CN105388162B - 基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法 - Google Patents

基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法，属于机器视觉缺陷检测技术领域，采用了图像位置矫正技术、灰度图像分割技术、线性滤波技术、边缘检测技术、数据统计与分析技术、图像处理技术以及形态学分析等对采集的图像进行处理和分析；对图像进行滤波处理、初步提取出表面划痕信息，经二值化处理后进一步凸显出划痕位置及大小，最后经形态学分析与粒子过滤的方法筛选出主要划痕。本发明可对原料硅片表面划痕实现在线稳定准确的存在性与方向性的判断，且实时显示检测结果；并可以通过数据采集模块向控制传送带的PLC控制器发出信号，使其对应不同的类别快速控制传送带采取不同的动作。

Description

基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法
技术领域
本发明属于机器视觉缺陷检测技术领域，具体涉及基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法。
背景技术
硅片是太阳能电池片生产的主要原料，由于存在于整个电池片生产线的起始环节，其质量的优劣直接决定后续制绒，镀膜，印刷等所有工序中的半成品甚至电池片成品的工艺质量，从而影响太阳能电池片的使用性能；而在硅片原料的生产过程中，对原料切片时由于切割工具的抖动等原因，有时会在原料表面形成划痕，因此须对原料硅片进行表面划痕检测，将存在过多划痕的缺陷硅片予以剔除。但由于原料硅片表面的纹理性，灰度的差异、光线对于划痕的不敏感、外界环境噪声等因素的影响，对其表面划痕的检测带来了一定的不确定性。
目前，很多太阳能电池片生产厂家主要还是以人工检测的方法来应对这一问题，这样不仅成本高，而且也带来了人为因素不可忽略、没有固定标准、容易造成碎片，等一系列问题，从而降低生产效率，最终也很难达到高度自动化的现代化工厂的需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法，其具有准确率高、非接触式检测、速度快、效率高等优点，能够实时准确、快速、高效、地检测出原料硅片的表面划痕的存在性及其方向，能自动对硅片进行分选，同时发送特定信号给PLC，利用PLC电控设备控制机械吸盘吸取将缺陷产品送入指定硅片盒内。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法，包括如下步骤：
步骤1：接收信号，采集图像，其包括：
步骤1-1，原料硅片到达传感器位置，传感器发送模拟信号给数据采集设备，经由采集卡转换为数字信号传递给系统；
步骤1-2，系统接收到采集信号后，触发相机，采集图像，并将采集到的原料硅片灰度图像传送至图像处理模块；
步骤2：对原料硅片的灰度图像进行位置矫正和图像分割，其包括：
步骤2-1，对原料硅片的灰度图像进行位置矫正，采用直边查找算法确定原料硅片的一个直边，获取其角度信息；其方法是先确定一个包含有完整底边的目标区域，在该区域内，设置合理的查找密度，按照从下往上的方向查找所有灰度从低到高跃迁的像素点，将这些像素点按照线性拟合的方式自动拟合为一条直线，并从中获取角度信息；直线角度为：
angle0＝ɑ (1)
然后利用公式(2)，将图像按顺时针旋转至水平，实现位置矫正，为图像分割做准备；
angle1＝-ɑ (2)
步骤2-2，采用直边查找算法分别对原料硅片的四条边进行直边查找；获得各直边线的部分坐标信息如下：
line left：(x11,y11) (3)
line right：(x22,y22) (4)
line top：(x31,y31) (5)
line bottom：(x42,y42) (6)
其中line left,line right,line top,line bottom分别为所得到的左、右、上、下四条直边线段的两个端点坐标中的一个，坐标点下标第二个数字“1”代表是起点坐标，“2”代表是终点坐标；
