專利名稱：氟塑料薄膜在線疵點檢測系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及線陣圖像傳感技術(shù)和視覺匹配技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于檢測運(yùn)動帶狀 材料質(zhì)量信息的基于線陣圖像傳感器陣列的在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)和方法。
技術(shù)背景氟塑料以其耐高溫、抗摩擦、抗腐蝕、高強(qiáng)度以及絕緣性好等優(yōu)點越來越廣泛地應(yīng)用 于工業(yè)生產(chǎn)。雖然和其它通用塑料材料相比氟塑料價格較貴，加工相對困難，但由于其性 能獨特，是解決軍工和民用領(lǐng)域許多關(guān)鍵技術(shù)和提高生產(chǎn)技術(shù)水平不可或缺的材料，目前 已被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、原子能、電子、電氣、化工、機(jī)械、建筑、輕紡、食品、 醫(yī)療等行業(yè)，并日益深入到人們的日常生活中。因此研究開發(fā)并行線陣CCD陣列在線質(zhì) 量檢測系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景和市場需求。目前，已公開了許多有關(guān)圖像傳感器的專利。在這些專利文獻(xiàn)中，相當(dāng)一部分是面陣 圖像傳感器。而關(guān)于線陣CCD圖像傳感器的只有兩例，分別是，200520069068 "絕對式 角度編碼器"和200410051706 "LED多色線光源及其制作工藝"，前者是用于線陣CCD 控制的編碼器，后者是適用于線陣CCD的光源設(shè)計，都不體現(xiàn)并行線陣CCD的使用關(guān)鍵 技術(shù)和動態(tài)生產(chǎn)線的在線檢測。還有一部分是關(guān)于氟塑料產(chǎn)品的專利，其中與帶狀纏繞材 料相關(guān)的共有6項，都是關(guān)于其再應(yīng)用的，而關(guān)于其質(zhì)量檢測的相關(guān)專利還未見報道。有 關(guān)疵點檢測的專利只檢索到了東華大學(xué)2006年公開的200510110244 "—種自動驗布等級 客觀評定系統(tǒng)"，其主要功能是利用DSP模塊實現(xiàn)自動驗布，不涉及多線陣CCD陣列圖像 融合以及基于工控網(wǎng)的控制系統(tǒng)等高精度、高速度檢測的關(guān)鍵技術(shù)。另外，近幾年關(guān)于線 陣CCD檢測的算法大多是基于灰度的，沒有發(fā)現(xiàn)將像素點匹配的二次差分方法用于線陣 CCD傳感器的圖像處理，該方法具有計算量小和精度高的特點，特別適合于運(yùn)動帶狀材料 的在線質(zhì)量檢測。 發(fā)明內(nèi)容所要解決的技術(shù)問題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于并行線陣CCD陣列的帶狀纏繞材料在線 質(zhì)量檢測系統(tǒng)和方法，同時結(jié)合一種基于并行線陣CCD的圖像融合算法，適用于動態(tài)帶 狀材料質(zhì)量檢測和在線控制。技術(shù)方案本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種氟塑料薄膜在線疵點檢測系 統(tǒng)，包括(1) 并行圖像傳感器裝置由多個高分辨率線陣CCD組成以獲得線陣圖像；(2) 圖像傳感器陣列的控制裝置由多臺工控機(jī)和觸摸屏構(gòu)成線陣CCD圖像傳感器陣列 的控制裝置，可同時對多個線陣CCD攝像機(jī)實現(xiàn)同步控制，獲得同一被測物在不同位置 的線陣圖像以實現(xiàn)線陣CCD傳感器的圖像融合；(3) 圖像傳輸和處理裝置與并行圖像傳感器裝置相連，由多個工控機(jī)組成的工控局域 網(wǎng)構(gòu)成，可實現(xiàn)多個線陣CCD傳感器的并行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理；(4) 照明裝置采用適合運(yùn)動帶狀纏繞材料特點的照明裝置。