CN110987954B - 一种消除皮革表面缺陷检测盲区的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除皮革表面缺陷检测盲区的方法及系统，属于机器视觉表面检测技术领域。所述方法通过提供一种线阵和面阵正交复合的机器视觉检测系统，采用侧入式面阵系统辅助检测，比较二者检测结果得出最终检测结果，使得对于皮革的在线监测既能够检测出折痕、气泡、穿孔等各项同性的缺陷以及皮革传送方向上的光哑度不均匀、油墨、压印等各项异性的缺陷，也能够检测出与皮革传送方向垂直的方向上的光哑度不均匀、油墨、压印等各项异性的缺陷，使得对皮革表面压印、油墨等缺陷的识别率可达到100％，大幅度降低产品的次品率。同时，相较于光度立体视觉等技术，本发明在消除了缺陷检测盲区的前提下，大大减少相机使用数量，降低生产成本。

Description

一种消除皮革表面缺陷检测盲区的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种消除皮革表面缺陷检测盲区的方法及系统，属于机器视觉表面检测技术领域。

背景技术

皮革分为动物皮革和人造皮革，其中人造皮革(简称皮革)以其品种多、可以大批量、宽幅度生产而得到广泛应用。生产线可采用造皮、印染、检测一体化，生产效率高。然而，皮革在加工过程中表面易出现的褶皱、穿孔、划痕、光哑度不均匀、油墨、压印、气泡等缺陷，会降低皮革的质量，因此，及时、在线快速检测出上述缺陷一直是皮革类生产企业迫切期望解决的问题。

随着人工智能技术的快速发展，目前很多企业采用了机器视觉在线检测技术，其优点是检测质量稳定、效率高，对穿孔、划痕、破损、气泡等缺陷检出率较高，但其缺点是对光哑度不均匀、油墨、压印等缺陷则存在漏检或错检的情况。

目前企业所采用的机器视觉在线检测技术，在对皮革、布匹等平面、宽幅且连续的产品进行在线表面缺陷检测时，主要采用线扫模式，即线阵相机结合线光源照明系统，以获得均匀的图像信息。比如采用单一方向采集，单一角度或多角度照明的方式进行检测，实现了明场和暗场同时检测，可以检测出折痕、气泡、穿孔等大部分缺陷。但如上所述，有些表面缺陷(比如光哑度不均匀、油墨、压印等缺陷)只有在某些角度上才能有效的观测到，即缺陷呈现检测方向的各向异性(为描述方便，后续将此类缺陷称为各向异性缺陷)，如杨星宇等人(杨星宇.超光滑表面疵病的显微散射检测方法[D].2015.)发现在用散射显微镜成像检测超光面划痕时，采集方向与缺陷的方向有关，需要旋转目标面才能检测到。而现有的单一方向采集，单一角度或多角度照明的检测方式很难将此类各向异性缺陷完全检测出来。

另外，皮革表面又有着纹理和光面的区别，上述提及的各向异性缺陷对于有纹理的皮革表面检测难度更大，很多皮革类生产企业只能采用人工方式对有纹理的皮革表面进行此类缺陷的检测，而人工方式又存在着检测效率低、成本高的问题。

发明内容

为了提高对各向异性缺陷的检出率，本发明提供了一种消除皮革表面缺陷检测盲区的方法及系统。

一种皮革缺陷在线检测方法，所述方法包括：

获取线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果；

比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，根据二者的比较结果确定最终检测结果；

所述线阵检测系统包括线阵相机和线扫光源；所述线阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述线扫光源设置于皮革传送方向的前向或者后向；

所述面阵检测系统包括面阵相机和侧入式面阵光源；所述面阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述侧入式面阵光源设置于皮革传送方向一侧。

可选的，所述线阵检测系统中的线扫光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向平行，所述面阵检测系统中的侧入式面阵光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向垂直。