步骤2-3，分别以式(3)、(4)、(5)、(6)所得的两个顶点坐标为基础，进行坐标点重组，得到如下两个点坐标：
point left top:(x11,y31) (7)
point right bottom:(x22,y42) (8)
对公式(7)，(8)两个点坐标作如下变换：
x'11＝x11+10； (9)
y'31＝y31+10； (10)
x'22＝x22-10； (11)
y'42＝y42-10； (12)
得到两个新点坐标：
point1:(x'11,y'31) (13)
point2:(x'22,y'42) (14)
以点point1,point2确定的线段作为对角线所确定的矩形区域作为目标区域，对图像进行分割，获得与原背景分离出来并且失去四个直边缘以内10个像素点宽度的本体图像，得到无边缘本体图像；
步骤3，对上述步骤2获得的无边缘本体图像进行滤波处理和边缘检测，采用线性滤波器对所得图像进行滤波去噪处理，以最大限度的削弱噪声和环境的影响，同时凸显检测目标的信息；
采用canny边缘检测法对滤波后图像进行处理，从而检测出所有可能是划痕的“边缘”(canny边缘检测法的原理是保留参与灰度跃迁的像素点，并非只是用于检测真正意义上的图像边缘)；
步骤4，对所获得滤波处理，边缘检测后的图像进行二值化；采用自动阈值二值化法对图像进行二值化处理为形态学分析和粒子过滤做好准备；
步骤5，对二值化图像进行形态学分析与粒子过滤；采用结构元素尺寸为3的水平腐蚀法和竖直腐蚀法去除原料硅片本身纹理粒子；
再使用基于面积的粒子过滤器对图像进行过滤，进一步去除原料硅片本身的纹理粒子，并得到过滤后粒子数目；
步骤6，将上述步骤得到的粒子数目与由样本数据统计得到的粒子数目阈值进行比较和判断，获得原料硅片表面划痕存在性的判定结果；
步骤7，根据步骤6的判定结果，对存在划痕的原料硅片进行水平和竖直粒子过滤；采用基于横纵坐标延续长度的粒子过滤器对图像分别进行水平和竖直粒子过滤，并获得两种过滤法后存留粒子的两个数目值；
步骤8，将步骤7所获得的两个数值进行比较，通过粒子数目的多少判定划痕的方向，得到原料硅片的检测结果。
步骤6和步骤8中，将所述的原料硅片的检测结果分为无划痕片、水平划痕片和竖直划痕片；当检测为水平或竖直中某一种划痕片时，发送相应的特定信号给PLC，由PLC电控设备控制机械吸盘吸取对应硅片放入指定硅片盒；而当检测为无划痕片时，将不发送任何信号给PLC，让其直接向前传送。
发明原理：本发明的检测的对象是原料阶段的硅片，其检测方案采用了图像位置矫正技术、灰度图像分割技术、线性滤波技术、边缘检测技术、数据统计与分析技术、图像处理技术以及形态学分析等对实时采集的原料硅片图像进行处理和分析，将原料硅片分为无划痕片、水平划痕片和竖直划痕片三类。其中，步骤6中，数据统计与分析的结果是在分析和研究大量实际样本的基础上，对按照上述方法所采集到的灰度图像进行实验，分析、总结并验证的。
有益效果：与现有技术相比，本发明的基于机器视觉的原料硅片划痕检测方法，通过实时快速采集原料硅片的灰度图像，获得原料硅片表面灰度信息并进行一系列的处理，可实时快速高效稳定准确地进行硅片表面划痕检测，且实时显示检测结果，自动将检测对象分为无划痕片、水平划痕片和竖直划痕片三类，还可通过数据采集模块向PLC控制器发送信号，使其对应不同的类别快速控制传送带采取不同的动作。
附图说明
图1是原料硅片表面划痕检测与分类流程图；
图2是硅片与传感器位置示意图；
图3是原料硅片经过步骤2-1中查找直边缘之后的结果示意图；
图4是原料硅片经过步骤2-1中位置矫正前后的对比示意图；
图5是步骤2-3中原料硅片四条直边缘查找结果示意图；
图6是步骤2-3中原料硅片与背景分离并去除边缘前后对比示意图；
图7是步骤5中有划痕片和无划痕片图像粒子过滤结果对比示意图；
图8是步骤7中竖直划痕片图像粒子水平、竖直过滤结果对比示意图；
图9是步骤7中水平划痕片图像粒子水平、竖直过滤结果对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
如图1所示，基于机器视觉的原料硅片的表面划痕检测方法，包括如下步骤：
步骤1：接收信号，采集图像，其包括：