所述的圖像傳感器陣列的控制裝置采用一個工控機(jī)控制兩個線陣CCD圖像傳感器，同時采用總線結(jié)構(gòu)由一個工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和處理。所述的多個線陣CCD圖像傳感器陣列，其成像面呈線形配置，多個線陣CCD之間既 獨立又合作。所述的照明裝置采用LED紅光源和白色背景。一種氟塑料薄膜在線疵點檢測方法，包括下列步驟(1) 定義無疵點的標(biāo)準(zhǔn)行圖像幀和結(jié)束行圖像幀，利用二次差分和像素點匹配二次差分 方法計算出有突變的圖像幀，它們被初步判定為有疵點的圖像；(2) 計算當(dāng)前行的幀間差，若其值小于行間差閾值，則讀入下一行為當(dāng)前幀，若其為結(jié)束行圖像幀則結(jié)束，否則返回步驟(1);(3) 若步驟(2)中其值大于或等于行間差閾值，則將圖像輸入至上位機(jī)；(4) 確定進(jìn)行行間串行圖像融合的行數(shù)，進(jìn)行行間串行圖像幀融合；(5) 檢測疵點是否在兩個CCD重疊區(qū)，若不是則輸出疵點類型大小和位置；若是則進(jìn)行 并行圖像幀融合，再輸出疵點類型大小和位置；(6) 讀入下一行為當(dāng)前幀，若其為結(jié)束行圖像幀則結(jié)束，否則返回步驟(1)。 本發(fā)明的創(chuàng)新點是采用多個線陣CCD傳感器和適用于氟塑料薄膜材質(zhì)的光源組成光學(xué)成像系統(tǒng)，利用多臺工控機(jī)和觸摸屏構(gòu)成線陣CCD圖像傳感器陣列的控制系統(tǒng)，它可 以同時對多個線陣CCD攝像機(jī)實現(xiàn)同步控制，獲得同一被測物在不同位置的線陣圖像以 實現(xiàn)線陣CCD傳感器的圖像融合，從而有效地提高采樣速率和圖像分辨率，實現(xiàn)帶狀材 料的動態(tài)視覺在線質(zhì)量監(jiān)控。該檢測系統(tǒng)的實質(zhì)性特點在于，它包括分別由一個工控機(jī)控制兩個線陣CCD圖像傳 感器形成圖像釆集子系統(tǒng)，從而形成多個相同子系統(tǒng)并行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母?局，同時采用總線結(jié)構(gòu)由一個工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和處理，進(jìn)而構(gòu)成全局圖像處理監(jiān)測 系統(tǒng)、實現(xiàn)視覺的在線檢測。上述的多個線陣CCD圖像傳感器陣列，其成像面呈線形配置，其中一個為參考圖像傳 感器，獲取的圖像稱為參考圖像，它是進(jìn)行圖像融合的基準(zhǔn)。所述的多個線陣CCD之間既 獨立又合作，獨立則是在串行圖像檢測上，不同CCD是完全獨立的，從而實現(xiàn)檢測精度 的提高，合作體現(xiàn)在相鄰CCD的重疊區(qū)域的設(shè)計上，其冗余信息可以實現(xiàn)多線陣CCD系 統(tǒng)的標(biāo)定和避免多線陣CCD的機(jī)械拼接和光學(xué)拼接。多線陣CCD的圖像融合涉及兩個層 面，其一是相同CCD的行圖像幀之間的融合，其二是相鄰CCD的行圖像幀的融合。我們設(shè)計了適合線陣CCD上述兩種圖像融合算法。它是在像素點匹配的基礎(chǔ)上再進(jìn) 行二次差分，不僅利用了像素點匹配的敏感性，同時二次差分可以有效避免被檢測物體運(yùn) 動而引起的測量誤差，其計算量小、效率高，較現(xiàn)有的圖像處理算法如灰度直方圖等更 適合線陣CCD傳感器的在線檢測。在檢測中，光源的穩(wěn)定性和檢測背景的選擇對薄膜疵點的形態(tài)影響較大，采用LED紅 光源和白色背景可以較有效地克服由于自然光的變化所帶來的檢測誤差，可根據(jù)不同厚度 薄膜的要求以及光學(xué)系統(tǒng)的特點，對閾值進(jìn)行調(diào)整，實驗證明用像素點的二次差分方法對 運(yùn)動的帶狀纏繞材料進(jìn)行檢測是一種非常有效的方法。