专利名称：基于线阵ccd的物件表面缺陷检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于线阵CCD的物件表面缺陷检测方法及装置。
背景技术：
在诸多行业的材料及材料制成品中，表面缺陷是影响产品质量的重要因素之一，例如钢板、铝板、铜箔的结疤、麻点等缺陷不仅影响产品的外观，更严重的是降低了产品的抗腐蚀性、耐磨性和疲劳强度等；另外，在高质量聚合物薄膜应用领域，薄膜材料的缺陷同样会影响产品的性能，例如对于大屏幕平板显示器，薄膜材料的缺陷会影响保护屏的电气绝缘性能；对于高质量包装材料，薄膜材料的缺陷会降低包装的耐热性、抗腐蚀性；在印刷行业程中，由于工艺等原因，印刷品往往会出现色差、缺陷点、墨线等外观缺陷，从而导致印刷次品甚至是废品的出现。因此，在生产过程中若能对原材料和成品进行100%的自动检测
并把检测所获得的信息用于质量控制和制成品筛�。翘岣卟分柿康闹匾侄巍４车募觳夥椒ㄓ蟹亲远谋砻嫒毕菁觳夥椒ê妥远谋砻嫒毕菁觳夥椒ǎ黄渲校亲远谋砻嫒毕菁觳夥椒ㄓ腥斯つ渴映榧旆ê捅砻嫫瞪凉饧觳饬街郑蛔远谋砻嫒毕菁觳夥椒ㄓ屑す馍璺癈CD成像的计算机视觉检测方法等。人工目视检测这凭借肉眼观察缺陷，但是肉眼检测能力毕竟有限，在目标物从眼前飞驰而过的情况下，肉眼无法及时聚焦，从而产生“运动�：小薄９嗜斯つ渴硬唤黾觳庑实停杀靖�、劳动强度大。频闪光检测其检测原理是具有l(T30uS的脉冲闪光会引起视网膜静止反应，起到照相机快门的作用。将该检测方法进一步发展，即将频闪光源与专用的视频摄像机结合，通过监视器观察缺陷。这种方法成本低，但是自动化程度也低。激光扫描检测法激光扫描检测法属于视觉检测的范畴。当聚焦后的激光光束落在被检测物体的表面时，根据材料表面的性质和结构，辐射线或多或少地被散射。如果物体表面存在缺陷，必然使得散射强度相对于正常表面发生变化，检测出其变化就可以检测出物体表面的缺陷。这种缺陷检测过程中数据量非常大，利用通用微处理器很难做到实时处理，因此检测速度慢；若要提高检测速度，则需要采用专用机进行数据处理，造成缺陷检测的成本过高。CO)成像检测法CO) (Charge Coupled Devices)即电荷f禹合器件,是一种新型的固体成像器件。它是在大规模硅集成电路工艺基础山研制而成的模拟集成电路芯片，集光电转换、光积分、扫描三种功能为一体。其基本部分由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成。CCD器件具有体积小、重量轻、耐振动冲击、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度高、成本低等优点，被广泛应用于各种工业现场的测量和控制中。传统的CCD成像检测法主要为面阵CCD图像拼接法。面阵CCD图像拼接法检测系统采用多个面阵CCD摄像头，相邻摄像头之间视场相互搭接，实现对板材表面信息的采集。采集图像的分辨率取决于CCD摄像头传感器的数目，同一类型的摄像头采集到的图像的分辨率是固定的，可以通过调整摄像头采集图像的大小来改变系统的检测精度。该检测方法的优点在于适用范围比较广，适应环境能力强，可以同时实现对表面缺陷多种参数的判断。缺点是对光源的均匀性要求很高，照明的非均匀性通过调整视频信号的放大倍数来校正，从而得到统一的灰度级图像，这最终导致信噪比的降低，因为暗域的信号噪声同时也被放大，从图像增强明暗对比度和光源非均匀性对图像影响校正角度来说，二维图像相对线扫描得到的一维图像来说显得更复杂，因此光源的不稳定是导致检测系统误判的主要原因；2、由于面阵CCD摄像机之间成像视场交迭以确保不漏检，所以图像冗余数据量较大；图像处理、缺陷分类通常由软件完成，软件计算工作量大。