一种磁环缺陷多目视觉检测方法及系统与流程

本发明属于图像检测技术领域，特别涉及一种磁环缺陷多目视觉检测方法及系统。

背景技术：

表面缺陷作为评价磁环质量的一项重要指标，对其进行快速准确稳定的检测成为目前生产过程中必不可少的一个环节，在当前的磁环生产、制作流程中，由于生产工艺、机械设备以及认为操作等原因引起的表面缺陷时有发生，主要出现在磁环的正面、反面、外圆周面和内圈，缺陷一般可分为：裂纹、杂质、掉漆、挂具粘黏等多情况种。

裂纹的宽度较小，但是分布的区域相对于其他缺陷较广。面积较小但带有明显色差的缺陷则为表面的掉角和圈裂，而杂质则是面积较大且与表面其他位置存在明显色差的缺陷。

使用传统的方法检测结果易受质检人员视觉疲劳、熟练水平、情绪波动等因素的影响，在精度、稳定性和检测速度上难以满足目前的生产速度和要求，从而导致误判、漏判、错判的情况发生，另外，人为接触也有一定的几率损坏磁环。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种磁环缺陷多目视觉检测方法及系统，能够从实时拍摄的多幅图片中对磁环的内外环和上下表面缺陷以及磁环高度进行连续检测，实现多相机的同时检测和相互通信，综合多角度拍摄的图片的判断结果判断磁环好坏，可解决现有技术中精度、稳定性和检测速度上难以满足目前的生产速度和要求的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种磁环缺陷多目视觉检测方法，包括如下步骤：

首先，利用相机在内外环检测工位拍摄磁环内外环图像，在表面检测工位拍摄磁环正反表面图像，在高度检测工位拍摄磁环高度图像；

其次，对内外环检测工位拍摄的图像分别设置一个内环检测区、外环检测区；对表面检测工位拍摄的磁环正反表面图像设置表面检测区；对高度检测工位拍摄的图像设置磁环高度检测区，分别用于内环、外环和表面缺陷检测以及高度测量；

然后，进行缺陷检测；

内外环缺陷检测：先将内环和外环检测区中的图像变成灰度图，再对灰度图以一定的阈值进行阈值分割，然后采用如下方式之一：

方式一，记录下阈值分割后的图像不同高度处累计的像素值为0的像素点数目，通过判断相邻高度处累计的图像0像素值出现次数之差是否超过一定范围，如果是，则说明内环或者外环存在缺陷；

方式二，标记阈值分割后的图像黑色联通区域的左边界和右边界，将所确定的左右边界之间的所有像素点的值都设置为255，当存在裂痕或者挂具粘连或者杂物缺陷时，那么图像必定有部分像素点的像素值仍然为0，说明内环或者外环存在缺陷；

方式三，标记阈值分割后的图像黑色联通区域的左边界和右边界，统计左右边界之间的0像素值数目，如果不同高度处累计数目超出预设值，说明内环或者外环存在缺陷；

方式四，标记阈值分割后的图像黑色联通区域的上边界和下边界，如果上下边界之差超出预设值，说明内环或者外环存在缺陷；

磁环高度测量：将磁环高度检测区中的图像变成灰度图，再对灰度图以一定的阈值进行阈值分割，在横轴像素固定的情况下，记录阈值分割后的图像中0像素值出现的起始坐标和终止坐标，两者的差值再乘以比例因子即磁环的高度，将计算得到的高度值与规定的磁环高度作差，如果差值在误差允许的范围内，说明磁环没有高度缺陷。

表面缺陷检测：将磁环表面检测区中的图像变成灰度图，再对灰度图以一定的阈值进行阈值分割，从阈值分割后的图像中检索轮廓，然后对获得的轮廓进行面积滤波，如果滤波之后检测到的轮廓数目仍然大于0，说明有缺陷存在，否则判定为没有缺陷；

以上缺陷检测环节和高度测量环节同时进行，当检测结果判定全部合格时，判断磁环为合格，否则就判断为不合格。

本发明利用一部相机5拍摄磁环下表面图像，一部相机6拍摄磁环高度图像，一部相机15拍摄磁环上表面图像，环绕设置的八部相机7～14拍摄磁环内外环图像。

各个检测区的设置原则如下：

四个检测区均为矩形区域；

在内外环检测工位拍摄的图片中，内环检测区设置在图像范围的右半部分，矩形的上下边界靠近拍摄的图像的上下边缘，距离图像上下边缘大约5个到10个像素的距离，矩形的右边界与图像右边缘重合，矩形左边界设置在靠近图像的1/2横轴宽度的位置；

