基于機(jī)器視覺的PVC噴涂邊緣檢測(cè)方法

何新宇, 趙時(shí)璐

(沈陽(yáng)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng)110041)

隨著生活水平的提高,汽車逐漸進(jìn)入到我們的生活中.高速、安全、舒適是我們對(duì)于車的基本要求,但由于路面的凹凸不平及沙石的存在,使汽車在快速行駛過(guò)程中,車身底部及車身下部與外界產(chǎn)生嚴(yán)重的撞擊和沖刷,嚴(yán)重破壞車身底部及下部表面層,致使表面涂層失去防腐功能.為有效地提高汽車壽命、安全性及舒適性,增強(qiáng)車身底部密封性,在輪罩及車底增添0.5～1.0 mm厚的PVC涂料.

傳統(tǒng)的PVC膠噴涂方式為手工噴涂,這種噴涂方式具有設(shè)備投資小,簡(jiǎn)單易操作的優(yōu)勢(shì),但由于是人工進(jìn)行操作,存在很多不規(guī)范因素,如膠霧厚度不足、漏噴或過(guò)噴等現(xiàn)象.通常需增加防霧裝置,后續(xù)還需增加擦拭噴霧工序,嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏及質(zhì)量.隨著科技的快速發(fā)展,很多車企采用機(jī)器人噴涂PVC膠,部分或全部替代人工噴涂PVC操作,但這一技術(shù)的實(shí)施也存在不足,如設(shè)置同一參數(shù)進(jìn)行PVC噴涂,但由于每次填充的膠稀釋度不同,噴涂的效果也是有差異的,因此需要一個(gè)檢測(cè)裝置檢測(cè)噴涂效果,有效改善PVC膠噴涂,增強(qiáng)車底密封性[1].

基于機(jī)器視覺檢測(cè)PVC膠噴涂就是利用機(jī)器來(lái)替代人眼進(jìn)行判斷的一套智能化檢測(cè)裝置.機(jī)器視覺技術(shù)是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的智能化技術(shù),包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、數(shù)字處理系統(tǒng)、光學(xué)成像原理、大數(shù)據(jù)及人機(jī)交互等,是需要各個(gè)子系統(tǒng)相互協(xié)作,共同推進(jìn)才能完成檢測(cè)的一套工業(yè)智能檢測(cè)系統(tǒng).這一檢測(cè)系統(tǒng)主要強(qiáng)調(diào)在現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用的實(shí)用性,能夠快速地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工作環(huán)境,且內(nèi)部需含有合理的通訊接口,具有較強(qiáng)的通用性及安全性.其次機(jī)器視覺系統(tǒng)還強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性,要求在使用過(guò)程中能夠具有較高的精度及實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化速度,因此被稱為“自動(dòng)化眼睛”.機(jī)器視覺的設(shè)計(jì)主要是利用計(jì)算機(jī)對(duì)于人的視覺功能進(jìn)行模擬,模仿人的某些智能行為,并通過(guò)傳感器提取目標(biāo)點(diǎn)確定拍攝位置后,在采集到的圖像中不斷地進(jìn)行學(xué)習(xí)提取信息處理,并不斷地加深學(xué)習(xí)[2-3],最終輸出實(shí)際檢測(cè)數(shù)值并加以控制的智能化檢測(cè)裝置,基于機(jī)器視覺檢測(cè)PVC膠的噴涂可以有效地檢測(cè)膠霧噴涂面積,控制噴涂質(zhì)量,減少PVC膠的浪費(fèi).

1 系統(tǒng)檢測(cè)流程框架

車底PVC膠檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)秀的處理及自學(xué)習(xí)能力,同時(shí)還可分類識(shí)別、聯(lián)想記憶及知識(shí)處理等,是一套自適應(yīng)能力非常強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[4].機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)包含CCD圖像采集單元、圖像處理模塊及控制系統(tǒng)等,其中圖像采集單元主要包含硬件CDD工業(yè)千兆相機(jī)及鏡頭、條形LED光源,這一部分主要負(fù)責(zé)采集圖像原圖單元,相機(jī)及光源由下向上拍攝,將所采集到的數(shù)字圖像直接傳輸給模塊處理單元,本單元主要檢測(cè)車底PVC膠噴涂未噴涂區(qū)域邊框位置及大小,因PVC未噴涂區(qū)域的位置不一,因此在采集圖像時(shí)相機(jī)及光源也需在不同位置進(jìn)行放置.控制系統(tǒng)主要包含PLC、光電傳感器、工控機(jī)等硬件及軟件部分,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拍攝、采集圖像及不合格噴涂現(xiàn)象報(bào)警等功能,實(shí)現(xiàn)拍攝車輛臺(tái)數(shù)、統(tǒng)計(jì)等功能.