因此，现有表面缺陷检测系统具有检测数据量大、检测速度慢、检测成本高、检测装置复杂等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于线阵CCD的物件表面缺陷检测方法 及装置，该基于线阵CCD的物件表面缺陷检测方法及装置检测速度快，检测准确率高，且结构简单、成本低廉，适合用于对生产线上的物件表面图像单一的缺陷在线检测。发明的技术解决方案如下一种基于线阵CCD的物体表面缺陷检测方法，光源发出的光照射在物体表面上，物体表面的图像成像到线阵CCD器件的像元阵列表面，使得线阵CCD器件输出用于表征光强的模拟电压信号S(t);线阵CCD器件中的每一个像数对应一个模拟电压信号S(t)；采用BP神经网络对模拟电压信号S(t)进行分类处理，从而识别出物体表面缺陷；所述的BP神经网络的输入层为一个神经元，输入信号为模拟电压信号S(t)；所述的BP神经网络的隐含层为一层，包含3个神经元；所述的BP神经网络的输出层为一个神经元，输出O或I信号分别表示当前像素点对应的物体表面区域为缺陷或正常；由于像素点在线阵CCD中的位置与物体表面区域具有一一对应关系，因此，根据输出信号为O的像素点在线阵CCD器件中的位置即能确定物体的缺陷位置所在。在使用BP神经网络前，先对BP神经网络进行数据预处理和训练；所述的数据预处理的过程为先用样本中的模拟电压信号S(t)的值除以该列的最大模拟电压信号s(t)的值，以使其输入值限定在区间
上；并且，用O表示“缺陷”，用I表示“正常”，作为BP神经网络的预期输出；所述的训练过程为(3)初始化该网络的权值和偏差网络的初始化权值和偏差取用随机函数生成的介于[-1，I]的小数;(4)进行训练及扫描过程的迭代输出神经元的实际值>0.9时就认为此时的输出的布尔量是I，输出〈O. I时认为此时的输出的布尔量是O ;将学习率η设为O. 9，根据指定的终止条件神经网络的输出值和实际输出值的误差小于O. I此处的误差就是指后文输出层的神经元的偏差，在本发明中是指偏差Θ 5，采用多个样本，对权值和偏差采用实例更新的方法进行训练及迭代；
①相对于前一层i，计算神经元j的净输入Ij为Ij=Z (Wij · Oi)+ Θ j ；②计算神经元输出使用对数型的单极性Sigmoid函数O,. 二^j 将各神经元j
l + e J
的输出映射到区间
；③计算反向传播误差ERRj :对输出层的各神经元j，ERRj=Oj*(I-Oj)*(Tj-Oj)，其中，Tj为训练样本的已知类标号实际输出；Tj是训练样本的实际量化输出，只能取O或是1，而Oj不是离散的，是连续的，其变化范围为[O. I]，对于本系统，因为输出只有两类0或是I，故条件可适当放宽，当此处的Oj输出>0. 9时就认为是1，Oj输出〈O. I时认为是O。④计算隐藏层神经元j的误差ERRj :从最后一个到第一个隐藏层的各神经元j，ERRj=Oj* (I-Oj)* Σ (ERRk*Wjk)，K 为输出层的节点编号；
⑤更新权值对网络中的中各权值Wij,使用下面两式来计算，AWij= n*ERRj*0j ；Wij=Wij+ Δ Wi j ；⑥更新偏差对网络中的各偏差Θ P使用下面两式来计算Δ Θ j= η ^ERRj ；Θ j= Θ j+Δ Θ j ；训练完成后，从BP神经网络提取关于输入和输出类的关联规则。一种基于线阵CCD的物体表面缺陷检测装置，采用前述的基于线阵CCD的物体表面缺陷检测方法，包括光学图像采集�？�、可编程逻辑器件、驱动�？�、信号调理�？楹虯/D转换�？椋豢杀喑搪呒骷ㄇ？榍庋枷癫杉？楣ぷ鳎还庋枷癫杉？榈氖涑鲂藕乓来尉藕诺骼砟？楹虯/D转换�？槭淙氲娇杀喑搪呒骷写恚还庋枷癫杉？榘ü庠�、光学镜头和图像传感器。所述的基于线阵CCD的物体表面缺陷检测装置还包括与可编程逻辑器件连接的显示屏和报警音箱。有益效果本发明公开了一种基于线阵CCD的物件表面缺陷检测方法及装置，该装置通过固定的线阵CCD采集生产线上物件表面的图像信息，然后根据所采集到的图像信息，利用BP神经网络算法，采用逐行检测是否存在缺陷的方法来实现缺陷的识别及缺陷位置的确定；装置包括光学图像采集�？