圖像識(shí)別技術(shù)及其在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用研究

張偉勝

（廣東省茂名市交通高級(jí)技工學(xué)校（機(jī)械工程部），廣東 茂名 525000）

機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行是一個(gè)系統(tǒng)性過(guò)程，其內(nèi)部零件往往承受多種應(yīng)力，長(zhǎng)期運(yùn)行狀態(tài)下內(nèi)部零件極易出現(xiàn)故障，給機(jī)械設(shè)備使用性能產(chǎn)生影響，嚴(yán)重情況下可能會(huì)造成安全事故。因此在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中有必要做好機(jī)械零件的無(wú)損檢測(cè)工作。圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，使得圖像信息感知、處理與識(shí)別的效率更高，促進(jìn)了機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)自動(dòng)化與精密化水平的提升。

1 圖像識(shí)別技術(shù)

1.1 圖像識(shí)別過(guò)程

圖像識(shí)別以圖像處理為基礎(chǔ)，是指以圖像為對(duì)象所開(kāi)展的各種處理性工作，包括編碼、壓縮、復(fù)原及分割等。圖像處理過(guò)程中，以圖像輸入后，一般情況下也會(huì)通過(guò)圖像形態(tài)進(jìn)行輸出。在圖像識(shí)別過(guò)程中，將處理后的圖像輸入，一般情況下輸出類(lèi)別與圖像結(jié)構(gòu)分析。也就是說(shuō)，圖像識(shí)別是一個(gè)自原始圖像到物體類(lèi)型的過(guò)程，原始圖像經(jīng)過(guò)圖像處理后，抽取特征并加以分類(lèi)對(duì)比，以圖像樣本庫(kù)資源作為對(duì)比分析的參考依據(jù)，最終確定物體類(lèi)型。從本質(zhì)上來(lái)講，可以將圖像識(shí)別看作是對(duì)圖像分類(lèi)與描述進(jìn)行研究的過(guò)程。在圖像識(shí)別過(guò)程中，在對(duì)圖像中物體進(jìn)行檢測(cè)分離之后，將物體特征提取出來(lái)，以形狀、紋理特征等作為提取對(duì)象，一般將圖像處理融入到圖像特征提取環(huán)節(jié)中。待對(duì)比分析明確物體類(lèi)型后，從結(jié)構(gòu)層面上對(duì)圖像進(jìn)行分析。圖像識(shí)別過(guò)程中，其識(shí)別階段不受圖像內(nèi)物體數(shù)量的影響，在識(shí)別過(guò)程中主要經(jīng)歷三個(gè)階段，不同階段具備其各自特性，如圖1所示。

1.2 圖像識(shí)別方法

就圖像識(shí)別技術(shù)在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，圖像識(shí)別可通過(guò)多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中比較常用的方法有統(tǒng)計(jì)法、句法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模板匹配法、幾何變換法等，以下分別開(kāi)展具體分析。

圖1 圖像識(shí)別三個(gè)階段

其一，統(tǒng)計(jì)法。就圖像識(shí)別技術(shù)在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用情況來(lái)看，統(tǒng)計(jì)法是一種比較常用的圖像識(shí)別方法，以圖像作為研究對(duì)象，通過(guò)全面統(tǒng)計(jì)分析，明確其中內(nèi)在規(guī)律，把握?qǐng)D像本質(zhì)特性，提取其中特征，為圖像識(shí)別的開(kāi)展提供可靠支持。統(tǒng)計(jì)法是基于數(shù)學(xué)理念與決策理論所實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需建立統(tǒng)計(jì)學(xué)識(shí)別模型，以滿(mǎn)足機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中的圖像識(shí)別需求。實(shí)際上，統(tǒng)計(jì)法在圖像識(shí)別過(guò)程中具有良好的適用性，通過(guò)精準(zhǔn)特征提取能夠提高分類(lèi)科學(xué)性，并將分類(lèi)誤差控制在最小范圍內(nèi)，從而為機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供可靠技術(shù)支持。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法開(kāi)展圖像識(shí)別的過(guò)程中，所建立的圖像統(tǒng)計(jì)模型類(lèi)型豐富，比較常用的是貝葉斯模型，能夠在一定程度上改善最優(yōu)分類(lèi)器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但其局限性在于，無(wú)法解決概率密度估計(jì)問(wèn)題，這就勢(shì)必會(huì)影響圖像識(shí)別的整體效果。

