自動(dòng)缺陷分類(lèi)系統(tǒng)在超聲掃描顯微鏡中的應(yīng)用

連軍莉，魏 鵬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 101601)

超聲掃描顯微鏡是用于檢測(cè)物體表面、內(nèi)部區(qū)域，產(chǎn)生高分辨率特征圖像的檢測(cè)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。由于超聲能量的傳遞要求介質(zhì)是連續(xù)的，所以如氣孔、雜質(zhì)、分層、裂紋等不連續(xù)界面都會(huì)干擾超聲信號(hào)傳播或致使超聲信號(hào)發(fā)生反射。在氣孔、分層處會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，在圖像中表現(xiàn)為紅色區(qū)域。

確定器件是否合格，就是判斷氣孔、分層等缺陷的尺寸（也就是相位圖像中的紅色區(qū)域）是否超出容差范圍。傳統(tǒng)的人工目測(cè)，即使使用測(cè)量工具，也不能精確判斷各缺陷的面積和尺寸，很難適應(yīng)產(chǎn)品批量的要求。因此如何快速進(jìn)行缺陷分類(lèi)成為工藝線上必須解決的大問(wèn)題。而缺陷自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)可以對(duì)缺陷進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi)，減少缺陷分析時(shí)間，以及主觀造成的缺陷分類(lèi)錯(cuò)誤，分析結(jié)果更加精確，重復(fù)性更高，從而大大提高了整體效率。

1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)打開(kāi)一幅圖像，進(jìn)行缺陷分析，測(cè)量出各缺陷特征，然后根據(jù)各設(shè)定閾值，判斷是否可以忽略該缺陷。該系統(tǒng)可以離線操作，也可以嵌入到主檢測(cè)程序中。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 缺陷自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)流程圖

2 缺陷標(biāo)記

由超聲掃描檢測(cè)設(shè)備得到的掃描圖像中，有氣泡、分層的地方會(huì)發(fā)生相位反轉(zhuǎn)，在圖像中用紅色來(lái)標(biāo)識(shí)。由于缺陷的灰度值相等，故本系統(tǒng)中采用改良的區(qū)域標(biāo)記算法[1-4]對(duì)各缺陷進(jìn)行標(biāo)記，將缺陷（即紅色像素）視為物體。該方法對(duì)圖像進(jìn)行充分處理，可快速標(biāo)記出圖像中所有目標(biāo)物體。標(biāo)記算法的流程圖如圖2所示。

算法步驟描述：

（1）從左到右，從上到下逐個(gè)像素掃描。

（2）若當(dāng)前點(diǎn)為首行像素，且為物體，判斷左前點(diǎn)是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與左前點(diǎn)相同的值；否則，數(shù)標(biāo)加1，此數(shù)組值為1；

（3）若當(dāng)前點(diǎn)為首列像素，且為物體，判斷右上是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與左前點(diǎn)相同的值；否則，判斷正上是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與正上相同的值；否則，數(shù)標(biāo)加1，此數(shù)組值為1；

圖2 缺陷標(biāo)記流程圖

（4）若當(dāng)前點(diǎn)為最后一列像素，且為物體，判斷正上是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與正上點(diǎn)相同的值；否則，判斷左上是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與左上相同的值；否則，判斷左前是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與左前相同的值；否則，數(shù)標(biāo)加1，此數(shù)組值為1；

（5）若當(dāng)前點(diǎn)不是上述點(diǎn)，是圖像中間像素（包含最后一行），且為物體，則依次判斷該像素點(diǎn)的右上點(diǎn)、正上、左上及左前是否為該物體，優(yōu)先級(jí)依次降低的順序?yàn)橛疑宵c(diǎn)、正上點(diǎn)、左上點(diǎn)及左前點(diǎn)。若右上點(diǎn)為物體，則當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記和右上點(diǎn)相同的值；否則，判斷正上是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與正上點(diǎn)相同的值；否則，判斷左上是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與左上相同的值；否則，判斷左前是否為物體，若是，當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記與左前相同的值；否則，數(shù)標(biāo)加1，此數(shù)組值為1；若該點(diǎn)的左上、正上、右上及左前點(diǎn)共4個(gè)點(diǎn)的像素值都不為物體，則把數(shù)標(biāo)加1，且此數(shù)組值為1，作為另一物體的區(qū)別。

（6）若該點(diǎn)的左上、正上、右上及左前點(diǎn)共4個(gè)點(diǎn)的像素值都不為物體，則把數(shù)標(biāo)加1，且此數(shù)組值為1，作為另一物體的區(qū)別。