椤⑿藕诺骼砟？�、A/D转换�？�、驱动�？�、电源�？�、可编程逻辑器件及其外围电路和其软件系统。以上所述装置是以可编程逻辑器件为核心。本发明检测速度高，检测准确率高，且结构简单、成本低廉，适合用于对生产线上物体表面图像单一的缺陷的检测。对线阵CCD采集到的每帧(帧的解释为线阵CCD的每个像元对应一个输出数据，线阵CCD扫描全部像元一次所输出的数据为一帧，系统每采集到一帧数据，就把这一帧数据保存起来，并单独对这一帧数据进行处理)图像数据单独进行处理，并单独判断这帧图像数据里面是否存在缺陷数据，而不像传统方案一样，先将图像数据全部采集完成，再进行图像分析、处理。BP神经网络算法是通过迭代地处理一组训练样本，将各样本的网络预测与实际已知类标号比较来进行学习。对于各样本反向修改其权值，使得网络预测与实际类之间的误差平方最小。BP神经网络算法按照最优训练准则反复迭代，确定并不断调整神经网络结构，通过迭代修改，当权值收敛时学习过程终止。因此，它具有误差小、收敛性好、动态性好、结果客观等优点。采用线阵CXD扫描法，其优点是I、由于自身的高扫描率和高分辨率，表面检测在板宽方向可以达到更高的分辨率和精度；2、对比面阵CXD扫描方法，校正畸变误差和光学非均匀性更为容易；3、无冗余数据或冗余数据量很小由于面阵CXD摄像机之间成像视场交迭以确保不漏检，所以图像冗余数据量较大，而线阵CCD则不存在此问题，故无冗余数据或冗余数据量很小，线阵CCD扫描易于实现行内、行间算法，而行内相关和行间相关的图像处理算法对 缺陷检出非常有效。通过固定的线阵CXD采集生产线上物体表面的图像信息，然后根据采集到的图像信息，采用逐行检测是否存在缺陷的方法来识别缺陷和确定缺陷位置等信息。逐行检测是否存在缺陷的原理为利用可编程逻辑器件对线阵CCD采集到的每帧图像数据单独进行处理，并单独判断这帧图像数据里面是否存在缺陷数据缺陷数据和正常数据的界定并不是一成不变的，因为不同材料的表面，缺陷数据和正常数据都不一样，故缺陷数据和正常数据的需根据具体的材料表面来界定。在系统刚开始运行时，会有一个自学习阶段。在此阶段中，会分别把正常样本和缺陷样本提供给系统学习，学习阶段结束，系统会学习到正�：腿毕菅舅哂械奶卣�(线阵CCD输出的电平值的大小)。故在此系统中，并不是存在一种固定数据的值为对应缺陷数据的值，而是根据不同的表面材料，缺陷数据会有不同的特征。即系统的自适应能力强，具有一定的人工智能。，而不像传统方案一样，先将图像数据全部采集完成，再进行图像分析、处理。对存在缺陷的行，需进一步处理若该行是一个新的缺陷的开始，则根据系统运行情况，记录这个缺陷的位置等信息并语音报警。其中，缺陷识别原理为I、学习阶段。在对数据进行分类前，有一个自学习阶段。该阶段采用BP神经网络算法提取材料表面特征。2、数据分类阶段。对每行采集到的数据，使用BP神经网络算法进行数据的分类，分成两类正�：腿毕�。若本行的数据全部属于“正常”类，则该行不存在缺陷；若本行存在属于“缺陷”类的数据，则该行存在缺陷。能实时显示缺陷位置并报警，检测速度快，检测准确率高，且结构简单、成本低廉。
图I是系统结构框图；图2是一维电子摄像系统工作原理示意图；图3是缺陷识别方法的流程图；图4是一个存在缺陷的物件表面示意图。图5为本发明中的BP神经网络的拓扑结构图。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明实施例I :参见图1，本发明包括了光学图像采集�？�、信号调理�？�、A/D转换�？椤⑶？椤⒌缭茨？�、可编程逻辑器件及其外围电路。所述可编程逻辑器件是该系统的核心，分别与A/D转换�？�、驱动�？�、电源�？榈认嗔９庋枷癫杉？�。该�？橛晒庠�、光学镜头和图像传感器组成，该�？楦涸鸩杉锾灞砻嫱枷�。图像传感器采用的是线阵CCD。该�？橛傻缭茨？楣┑纾⒔邮芮？榈那洳杉降奈锾灞砻嫱枷裥畔⒋藕诺骼砟？�。