本發(fā)明的原理是我們從人對視覺差異進(jìn)行判別的方式出發(fā)，利用行間差推導(dǎo)出適合 運(yùn)動物體疵點在線檢測的圖像處理算法。人眼是以像素為單位進(jìn)行圖像相似或差異的判別 的，兩行圖像在相同的位置上相同的像素點越多，圖像就越相似，由此提出適合線陣CCD的像素點匹配法。首先設(shè)定線陣傳感器不同時刻連續(xù)拍攝的圖像幀分別是^厶,...，而標(biāo)準(zhǔn) 幀為/ ，對相應(yīng)的兩幀圖像乙,/。計算其在每個像素點/的差異度式中4(0,厶(0分別表示第w幀圖像/位置上灰度值和第"幀圖像/位置上灰度值。為了使像素的差異度具有一般的可比較性，用計算的像素點的灰度的和進(jìn)行歸一化，在點(/)歸一化的差異度為e』d (2)現(xiàn)在設(shè)定閾值來判定兩幀圖像在該點是否匹配，在(o，i)區(qū)間，選取閾值c，如果差異度小于此閾值，則認(rèn)為該兩個像素點是匹配的，否則判定這兩個像素點有足夠的差異， 因此可用二值函數(shù)/^， (/)來計算兩幀圖像在點(/)的匹配情況& 。
丁l em C為了描述上的統(tǒng)一，用/^， (0 = 1來表示兩個像素點不匹配。這樣兩幀圖像的幀間差即可以表示為D(/m,/ )=ix， (o (4)i=0式中，M表示幀的寬度，D(乙，/")的意義便是圖像4和/"不匹配的像素點個數(shù)，下 面來利用圖像幀的大小，即其像素點的個數(shù)來對其進(jìn)行歸一化處理，得到歸一化幀間差"(/")=》(/ ，/ ) (5)用于像素突變切換檢測的二次差分法考慮到線陣CCD的視覺在線檢測很容易受到被檢測材料運(yùn)動而影響對真正疵點的檢 測，所以我們引入了基于像素點匹配的二次差分方法，可以消除或減小材料運(yùn)動的誤差進(jìn) 而提高檢測精度。為此我們從視頻運(yùn)動產(chǎn)生的幀間差的特點出發(fā)，推導(dǎo)出適合疵點突現(xiàn)檢 測的二次差分法。首先討論相鄰兩個圖像幀的差異度，定義d(") = d(/ —,，/ )，則 c/(" + l) = d(/ ，/ +,)，再做一次差分，則有/(") = )-t/(w-l) (6)通過式(6)的二次差分，可以有效消除或明顯減小由材料運(yùn)動帶來的檢測誤差。 上述方法主要利用了材料運(yùn)動產(chǎn)生的幀間差和材料的實際位移成正比；以及由材料運(yùn)動產(chǎn)生的幀間差是近似連續(xù)的兩個假設(shè)。同時還注意到，由于二次差分計算的介入而引起的計算量很小，對在線識別影響很小。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果①實現(xiàn)了高速度線陣CCD陣列并行的圖像采集、處理系統(tǒng)，利用角度編碼器實現(xiàn)了線陣CCD陣列的嚴(yán)格同步，降低了測量誤差，因此可以采用高速度線陣CCD攝影機(jī)跟蹤快速 動態(tài)帶狀材料的生產(chǎn)過程；② 利用多臺工控機(jī)形成工控網(wǎng)絡(luò)，并開發(fā)了相應(yīng)的工控網(wǎng)圖像處理系統(tǒng)保障了快速圖像傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性，特別適用于加工環(huán)境惡劣的場合；③ 提出了基于像素點二次差分的線陣CCD陣列的行圖像融合算法，可以減小甚至消除由 于薄膜運(yùn)動產(chǎn)生的誤差，滿足氟塑料薄膜高速度、高精度實時在線檢測的要求；基于像素 點二次差分算法的標(biāo)準(zhǔn)行的設(shè)定，可以免去濾波等圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)，有效檢測出有機(jī)物污 染等灰度漸變類型的疵點；④ 設(shè)計的氟塑料薄膜專用光源和檢測背景對薄膜疵點的快速識別奠定基礎(chǔ)，采用LED紅 光源和白色背景具有很好的穩(wěn)定性，可以較有效地克服由于自然光的變化所帶來的檢測誤 差。