在内外环检测工位拍摄的图片中，外环检测区设置在图像范围的左半部分，矩形的上下边界靠近拍摄的图像的上下边缘，距离图像上下边缘大约5个到10个像素的距离，矩形的左边界与图像左边缘重合，矩形右边界设置在靠近图像的1/2横轴宽度的位置；

在磁环高度检测工位拍摄的图片中，高度检测区的矩形上下左右边界靠近拍摄的图像的上下左右边缘，距离图像上下左右边缘大约10个到20个像素的距离；

在磁环表面缺陷检测工位拍摄的图片中，表面检测区的矩形上下左右边界靠近拍摄的图像的上下左右边缘，距离图像上下左右边缘大约10个到20个像素的距离；

为了防止环境因素的影响及加快算法速度，之后的图像处理过程都只对检测区图像进行。

具体地，本发明可以利用阈值分割方法来计算图像二值化的阈值，对不用的区域采用不用的阈值进行阈值分割，然后再合成为一幅图像。

内外环缺陷检测的方式二中，将灰度图阈值分割以后，对阈值分割后的图像的特定区域去除背景杂物，然后对图像进行形态学腐蚀操作，以消除较小独点。然后对图像用3*3的结构元素进行一次形态学闭运算处理，使不连通的图像合并成块，这里的“特定区域”一般设定为图像边缘接近5个像素到10个像素的宽度，对图像反色并提取轮廓再面积滤波，最后将缺陷标示出来；

内外环缺陷检测的方式一和方式三中，磁环的左边界和右边界通过如下方式确定：

对阈值分割后的图像先进行从左往右扫描，如果出现连续多个像素值为0，确定该点为阈值分割后图像黑色联通区域的左边界，将其保存在数组widhist中，然后在搜索到的左边界的基础上从左到右扫描，如果出现多个像素值为255，确定该点为阈值分割后图像黑色联通区域的右边界，将其保存在数组dishist中，其中i，j的范围都是0～height，height指图像纵向宽度。

所述提取轮廓主要是从一个种子点，用搜索的方法找到闭合的轮廓，通过设定检测到的轮廓所围成的区域面积大小范围，滤除掉一部分轮廓之后，如果还剩下轮廓，说明磁环存在缺陷，最后再从相机上读取的原图上将剩下的轮廓标示出来。

所述表面缺陷检测中，通过左右和上下扫描整个检测区，确定磁环的上下左右边界，进而确定磁环的中心，如果磁环中心偏左或者偏右，则将磁环分成三个部分分别用不同的阈值进行分割，同时，在确定磁环圆心和半径的基础上，将内外磁环边界的像素点置为255，防止这些地方的杂点对缺陷检测的影响。

所述缺陷检测环节和高度测量环节同时进行，当检测结果判定全部合格时，判断磁环为合格，否则就判断为不合格。

本发明还提供了基于所述磁环缺陷多目视觉检测方法的检测系统，包括：

环形振动台1，利用传送带将磁环送至环形旋转装置4；

磁环位置固定装置2，位于环形旋转装置4上方，沿环形旋转装置4的径向设置有遮挡物和固定物，以约束磁环在环形旋转装置4上绕固定半径做匀速圆周运动，同时固定环形旋转装置4防止其发生晃动；

红外脉冲相机触发装置3，设置于环形旋转装置4上方，当有磁环通过时，开始计时，并在产生一定数量的脉冲后触发相机拍照；

多台相机，分别完成磁环正反表面、高度以及内外环的图像拍摄；

主机，与相机连接，获取磁环不同部位图像并完成该部位的检测。

所述磁环平放在环形旋转装置上，其中环形旋转装置4是透明的，保证磁环下底面可以被相机拍到。

所述相机有十一台，一台拍摄磁环下表面图像，一台拍摄磁环高度图像，一台拍摄磁环上表面图像，其余八台环绕设置，拍摄磁环内外环图像；所述主机有六台，其中五台主机每台连接两台相机，另一台主机连接一台相机，六台主机将检测结果通过串口发送至主控机17，主控机17判断六路检测结果都为合格时说明磁环合格，所述主控机17与检出口16的气泵连接，检出口16有两个孔，当磁环合格时，控制检出口16将磁环吸入其中一个孔中，当磁环不合格时，控制检出口16将磁环吸入另一个孔中。