其二，句法。在圖像識(shí)別過(guò)程中，句法識(shí)別主要是通過(guò)符號(hào)來(lái)對(duì)圖像特征進(jìn)行描述，可以將句法識(shí)別看作是統(tǒng)計(jì)法識(shí)別的輔助方式，能夠發(fā)揮一定補(bǔ)充作用。在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)時(shí)，句法的應(yīng)用需明確句法層次結(jié)構(gòu)，以圖像為對(duì)象進(jìn)行分層，待子圖像形成后進(jìn)行有針對(duì)性識(shí)別，明確子圖像空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，以符號(hào)來(lái)對(duì)圖像特征進(jìn)行描述。實(shí)際上，句法在圖像識(shí)別過(guò)程中的應(yīng)用，促進(jìn)了模式識(shí)別能力的有效拓展，能夠分析景物并識(shí)別物體結(jié)構(gòu)，從而滿(mǎn)足圖像識(shí)別的應(yīng)用需求。但從另一方面來(lái)說(shuō)，句法識(shí)別也存在一定局限性，若在圖像識(shí)別過(guò)程中外界干擾較大，則無(wú)法準(zhǔn)確提取子圖像，這就勢(shì)必增大圖像識(shí)別誤差，導(dǎo)致圖像識(shí)別的精準(zhǔn)度與可靠度無(wú)法得到有效保證。

其三，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。在圖像識(shí)別過(guò)程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法所實(shí)現(xiàn)的，其系統(tǒng)中包含諸多簡(jiǎn)單神經(jīng)元，這些神經(jīng)元是圖像識(shí)別技術(shù)的主要載體。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，將神經(jīng)元有序連接起來(lái)，構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過(guò)多個(gè)神經(jīng)元的協(xié)調(diào)作用，促進(jìn)多元化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行為的形成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在圖像識(shí)別過(guò)程中的應(yīng)用，能夠從側(cè)面上反映出人腦功能基本特征，相當(dāng)于人腦系統(tǒng)的簡(jiǎn)化與模擬，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法在圖像識(shí)別過(guò)程中發(fā)揮著良好的應(yīng)用價(jià)值。將句法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在圖像處理過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)方式有所不同，句法主要對(duì)人類(lèi)邏輯思維進(jìn)行模擬，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法則對(duì)人的感覺(jué)與知覺(jué)過(guò)程、分布式記憶與自學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行模擬，可見(jiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法與句法存在相輔相成的關(guān)系，在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)時(shí)，要注重對(duì)句法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法加以協(xié)調(diào)運(yùn)用，從而全面提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的特征在于，其能夠?qū)π畔?shí)施綜合優(yōu)化處理和并行分布式存儲(chǔ)，存儲(chǔ)規(guī)模較大，在非線性映射逼近的狀態(tài)下，具有良好的容錯(cuò)性，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)與自學(xué)習(xí)，因而在圖像識(shí)別過(guò)程中發(fā)揮著一定應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法也存在一定局限性，在圖像信息收斂過(guò)程中效率較低，針對(duì)所提取特征進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，精準(zhǔn)度不足，無(wú)法滿(mǎn)足圖像識(shí)別新模式的應(yīng)用需求。

其四，模板匹配法。該方法是圖像識(shí)別過(guò)程中的基礎(chǔ)性方法，通過(guò)設(shè)計(jì)陣列來(lái)對(duì)圖像區(qū)域特征進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，模板匹配法可以滿(mǎn)足數(shù)字量與符號(hào)串的識(shí)別需求，操作簡(jiǎn)單，但在物體方向與尺寸方面對(duì)模板數(shù)量要求較高，匹配難度大，計(jì)算復(fù)雜且不具備經(jīng)濟(jì)性，識(shí)別率較低，在結(jié)構(gòu)上存在不確定性，無(wú)法達(dá)到理想的圖像識(shí)別效果。

