CN112139997B - 一种圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法 - Google Patents
一种圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,使用补偿光源发出一定强度的光,照射到圆钢表面,用工业相机捕捉圆钢表面图像,将采集到的原始图像发送至数据处理模块,数据处理模块根据采集到的原始图像像素亮度情况,进行逐点软件补偿,处理完成之后的图像转换为视频信号发送到显示模块,同时根据圆钢表面图像的亮度均值、钢坯类型信息计算补偿光照强度,发送新的光照强度设定值到与补偿光源连接的可调光源驱动模块,可调驱动模块调节光源亮度,达到数据处理模块设定的光照强度。本发明可以优化修磨工序中实际光照强度和图像质量,既可提高人工目视的检测效率,也能减少机器视觉自动检测系统的误判。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术领域,特别涉及一种圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法。
背景技术
在圆钢修磨工序中,操作人员需要对圆钢表面上,按照之前探伤工序中标记出来的缺陷,对钢坯进行修磨。然后使用人工或者机器视觉确认缺陷已经消除,则完成修磨作业。如果缺陷未消除,则再次进行修磨直到缺陷消除。由于钢坯缺陷比较细小,较难分辨,所以修磨操作通常需要良好的照明条件,使得人眼或者图像采集系统能够采集到清晰的工件表面图像。当前,通常会在修磨工位上安装照明灯具提供照明。但是当前冶金企业中,修磨工位并不是一个封闭的工位,相邻工位的闪光,厂房外的日光,行车工件的阻挡,等等因素都会形成环境光的干扰。同时,在钢坯表面,过强的光照会造成钢坯表面炫光;光照过弱,则使得表面缺陷不易分辨。这个问题在使用机器视觉圆钢修磨质量检测系统时更加明显,会增加系统的误判。随着机器视觉代替人工在工业检测领域的不断推广,抑制环境光对图像检测影响是个亟待解决的问题。
现有抑制环境光的方法和装置,比如中国专利公开号CN105835479A“一种环境光下的图像增强方法”公开的一种提取原始图像亮度,确定可见度阈值,然后对图像进行加权处理的方法,来补偿环境光的干扰。此种方法不增加硬件,通过软件的方法实时优化采集到的图像,在图像清晰度在一定范围内,效果较好。但是如果图像本身成像效果太差则无能为力。
又如中国专利公开号CN101527793A公开的“防止环境光干扰的动态图像拍摄方法及系统”,提出一种通过传感器数据,启动补偿光源来控制环境光干扰的方法与系统。此种方法直接针对环境光干扰源头,改善了被拍摄物体的关照条件,取得了较好的效果。但是该方法限于补偿光源的物理约束所限,无法像软件一样自由灵活的对图像进行像素级别的实时补偿调整。
发明内容
本发明的目的在于提出一种圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,可以自适应优化修磨工序中的实际光照强度和图像质量,既可以提高人工目视的检测效率,也能减少机器视觉自动检测系统的误判。
为达到上述目的,本发明的技术方案是:
本发明使用外部补偿光源补偿环境光影响,提高原始图像光照质量,然后附加软件修正,进一步在工业相机采集到的数字图像上优化工件图像。
具体的,本发明所述圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,使用补偿光源发出一定强度的光,照射到圆钢表面,用工业相机捕捉圆钢表面图像,将采集到的原始图像发送至数据处理模块,数据处理模块根据采集到的原始图像像素亮度情况,进行逐点软件补偿,处理完成之后的图像转换为视频信号发送到显示模块,同时根据圆钢表面图像的亮度均值、钢坯类型信息计算补偿光照强度,发送新的光照强度设定值到与补偿光源连接的可调光源驱动模块,可调驱动模块调节光源亮度,达到数据处理模块设定的光照强度;其中,
数据处理模块根据原始的图像像素亮度情况,计算出补偿光源的设定值和数字图像中的像素补偿值,从而抑制环境光的干扰,其包括标定、计算两个步骤;
A.标定,标定在离线状态下进行;
A1钢坯种类亮度基准P标定
首先,需要把钢坯按照表面处理的情况分成M类,M的取值通常按照钢坯来料表面处理方法的数量而定;对于每一个种类,在良好均匀的光照下取典型的圆钢采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为亮度基准;
对于M类钢坯,钢坯种类编号为C1,C2,…,C(M-1),CM,则在每一类钢坯中取典型的坯料,测量得到其亮度基准PC1,PC2,…,PC(M-1),PCM;