可选的，所述缺陷检测结果包括缺陷区域的信息变化量，所述根据二者的比较结果确定最终检测结果，包括：

若二者的比较结果一致，或者线阵检测系统的缺陷检测结果中的缺陷区域的信息变化量更大，则直接采用线阵检测系统的缺陷检测结果；

反之，采用面阵检测系统的缺陷检测结果。

可选的，所述获取线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，包括：

分别获取各检测系统中的光源条件下的皮革图像；

对获取到的皮革图像进行图像处理以获得皮革图像中的缺陷区域的信息变化量。

可选的，所述对获取到的皮革图像进行图像处理以获得皮革图像中的缺陷区域的信息变化量，包括：

采用纹底滤波对获取到的皮革图像滤去纹底，使用分水岭分割缺陷区域，进而计算缺陷区域的信息变化量。

可选的，所述纹底滤波包括：

获取到的皮革图像进行傅里叶变换、高斯滤波、图像增强以及中值滤波。

可选的，所述缺陷检测结果还包括缺陷形态特征。

本发明还提供一种皮革缺陷在线检测系统，所述系统包括：线阵检测系统、面阵检测系统、图像处理系统和结果比较系统；

所述线阵检测系统包括线阵相机和线扫光源；所述线阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述线扫光源设置于皮革传送方向的前向或者后向；

所述面阵检测系统包括面阵相机和侧入式面阵光源；所述面阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述侧入式面阵光源设置于皮革传送方向一侧；

所述线阵检测系统中的线扫光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向平行，所述面阵检测系统中的侧入式面阵光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向垂直。

可选的，所述结果比较系统包括比较器，用于比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，根据二者的比较结果确定最终检测结果；所述缺陷检测结果包括缺陷信息量和缺陷形态特征；

所述比较器用于比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，以缺陷区域的信息变化量为评价依据，比较检测结果，选择信息改变量较大的为最终检测结果，若线阵检测系统与面阵检测系统的检测结果相近，则以线阵检测系统的缺陷检测结果为主。

可选的，所述评价依据包括形态学和/或特征值。

本申请还提供上述皮革缺陷在线检测方法和/或上述皮革缺陷在线检测系统在皮革生产及检测过程中的应用。

本发明有益效果是：

通过提供一种线阵和面阵复合的机器视觉检测系统，采用侧入式面阵系统辅助检测，将二者的检测结果进行比较得出最终检测结果，使得对于皮革的在线监测不仅可以检测出折痕、气泡、穿孔等各项同性的缺陷以及皮革传送方向上的光哑度不均匀、油墨、压印等各项异性的缺陷，同时也可以检测出皮革表面与传送方向上垂直的方向上的光哑度不均匀、油墨、压印等各项异性的缺陷，使得对皮革表面压印、油墨等缺陷的识别率可达到100％，大幅度降低产品的次品率，提升了皮革产品质量。同时，相较于光度立体视觉等技术，本发明在消除了缺陷检测盲区的前提下，大大减少相机使用数量，降低生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请所提出的皮革缺陷在线检测方法检测流程图。

图2本申请所提出的皮革缺陷在线检测系统构成示意图。

图3为图像处理流程图。

图4线性检测系统示意图。

图5缺陷区域信息变化量H′随旋转角度θ的变化曲线图。

图6实验装置实物图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种皮革缺陷在线检测方法，如图1所示，所述方法包括：

获取线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果；

比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，根据二者的比较结果确定最终检测结果；

其中，如图2所示，所述线阵检测系统包括线阵相机和线扫光源；所述线阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述线扫光源设置于皮革传送方向的前向或者后向；所述面阵检测系统包括面阵相机和侧入式面阵光源；所述面阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述侧入式面阵光源设置于皮革传送方向一侧。

所述线阵检测系统中的线扫光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向平行，所述面阵检测系统中的侧入式面阵光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向垂直；

实际应用中，侧入式面阵光源采用离轴LED曲面照明光源，线阵相机采用线阵CCD，面阵相机采用面阵CCD。

所述获取线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，包括：

两个系统分别获取各自检测系统中的光源条件下的皮革图像；

对获取到的皮革图像进行图像处理以获得皮革图像中的缺陷区域的信息变化量H，H包括线阵检测系统对应的缺陷区域的信息变化量H1和面阵检测系统对应的缺陷区域的信息变化量H2。

