f 型 CCD 面阵数字摄 像头为图像传感器 , 利用数字图像处理技术对微 小轴承的表面质量特征进行识别检测 , 该系统可 供调节的参数有曝光时间 、 灰度值 、 采集范围以及 采样频率 。 通过图像采集卡转化为数字化图像输 入计算机 , 由系统进行在线识别 。 轴承表面上的凹坑缺陷位置 、缺陷的深度与 斜面倾斜角均为随机值 , 使得表面对于平行光的 反射出现不确定性 , 导致所采集的缺陷图像也具 有不确定性 。 在检测系统中 , 图像灰度及其分布 是一个很重要的参数 , 光源与照明方案的设计应 尽可能突出被检测工件的灰度特征量 。 在增加对 比度的同时 , 还应保证被检测区域有足够的整体
1019

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亮度 。 光源的设计必须满足亮度大 、 均匀性好 、 稳 定性高等要求 , 以抑制外界环境中各种光线对图 像质 量 产 生 不 良 影 响 而 导 致 检 测 系 统 故 障 或误判 。 为此 , 我们设 计了如 图 1 所 示的 图像 采 集系 统 。 该系统使用冷光源以 75° 的 倾斜角对 工件进行 照明以突出微小轴承表面 缺陷 , 其底部放置均匀可 调背 光 源以 消除 工 件阴 影 , 加装偏振器滤去数字 摄像 机的杂光 , 采用暗箱 隔绝外界环境光 。 这种设 计既能满足图像采集的需 要 , 又有利于保持光源的 恒定 , 保证系统能够长时 间稳定工作[ 1] 。 该系统的 系统的实时性 。
1. 检测系统  2. CCD 摄像头 3. 偏振器  4. 锥形光源 5. 检测轴承  6. 背光源

存在相当大的干扰(图 3), 不利于后续对缺陷的 判别工作 。 通过对加工现场进行统计归类 , 约 80 % 的轴 承表面缺陷出现在内外圈端面及密封盖端面上 , 为了简化检测模型及加快检测速度 , 可以对轴承 采集图像先进行区域分割 , 重点突出检测部位 , 以 便按照不同的表面条件进行分步检测 。 图 4 所示为为方便计算机视觉系统的质量检 测而对轴承图像进行的理论区域分割 。 将内外圈 端面(图 4 中的阴影线部分以及图 5a)作为一个 整体进行图像处理及差影 , 将刻印文字所在的密 封盖端面(图 4 中的网格线部分以及图 5b)作为 一个单独表面进行图像处理完成表面质量检测 。 由于轴承的形状为圆形 , 只需求出圆心坐标 和半径就可以完全确定其位置 。 圆心的定位可由 H ough 变换方法得到 。 在进行 H ough 变换前要 进行 XY 双向扫描 , 根据灰度变化检测出图像中 的有效图像坐标极值 , 并以此大致确定轴承所在 的一个方形区域 , 同时也就确定了圆心可能存在 的范围 , 从而显著减小了 H ough 变换的运算量 。 然后采用标准 H ough 变换对图像边缘进行圆度 拟合 , 实现圆心的精确定位 。 同一型号的轴承外圆半径是一定的 , 上述检 测系统所设计的固定支架和固定焦距保证了采集 图像的大小一致 , 只要将待测图上的轴承圆心与 标准图的轴承圆心进行对齐 , 整幅图像的对齐工 作就自动完成 。 同时 , 根据图像外形与轴承实际尺 寸的比值 , 可以完成图像的尺寸标定 。
[ 3]

图 1   图像采集系统

特点是处理速度快 、图像精度高 , 并可以保证检测

2

微小轴承的图像特征分析

轴承表面主要由外圈工作面 、外压槽 、 密封盖 端面 、 内压槽及内圈工作面组成 , 其中在密封盖端 面上还刻印有轴承型号等文字 。 在大量实验的基 础上 , 我们对轴承采集图像的特征进行了详细分 析 , 图 2 为标准轴承与缺陷轴承的对比图 。