与现有技术相比，本发明可以达到检测速度240～260个/min，误收率0％，误检率3％。检测半径可以达到29mm以内，可以满足工业生产的需求。

附图说明

图1是一种磁环缺陷多目视觉测控系统机械结构示意图。

图2是一种磁环缺陷多目视觉测控系统控制部分示意图。

图3是一种磁环缺陷多目视觉测控系统装置内部结构图。

图4是从磁环内外环检测工位拍摄到的图像，A表示内环检测区。

图5是从磁环内外环检测工位拍摄到的图像，B表示外环检测区。

图6是从磁环高度检测工位拍摄到的图像，C表示高度检测区。

图7是从磁环上下底面检测工位拍摄到的图像，D表示表面检测区。

图8是磁环的高度测量算法流程图。

图9是磁环的表面缺陷检测算法流程图。

图10是磁环的内外环缺陷检测算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1和图2所示，环形振动台1，利用传送带将磁环送至环形旋转装置4；磁环位置固定装置2，位于环形旋转装置4上方，沿环形旋转装置4的径向设置有遮挡物和固定物，约束磁环在环形旋转装置4上随着环形旋转装置4做固定半径的匀速圆周运动，磁环平放在环形旋转装置上，其中环形旋转装置是透明的，保证磁环下底面可以被相机5拍到。同时固定环形旋转装置4防止其发生晃动；

红外脉冲相机触发装置3，设置于环形旋转装置4上方，当有磁环通过时，开始计时，并在产生一定数量的脉冲后触发相机拍照；

多台相机，分别完成磁环正反表面、高度以及内外环的图像拍摄；其中，相机5用于检测磁环底部缺陷，相机6用于检测磁环高度；7号到14号相机用于检测内环与外环缺陷，相机15用于检测磁环顶部缺陷。

主机18～22，与相机连接，获取磁环不同部位图像并完成该部位的检测。

所述相机有十一台，一台拍摄磁环下表面图像，一台拍摄磁环高度图像，一台拍摄磁环上表面图像，其余八台环绕设置，拍摄磁环内外环图像，确保八台相机可以拍摄到磁环360度的内外环图像；所述主机有六台，其中有5台主机，每台主机上连接两台相机，用于磁环各个部位的缺陷检测，另外一台主机连接单独的一台相机用于磁环高度测量。具体连接方式参见图3。相机5和相机15与工控机18相连，相机7和相机12与工控机19相连，相机8和相机13与工控机20相连，相机9和相机14与工控机21相连，相机10和相机11与工控机22相连，相机6与工控机23相连。

6台工控机将检测结果通过串口发送至主控机17，主控机17判断6路信号都为合格时说明磁环合格。

所述主控机17与检出口16的气泵连接，检出口16有两个孔，当磁环合格时，控制检出口16将磁环吸入其中一个孔中，当磁环不合格时，控制检出口16将磁环吸入另一个孔中。

就磁环缺陷多目视觉检测方法来说，

(1)设置外环、内环、表面和高度检测区

利用一部相机5拍摄磁环下表面图像，一部相机6拍摄磁环高度图像，一部相机15拍摄磁环上表面图像，环绕设置的八部相机7～14拍摄磁环内外环图像。八部相机均匀分布，确保能够拍摄磁环360度的内外环区域。

如图4、图5、图6、图7所示，是从不同工位拍摄的磁环图像。

图中A.内环检测区，B.外环检测区，C.高度检测区，D.表面检测区。

各个检测区的设置原则如下：

以上四个检测区均为矩形区域。

在内外环检测工位拍摄的图片中，内环检测区设置在图像范围的右半部分，矩形的上下边界靠近拍摄的图像的上下边缘，距离图像上下边缘大约5个到10个像素的距离。矩形的右边界与图像右边缘重合。矩形左边界设置在靠近图像的1/2横轴宽度的位置。矩形区域完全包含图4中区域A中的内环图样。

在内外环检测工位拍摄的图片中，外环检测区设置在图像范围的左半部分，矩形的上下边界靠近拍摄的图像的上下边缘，距离图像上下边缘大约5个到10个像素的距离。矩形的左边界与图像左边缘重合。矩形右边界设置在靠近图像的1/2横轴宽度的位置。矩形区域完全包含图5中区域B中的外环图样。

在磁环高度检测工位拍摄的图片中，高度检测区的矩形上下左右边界靠近拍摄的图像的上下左右边缘，距离图像上下左右边缘大约10个到20个像素的距离。矩形区域完全包含图6中区域C中的磁环高度图样。