如图3所示，对获取到的皮革图像进行傅里叶变换、高斯滤波、图像增强以及中值滤波等纹底滤波操作滤去纹底，使用分水岭分割缺陷区域，进而计算得到区域缺陷的信息变化量。

具体的，对获取到的皮革图像进行空频域转换，使用高斯滤波gauss_filter消除部分图像噪声的干扰，再利用图像相减sub_image弱化背景纹底，增强缺陷区域。之后利用中值滤波median_image滤除纹底干扰，保留缺陷信息，通过分水岭算法watersheds_threshold划分灰度梯度，再使用灰度共生矩阵cooc_feature_image设定适当的能量、对比度参数将缺陷划分出来。

划出缺陷在原图中对应的区域，intensity计算缺陷区域和非缺陷区域的平均灰度及两者的灰度差，与区域面积相乘得到缺陷区域内总体的信息的变化量即区域缺陷的信息变化量。

将述线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果进行比较，若二者的比较结果一致，或者线阵检测系统的缺陷检测结果中的区域缺陷的信息变化量更大，则直接采用线阵检测系统的缺陷检测结果；

反之，采用面阵检测系统的缺陷检测结果。

如此即可获得最终检测结果。

采用比较器比较H1和H2，得出最终检测结果。

上述处理过程中，对于图像处理得到区域缺陷的信息变化量均采用现有技术实现。

为验证本申请所提出方法和系统能够提高对皮革表面压印、油墨等缺陷的识别率，特进行实验以及理论分析如下：

众所周知，对于纹理表面的皮革，当光照射在其表面会产生吸收和散射等现象。

表面吸收及散射强度不仅与表面材料本身特性有关，也会与光照方向、强度、波长和采集方向等有关。工业生产过程中，皮革的加工印染都是以传送带形式进行的，即沿单一方向均匀运动，故对其在线检测常用的是线光源照明，线扫相机采集模式，如图4所示。图中xOy为皮革所在平面，x方向为理想线光源放置方向，y方向为皮革运动方向。

设线光源入射光强为I₀，皮革表面无缺陷存在，检测过程中光源照射方向与相机采集方向和位置都固定不变，这时皮革表面的散射吸收系数可写为α₀(x,y)，其分布只与(x,y)有关。A是与探测器的性能和空间位置有关的量，当检测系统确定后，探测器在空间的位置也不会变的，A近似为常量。则探测器接收到的皮革表面光强可写为

L₀(x,y)＝Aα₀(x,y)I₀

若存在缺陷，缺陷处会产生不同的吸收和散射光强，设此时表面吸收散射系数分布为α(x,y)，采集到表面的光强分布为L(x,y)。

若对有缺陷的皮革图像进行滤波处理，即滤除非缺陷区域，则图像中只显示缺陷处的相对光强分布：

ΔL(x,y)＝A[α(x,y)-α₀(x,y)]I₀＝AΔα(x,y)I₀

实际上，皮革表面大部分缺陷的采集是各向同性的，这一性质体现在从不同的采集方向下缺陷处损失的光强基本固定，即从不同方向采集的ΔL(x,y)基本不变。但也存在一些缺陷对检测呈各向异性，即ΔL会随采集方向的改变而改变，本申请称这类缺陷为各向异性缺陷。

为研究探测方向的改变对缺陷检测结果的影响及各向异性缺陷的检测特性，图4中保持其他不变，仅令被测样品沿z轴方向旋转θ角，运动方向不变。

设F(θ)为与各向异性缺陷相关的函数，对ΔL起到调制作用，则缺陷处光强变化量可改写为：

ΔL'(x,y,θ)＝ΔL(x,y)F(θ)

式中F(θ)为与采集方向相关的函数，当缺陷不具有方向特征时，F(θ)为1。

ΔL(x,y)为缺陷信息变化量H最大时的强度分布，令此时F(θ₀)为1。

实际上，判断缺陷信息量变化的多少是以所能采集到的有效缺陷区域来定的，则在采集系统转过θ时缺陷的信息变化量为

式中δ₀是F(θ₀)时缺陷的区域范围，δ是采集系统转过θ时所能采集到的缺陷区域范围。因此，可以通过采集到的图像缺陷有效区域(包括形态上的一致性)的大小来确定缺陷信息量的得失。