(a )标准轴承

(b)缺陷轴承

图 2  标准轴承和缺陷轴承比 较

目前 , 利用计算机视觉进行工件在线检测的 方法一般为差影法 , 即将检测目标图像与事先采 集的标 准模 板图 像进行 差影计算来进行判断[ 2] 。 但进行 差影 的前 提条件 是两个 图像 不存 在较大 的位置误差和角度误差 , 在图 2a 和图 2b 中 , 由于 密封盖 端面 上刻 印文字 的影响 , 使两图差影结果
1020 图 3  差影图像
1. 刻印文字  2. 密封端盖  3. 压槽 4. 轴承内圈  5. 轴承外圈

图 4   理 论轴承图区域分割

对于同一型号的轴承 , 图 5 中所标出的各图 像边缘半径 R 1 ~ R 6 都是确定不变的 , 对于尺寸 标定已经完成的图像 , 在内外圈及密封盖的圆心 定位后可以直接按照 r ∈ (R 1 , R 2) ∪ (R 5 , R 6) 及 r ∈ (R 3 , R 4 ) 将图形分割为 S 1 (内外圈端面) 和 S2 ( 密封盖端面)。

基于差影和模板匹配的微小轴承表面缺陷检测 — — — 陈廉清  崔  治

王龙山

过圆心对齐后可以直接进行差影法 , 用两图像对 应点的灰度值进行求差运算 , 生成一个新的差影 图像 。 图像在成像 、采集 、传输和恢复等过程中 , 不 可避免地会受到噪声的影响 。 噪声是图像在成像 、 数字化和传输等过程中受到各种干扰形成的 , 严
   (a)S 1 区域 图 5   图像分割 (b)S 2 区域

重的噪声会使图像变得模糊 , 难以辨别图像边缘 及捕捉图像特征 , 但许多噪声性质不甚明了 , 为获 得清晰的图像轮廓 , 需要对图像进行降噪处理 。 中 值滤波不会明显地模糊图像边缘 , 只是对图像中 的显著角点有影响[ 5] 。 考虑到轴承图像的边缘基 本上都是圆和圆弧曲线 , 个别角点与待测参数无 关 , 对检测结果没有影响 , 所以可采用 3 ×3 像素 小邻阈的中值滤波来消除个别毛刺噪声的影响 。 经实验证明 , 中值滤波很好地抑制了图像噪声 , 可 以达到较好的消噪效果 。 3. 2 模板匹配 图 5 中的 S 2 表面由于存在产品型号等刻印 文字 , 对差影法效果影响极大 , 不可能直接差影来 提取缺陷 , 但除了刻印文字部分 , S 2 表面其余部 分仍然适用差影法来进行检测 。 因此 , 主要工作是 要将 S 2 表面的刻印文字部分提取出来 , 可采用模 板匹配法进行 , 但由于轴承基于此面有角度上的 旋转 , 如果进行全图匹配 , 计算机处理的计算量将 大大增加 。 为此本系统采用优化的模板匹配算法 来进行处理 : 将 S 2 表面按圆心为中心 , 每隔 2 ° 划 分成一系列扇形等分区域进行灰度统计 , 因为刻 印部分颜色较深 , 对灰度有较大影响 , 由此可以得 出刻印文字相对标准轴承的近似旋转角度 , 然后 对文字所在区域进行基于 CANN Y 算子的边缘检 测 , 如 图 6 所示 , 此时 图像特 征 简 化为 文 字 和轮廓边缘 , 由此可以
(2)