信号调理模块。该�？榘ǚ糯蠛吐瞬讲糠郑钟屑际�。由于C⑶器件的输出模拟信号范围与A/D转换芯片的模拟输入信号的范围不匹配，故在A/D转换之前必须进行放大(此处的放大是一个广义的概念)，使其适合于模数转换器(ADC)的输入；同时滤波电路用于滤除信号中的干扰噪声。该�？橛傻缭茨？楣┑纾涫淙胧枪庋枷癫杉？榈氖涑觯涫涑鍪茿/D转换�？榈氖淙�。驱动�？�。由于CCD工作时的驱动信号电平与可编程逻辑器件输出的信号电平不匹配，所以需要采用电压变换器组成驱动电路将可编程逻辑器件输出时序信号转换为CCD所需电平，为现有技术。A/D转换�？�。A/D转换�？樵诓裳敝涌刂葡陆Ｄ庑藕抛怀上嘤Φ氖中藕攀涑觯⑼ü菹呓缓蟮氖中藕糯涞娇杀喑搪呒骷校员阌诳杀喑搪呒鞫允萁写怼８媚？橛傻缭茨？楣┑纾涫淙胧切藕诺骼砟？榈氖涑龊涂杀喑搪呒骷目刂泼睿涫涑鍪鞘只哪Ｄ庑藕牛涑龅娇杀喑搪呒骷�。可编程逻辑器件及其外围电路。可编程逻辑器件是整个系统的控制核心，为CCD提供合适的驱动脉冲时序、A/D转换控制、数据处理及与数据传输�？榈慕涌谂浜希迪至讼低持兴枰乃惺致呒�。电源�？橛美锤低车母鞑糠纸泄┑纾捎谙低车母鞑糠挚赡芄┑绲缪共幌嗤�(如有5V、3. 3V、1. 2V等)，故该�？槭涑龆嗦分绷鞯缪�。本发明的工作原理如下参见图2，光源发出的光照射在带有缺陷的物体表面上，此时CCD器件及外围电路与光学系统组成了一维电子摄像系统。在照射光下，材料中的缺陷被成像到CCD器件像元阵列表面，经CCD输出的是连续分布的载有缺陷信息的模拟电压信号S (t) (S(t)与入射光强成正比)。接着信号调理�？榫投許(t)信号进行调理，调理结束后送入A/D转换�？榻惺只只笏腿肟杀喑搪呒骷写�。本系统采用的是逐行检测是否存在缺陷的方法来识别缺陷和确定缺陷位置等信息，即利用可编程逻辑器件对线阵CCD采集到的每帧图像数据单独进行处理，并单独判断这帧图像数据里面是否存在缺陷数据，而不像传统方案一样，先将图像数据全部采集完成，再进行图像分析、处理。对存在缺陷的行，需进一步处理若该行是一个新的缺陷的开始，则根据系统运行情况，记录这个缺陷的位置等信息并语音报警。某一实例检测样本如图4所示一个具体实例如下
I、学习阶段。在对数据进行分类前，有一个自学习阶段。该阶段采用BP神经网络算法提取材料表面特征。步骤如下I)、数 据预处理。在开始训练之前，需要对采集到的样本数据进行规范化及对离散型的数据类别属性重新编码。先用样本中对应的电压值除以该列的最大属性值，以使其输入值限定在区间
上，对于离散型的数据类别属性，重新编码，用O表示“缺陷”，用I表示“正常”，作为预期输出。规范化后的数据如表2所示。CCD的输出电压是每个像素的输出电压，虽然缺陷的尺寸一般不太可能只有一个像素大，但是我们的方案是采用逐行判断是否存在缺陷的方法，即单独判断采集到的每一行是否存在缺陷，具体的原因上文已经阐述了。我们采用的是有1024个像素的线阵CCD，那么线阵CXD每扫描一次就串行地输出代表1024个像素点光强的电压值，这1024个电压值就是一�。缓笤俚ザ蓝哉�1024个电压值进行处理，判断这1024个电压中是否存在属于“缺陷类”的电压。待检测材料的运动方向与线阵(XD的扫描方向垂直，故在线阵CXD不运动的情况下，待检测材料运动就可以实 现待检测材料全部表面的扫描。表I样本数据(该表中只提供了代表性的几个数据，因为其他的数据和这些都大同小异)
权利要求