A2钢坯曲率补偿标定
圆钢图像中处于轴线上的像素亮度最高,边缘处的亮度最低;对轴线以外的像素亮度进行补偿;不同直径的圆钢沿周向亮度分布不相同,把圆钢按照直径分为N类进行标定,按照圆钢不同直径分为N个类,在每一类中在良好均匀的光照下,取典型的圆钢采集其图像,然后取圆钢边缘上像素的亮度均值作为P2,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P1,两个值相除得到补偿系数:
圆钢图像的上下半区亮度会相差很大,上下半区的补偿系数不同,计算出上半区的补偿系数αU,和下半区的补偿系数αB;对于直径不同的N类钢坯,钢坯种类编号为D1,D2,…,D(N-1),DN,则在每一类钢坯中取典型的坯料,可以测量得到其上半区补偿系数和下半区补偿系数
A3补偿光源效率标定
系统通过改变补偿光源的电流,改变圆钢的光照情况,在投入运用之前,需要标定电流与图像亮度之间的关系;在良好均匀的光照下关闭补偿光源,对典型的圆钢采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P3;打开补偿光源,调整至最亮,此时电流为IMAX,对同一根圆钢工件采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P4,那么补偿光源效率为:
B.计算
在数据处理模块计算过程如下:
B1读取圆钢原始图像F0,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为参考亮度P0;
B3计算补偿光源电流设定值I1
B4计算光线遮挡补偿
环境光直射圆钢上半区或者下半区产生顺光,而另一半区被圆钢自身挡住产生逆光,此时圆钢上下半区图像亮度区别明显,不利于缺陷的识别,需要进行补偿;当上半区亮度均值PU和下半区亮度均值PB差距大于阈值时PY,进行补偿计算新图像F1:
当PU>PB时
当PU<PB时
其中:
P0(x,y)为原始图像F0中像素亮度,P1(x,y)为新图像F1中像素亮度,PMAX为图像允许的亮度最大值,PS1和PS2为适宜图像检测的像素亮度下限和上限,由操作人员设定,但PS1通常不小于1/3PMAX,PS1通常不大于2/3PMAX;
如此,得到新图像F1,如果不需要进行补偿,那么F1=F0;
B5根据补偿系数α计算边缘亮度增强后的新图像F2,新图像中每个像素的亮度计算如下:
对于上半区像素:
对于下半区像素:
其中:P2(x,y)为新图像F2中像素亮度;d为像素到图像轴线距离,单位,m;r为圆钢半径,单位,m。
进一步,所述数据处理模块处理还包括C自学习:
C1补偿光源效率校正
以某一常见规格的圆钢轴线上像素的亮度均值P1作为标定基准,在系统检测到相同规格的圆钢时计算其轴线上像素的亮度P1′,然后与历史上j-1根圆钢轴线上像素的亮度求取平均值j的取值与该规格圆钢产量有关,产量高则j需要取大一些,反之则小一些,但是j的取值不应小于该规格一天的圆钢修磨数量;
那么可以对补偿光源效率K进行校正:
其中:ΔK为学习步长,其取值根据自学习的频度调整大小,ΔK不应大于0.1K;
Pj为开启校正的阈值,其数值与实际的相机灰阶有关,通常取为操作人员能够分辨的最小灰阶变化幅度;
C2像素亮度下限和上限校正
系统圆钢缺陷检测运行结果分为三种情况,即:误检,正常,漏检;对于以上三种情况,可以看作是系统运行的评价情况E,评价情况E有三档:
E取值1,系统过于敏感,缺陷误检;
E取值2,系统运行正常,无需校正;
E取值3,系统过于迟钝,缺陷漏检;
对PS1进行校正:
对PS2进行校正:
优选的,所述补偿光源为可调节的灯具,优选可以调节的LED工业照明灯;所述可调驱动模块为电流可调的开关电源;所述工业相机包括CCD或CMOS工业相机;所述数据处理模块包括工控机、PLC或DSP处理单元;所述显示模块为显示器。
在本发明所述方法中:
标定在离线状态下进行,离线检测精度高,是确定的光照强度设定值的最好方式,在离线方式下标定系统的特性可以为后续计算提供稳定、合适的初始参数。
A1钢坯种类亮度基准标定
由于不同处理方法的钢坯表面反光程度差异很大,在同样光线照射下其图像亮度完全不同,所以需要标定其亮度基准P。本发明需要在良好均匀的光照下,标定不同种类钢坯的对于成像亮度的影响。首先,需要把钢坯按照表面处理的情况分成M类,M的取值通常按照钢坯来料表面处理方法的数量而定。例如,圆钢来料分为车削、喷丸和未处理,那么M可以取为3;对于每一个种类,在良好均匀的光照下,取典型的圆钢工件采集其图像;然后取圆钢100轴线上(如图2)像素的亮度均值作为亮度基准。