3 差影法和 模板匹配 在检 测系统 中 的实现
3. 1 图像差影 差影法实际上就是图像的相减运算(又称减

影技术), 是指把相似景物的拍摄图像或者同一景 物在不同时间拍摄的图像相减 。 图像的相减运算 是指对两幅输入图像进行点对点的减法而得到输 出图像的运算 , 其数学表达式如下 :
C ( x , y) = A(x , y) - B(x , y) 出图像 。 (1) 式 中 , A(x , y) 和 B( x , y) 为 输 入 图 像 ; C(x , y) 为 输

图像相减可用于去除一幅图像中不需要的加 性图案 , 加性图案可能是缓慢变化的背景阴影 、 周 期性的噪声或者是在图像上每一像素处均已知的 附加污染 。 差影法同样可以用于检测同一场景的 两幅图像之间的变化 。 差值图像提供了图像间的 差异信息 , 对于缺陷目标的识别和检测工作非常 适用[ 4] 。 但图像在做差影运算时必须使两相减图 像的对应像点位于空间同一目标点上 , 否则不能 得出正确的差影图像 , 也就无法正确反映工件缺 陷 , 有可能产生误检 。 由此需要在全局统计意义上对两差影图像进 行分析 , 将两差影图像差值均方误差 D 与预先设 定阈值进行比较 , 其中 D 的计算公式如下 :
D =

∑∑
j k

[ T 1( j , k) - T 2( j , k) ]

2

式中 , j 为 x 轴坐标 ; k 为 y 轴坐标 ; T1 为目 标图像坐标灰 度值 ; T2 为标准图像坐标灰度值 。

确定刻 印 文 字所 在 的 区域 , 在此区域内对已 知字母 进 行 模板 匹 配 (仅匹配边缘包络线), 可得出 待 测 刻印 文 字 相对标 准 图 的精 确 旋
图 6   CANNY 算子的 边缘检测图

对于所获得的图像 , 首先进行图像预处理去 除噪声信号 , 确定轴承所在图像的位置 , 将待检图 像与标准图像进行位置 、大小对齐 , 然后根据轴承 型号进行区域分割 , 对于不同的分割部分 , 由于图 像特征不同而采用不同的检测流程对缺陷进行分 析检测 。 根据上述的区域分割 , 轴承表面被分成 S 1 和 S 2 两个表面 , 其中 S 1 为均匀分布表面 , 由于光源 恒定的特点 , S 1 范围内的高光及漫反射部分在待 检图像和标准图像上表现出极大的一致性 , 在经

转角度[ 5] , 匹配标准可以依据模板文字与待配准 文字的归一化互相关性参数 R 而定 。 R 值计算公 式为
R =

∑ ∑[ T (j , k)T ( j , k)] ∑ ∑[ T (j , k)]
1 2 j k 1 2 j k

(3)

这种匹配边缘包络线的方法所用的模板大小仅为
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二次调节加载系统的预测控制研究
丁  强 彭  嵩 裘丽华 王占林 唐志勇
北京航空航天大学 , 北京 , 100083
  摘要 : 分析了二次调节加载系统的特性 。 针对系统的特点 , 提出一种动态矩阵预测控制 (DM C)和 PID 相结合的方法 。 通过内环来克服随机干扰 , 外环采用预测控制来获得优良的跟 踪性能和鲁棒性 , 实现目标和控制的分层 , 对有关设计参数的选择进行了讨论 。 仿真试验结果 表明 : 动态矩阵预测控制和 PDI 相结合的方法有效地克服了系统时变 、 干扰等未知影响 , 有较 高的控制精度和较强的鲁棒性 , 可获得满意的控制效果 。 关键词 : 二次调节 ; 加载 ; 预测控制 ; 动态矩阵 中图分类号 : T P273     文章编号 : 1004 - 132X(2006) 10 —1022 — 04 Study on Predictive Control of a Secondary Regulated Loading System Ding Qiang  Peng Song  Qiu Lihua  Wang Zhanli n  T ang Z hiyo ng Bei jing Universit y of Aeronaut ics and A st ronaut ics , Beijing , 100083 Abstract : Specific characteristics of t he secondary reg ulat ed loading sy st em w ere analyzed f irstly. Based on the analy ses , a dynamic m at rix predi ct ive cont rol (DMC ) wi th PID w as presented. T he random disturbance s w ere surpassed in i nner - loop. T he go od tracking pe rf o rm ance and ro bustne ss are obtained by predictive co nt rol in the ext ernal - lo op. T he laye r o f go al and cont ro l w as divided. Param eters of the device w ere discussed. T he sim ula tion and t esti ng result s sho w that t he cont rol met ho d can overcome time varia tion and unknow n di st urbance , and has high precisio n and robust ness. Key words : seco nda ry reg ulati on ; lo adi ng ; predicti ve co ntro l ; DM C