在磁环表面缺陷检测工位拍摄的图片中，表面检测区的矩形上下左右边界靠近拍摄的图像的上下左右边缘，距离图像上下左右边缘大约10个到20个像素的距离。矩形区域完全包含图7中区域D中的磁环表面图样。

为了防止环境因素的影响及加快算法速度，之后的图像处理过程都只对检测区图像进行。

(2)检测磁环高度

如图8所示，将从磁环高度检测工位拍摄到的图像设置高度检测区之后变成灰度图，再对该图像进行阈值分割，分割阈值设置为按照大津法求得的图像的分割阈值，对大于分割阈值的像素置为255，小于或等于分割阈值的像素置0。

在横轴位置固定在x0个像素点的位置，记录下纵轴0像素值出现的起始坐标(x0，topq)和终止坐标(x0，botq)，两者的差值再乘以比例因子即磁环的高度H，单位是mm。计算公式为：

H＝(botq-topq)*p0

这里的p0是通过测量实际磁环的高度和对应拍摄的图片中磁环高度所占的像素点数，求取二者的比值得到的。这里设定的x0个像素点的位置可以适当修改，只需要保证靠近图像的1/2横轴宽度即可。

然后判断

|H-H0|<δ

是否成立。其中H0是磁环规定尺寸，δ是允许的误差范围。如果上面的不等式成立，说明磁环高度没有缺陷。

(3)检测表面缺陷

如图9所示，将从磁环上下表面检测工位拍摄到的图像设置表面检测区后变成灰度图，再对该图像进行阈值分割，分割阈值设置为按照大津法求得的图像分割阈值，对大于分割阈值的像素置为255，小于或等于分割阈值的像素置0。首先将统计数值num置0，从二值图像中检索轮廓，然后对获得的轮廓进行面积滤波，当满足轮廓面积area在一定阈值范围内时标识缺陷并将统计数值num加1，如果遍历完全部轮廓之后num大于0，说明有缺陷存在，磁环判定为NG。这里我们设定的阈值范围是area大于600且小于13000。

正常情况下，磁环应该位于图片的中间位置，但是运动过程中，磁环可能会出现位置偏上或者偏下的情况，我们可以通过左右和上下扫描整个区域，确定磁环的上边界top，下边界bottom，左边界left以及右边界right。进而确定磁环的中心坐标(x,y)和半径r。中心坐标和半径r的计算公式为

x＝|left+(right-left)/2|

y＝|top+(bottom-top)/2|

r＝(bottom-top)/2

如果磁环中心偏左或者偏右，这时就可以将磁环分成三个部分分别用不同的阈值进行分割。

由于磁环阈值分割之后的图像后内外圆环上会出现一些0像素值的杂质，如果不对这部分做处理，后面就会误判为NG，解决这一问题的具体做法是将阈值分割后的图像以(x,y)为圆心，以r-1为半径的圆，和以(x,y)为圆心，以r-r0为半径的圆上的所有像素点的像素值置成255。从而排除这部分的干扰。r0为内外圆环半径之差。

(4)检测内外环缺陷

如图10所示，对磁环内外环检测工位拍摄到的图像设置内外环检测区。将内环和外环检测区中的图像变成灰度图，再对灰度图以一定的阈值进行阈值分割，这里关键的地方在阈值分割图像的获取。对图像进行上下扫描，确定磁环的上边界top和下边界bottom，因为拍摄到的图片整个磁环区域曝光量不一样，就可能会出现一部分深一部分浅的情况，这时就需要对不同的区域采用不同的阈值进行阈值分割，然后在合成成为一幅图像，得到我们想要的阈值分割图像。

阈值T通过求取分割后的部分图像的最大类间方差求得。磁环所在区域上下两部分曝光量较大的区域图像分割阈值为T+T1，中间曝光量较均匀的部分图像分割阈值为T-T1。T1的值可以根据实际情况进行设定。

首先计算直方图并归一化histogram，可以得到图像灰度级1～M，第i级像素n_i个，总像素数为N，则第i级灰度出现的概率为

P_i＝n_i/N

计算图像灰度均值

计算直方图的零阶w[i]和一级距u[i]

w₁＝1-w[k] μ-μ[k]

对一级矩作以下处理：

μ₀＝μ[k]/w[k],μ₁＝[μ-μ[k]]/[1-w[k]]