步骤1-1，如图2所示白传送带1，光电传感器2，原料硅片3；原料硅片传送到图2所示位置遮住光电传感器，传感器发送模拟信号给数据采集设备，经由采集卡转换为数字信号传递给系统；
步骤1-2，系统接收到采集信号后，触发相机，采集图像，并将采集的原料硅片彩色图像传送至图像处理模块；
步骤2：对原料硅片的灰度图像进行位置矫正和图像分割，其包括：
步骤2-1，对原料硅片的灰度图像进行位置矫正，采用直边查找算法确定原料硅片的一个直边，获取其角度信息；其方法是先确定一个包含有完整底边的目标区域，在该区域内，设置合理的查找密度，按照从下往上的方向查找所有灰度从低到高跃迁的像素点，将这些像素点按照线性拟合的方式自动拟合为一条直线4，如图3所示，并从中获取角度信息；直线水平角度为：
angle0＝ɑ (1)
然后利用公式(2)，将图像按顺指针旋转至水平，如图4，实现位置矫正，为图像分割做准备；
angle1＝-ɑ (2)
步骤2-2，采用直边查找算法分别对原料硅片的四条边进行直边查找，查找效果如图5所示，获得各直边线的部分坐标信息如下：
line left：(x11,y11) (3)
line right：(x22,y22) (4)
line top：(x31,y31) (5)
line bottom：(x42,y42) (6)
其中line left,line right,line top,line bottom分别为所得到的左、右、上、下四条直边线段的两个端点坐标中的一个，坐标点下标第二个数字“1”代表是起点坐标，“2”代表是终点坐标；
步骤2-3，分别以式(3)、(4)、(5)、(6)所得的两个顶点坐标为基础，进行坐标点重组，得到如下两个点坐标：
point left top:(x11,y31) (7)
point right bottom:(x22,y42) (8)
对公式(7)，(8)两个点坐标作如下变换：
x'11＝x11+10； (9)
y'31＝y31+10； (10)
x'22＝x22-10； (11)
y'42＝y42-10； (12)
得到两个新点坐标：
point1:(x'11,y'31) (13)
point2:(x'22,y'42) (14)
以点point1,point2确定的线段作为对角线所确定的矩形区域作为目标区域，对图像进行分割，获得与原背景分离出来并且失去四个直边缘以内约10个像素点宽度的本体图像，如图6；
步骤3，对上述步骤2获得的无边缘本体图像进行滤波处理和边缘检测，采用线性滤波器对所得图像进行滤波去噪处理，以最大限度的削弱噪声和环境的影响，同时凸显检测目标的信息；
采用canny边缘检测法对滤波后图像进行处理，从而检测出所有可能是划痕的“边缘”(canny边缘检测法的原理是保留参与灰度跃迁的像素点，并非只是用于检测真正意义上的图像边缘)；
步骤4，对所获得滤波处理，边缘检测后的图像进行二值化，采用自动阈值二值化法对图像进行二值化处理为形态学分析和粒子过滤做好准备；
步骤5，对二值化图像进行形态学分析与粒子过滤；采用结构元素尺寸为3的水平腐蚀法和竖直腐蚀法去除原料硅片本身纹理粒子；
再使用基于面积的粒子过滤器对图像进行过滤，进一步去除原料硅片本身的纹理粒子，如图7，并得到过滤后粒子数目。
步骤6，将上述步骤得到的粒子数目与由样本数据统计得到的粒子数目阈值进行比较和判断，确定原料硅片表面划痕存在性的判定结果；
步骤7，根据步骤6的判定结果，对存在划痕的原料硅片进行水平和竖直粒子过滤。采用基于横纵坐标延续长度的粒子过滤器对图像分别进行水平和竖直粒子过滤，竖直划痕片和水平划痕片的水平和竖直过滤效果分别如图8，图9所示，最终获得两种过滤法后存留粒子的两个数目值；
步骤8，将步骤7所获得的两个数值进行比较，通过粒子数目的多少判定划痕的方向。
步骤6和步骤8中，将所述的原料硅片的检测结果分为无划痕片、水平划痕片，竖直划痕片；当检测为水平或竖直中某一种划痕片时，发送相应的特定信号给PLC，由PLC电控设备控制机械吸盘吸取对应硅片放入指定硅片盒；而当检测为无划痕片时，将不发送任何信号给PLC，让其直接向前传送。
经以上八个步骤，实现了硅片表面划痕无接触检测和分类，避免了人工检测造成的碎片问题，检测标准固定，速度快，效率高，能够满足了在线生产、在线检测、在线分选的生产模式，且稳定可靠实用。