由于视觉检测通常是先通过传感器将采集到的光强转化为灰度图像，再进行图像信息处理。设G(x,y)为图像灰度分布，K为相机参数相关系数，设ΔG(x,y)为缺陷信息变化量H最大时图像的灰度分布，则

对于给定的缺陷，δ₀和ΔG(x,y)为确定值，所以H(θ)与F(θ)呈正相关，是表征缺陷检测的各向异性特征函数。

采用图4所示实验系统，对皮革表面存在的压印、油墨缺陷进行检测。为了便于标记缺陷方向，选择的缺陷呈长型，设θ为缺陷长度方向与采集的方向的夹角，在0°～90°的范围内间隔5°改变θ的值，对压印及油墨缺陷进行多方向图像的采集，根据图3流程进行图像处理。由于实验数据量大，表1仅给出部分代表性数据的处理过程。

表1

缺陷区域损失信息量H随旋转角度θ的变化情况如图5所示，对图中实验结果分别进行了函数拟合。

显然，图5(a)、(b)中缺陷函数关系曲线有明显差异。对于图5(a)，θ＜50°左右时H₁值随θ呈上升趋势，之后逐步下降。当θ≥30°时，H₁≥1.7×10⁵，可以有效提取缺陷信息；20°＜θ＜30°时虽然能够识别有缺陷，但缺陷信息并不完整；而在θ≤20°时，H₁≤9.6×10⁴，虽然H₁数值较大，但单位面积下缺陷与纹底的灰度差异却很小，缺陷分割受到影响，已无法将缺陷与滤波后纹底造成细小的干扰区分。此时会造成错检、漏检，即为系统的检测盲区。

同理，对图5(b)油墨缺陷，当θ≤60°时，即H₂≥7.1×10³可有效识别；60°＜θ＜70°时缺陷信综上分析可以看出，对皮革表面压印和油墨类缺陷检测均存在各向异性，单纯采用线扫模式进行在线缺陷检测，对这种各向异性缺陷漏检率近30％。

进一步分析发现，无论缺陷的各向异性特征函数H(θ)的形式如何，检测盲区与有效检测区90°位置呈正交态。因此本申请在与线扫检测方向垂直的位置(皮革运动方向的垂直方向)增加一个检测系统即面阵检测系统，就可以消除检测盲区，实现各向异性缺陷全方位检测。通常，线扫检测所使用的光源的光线在皮革表面的投影线是与皮革传送方向平行的，那么本申请所添加的所增加的面阵检测系统只需要保证其所设置的光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向垂直即可实现消除检测盲区的目的。

在实验分析得到在与线扫检测方向垂直的位置(皮革运动的垂直方向)增加一个检测系统即面阵检测系统，就可以消除检测盲区，实现各向异性缺陷全方位检测的结果后，发明人搭建了线面结合的多方向检测系统，如图6所示，其中，1.线阵CCD，2.线扫光源，3.面阵CCD，4.离轴LED曲面光源，5.平移台。

图6中面阵辅助优化采集系统，考虑光源均匀性和可实现性，由侧入式照明光源和Linea黑白面阵相机构成。

为了保证缺陷的检测效果，简化程序逻辑复杂度和检测速度，采用以线扫描辅以面阵检测的方式，实现对缺陷的检测。具体逻辑判断如图1所示。辅助检测系统主要作用是将其处理结果与线阵处理结果放入比较器中进行比较。比较器可通过设定方向性缺陷检测效果的评价依据(如：形态学、特征值等等)，其作用是比较线阵系统和面系统的检测效果，选择缺陷区域内信息量损失较大作为处理结果，此时对比缺陷区域对比效果明显，进行缺陷判定及后续处理，实现缺陷的检测。

考虑到工业上检测装置体积较大，皮革面幅宽，且流水线上生产到检测的过程为连续性的，实验室中难以完全实现。故在实验室中，以电控平移台代替传动装置保持表面平展，裁剪皮革样本，在同一平面进行检测达到相同效果。