其五，幾何變換方法。比較典型的是霍夫變換法，通過(guò)圖像形式變換在霍夫空間內(nèi)形成峰點(diǎn)，將圖像識(shí)別過(guò)程中的曲線檢測(cè)向峰點(diǎn)檢測(cè)轉(zhuǎn)變。隨機(jī)霍夫變換RHT法是基于霍夫算法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)所實(shí)現(xiàn)的，精巧度更高，便于加強(qiáng)計(jì)算量與內(nèi)存空間控制，確保分辨率滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以改善圖像識(shí)別整體效果。

1.3 圖像獲取系統(tǒng)

在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)的過(guò)程中，圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用必須要注重圖像獲取系統(tǒng)功能的發(fā)揮，以確保圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性與可靠性。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支持下，圖像獲取方法不斷優(yōu)化，由早期尼普科夫盤(pán)發(fā)展到固體圖像傳感器，就圖像獲取的原理來(lái)看，其主要是在光電信息轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到理想的圖像獲取效果。電荷耦合器件CCD是一種先進(jìn)化且應(yīng)用廣泛的固體圖像傳感器，對(duì)工作電壓的要求不高，尺寸較小，且靈敏度較高，堅(jiān)固性良好且對(duì)沖擊作用的耐受力較強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)電子自掃描，并且能夠避免掃描畸變等問(wèn)題出現(xiàn)，與計(jì)算機(jī)連接便利，分辨率較高，因而CDD在工業(yè)、航天、遙感及通訊等領(lǐng)域內(nèi)都具有良好的應(yīng)用價(jià)值。基于CCD所構(gòu)建的圖像獲取系統(tǒng)的組成情況復(fù)雜，如表1所示。

表1 CCD圖像獲取系統(tǒng)組成情況表

2 圖像識(shí)別技術(shù)在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)時(shí)，可通過(guò)磁粉探傷方法來(lái)檢測(cè)鐵磁性材料缺陷，基于圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值出發(fā)，開(kāi)發(fā)全自動(dòng)磁粉探傷系統(tǒng)并結(jié)合實(shí)際情況加以完善。以熒光磁粉無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為支持，發(fā)揮CCD攝像系統(tǒng)功能對(duì)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確采集，識(shí)別并處理圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷。在實(shí)際操作過(guò)程中，運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)發(fā)送機(jī)曲軸表面裂縫進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)自動(dòng)磁粉探傷系統(tǒng)功能的發(fā)揮，對(duì)圖像進(jìn)行科學(xué)處理和自動(dòng)識(shí)別。由于數(shù)字圖像信號(hào)的輸入過(guò)程中噪聲會(huì)影響圖像采集效果，因此要科學(xué)運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)裂紋進(jìn)行正確識(shí)別，以便于圖像處理的規(guī)范開(kāi)展?；趫D像識(shí)別技術(shù)可建立無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)需求。

比如在曲軸圖像識(shí)別過(guò)程中，由于曲軸形狀復(fù)雜，整體尺寸較大，尤其是6缸發(fā)動(dòng)機(jī)中有6個(gè)連桿軸頸，空間分布狀態(tài)特殊，兩個(gè)連桿之間間隔120°角，此時(shí)曲軸完整圖像識(shí)別難度較大。而通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，可建立無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，完整獲取曲軸圖像信息，并檢測(cè)曲軸表面缺陷，在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸整體無(wú)損檢測(cè)中具有良好的適用性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究可知，圖像識(shí)別技術(shù)在機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值，在應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)時(shí)要明確圖像識(shí)別過(guò)程，科學(xué)選擇圖像識(shí)別方法，全面獲取圖像并準(zhǔn)確提取特征，從而確保圖像識(shí)別的精準(zhǔn)度與可靠性，切實(shí)改善機(jī)械零件無(wú)損檢測(cè)的整體效果，促進(jìn)機(jī)械設(shè)備保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。