圖1 車底檢測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Underbody checking system

2 圖像采集

2.1 工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中關(guān)鍵組件之一,選擇一款合適的相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段重要環(huán)節(jié)之一[5].工業(yè)相機(jī)中的主要參數(shù)有相機(jī)的分辨率、相機(jī)幀數(shù)、曝光方式及接口類型,而根據(jù)芯片的類型不同還可分為CCD和CMOS兩種相機(jī).CCD相機(jī)是集光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)讀取于一體的固體成像的相機(jī),這款相機(jī)具有無(wú)灼傷、低功耗、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì),而COMS相機(jī)是將模擬轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理、圖像放大器集于一體的相機(jī),具有價(jià)格低、高集成性、低功耗等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際工業(yè)視覺生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用.

工業(yè)相機(jī)一般是安裝在生產(chǎn)線中替代人眼定位、檢測(cè)的裝置.拍攝特征點(diǎn),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行判定以便后續(xù)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備.通常對(duì)于相機(jī)的選取,首先要知道精度的要求及相機(jī)分辨率,可通過(guò)公式計(jì)算其次需明確對(duì)于相機(jī)的像素要求,確定相機(jī)與工控機(jī)之間的接口形式是GIGE、Camera Link、USB中的哪一種后比較相機(jī)價(jià)格.對(duì)于車底檢測(cè),考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為室內(nèi)檢測(cè),室內(nèi)溫度可控制在25～35 ℃范圍內(nèi),但相機(jī)每天工作時(shí)長(zhǎng)為17 h,因此選用壽命長(zhǎng),低功耗、具有較高穩(wěn)定性的CCD相機(jī).整車車底檢測(cè)范圍為1 800 mm×1 200 mm,分為6個(gè)相機(jī)共同檢測(cè)18次,每個(gè)相機(jī)檢測(cè)范圍為100 mm×200 mm,精度要求為0.1,因此設(shè)置視野范圍為200 mm×220 mm(因車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏差,因此視野范圍應(yīng)適當(dāng)放大),假設(shè)光源照射良好,我們需相機(jī)分辨率為200/0.1/2=1 000像素,另一方220/0.1/2=1 100像素,也就是像素至少要選擇1 000×1 100以上的,10幀/s的幀率即可,本測(cè)試系統(tǒng)中選擇的是1 280×1 024像素的相機(jī).

2.2 鏡 頭

鏡頭是連接相機(jī)與被測(cè)物間的紐帶,對(duì)相機(jī)的拍攝效果及成像原理有著決定性的作用.鏡頭的種類繁多,因此在選擇鏡頭時(shí),需注意焦距、光圈、視角、工作距離和景深幾個(gè)參數(shù).

一般用像差描述鏡頭成像的好壞,即理想中與實(shí)際應(yīng)用中差異.本測(cè)試系統(tǒng)中根據(jù)相機(jī)固定位置確定工作距離,分別選用了12、16、25 mm焦距的鏡頭對(duì)同一位置進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示12 mm焦距的鏡頭拍攝距離遠(yuǎn),圖像偏小,不易于清晰分析圖像;焦距為16 mm的工業(yè)鏡頭測(cè)試成像結(jié)果適中,作為待選項(xiàng);而選用25 mm工業(yè)鏡頭進(jìn)行測(cè)試,發(fā)現(xiàn)被測(cè)物放大多倍,不易檢測(cè)全面物體;綜合考慮確定16 mm工業(yè)鏡頭最適合本系統(tǒng)拍攝.

2.3 光 源

光源在機(jī)器視覺系統(tǒng)中有著非常重要的作用,常見的光源有白熾燈、氣體放電燈、LED光源、熒光燈等,LED光源即發(fā)光二極管,是將電能直接轉(zhuǎn)化為光能的一種半導(dǎo)體固態(tài)組件,目前機(jī)器視覺系統(tǒng)中最常使用的就是LED光源,這種光源具有低耗電、高頻率操作、高亮度、低熱量、安全性能高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn).LED光源根據(jù)制造結(jié)構(gòu)的不同還可分為條形光源、線性光源、環(huán)形光源、同軸光源等.