采用图6所示实物平台，对压印及油墨两种各向异性缺陷进行了100次方向性检测实验。从实验检测结果中挑选出具有代表性的六组实验数据，其中压印缺陷三组，油墨缺陷三组，如表2所示，两类缺陷所对应的第一组数据，所对应的皮革具有的缺陷只能够从皮革传送方向的垂直方向上检测出来；第二组数据所对应的皮革具有的缺陷只能够从皮革传送方向上检测出来；第三组数据所对应的皮革具有的缺陷既能够在皮革传送方向上检测出来又能在其垂直方向上检测出来。

表2

如表2所示，第一组数据对应的结果1确实表明，对于只能够从皮革传送方向的垂直方向上检测出来的压印和油墨缺陷，线阵系统无法检测识别，只能由面阵辅助系统检出；而第二组数据对应的结果2则表明只能够从皮革传送方向上检测出来的压印和油墨缺陷，线阵可以检出，面阵无法检出；第三组数据对应的结果3表明了既能够在皮革传送方向上检测出来又能在其垂直方向上检测出来的压印和油墨缺陷，线阵面阵均可以检出，但是由于线扫描模式在运动状态下，因此其检测精度更高，故以线阵检测结果为主。

本申请所提出的方法和系统能够提高对皮革表面压印、油墨等缺陷的识别率能够有效识别。引入侧入式面阵系统辅助对随机方向的缺陷进行的100次测试实验中，缺陷均能被检出，识别率达到100％，从而大幅度降低产品的次品率，提升皮革产品质量。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种皮革缺陷在线检测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果；

比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，根据二者的比较结果确定最终检测结果；

所述线阵检测系统包括线阵相机和线扫光源；所述线阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述线扫光源设置于皮革传送方向的前向或者后向；

所述面阵检测系统包括面阵相机和侧入式面阵光源；所述面阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述侧入式面阵光源设置于皮革传送方向一侧；

所述线阵检测系统中的线扫光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向平行，所述面阵检测系统中的侧入式面阵光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向垂直；

所述缺陷检测结果包括缺陷区域的信息变化量，所述根据二者的比较结果确定最终检测结果，包括：

若二者的比较结果一致，或者线阵检测系统的缺陷检测结果中的缺陷区域的信息变化量更大，则直接采用线阵检测系统的缺陷检测结果；

反之，采用面阵检测系统的缺陷检测结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，包括：

分别获取各检测系统中的光源照射条件下的皮革图像；

对获取到的皮革图像进行图像处理以获得皮革图像中的缺陷区域的信息变化量。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对获取到的皮革图像进行图像处理以获得皮革图像中的缺陷区域的信息变化量，包括：

采用纹底滤波对获取到的皮革图像滤去纹底，使用分水岭分割缺陷区域，进而计算缺陷区域的信息变化量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纹底滤波包括：

获取到的皮革图像进行傅里叶变换、高斯滤波、图像增强以及中值滤波。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述缺陷检测结果还包括缺陷形态特征。

6.一种皮革缺陷在线检测系统，其特征在于，所述系统包括：线阵检测系统、面阵检测系统、图像处理系统和结果比较系统；

所述线阵检测系统包括线阵相机和线扫光源；所述线阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述线扫光源设置于皮革传送方向的前向或者后向；

所述面阵检测系统包括面阵相机和侧入式面阵光源；所述面阵相机的镜头光轴垂直于皮革表面；所述侧入式面阵光源设置于皮革传送方向一侧；

所述线阵检测系统中的线扫光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向平行，所述面阵检测系统中的侧入式面阵光源的光线在皮革表面的投影线与皮革传送方向垂直；

所述结果比较系统包括比较器，用于比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，根据二者的比较结果确定最终检测结果；所述缺陷检测结果包括缺陷信息量和缺陷形态特征；

所述比较器用于比较线阵检测系统的缺陷检测结果和面阵检测系统的缺陷检测结果，以缺陷区域的信息变化量为评价依据，比较检测结果，选择信息改变量较大的为最终检测结果，若线阵检测系统与面阵检测系统的检测结果相近，则以线阵检测系统的缺陷检测结果为主。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述评价依据包括形态学和/或特征值。

8.权利要求1-5任一所述的皮革缺陷在线检测方法和/或权利要求6-7任一所述的皮革缺陷在线检测系统在皮革生产及检测过程中的应用。

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