计算并找到最大的类间方差对应此最大方差的灰度值即为要找的阈值类间方差：

σ²[k]＝[μ·w[k]-μ[k]]²/{w[k]·[1-w[k]]}

k从1～M变化，类间方差最大的k即为所求之最佳门限。

对阈值分割后的图像的特定区域去除背景杂物，然后对图像进行形态学腐蚀操作，以消除较小独点如噪音。然后对图像用3*3的结构元素进行一次形态学闭运算处理，可以使不连通的图像合并成块。这里的“特定区域”一般设定为图像边缘接近5个像素到10个像素的宽度。

然后对阈值分割后的图像先进行从左往右扫描，如果出现连续多个像素值为0，确定该点为阈值分割后图像黑色联通区域的左边界，将其保存在数组widehist中，然后在搜索到的左边界的基础上从左到右扫描，如果出现多个像素值为255，确定该点为阈值分割后图像黑色联通区域的右边界，将其保存在数组dishist中。其中i，j的范围都是0～height(图像纵向宽度)。

第一种判别方法是，将所确定的左右边界之间的所有像素点的值都设置为255，理想的情况是磁环完好无损，那么此时处理后的阈值分割图像应该所有像素点的像素值均为255；当存在裂痕或者挂具粘连或者杂物缺陷时，那么图像必定有部分像素点的像素值仍然为0。然后对图像反色后提取轮廓，并过滤掉面积area在一定阈值范围内时的轮廓，如果进行面积滤波之后检测到的轮廓数目仍然大于0，那么说明存在缺陷，最后将轮廓标示出来，并进行NG判断。这里我们将阈值范围设定为小于180或者大于17000。

第二种判别方法是，统计上面保存的阈值分割图像内外边界之间的0像素值数目，存放在数组hist中。

hist[i]＝(dishist[i]-widehist[i])

如果当i取0～height的不同值时hist[i]数值超出限定范围，说明磁环宽度不均匀，判定为NG。

第三种判别方法是，当图像纵向位置坐标tw满足

tw>a

tw<b

其中a＝top+a0，b＝bottom-b0，这里取a0＝120，b0＝200。也就是截取磁环所在区域中间曝光度均匀的部分。a0和b0的值根据实际情况进行设定。定义中间部分磁环的边界曲率变化在像素级上的可容忍误差阈值为T，那么

如果|dishist[tw]-dishist[tw-10]|>T满足。说明存在掉漆或者粘连缺陷，图像判定为NG；

或者，图像纵向位置坐标tw满足

tw>a

tw<b

其中a＝top+a0，b＝top+b0，这里取a0＝60，b0＝200。也就是截取磁环所在区域上边沿曝光过强的部分。a0和b0的值根据实际情况进行设定。定义该部分磁环的边界曲率变化在像素级上的可容忍误差阈值为T1，那么

如果|dishist[tw]-dishist[tw-10]|>T1满足。说明存在掉漆或者粘连缺陷，图像判定为NG；

或者，图像纵向位置坐标tw满足

tw>a

tw<b

其中a＝bottom-a0，b＝bottom-b0，这里取a0＝200，b0＝20。也就是截取磁环所在区域下边沿曝光过强的部分。a0和b0的值根据实际情况进行设定。定义该部分磁环的边界曲率变化在像素级上的可容忍误差阈值为T2，那么

如果|dishist[tw]-dishist[tw-10]|>T2满足说明存在掉漆或者粘连缺陷，图像判定为NG；

或者，图像纵向位置坐标tw满足

tw>a

tw<b

其中a＝top+a0、b＝bottom-b0时，这里取a0＝120，b0＝200。也就是截取磁环中间曝光度均匀的部分。a0和b0的值根据实际情况进行设定。如果

dishist[tw]＝0&dishist[tw+1]＝0&dishist[tw+2]＝0&dishist[tw+3]＝0满足，说明存在全贯通裂纹缺陷，图像判定为NG；

第四种判别方法是，定义磁环的外径长度在像素级上的可容忍误差阈值为T3，那么如果

|bottom-top|<T3

说明存在断裂缺陷，判定为NG。

综合上面多种判别方法，任何一种判别方法判定磁环为NG，最后结果都为NG。

综合11台相机分别对磁环表面、内外环缺陷以及磁环高度的检测结果，当所有结果均为GOOD时，磁环判断为合格，否则就判断为不合格。

整套系统可以达到检测速度240～260个/min，误收率0％，误检率3％。检测半径可以达到29mm以内，可以满足工业生产的需求。

值得注意的是，上述的具体实施方式用于解释说明本发明，仅为本发明的优选实施方案，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都属于本发明的保护范围。