对于M类钢坯,钢坯种类编号为C1,C2,…,C(M-1),CM,则在每一类钢坯中取典型的坯料,可以测量得到其亮度基准PC1,PC2,…,PC(M-1),PCM。
A2钢坯曲率补偿标定
由于钢坯曲率的影响,圆钢图像中处于轴线上的像素亮度最高,边缘处的亮度最低。为了提高图像质量,提高缺陷识别率,需要对轴线以外的像素亮度进行补偿。不同直径的圆钢,其沿着周向亮度分布也不相同,为了简化计算,可以把圆钢按照直径分为N类进行标定。比如可以按照大、中、小把圆钢按照不同直径分为3类。如果生产的规格内圆钢直径变化较大的,可以再多分类。在每一类中,在良好均匀的光照下,取典型的圆钢工件采集其图像;然后取圆钢100边缘上(如图2)像素的亮度均值作为P2,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P1,两个值相除可以得到补偿系数:
由于光线照射角度的问题,加上圆钢自身的阻挡,在某些条件下,圆钢图像的上下半区亮度会相差很大,那么上下半区的补偿系数应该不同,类似的,可以计算出上半区的补偿系数αU,和下半区的补偿系数αB。
A3补偿光源效率标定
系统通过改变补偿光源的电流,改变圆钢的光照情况,在投入运用之前,需要标定电流与图像亮度之间的关系。在良好均匀的光照下,关闭补偿光源,对典型的圆钢工件采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P3。打开补偿光源,调整至最亮,此时电流为IMAX,对同一根圆钢工件采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P4。那么补偿光源效率:
B计算
上线运行之后,在数据处理模块中,计算过程如下:
B1读取圆钢工件原始图像F0,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为参考亮度P0。
B3计算补偿光源电流设定值I1:
其中:I0为调整前的电流初值。
B4计算光线遮挡补偿。环境光照射的角度不同会导致圆钢图像亮度发生相应的变化,这其中最显著的情况是环境光直射圆钢上半区或者下半区产生顺光,而另一半区被圆钢自身挡住产生逆光,此时圆钢上下半区图像亮度区别明显,不利于缺陷的识别,需要进行补偿。当上半区亮度均值PU和下半区亮度均值PB差距大于阈值时PY,进行补偿计算新图像F1:
当PU>PB时:
当PU<PB时:
其中:P0(x,y)为原始图像F0中像素亮度,P1(x,y)为新图像F1中像素亮度,PMAX为图像允许的亮度最大值,PS1和PS2为适宜图像检测的像素亮度下限和上限,可以由操作人员按照经验设定,但PS1通常不小于1/3PMAX,PS1通常不大于2/3PMAX。
如此,可以得到新图像F1,如果不需要进行补偿,那么F1=F0。
B5根据补偿系数α计算边缘亮度增强后的新图像F2,新图像中每个像素的亮度计算如下:
对于上半区像素:
对于下半区像素:
其中:P2(x,y)为新图像F2中像素亮度,d为像素到图像轴线距离(如图2),r为圆钢工件半径。
C自学习
实际使用中,光源的老化,环境光的变化,相机镜头积灰等因素都会使得利用离线标定数据计算出的驱动电流值与实际需要的补光强度之间发生匹配偏差,这种偏差通常会随着使用时间不断增大,最后甚至累计到用户不可接受的程度。所以通过在线自学习,校正偏差是非常必要的。本发明中,装置在使用中需要不断自学习来校正参数。
C1补偿光源效率校正
以某一常见规格的圆钢轴线上像素的亮度均值P1作为标定基准,在系统检测到相同规格的圆钢时计算其轴线上像素的亮度P1′,然后与历史上j-1根圆钢轴线上像素的亮度求取平均值j的取值与该规格圆钢产量有关,产量高则j需要取大一些,反之则小一些,但是j的取值不应小于该规格一天的圆钢修磨数量。
那么可以对补偿光源效率K进行校正:
其中:ΔK为学习步长,其取值根据自学习的频度可以调整大小,如果使用条件允许,自学习较频繁,ΔK可以取得小一些;反之则可以取得大一些。通常情况下,由于系统参数的变化通常不会过于剧烈,所以ΔK不应大于0.1K。Pj为开启校正的阈值,其数值与实际的相机灰阶有关,通常不应过小。为了方便操作人员干预和反馈系统情况,可以取为操作人员能够分辨的最小灰阶变化幅度。
本发明的有益效果:
在圆钢修磨工序中,环境光对于金属工件表面的机器视觉成像质量有重要影响,在某些情况下,甚至会完全掩盖掉工件缺陷。
本发明综合通过软件像素补偿和硬件自动调光的方法,最大限度地滤除环境光对成像的影响,还原工件表面的真实图像,为圆钢的自动化缺陷检测提供了基础和前提。经过本发明处理的工件表面图像,能够明显地提升后续的缺陷识别率,降低缺陷误报率,提高了修磨工序的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图;