（7）其中有一特別調(diào)整：當(dāng)前點(diǎn)的右上點(diǎn)及左前點(diǎn)為不同標(biāo)記，正上點(diǎn)和左上點(diǎn)不為物體，則當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記同右上點(diǎn)置相同的值。此時(shí)，掃描當(dāng)前像素點(diǎn)之前的圖像，把所有同當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記相同的像素值都標(biāo)記成與右上點(diǎn)同樣的值。有多少個(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換，則統(tǒng)計(jì)右上點(diǎn)像素值(標(biāo)記值)的數(shù)組就加多少。而把統(tǒng)計(jì)左前點(diǎn)的像素值(標(biāo)記值)的數(shù)組置0。

3 測(cè)量特征

在超聲掃描檢測(cè)中，非常關(guān)注的問(wèn)題之一是缺陷的大小。當(dāng)缺陷的尺寸超出一定的值，即認(rèn)定為缺陷。故在本系統(tǒng)中，主要統(tǒng)計(jì)缺陷的面積和最大尺寸。

3.1 面積計(jì)算

在標(biāo)記圖像中，相互連接的物體像素集合組成一個(gè)區(qū)域。對(duì)圖像內(nèi)每個(gè)像素進(jìn)行標(biāo)記操作，將物體的像素值改為標(biāo)號(hào)，求各種標(biāo)號(hào)的總和，即求得不同區(qū)域的面積數(shù)目。具體步驟如下：

(1)遍歷標(biāo)記圖像，設(shè)置一維數(shù)組，維數(shù)為標(biāo)記物體的個(gè)數(shù)；

(2)循環(huán)取得各點(diǎn)像素值，像素值就是標(biāo)號(hào)；

(3)根據(jù)不同的標(biāo)號(hào)，加到對(duì)應(yīng)的數(shù)組；

(4)得到各連通區(qū)域的面積。

3.2 長(zhǎng)寬最大值

在標(biāo)記圖像中，找到各種標(biāo)號(hào)的出發(fā)點(diǎn)，然后將其余帶此標(biāo)號(hào)的像素的坐標(biāo)值和出發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)值比較，可得到此標(biāo)號(hào)區(qū)域x、y坐標(biāo)的最大和最小值。由此可計(jì)算出最大的長(zhǎng)和寬。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)在標(biāo)記圖像內(nèi)，根據(jù)不同的像素值，即不同的連通區(qū)域，循環(huán)取得各點(diǎn)像素值的標(biāo)號(hào)，搜索一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)值；

(2)遍歷標(biāo)記圖像，將相同標(biāo)記的像素坐標(biāo)值和出發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行比較，最后可得到此連通區(qū)域坐標(biāo)的最大最小值；

(3)根據(jù)不同的像素值，依次執(zhí)行第(2)、(3)步；

(4)根據(jù)每個(gè)連通區(qū)域的最大最小值，計(jì)算連通區(qū)域的最大長(zhǎng)度和寬度。

4 閾值比較

將得到的結(jié)果，每個(gè)連通區(qū)域的面積和最大的長(zhǎng)和寬，與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較。具體如下：

（1）如果：實(shí)際值>預(yù)先設(shè)定值，只要滿足一個(gè)條件，即記錄為缺陷；否則：實(shí)際值<預(yù)先設(shè)定值，忽略；

（2）輸出此器件是否為合格品。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的效果，本文進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，本系統(tǒng)在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)能夠快速處理圖像，準(zhǔn)確率99%，重復(fù)率100%，真實(shí)反映了檢測(cè)器件的合格狀況。圖3、圖4、圖5、圖6為本文從大量實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)挑選的一組結(jié)果圖。

圖3 原始圖像

圖4 處理結(jié)果1

圖5 處理結(jié)果2

圖6 處理結(jié)果3

說(shuō)明：圖4中設(shè)置總閾值為10（即總的缺陷面積閾值為10），單個(gè)閾值為2（即單個(gè)缺陷面積閾值為2），下部分表格中的顯示結(jié)果為所有缺陷信息；圖5顯示結(jié)果為滿足條件（即單個(gè)缺陷的面積大于單個(gè)閾值2）的缺陷信息，點(diǎn)擊“處理”按鈕即可執(zhí)行，點(diǎn)擊“恢復(fù)”按鈕即可恢復(fù)為圖4所示的表格；圖6顯示結(jié)果為判斷結(jié)果，整個(gè)面積、單個(gè)面積只要有一個(gè)超出設(shè)定范圍，即表示此器件不合格，點(diǎn)擊“判別分析”按鈕即可執(zhí)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文描述的缺陷自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)，可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)分析、分類(lèi)，減少了缺陷分析時(shí)間，以及主觀分類(lèi)錯(cuò)誤，結(jié)果更加精確，重復(fù)性更高。

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