鋁合金無縫氣瓶內表面缺陷視覺檢測研究

　　摘要：針對鋁合金無縫氣瓶的質量檢測問題，設計了一套基于Contact Image Sensor(CIS)的氣瓶內表面缺陷檢測系統，可實現氣瓶內表面缺陷的自動檢測。為實現氣瓶內表面的全部采集，采用平移裝置和旋轉裝置協調運動的方式遍歷氣瓶內表面，并通過高斯線檢測提取拉伸傷邊緣，以及閡值分割檢測凹坑區域，再根據其基本特征進行篩選等操作，得到拉伸傷和凹坑缺陷檢測結果。實驗表明，該系統能夠有效地實現鋁合金無縫氣瓶內表面缺陷檢測，并具有較高的檢測效率和準確率。

　　關鍵詞：機器視覺;氣瓶內表面;接觸式圖像傳感器;高斯線檢測;閾值分割

　　開放科學(資源服務)標識碼(OSID)：

　　1 概述

　　鋁合金無縫氣瓶在消防、醫療和汽車等行業應用廣泛，盛裝物質一般具有易燃易爆、強腐蝕性等[1]，在出廠前必須進行嚴格的質量監督。通過在知網和專利數據庫檢索，發現大部分文獻撰寫的是氣瓶的設計與制造，而國內外對鋁合金無縫氣瓶內表面缺陷檢測的研究還處于起步階段，文獻2和3采用攝像模組成像，對于弧形內壁存在畸變，導致缺陷尺寸與實際不符，且攝像模組視場小需多次采集，對多張圖像進行處理也需要較長時間，檢測效率較低。根據國內判定標準《GB11640-2011鋁合金無縫氣瓶》規定，內表面不應有肉眼可見的影響強度的局部缺陷，可通過打磨的方法去除且缺陷去除后其壁厚不小于設計壁厚[4]。目前，采用無損探傷的方法較多，但無損檢測技術受環境影響較大，工廠環境惡劣，還難以真正投入到生產線[5]。所以大多數工廠仍采用人工方法，檢查時不僅受檢查人員的主觀影響，檢測效率和精度也難以滿足工業自動化生產線的需求。基于機器視覺的氣瓶內表面缺陷檢測具有非接觸、速度快、精度高等優點[6l，所以推進該技術應用于氣瓶內表面缺陷檢測有非常重要的意義。下面首先介紹檢測系統結構設計，然后制定缺陷檢測算法方案，最后基于Visual Studi0 2012軟件開發環境編寫一套完整的應用程序，實現鋁合金無縫氣瓶內表面缺陷全自動在線檢測功能。

　　2 檢測系統設計

　　如圖1所示，整個系統由圖像采集單元、控制處理單元、旋轉單元、觸發單元和平移單元組成。

　　相機選型時應考慮兩點：一是被檢測氣瓶體積小，普通的工業相機、鏡頭和光源難以進入內部進行拍攝;二是氣瓶內表面呈弧形，使用面陣相機拍攝會產生畸變，即圖像中心與四周分辨率變化較大。該系統選擇定制CIS線陣相機，如圖2所示，中間感光元素的兩側是兩列LED光源，與柱狀透鏡和光電傳感器等一起被封裝，外觀尺寸為36lmm×56mm×54mm。

　　該系統在旋轉輪尾端安裝增量式旋轉編碼器，當旋轉輪旋轉時，編碼器發出高低電平信號觸發圖像采集卡，當旋轉輪停止旋轉時，編碼器也停止發出高低電平信號，即氣瓶旋轉時CIS相機采集圖像，氣瓶停止旋轉時CIS相機不采集圖像。如圖3所示，通過平移裝置和旋轉裝置協調運動的方式遍歷氣瓶內表面，具體工作方式為：當氣瓶旋轉一圈后，電動平移臺前進3lOmm(CIS相機有效長度)，保證前一圈和后一圈圖像不重合，同時PC機時刻監測電動平移臺的運動狀態，若電動平移臺仍在前進，則PC機繼續監測;若電動平移臺已停止運動，則PC機向可編程邏輯控制器發出信號，氣瓶再次旋轉，周而復始直至整個氣瓶內表面采集完畢。電動升降臺的臺面上安裝了支撐桿，支撐桿的前端固定CIS相機，電動升降臺可以根據氣瓶的內徑、外徑自動升降，進而調節CIS相機的工作距離，保證清晰成像。

　　3 圖像處理算法實現

　　3.1 圖像拼接

　　CIS相機每次采集一圈氣瓶內表面圖像，且每圈圖像只有幾個像素寬度的重合部分，避免對缺陷的尺寸判定造成影響。將每圈圖像按照采集的順序拼接成一幅圖像，不僅可以更加直觀地展現整個氣瓶內表面的缺陷情況，而且減少了圖像處理的時間[7]。該系統采集的圖像大小為7344×4755，使用硬拼算子tile_images_offset0按照橫坐標不變和縱坐標每次增加3672個像素的規則將圖像左右平鋪，如圖4所示，拼接后的圖像大小為7344×4755。

　　3.2 拉伸傷缺陷提取

　　拉伸傷缺陷自身與背景對比度不高，在幾何形態上，呈多條較長較直的劃痕密集排列，所以將拉伸傷缺陷近似看作是一條有寬度的直線，再使用高斯線檢測[8]提取，與分別提取每一條劃痕相比，縮短了算法運行時間，提高了檢測效率。具體檢測步驟如下：

　　步驟1：通過圖像處理軟件Halcon的路廓線助手確定拉伸傷缺陷的線寬度和對比度。如圖5(a)所示，豎直畫一條貫穿三條拉伸傷缺陷的剖面線，剖面線應該在缺陷與背景對比度較低的位置，但不宜最低，特別低的對比度會提取出過多不相干輪廓線，不利于篩選。如圖5(b)所示，為剖面線所在位置的灰度值變化，圖中的3個峰分別對應3條拉伸傷缺陷，最上方的拉伸傷對應最大的峰，中間的拉伸傷與背景的對比度最低，對應最不明顯的峰，即圖中兩條閾值線之間的峰。

　　通過圖5(b)得出，從上到下三條拉伸傷的線寬度分別為30、12和20，其上邊緣的對比度分別為37、22和24，下邊緣的對比度分別為19、12和23，經過綜合考慮和實驗，將線寬度確定為35個像素，第一對比度和第二對比度確定為15。第二對比度不可以大于第一對比度，第二對比度越小，提取出的線越會延伸到對比度低的區域，提取出的線越長;反之，較大的第二對比度將會提取出較短的線。所以，首先使第二對比度的值與第一對比度相等，再逐漸減小，觀察提取出的線連貫性，圖6為不同第二對比度的效果圖，最后將第二對比度確定為5。

　　步驟2：根據實際情況，將步驟1的線寬度和對比度進行微調，最后將線寬確定為34，第一對比度確定為15，第二對比度確定為5。將提取出的輪廓線根據長度和高度進行篩選，再將鄰近的輪廓線進行合并，即可確定拉伸傷缺陷的位置。由于提取出的輪廓線彎曲，在擬合輪廓線時，存在將本不是一條直線的輪廓線連接起來的情況，所以在擬合輪廓線之前先將輪廓線分割為直線和橢圓線，再去掉橢圓線，即去掉輪廓線支叉，如圖7(d)所示，輪廓線已經規則化，只有近似在一條水平線上的短線才會連接起來，圖8為最終檢測結果。

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