图2为本发明实施例中圆钢的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
参见图1、图2,本发明所述圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,使用补偿光源1发出一定强度的光,照射到圆钢100表面,用工业相机2捕捉圆钢100表面图像,将采集到的原始图像发送至数据处理模块3,数据处理模块3根据采集到的原始图像像素亮度情况,进行逐点软件补偿,处理完成之后的图像转换为视频信号发送到显示模块5,同时根据圆钢表面图像的亮度均值、钢坯类型信息计算补偿光照强度,发送新的光照强度设定值到与补偿光源连接的可调光源驱动模块4,可调驱动模块4调节光源亮度,达到数据处理模块3设定的光照强度;其中,
在本实施例中,补偿光源1为高亮LED面光源,使用电流可调的开光电源驱动。工业相机2选用工业CCD相机。数据处理模块3是工控机,显示器作为显示模块5。
数据处理模块根据原始的图像像素亮度情况,计算出补偿光源的设定值和数字图像中的像素补偿值,从而抑制环境光的干扰,其包括标定、计算两个步骤。
A1钢坯种类亮度基准标定
某工厂圆钢钢坯来料分为车削、未处理和喷丸三种情况,可以分别标识为1、2、3号钢种,对于每一个种类,在良好均匀的光照下,进行标定。
对于3类钢坯,钢坯种类编号为C1=1,C2=2,C3=3,测量得到其亮度基准PC1=195,PC2=162,PC3=141。
A2钢坯曲率补偿标定
某工厂圆钢钢坯直径范围为100mm~400mm,可以按照200mm以下为小,200mm~300mm为中,300mm以上为大,分为三类。每一类中,在良好均匀的光照下,取典型的圆钢工件采集其图像。然后取得其上半区补偿系数和下半区补偿系数
A3补偿光源效率标定
在良好均匀的光照下,关闭补偿光源,对典型的圆钢工件采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值P3=149。打开补偿光源,调整至最亮,此时电流为IMAX=5A,对同一根圆钢工件采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P4=181,那么补偿光源效率:
B计算
上线运行之后,在数据处理模块中,计算过程如下:
B1读取圆钢工件原始图像F0,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为参考亮度P0=150;
B2读取钢种类型C=2。找到A1标定步骤得到的其对应的亮度基准P=162;
B3当前电流初值I0=1A,计算补偿光源电流设定值I1:
B4计算光线遮挡补偿
当前阈值PY=40,PMAX=255,PS1=85,PS2=170,上半区亮度均值PU=181,下半区亮度均值PB=120,则需要进行补偿。
如此,可以得到新图像F1。
B4读取圆钢直径种类D0=1。找到A2标定步骤得到的其对应的补偿系数αU=1.30和αB=1.29。
B5根据补偿系数α计算边缘亮度增强后的新图像F2,圆钢半径r=50mm,新图像中每个像素的亮度计算如下:
对于上半区像素
对于下半区像素
C自学习
C1补偿光源效率校正
对补偿光源效率K进行校正:
K=K+0.05K=6.72。
C2像素亮度下限和上限校正
根据反馈,系统发生漏检,那么:
对PS1进行校正:
PS1=PS1-5=80;
对PS2进行校正:
PS2=PS2+5=175。
Claims (7)
1.一种圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,使用补偿光源发出一定强度的光,照射到圆钢表面,用工业相机捕捉圆钢表面图像,将采集到的原始图像发送至数据处理模块,数据处理模块根据采集到的原始图像像素亮度情况,进行逐点软件补偿,处理完成之后的图像转换为视频信号发送到显示模块,同时根据圆钢表面图像的亮度均值、钢坯类型信息计算补偿光照强度,发送新的光照强度设定值到与补偿光源连接的可调光源驱动模块,可调驱动模块调节光源亮度,达到数据处理模块设定的光照强度;其中,
数据处理模块根据原始的图像像素亮度情况,计算出补偿光源的设定值和数字图像中的像素补偿值,从而抑制环境光的干扰,其包括标定、计算两个步骤;
A.标定,标定在离线状态下进行;
A1钢坯种类亮度基准P标定
首先,需要把钢坯按照表面处理的情况分成M类,M的取值按照钢坯来料表面处理方法的数量而定;对于每一个种类,在良好均匀的光照下取典型的圆钢采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为亮度基准;