同時根據(jù)不同厚度薄膜的要求，對閾值進(jìn)行調(diào)整可以獲得更穩(wěn)定的檢測結(jié)果；⑤ 基于工控網(wǎng)的線陣CCD圖像傳感器陣列的氟塑料薄膜在線檢測系統(tǒng)的實施，改變了以 往人工檢測質(zhì)量不穩(wěn)定、易產(chǎn)生疲勞以及客戶投訴頻繁等問題，為產(chǎn)品質(zhì)量邁上新臺階打 下良好的基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明工控機(jī)圖像處理網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖2是本發(fā)明的并行線陣CCD陣列在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖； 圖3是多線陣CCD的圖像融合算法框圖；圖4是本發(fā)明的氟塑料薄膜疵點集成；將其分為有機(jī)物、斑點和孔洞三個類別；圖5是運(yùn)用像素點二次差分方法對不同類型疵點位置定位結(jié)果；圖6是運(yùn)用像素點二次差分方法對不同類型疵點識別結(jié)果；圖7是氟塑料薄膜在線檢測系統(tǒng)人機(jī)界面。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限 定的范圍。將上述方案應(yīng)用于某氟塑料薄膜生產(chǎn)企業(yè)，配合該產(chǎn)品生產(chǎn)線加入質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)功能要求〇運(yùn)動最大速度250mm/s，薄膜寬度1300mm，薄膜厚度范圍0.044mm，實時 掃描采集圖像；〇檢測精度0.1mm;相機(jī)選型為了滿足實際檢測需求，設(shè)定2個像素表示0.12mm。幅寬1300mm的塑料薄膜則 需要大約22000個像素成像表示。根據(jù)薄膜的傳送速度，則可計算所需線陣相機(jī)的行頻約 為4.2KHz。根據(jù)檢測要求，黑白相機(jī)即可。選定PE線陣相機(jī)SmartBlue SB4480，分 辨率為4096X1，采集行頻為18KHz， M72接口?？紤]到檢測幅寬，則需要6臺SB4480 線陣相機(jī)，每臺相機(jī)覆蓋范圍為240mm左右，重疊部分20mm，以避免漏檢。鏡頭SB4480接F 口鏡頭，需要轉(zhuǎn)接圈F/M72。 光源LED紅色條形光源，長度不小于1300mm，正光和背光可控方式。 主機(jī)主板需帶有PCI-E接口，所選用的PIX E1DB圖像采集卡可接兩臺SB4480線陣CCD，則系統(tǒng)需要三臺下位機(jī)和一臺主機(jī)。如圖1 3所示，由于多個線陣CCD視覺傳感器在進(jìn)行實時檢測時，每個線陣CCD傳 感器每次輸出的數(shù)字圖像信號是一行像素，同時為了避免漏檢，兩個相鄰的線陣CCD應(yīng)該 有必要地重疊，而重疊的程度應(yīng)該適當(dāng)，太小有可能造成漏檢，太大會造成不必要的空間 和時間的浪費(fèi)，因此在設(shè)計時保證無漏檢的情況下盡可能減小重疊的尺寸?？紤]到上述原 因和線陣圖像傳感器的特點，有必要進(jìn)行同一個傳感器的行間串行圖像融合以及相鄰傳感 器的行間并行融合。為了上述融合和圖像處理符合在線檢測要求，設(shè)計了適合多線陣CCD 的圖像融合算法，其基本原理如圖3所示。根據(jù)模板匹配法、像素點匹配法以及直方圖法 等基本行間差算法，首先定義無疵點的標(biāo)準(zhǔn)行圖像幀和結(jié)束行圖像幀，然后利用二次差分 和像素點匹配二次差分方法計算出有突變的圖像幀，它們被初步判定為有疵點的圖像，然 后將其傳送到上位機(jī)，進(jìn)行必要的行間串行圖像融合和相鄰傳感器的行間并行融合。
權(quán)利要求