選擇適合的光源能有效地突出被測(cè)特征,能與背景區(qū)域形成鮮明的對(duì)比,改善整個(gè)系統(tǒng)的明亮度,提高分辨率,簡(jiǎn)化軟件的計(jì)算,確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.視覺系統(tǒng)中的光源主要有3大類.①正向照射:將照明系統(tǒng)放置在被測(cè)物與相機(jī)前面,能夠清晰地照射出被測(cè)物的缺陷,一般選用條形光源、點(diǎn)光源、環(huán)形光源等,可根據(jù)安裝位置調(diào)節(jié)光源亮度及高度,能夠有效觀察被測(cè)情況及細(xì)節(jié).②背向照射:將照明系統(tǒng)放置在被測(cè)物與相機(jī)后面,一般選用均勻的背光源、同軸光源及平行光源等.這種照射方式是以光源的亮度作為背景,照射被測(cè)物,使被測(cè)物邊緣明顯突出,但不能觀察被測(cè)物表面細(xì)節(jié).③結(jié)構(gòu)光照射:這種照射方式是將光線通過(guò)一定結(jié)構(gòu)照射到被測(cè)物上,通常應(yīng)用于大面積照射物體,一般選用四面無(wú)影光源或圓頂光源等.可實(shí)現(xiàn)大面積均勻照射,但這種光源一般體積較大[6-7].

基于機(jī)器視覺PVC噴涂邊緣檢測(cè)的設(shè)計(jì)光源的選定,因車底寬度為1 200 mm,兩輪罩寬度共600 mm,整車檢測(cè)寬度為1 800 mm,光源預(yù)留100 mm,因此選用的光源長(zhǎng)度為1 900 mm,即條形光源或線性光源.在設(shè)計(jì)階段分別對(duì)線性光源和條形光源進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)條形光源照射面積大,照射面光線均勻,線性光源照射面積小,但照射強(qiáng)度大,因本系統(tǒng)照射車底面積均勻,要求光線照射均勻無(wú)反射,故確定選用條形光源.同時(shí)對(duì)于光源放置位置進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)背向照射、結(jié)構(gòu)光照射存在反光現(xiàn)象,影響相機(jī)采集到的圖片質(zhì)量,因此本系統(tǒng)采用的照明方式為正向條形光源照射.

2.4 定 位

在生產(chǎn)過(guò)程中,雖然車是勻速前進(jìn)的,但換滑輪床時(shí)難免產(chǎn)生晃動(dòng),因此選擇的定位孔會(huì)存在位置偏差.圖像采集后,在處理圖像前需對(duì)定位孔進(jìn)行一定的處理,一般是以定位孔圓心進(jìn)行檢測(cè),用兩條圓弧中垂線交點(diǎn)確定定位孔圓心,流程如下.

(1) 對(duì)采集到的圖像進(jìn)行閾值分割,確定檢測(cè)邊界,獲取定位孔圖像.

(2) 在選擇的圖像上隨意定一點(diǎn)A,使該點(diǎn)順著圖像走至固定像素點(diǎn)后定義為B,可得出AB弦長(zhǎng),重復(fù)該動(dòng)作,得到多條相應(yīng)的弦長(zhǎng).

(3) 利用每2條弦計(jì)算出一個(gè)圓心坐標(biāo).

(4) 分析坐標(biāo)結(jié)點(diǎn)值,與設(shè)定在圖像上的像素孔點(diǎn)位置重合度較高的,則定義為PVC未噴涂定位孔.確定好PVC未噴涂定位孔后向邊緣處延伸4條檢測(cè)值.

3 特征點(diǎn)提取及檢測(cè)位置識(shí)別

車底圖像采集后可根據(jù)被測(cè)區(qū)域的幾何特征分析,這里采用周長(zhǎng)、面積特征作為評(píng)判車底PVC未噴涂區(qū)域的評(píng)估參數(shù)[8-9].

3.1 特征點(diǎn)提取

在機(jī)器視覺中周長(zhǎng)指圖像檢測(cè)區(qū)域邊界點(diǎn)所有像素點(diǎn)數(shù)量的總和,若檢測(cè)區(qū)域?yàn)楹细褡畲蠓秶?則整個(gè)檢測(cè)區(qū)域周長(zhǎng)為L(zhǎng)max,包含噪聲周長(zhǎng)可設(shè)定為L(zhǎng)min.若PVC噴涂邊緣超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍,則未噴涂區(qū)域會(huì)出現(xiàn)多于周長(zhǎng)數(shù)值,即檢測(cè)PVC邊緣周長(zhǎng)應(yīng)介于Lmax與Lmin之間,因此可將檢測(cè)邊緣連通周長(zhǎng)值作為檢測(cè)PVC邊緣特征參數(shù).

機(jī)器視覺中面積指所有檢測(cè)區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)數(shù)量總和,用S表示,可用公式(3)計(jì)算.