对于M类钢坯,钢坯种类编号为C1,C2,…,C(M-1),CM,则在每一类钢坯中取典型的坯料,测量得到其亮度基准PC1,PC2,…,PC(M-1),PCM;
A2钢坯曲率补偿标定
圆钢图像中处于轴线上的像素亮度最高,边缘处的亮度最低;对轴线以外的像素亮度进行补偿;不同直径的圆钢沿周向亮度分布不相同,把圆钢按照直径分为N类进行标定,按照圆钢不同直径分为N个类,在每一类中在良好均匀的光照下,取典型的圆钢采集其图像,然后取圆钢边缘上像素的亮度均值作为P2,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P1,两个值相除得到补偿系数:
圆钢图像的上下半区亮度会相差很大,上下半区的补偿系数不同,计算出上半区的补偿系数αU,和下半区的补偿系数αB;
A3补偿光源效率标定
系统通过改变补偿光源的电流,改变圆钢的光照情况,在投入运用之前,需要标定电流与图像亮度之间的关系;在良好均匀的光照下关闭补偿光源,对典型的圆钢采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P3;打开补偿光源,调整至最亮,此时电流为IMAX,对同一根圆钢工件采集其图像,然后取圆钢轴线上像素的亮度均值作为P4,那么补偿光源效率为:
B.计算
在数据处理模块计算过程如下:
B1读取圆钢原始图像F0,取圆钢轴线上像素的亮度均值作为参考亮度P0;
B3计算补偿光源电流设定值I1
B4计算光线遮挡补偿
环境光直射圆钢上半区或者下半区产生顺光,而另一半区被圆钢自身挡住产生逆光,此时圆钢上下半区图像亮度区别明显,不利于缺陷的识别,需要进行补偿;当上半区亮度均值PU和下半区亮度均值PB差距大于阈值时PY,进行补偿计算新图像F1:
当PU>PB时:
当PU<PB时:
其中:
P0(x,y)为原始图像F0中像素亮度,P1(x,y)为新图像F1中像素亮度,PMAX为图像允许的亮度最大值,PS1和PS2为适宜图像检测的像素亮度下限和上限,由操作人员设定,但PS1不小于1/3PMAX,PS1不大于2/3PMAX;
如此,得到新图像F1,如果不需要进行补偿,那么F1=F0;
B5根据补偿系数α计算边缘亮度增强后的新图像F2,新图像中每个像素的亮度计算如下:
对于上半区像素
对于下半区像素
其中:P2(x,y)为新图像F2中像素亮度;d为像素到图像轴线距离,单位,m;r为圆钢半径,单位,m。
2.如权利要求1所述的圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,数据处理模块处理还包括步骤C自学习:
C1补偿光源效率校正
以某一常见规格的圆钢轴线上像素的亮度均值P1作为标定基准,在系统检测到相同规格的圆钢时计算其轴线上像素的亮度P1′,然后与历史上j-1根圆钢轴线上像素的亮度求取平均值j的取值与该规格圆钢产量有关,产量高则j需要取大一些,反之则小一些,但是j的取值不应小于该规格一天的圆钢修磨数量;
那么可以对补偿光源效率K进行校正:
其中:ΔK为学习步长,其取值根据自学习的频度调整大小,ΔK不应大于0.1K;
Pj为开启校正的阈值,其数值与实际的相机灰阶有关,取为操作人员能够分辨的最小灰阶变化幅度;
C2像素亮度下限和上限校正
系统圆钢缺陷检测运行结果分为三种情况,即:误检,正常,漏检;对于以上三种情况,可以看作是系统运行的评价情况E,评价情况E有三档:
E取值1,系统过于敏感,缺陷误检;
E取值2,系统运行正常,无需校正;
E取值3,系统过于迟钝,缺陷漏检;
对PS1进行校正:
对PS2进行校正:
3.如权利要求1所述的圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,所述补偿光源为可调节的灯具。
4.如权利要求1所述的圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,所述补偿光源为可以调节的LED工业照明灯。
5.如权利要求1所述的圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,所述可调驱动模块为电流可调的开关电源。
6.如权利要求1所述的圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,所述工业相机包括CCD或CMOS工业相机。
7.如权利要求1所述的圆钢修磨质量检测系统中抑制环境光的方法,其特征是,所述数据处理模块包括工控机、PLC或DSP处理单元;所述显示模块为显示器。
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