一種平板玻璃機器視覺檢測中的斷裂劃痕連接方法

趙飛　李佳　滕云楠　胡佛

摘要：玻璃制品在深加工過程中易產生劃痕。玻璃視覺檢測系統中的閾值分割操作，會使某些劃痕在檢測圖像中斷裂，并可能得到錯誤的識別結果。本文根據劃痕的傾角和距離，將圖像中斷裂的劃痕連接，并得到了正確的識別結果。

關鍵詞：平板玻璃；機器視覺檢測；圖像；斷裂劃痕；連接

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）01-0048-02

0 引言

隨著玻璃在航空、汽車等領域應用的擴展，市場對高質量玻璃的需求量日益增加[1]。玻璃制品在深加工過程中易產生劃痕[2]。利用人工目視對玻璃表面缺陷進行的檢測，具有速度慢、耗費人力大、穩定性差、準確性差及不便保存和檢索檢測數據等缺點[3-4]?；谝曈X的檢測具有非接觸、客觀、高效等優點，已逐步用于玻璃表面缺陷檢測[2]。

針對玻璃的劃痕缺陷，文獻[1]提出了一種利用最小外接矩形理論來獲取二值化圖像劃痕特征參數的方法。但在實際圖像處理的過程中，因為各圖像灰度值不同，Ostu自動閾值分割操作，可能會使劃痕在二值化圖像中產生斷裂，成了兩條劃痕，如圖1所示。此結果與實際不符，因此有必要將類似的兩條劃痕連接成一條劃痕。

可以采用先膨脹后腐蝕的方法，將斷裂的劃痕連接。但膨脹腐蝕操作存在以下缺點：

（1）會對圖像的數據有所改變，進而改變劃痕的本身的特征參數；

（2）膨脹腐蝕操作相對較慢。

因此，本文先采用一定的判斷準則對兩條劃痕進行判斷，再對屬于同一劃痕缺陷的兩條劃痕的最小外接矩形合并成一個外接矩形，并統一其標記值；否則，不做任何處理。這樣，既能不破壞原有圖像，又能得到正確的劃痕特征參數。本文采用的判斷準則如下：

（1）兩條劃痕的傾角基本相同；

（2）兩條劃痕的鄰近點距離較近。

1 比較劃痕方向

掃描劃痕在圖像中所占的所有像素，找出相距最遠的兩像素點，利用它們連線的斜率可確定劃痕的傾角。但此方法需要重新掃描劃痕所在圖像內的所有像素，增加了運算量。文獻[1]定義并求取了最小外接矩形，并將其用于計算劃痕的長度。本文利用最小外接矩形計算劃痕的斜率及傾角，可提高檢測效率。

文獻[1]定義的劃痕最小外接矩形，應滿足以下3個條件，如圖2所示：

（1）矩形的四邊應分別平行于圖像邊界的四邊；

（2）矩形所覆蓋范圍內的像素包含了劃痕缺陷的所有像素；

（3）矩形的長、寬在滿足以上兩條件的基礎上，應分別最小。

圖2中線段AB和CD是與圖像橫向邊界平行的最小外接矩形的邊，稱為最小外接矩形的寬，寬度記為w；圖2中線段AC和BD是與圖像縱向邊界平行的最小外接矩形的邊，稱為最小外接矩形的高，高度記為h。則劃痕的斜率：

。 （1）

顯然，用最小外接矩形來計算劃痕的斜率會出現以下兩種情況，如圖3所示。

圖3中，兩斜率K的絕對值相同，正負符號相反?？筛鶕澓垌斝兄悬c與最小外接矩形的兩頂點A、B間距離的關系，來判斷K的正負。劃痕頂行是指劃痕內部的像素中，距離圖像頂部最近且具有相同縱坐標值y0的像素集合。劃痕頂行中點，就是以劃痕頂行像素的橫標的均值為橫標，以劃痕頂行像素的共同縱標y0為縱標的點E（， y0）。點E可能不屬于劃痕內的像素，甚至它可能不與任何像素中心重合，如圖4所示。

由圖3知，如果點E距離點B（xR，y0）更近，即：，則K>0；反之，如果點E距離點A（xL， y0）更近，即：，則K<0。其中，xL和xR分別為劃痕最小外接矩形的左右邊界橫標。即：當