1.一種氟塑料薄膜在線疵點檢測系統(tǒng)，其特征在于包括(1)并行圖像傳感器裝置由多個高分辨率線陣CCD組成以獲得線陣圖像；(2)圖像傳感器陣列的控制裝置由多臺工控機(jī)和觸摸屏構(gòu)成線陣CCD圖像傳感器陣列的控制裝置，可同時對多個線陣CCD攝像機(jī)實現(xiàn)同步控制，獲得同一被測物在不同位置的線陣圖像以實現(xiàn)線陣CCD傳感器的圖像融合；(3)圖像傳輸和處理裝置與并行圖像傳感器裝置相連，由多個工控機(jī)組成的工控局域網(wǎng)構(gòu)成，可實現(xiàn)多個線陣CCD傳感器的并行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理；(4)照明裝置采用適合運(yùn)動帶狀纏繞材料特點的照明裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氟塑料薄膜在線疵點檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像傳感器陣列的控制裝置采用一個工控機(jī)控制兩個線陣CCD圖像傳感器，同時采用總線結(jié)構(gòu)由一個工控機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氟塑料薄膜在線疵點檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的多個線陣CCD圖像傳感器陣列，其成像面呈線形配置，多個線陣CCD之間既獨立又合作。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氟塑料薄膜在線疵點檢測系統(tǒng)，其特征在于所述的照明裝置采用LED紅光源和白色背景。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氟塑料薄膜在線疵點檢測方法，包括下列步驟(1) 定義無疵點的標(biāo)準(zhǔn)行圖像幀和結(jié)束行圖像幀，利用二次差分和像素點匹配二次差分方法計算出有突變的圖像幀，它們被初步判定為有疵點的圖像；(2) 計算當(dāng)前行的幀間差，若其值小于行間差閾值，則讀入下一行為當(dāng)前幀，若其為結(jié) 束行圖像幀則結(jié)束，否則返回步驟(1);(3) 若步驟(2)中其值大于或等于行間差閾值，則將圖像輸入至上位機(jī)；(4) 確定進(jìn)行行間串行圖像融合的行數(shù)，進(jìn)行行間串行圖像幀融合；(5) 檢測疵點是否在兩個CCD成像重疊區(qū)，若否則輸出疵點類型大小和位置；若是則進(jìn)行并行圖像幀融合，再輸出疵點類型大小和位置；(6) 讀入下一行為當(dāng)前幀，若其為結(jié)束行圖像幀則結(jié)束，否則返回步驟(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氟塑料薄膜在線疵點檢測系統(tǒng)和方法，包括并行圖像傳感器裝置由多個高分辨率線陣CCD組成以獲得線陣圖像；圖像傳感器陣列的控制裝置由多臺工控機(jī)和觸摸屏構(gòu)成線陣CCD圖像傳感器陣列的控制裝置，可同時對多個線陣CCD攝像機(jī)實現(xiàn)同步控制；圖像傳輸和處理裝置與并行圖像傳感器裝置相連，由多個工控機(jī)組成的工控局域網(wǎng)構(gòu)成，可實現(xiàn)多個線陣CCD傳感器的并行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理；照明裝置采用適合運(yùn)動帶狀纏繞材料特點的照明裝置。本發(fā)明首次將像素點匹配的二次差分用于氟塑料薄膜的在線檢測，避免了由于薄膜運(yùn)動帶來的測量誤差。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于航空、電子電氣、化工、機(jī)械、建筑、輕紡、食品、醫(yī)療等行業(yè)。
文檔編號G01N21/89GK101403704SQ20071017193
公開日2009年4月8日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者丁永生, 宋紹寧, 鄒林剛, 郝礦榮 申請人:東華大學(xué);鄭州市新大新科技實業(yè)有限公司