(3)

整個(gè)檢測(cè)位置為一個(gè)整體,在設(shè)定的合格PVC噴涂范圍內(nèi)檢測(cè)出的面積為合格,若檢測(cè)出的實(shí)際數(shù)值大于或小于合格范圍,則判定PVC噴涂不合格.

3.2 檢測(cè)位置識(shí)別

視覺系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè),整個(gè)系統(tǒng)分為3層,輸入層、隱含層及輸出層,對(duì)于PVC未檢測(cè)區(qū)域輸入值為2個(gè),輸出值為1個(gè),表示PVC噴涂結(jié)果,實(shí)際輸出值為二進(jìn)制,即結(jié)果僅為1或0,0表示噴涂合格,1表示噴涂不合格,轉(zhuǎn)換公式為:

(4)

式中:x、y為變換量;w1、w2為偏差權(quán)值;b1、b2為閾值;p為輸入信息,包含面積、周長(zhǎng).

通過(guò)式(4)可將輸入特征信息轉(zhuǎn)換為輸出值0或1,便于操作者查看PVC噴涂結(jié)果.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)車底PVC未噴涂邊緣距離檢測(cè).以某品牌車底未噴涂區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行了檢測(cè),選用130萬(wàn)像素CCD千兆相機(jī),16 mm鏡頭,條形LED光源.隨機(jī)抽取樣本量為1 000臺(tái),任取一臺(tái)車檢測(cè)過(guò)程如圖2所示.

實(shí)際檢測(cè)在提前設(shè)置合格閾值的前提下,根據(jù)1 000臺(tái)車該區(qū)域檢測(cè)的結(jié)果如表1所示.

根據(jù)檢測(cè)樣本的數(shù)量中對(duì)于檢測(cè)結(jié)果圖像比較突出的進(jìn)行了對(duì)比,如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,基于機(jī)器視覺PVC噴涂邊緣檢測(cè)的成功檢測(cè)樣本雖然占99.58%,但實(shí)際識(shí)別過(guò)程中也存在檢測(cè)錯(cuò)誤現(xiàn)象,這里針對(duì)比較明顯的錯(cuò)誤圖像進(jìn)行了對(duì)比,在圖3a的基礎(chǔ)上分別對(duì)圖3b和圖3c兩圖像進(jìn)行了分析.圖3b中,圖像在選擇邊緣時(shí),由于光線照射過(guò)強(qiáng),使系統(tǒng)在選擇時(shí)誤將帶PVC膠面與機(jī)械凸起部分的邊界當(dāng)成邊緣,而未識(shí)別本應(yīng)識(shí)別的邊界而產(chǎn)生誤判;圖3c中以原圖為基準(zhǔn),由于車在前行時(shí)產(chǎn)生震動(dòng),致使機(jī)器視覺系統(tǒng)在選擇定位孔時(shí)產(chǎn)生偏差,以右上側(cè)孔作為定位孔進(jìn)行檢測(cè),輸出錯(cuò)誤圖像.不過(guò)通過(guò)視覺系統(tǒng)中自學(xué)習(xí)的設(shè)置,不斷充實(shí)檢測(cè)系統(tǒng)正負(fù)樣本量,可大大降低機(jī)器視覺系統(tǒng)的誤判率,進(jìn)而使檢測(cè)更加精確,有效滿足生產(chǎn)需要.

圖2 車身下底盤圖像檢測(cè)處理流程Fig.2 Underbody checking image detection process

測(cè)試樣本類型檢測(cè)個(gè)數(shù)正確個(gè)數(shù)錯(cuò)誤個(gè)數(shù)正確率/%誤報(bào)錯(cuò)率/%合格噴涂950946499.580.42不合格噴涂5049198.002.00總 數(shù)1000995599.500.50

圖3 輸出結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of output results

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能化的快速發(fā)展,機(jī)器視覺這一智能化產(chǎn)業(yè)逐步替代傳統(tǒng)人眼檢測(cè),節(jié)省了大量的人力物力,同時(shí)增加了生產(chǎn)效率、提高了生產(chǎn)精度,而車底PVC的噴涂質(zhì)量差不僅影響后續(xù)總裝生產(chǎn)的硬件安裝的速度,還大量浪費(fèi)PVC膠.機(jī)器視覺這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以有效地預(yù)防PVC膠浪費(fèi),保證噴涂質(zhì)量的一致性.概述了對(duì)于特征點(diǎn)位的提取,從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,對(duì)偏差在一定范圍內(nèi)的PVC未噴涂區(qū)域,該檢測(cè)方法具有較高的準(zhǔn)確率,能夠滿足生產(chǎn)線對(duì)于質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性的要求.