時，根據式（1），有：

。 （2）

根據式（2），可計算所有劃痕的斜率，進而得到它們的傾角：

。 （3）

將這些傾角按下式兩兩比較，當下式成立時，即可判定對應劃痕的方向相近：

。 （4）

其中，和分別第i條和第j條劃痕的傾角，且i（j，表示兩條劃痕傾斜方向近似的精度。

2 計算劃痕之間的最小距離

根據兩條劃痕的最小外接矩形和斜率，可確定其鄰近點的距離。通過掃描兩條劃痕在圖像中所占的所有所有點，也可確定其鄰近點距離，但此方法計算量較大。

如圖2所示，屬于同一劃痕缺陷的兩條劃痕（不妨稱為第i條劃痕和第j條劃痕）的最小外接矩形（Ri和Rj），其中一個矩形必位于另一個矩形的下方；否則，不屬于同一劃痕缺陷。即：一個矩形的頂點A必位于另一個矩形的CD 邊的下方。此條件可通過比較一個矩形的頂點A縱標值與另一個矩形的頂點C（或頂點D）的縱標值來判斷。

不妨設，比較頂點A與頂點C縱標值的結果是Ri位于Rj的上方。當這兩條劃痕的傾角相近時，會出現2種情況，如圖5所示。

若劃痕斜率為正，如圖5（a）所示，兩劃痕鄰近點距離l應為線段CiBj的長度；若劃痕斜率為負，如圖5（b）所示，l應為線段DiAj的長度。當下式成立時，即可判定對應劃痕的鄰近點距離較近：

l< （5）

其中，表示判定兩條劃痕鄰近點距離的精度。

3 劃痕的連接

當兩條劃痕（第i條和第j條劃痕）滿足傾角相近且其鄰近點接近時，即可判定它們屬于同一劃痕缺陷。應將兩條劃痕連接成一條劃痕（即將其中一條劃痕所有像素的標記值均改為另一條劃痕的標記值），并合并它們的最小外接矩形Ri和Rj。

根據兩劃痕的斜率和相對位置，可合并其最小外接矩形為新的矩形R。如圖5所示，Ri位于Rj的上方：

（1）當劃痕的斜率為正時，如圖5（a）所示，Bi（xb，yb）和Cj（xc，yc）為新矩形R的兩個相對的頂點，則R的左右兩邊界分別為xc和xb，上下兩邊界分別為yb和yc；

（2）當劃痕的斜率為負時，如圖5（b）所示，Ai（xa，ya）和Dj（xd，yd）為新矩形R的兩個相對的頂點，則R左右兩邊界分別為xa和xd，上下兩邊界分別為ya和yd。

于是，Ri與Rj被合并為R。

4 劃痕連接

在劃痕斜率和最小外接矩形都已知的基礎上，可確定劃痕連接的流程，如圖6所示。

5 結語

本文利用劃痕的最小外接矩形，計算了劃痕的斜率；確定了兩條劃痕屬于同一劃痕缺陷的判定條件；針對屬于同一劃痕缺陷的圖像中的兩條劃痕，給出了劃痕連接的方法和步驟。上述判定方法和連接方法，運算速度快，無誤判，符合大批量玻璃劃痕缺陷的快速檢測需求。

參考文獻

[1] Jia Li， Fei Zhao， etal. .Research on Robot Vision Detection Method for Scratch Defects of Flat Glass Based on Area Array CCD [A]. 2018 3rd Asia-Pacific Conference on Intelligent Robot Systems（ACIRS）[C]，IEEE，2018：35-39.

[2] 李長有，劉遵，李帥濤.小型平板玻璃表面缺陷檢測系統[J].計算機應用，2017，37（S2）：167-170，182.

[3] 王平順.圖像處理技術在玻璃缺陷檢測中的應用研究[D].秦皇島：燕山大學，2005.

[4] 劉遵.基于機器視覺的玻璃表面缺陷檢測技術研究[D].焦作：河南理工大學，2017.

Abstract：Glass products are easily scratched in the process of deep processing. The threshold segmentation operation in the glass vision detection system will make some scratches break in the detection image and may get wrong recognition results. In this paper， the broken scratches in the image are connected according to the dips and distances of them， and the recognition results are correct.

Key words：flat glass；machine vision inspection；image；broken scratches；connection