Claims (2)

1.基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：接收信号，采集图像，其包括：
步骤1-1，原料硅片到达传感器位置，传感器发送模拟信号给数据采集设备，经由采集卡转换为数字信号传递给系统；
步骤1-2，系统接收到采集信号后，触发相机，采集图像，并将采集到的原料硅片灰度图像传送至图像处理模块；
步骤2：对原料硅片的灰度图像进行位置矫正和图像分割，其包括：
步骤2-1，对原料硅片的灰度图像进行位置矫正，采用直边查找算法确定原料硅片的一个直边，获取其角度信息；其方法是先确定一个包含有完整底边的目标区域，在该区域内，设置合理的查找密度，按照从下往上的方向查找所有灰度从低到高跃迁的像素点，将这些像素点按照线性拟合的方式自动拟合为一条直线，并从中获取角度信息；直线角度为：
angle0＝ɑ (1)
然后利用公式(2)，将图像按顺时针旋转至水平，实现位置矫正，为图像分割做准备；
angle1＝-ɑ (2)
步骤2-2，采用直边查找算法分别对原料硅片的四条边进行直边查找；获得各直边线的部分坐标信息如下：
line left：(x11,y11) (3)
line right：(x22,y22) (4)
line top：(x31,y31) (5)
line bottom：(x42,y42) (6)
其中line left,line right,line top,line bottom分别为所得到的左、右、上、下四条直边线段的两个端点坐标中的一个，坐标点下标第二个数字“1”代表是起点坐标，“2”代表是终点坐标；
步骤2-3，分别以式(3)、(4)、(5)、(6)所得的两个顶点坐标为基础，进行坐标点重组，得到如下两个点坐标：
point left top:(x11,y31) (7)
point right bottom:(x22,y42) (8)
对公式(7)，(8)两个点坐标作如下变换：
x'11＝x11+10； (9)
y'31＝y31+10； (10)
x'22＝x22-10； (11)
y'42＝y42-10； (12)
得到两个新点坐标：
point1:(x'11,y'31) (13)
point2:(x'22,y'42) (14)
以点point1,point2确定的线段作为对角线所确定的矩形区域作为目标区域，进行分割，获得原与背景分离出来并且失去边缘以内10个像素点宽度的本体图像，得到无边缘本体图像；
步骤3，对上述步骤2获得的无边缘本体图像进行滤波处理和边缘检测，采用线性滤波器对所得图像进行滤波去噪处理，以最大限度的削弱噪声和环境的影响，同时凸显检测目标的信息；采用canny边缘检测法对滤波后图像进行处理；
步骤4，对所获得滤波处理，边缘检测后的图像进行二值化；
步骤5，对二值化图像进行形态学分析与粒子过滤；采用结构元素尺寸为3的水平腐蚀法和竖直腐蚀法去除原料硅片本身纹理粒子；
再使用基于面积的粒子过滤器对图像进行过滤，进一步去除原料硅片本身的纹理粒子，并得到过滤后粒子数目；
步骤6，将上述步骤得到的粒子数目与由样本数据统计得到的粒子数目阈值进行比较和判断，获得原料硅片表面划痕存在性的判定结果；
步骤7，根据步骤6的判定结果，对存在划痕的原料硅片进行水平和竖直粒子过滤；采用基于横纵坐标延续长度的粒子过滤器对图像分别进行水平和竖直粒子过滤，并获得两种过滤法后存留粒子的两个数目值；
步骤8，将步骤7所获得的两个数值进行比较，通过粒子数目的多少判定划痕的方向，得到原料硅片的检测结果。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的原料硅片表面划痕检测方法，其特征在于：步骤6和步骤8中，将所述的原料硅片的检测结果分为无划痕片、水平划痕片和竖直划痕片；当检测为水平或竖直中某一种划痕片时，发送相应的特定信号给PLC，由PLC电控设备控制机械吸盘吸取对应硅片放入指定硅片盒；而当检测为无划痕片时，将不发送任何信号给PLC，让其直接向前传送。
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