0  引言
二次调节液压系统是一种典型的机 - 电 - 液
收稿日期 : 2004 — 04 — 04   修回日期 : 2005 — 06 — 28

耦合系统[ 1] , 由于系统的固有特性的时变性 , 以 及负载和干扰的存在 , 导致系统呈现典型的不确 定性和非线性特性 , 因而难以建立确切的数学模 型 。 预测控制是近年来广泛重视并得到应用的一
参考文献 : [ 1]  梁吉 , 蒋式 勤 , 沈立 纬 . 视 觉检 测系 统及 其应 用 . 微 计算机信息 , 2003 , 19(12) : 44 ~ 45 [ 2]  Shih M Y , Shishido A , K hoo I C. All - optical Image P ro ce ssing by M ea ns of a P ho tosensitive N o nlinear Liquid - cr ystal Film : Edge Enhancement and Imag e A ddition Subtr action. O ptics Le tters. 2001 , 26(15) : 1140 ~ 1142 [ 3]  陈向伟 , 王龙山 , 刘庆 民 , 等 . 基于 CCD 图像 的圆 度 误差测 量 的 研 究 . 半 导 体 光 电 , 2004 , 25( 4): 313 ~ 316 [ 4]  何斌 . V isual C + +数字 图像处理 . 北京 : 人民邮 电 出版社 , 2002 [ 5]   Liao S X , P awlak M . O n I mag e A na ly sis by M oments. I EEE T rans. Pa tte rn A naly sis and M achine Intellig ence , 1996 , 18(3) : 254 ~ 266 (编辑  郭  伟)
作者简介 : 陈廉清 , 男 , 1963 年 生 。 宁波 工程 学院机 械工 程学 院 副教授 。 主要研究方向为 CA D /C A M 、计算机视觉技术等 。 发 表 论文 20 余 篇 。 崔  治 , 男 , 1977 年生 。 吉林大 学机械 科学与 工 程学院硕士研究生 。 王龙山 , 男 , 1946 年生 。 吉林大 学机械科 学 与工程学院教授 、博士研究生导师 。

边缘包络线的像素数量 , 计算量显著降低 , 可以快 速精确定位刻印文字 , 这样就实现了刻印文字与 其余部分图像的分离 。

4

实验与实际应用
本系统在 P4 微机上进行实验 , 对 100 个轴承

部件的采集图像进行检测 , 并将结果与人工检测 的结果进行比较 , 其符合率达到 98 %, 精度由所 取对象大小和相应图像的像素数决定 , 实验中所 拍摄的图像画面大小约为 15mm × 15mm , 相应的 像素数约为 500 ×500 , 此时约能以 0 . 03mm 的分 辨率判断出正品与次品 , 每个轴承处理时间约为 1 . 8s , 能满足生产实际要求 。

5  结论
微小轴承表面质量视觉检测系统是较先进的 实时检测系统 , 具有非接触 、 速度快 、 精度高 、操作 简单 、 重复性好等特点 。 该系统利用了现代控制 理论 、 图像采集与处理技术 、 软件编程技术以及光 源设计技术等 , 具有较强的人工智能性 。
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