1.ー种基于线阵CCD的物体表面缺陷检测方法,其特征在于,光源发出的光照射在物体表面上，物体表面的图像成像到线阵CCD器件的像元阵列表面，使得线阵CCD器件输出用于表征光强的模拟电压信号S(t);线阵CCD器件中的姆ー个像数对应ー个模拟电压信号S(t)； 采用BP神经网络对模拟电压信号S(t)进行分类处理，从而识别出物体表面缺陷； 所述的BP神经网络的输入层为ー个神经元，输入信号为模拟电压信号S(t)； 所述的BP神经网络的隐含层为ー层，包含3个神经元； 所述的BP神经网络的输出层为ー个神经元，输出O或I信号分别表示当前像素点对应的物体表面区域为缺陷或正常；由于像素点在线阵CCD中的位置与物体表面区域具有一一对应关系，因此，根据输出信号为O的像素点在线阵CCD器件中的位置即能确定物体的缺陷位置所在。
2.根据权利要求I所述的基于线阵CCD的物体表面缺陷检测方法，其特征在于，在使用BP神经网络前，先对BP神经网络进行数据预处理和训练； 所述的数据预处理的过程为先用样本中的模拟电压信号S(t)的值除以该列的最大模拟电压信号s(t)的值，以使其输入值限定在区间[O，I]上；并且，用O表示“缺陷”，用I表示“正常”，作为BP神经网络的预期输出； 所述的训练过程为 (1)初始化该网络的权值和偏差网络的初始化权值和偏差取用随机函数生成的介于[-1，I]的小数; (2)进行训练及扫描过程的迭代 输出神经元的实际值>0.9时就认为此时的输出的布尔量是I，输出〈O. I时认为此时的输出的布尔量是0 ; 将学习率n设为0.9，根据指定的終止条件神经网络的输出值和实际输出值的误差小 于0. 1，采用多个样本，对权值和偏差采用实例更新的方法进行训练及迭代； ①相对于前ー层i，计算神经元j的净输入Ij为L=E (Wij Oi)+ 0 J ； ②计算神经元输出使用对数型的单极性Sigmoid函数Of'=ー了将各神经元j的输 I+ C :出映射到区间
； ③计算反向传播误差ERRj:对输出层的各神经元j，ERRj=Oj* (I-Oj)* (Tj-Oj)，其中，Tj为训练样本的已知类标号实际输出； ④计算隐藏层神经元j的误差ERRj:从最后ー个到第一个隐藏层的各神经元j，ERRj=Oj* (I-Oj)* E (ERRk*Wjk)，K 为输出层的节点编号； ⑤更新权值对网络中的中各权值Wij，使用下面两式来计算，AWij=n*ERRj*0j ；Wij=Wij+A Wij ； ⑥更新偏差对网络中的各偏差％，使用下面两式来计算A 0 j= n*ERRj ； 9 .= 9 .+ A 9 .； 训练完成后，从BP神经网络提取关于输入和输出类的关联规则。
3.ー种基于线阵CCD的物体表面缺陷检测装置，其特征在干，采用权利要求I或2所述的基于线阵CCD的物体表面缺陷检测方法，包括光学图像采集�？�、可编程逻辑器件、驱动�？椤⑿藕诺骼砟？楹虯/D转换�？椋� 可编程逻辑器件通驱动�？榍庋枷癫杉？楣ぷ鳎还庋枷癫杉？榈氖涑鲂藕乓来尉藕诺骼砟？楹虯/D转换�？槭淙氲娇杀喑搪呒骷写恚� 光学图像采集�？榘ü庠�、光学镜头和图像传感器。
4.根据权利要求I所述的基于线阵CCD的物体表面缺陷检测装置，其特征在于，还包括与可编程逻辑器件连接的显示屏和报警音箱。
全文摘要
本发明公开了一种基于线阵CCD的物件表面缺陷检测方法及装置，该装置通过固定的线阵CCD采集生产线上物件表面的图像信息，然后根据所采集到的图像信息，利用BP神经网络算法，采用逐行检测是否存在缺陷的方法来实现缺陷的识别及缺陷位置的确定；装置包括光学图像采集�？�、信号调理�？�、A/D转换�？椤⑶？�、电源�？椤⒖杀喑搪呒骷捌渫馕У缏泛推淙砑低�。以上所述装置是以可编程逻辑器件为核心。本发明检测速度高，检测准确率高，且结构简单、成本低廉，适合用于对生产线上物体表面图像单一的缺陷的检测。
文档编号G01N21/88GK102854194SQ20121033464
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者邹润民, 王勋志, 郭述帆 申请人:中南大学
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