專利名稱：基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在對紙張高質(zhì)量要求的前提下，紙病檢測在現(xiàn)代造紙生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。 現(xiàn)代造紙機的特點是幅度寬、速度快，幅寬超過10米，速度達到36米/秒。這樣靠人工肉眼檢測成紙紙病已不可能。人工檢測操作速度慢，因此需要大量人力，二來對這種簡單和重復(fù)的工作，容易遺漏大量的紙病缺陷。而且紙機車速提高后，也面臨著紙張出現(xiàn)更多缺陷的風(fēng)險。最小的紙病尺寸通常小于1mm2，這就使得檢測工作更加困難，為了適應(yīng)這種生產(chǎn)要求， 借助于“機器視覺”技術(shù)的智能化在線檢測技術(shù)可以在增加產(chǎn)量的同時，降低勞動強度和勞動費用。更重要的是，通過消除由于人的疲勞造成的失誤而獲得更高的準確度。常見的外觀紙病有孔洞、斑點、褶皺、龜裂、透明點、漿斑、紙邊裂口等等。從圖像處理的角度來看，可以把外觀紙病分為高對比度紙病和低對比度紙病，高對比度是指紙病處的灰度值大大超出了背景紋理的正常范圍，包括臟斑、粘料、孔洞等等。低對比度紙病也稱為微弱紙病，是指紙病處的灰度值與背景紋理差別不大，甚至其灰度值在背景紋理的正常起伏之內(nèi)，但是由于紙病處的纖維結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，致使外觀上被認為是微弱紙病，包括半透明、氣泡等?；跈C器視覺技術(shù)的紙病檢測系統(tǒng)采用CCD照相機將被檢測的目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號， 圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個數(shù)、合格/不合格、有/無等，實現(xiàn)自動識別功能。目前國內(nèi)企業(yè)使用的紙病監(jiān)測系統(tǒng)主要依靠進口設(shè)備，瑞士 ABB、美國Hnoeywell 等公司已經(jīng)研制出紙病檢測系統(tǒng)。其中，ABB是最早研制和開發(fā)紙病檢測系統(tǒng)的廠家，其最新的紙病檢測系統(tǒng)為2008年推出的Wfeb Imaging HDI800。根據(jù)查閱的資料顯示，牡丹江恒豐紙業(yè)引進的Honeywell公司的紙病檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制良好。國內(nèi)的紙病檢測技術(shù)研究處于成長階段，浙江大學(xué)雙元公司于2004年推出了 SYWIS3000紙病檢測分選系統(tǒng)，是國內(nèi)第一個自行開發(fā)的紙病檢測系統(tǒng)，尚未見到有關(guān)系統(tǒng)及技術(shù)方案和使用情況的報道。

實用新型內(nèi)容本實用新型就是為解決上述問題，提供了一種基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確地檢出并識別高速運動中紙頁的缺陷，包括直徑0. 5mm以上的孔洞、 臟/污點、水滴/油滴印記、破損、褶皺、刮痕、暗斑、亮斑、邊緣破損等常見缺陷。同時系統(tǒng)具有圖像顯示、實時報警、質(zhì)量報告表打印、紙病剔除、設(shè)備故障診斷等功能。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案一種基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)，它包括至少一臺圖像采集裝置，圖像采集裝置設(shè)置在紙輥上方，圖像采集裝置還設(shè)有相配合的可調(diào)節(jié)照明光源；圖像采集裝置與圖像處理計算機連接，圖像處理計算機與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器連接，同時，在紙輥的輥軸上還安裝有至少一個高速旋轉(zhuǎn)編碼器，高速旋轉(zhuǎn)編碼器也與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器連接。所述圖像采集裝置為工業(yè)用高精度線陣掃描式CXD攝像機。所述可調(diào)節(jié)照明光源為可調(diào)節(jié)LED照明光源。本實用新型中高精度線陣掃描式C⑶攝像機安裝在造紙機的上部，每臺攝象機的讀取速度20，000次/秒(或40，000)，紙機縱向紙病檢測最小分辨率可達0. 3mm (取決于紙機速度和攝像頭個數(shù))。在紙幅下部適當高度安裝超高亮LED照明光源。光線可透射紙張或是反射紙面，這取決于紙病的檢測項目及成紙厚度。攝象機CCD線陣對紙幅進行逐行掃描，通過高性能圖像處理計算機生成實時的動態(tài)檢測圖像。后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器功能主要是對造紙生產(chǎn)線的在線檢測的缺陷數(shù)據(jù)進行整理分析，形成高效的缺陷數(shù)據(jù)庫，為以后對產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤分析等作數(shù)據(jù)資料存檔，并且實時監(jiān)控造紙生產(chǎn)線運行情況，實時更新缺陷數(shù)據(jù)顯示，當缺陷達到報警標準及時報警。本實用新型的有益效果是結(jié)構(gòu)簡單，檢測精度高，速度快。

圖1檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1.圖像采集裝置，2.紙輥，3.可調(diào)節(jié)照明光源，4.圖像處理計算機，5.后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器，6.高速旋轉(zhuǎn)編碼器。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1中，它包括至少一臺圖像采集裝置1，圖像采集裝置1設(shè)置在紙輥2上方，圖像采集裝置1還設(shè)有相配合的可調(diào)節(jié)照明光源3 ；圖像采集裝置1與圖像處理計算機4連接， 圖像處理計算機4與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器5連接，同時，在紙輥2的輥軸上還安裝有至少一個高速旋轉(zhuǎn)編碼器6，高速旋轉(zhuǎn)編碼器6也與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器5連接。所述圖像采集裝置1為工業(yè)用高精度線陣掃描式CXD攝像機。所述可調(diào)節(jié)照明光源3為可調(diào)節(jié)LED照明光源。工業(yè)用高精度線陣掃描式CCD攝像機是一維線狀排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的圖像數(shù)據(jù)，只有當攝像機與被攝物體在縱向相對運動時才能得到我們平常看到的二維圖像。所以在機器視覺系統(tǒng)中一般用于被測物連續(xù)運動的場合，尤其適合于運動速度較快、分辨率要求較高的情況。線陣相機較面陣相機在對紙病檢測精度的提升上具有更大的優(yōu)勢。攝像機感光元件采用的是CCD傳感器。CCD是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號，其基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。CCD的工作原理是被攝物體反射光線到CCD器件上.CCD根據(jù)光的強弱積聚相應(yīng)的電荷.產(chǎn)生與光電荷量成正比的弱電壓信號，經(jīng)過濾波、放大處理，通過驅(qū)動電路輸出一個能表示敏感物體光強弱的電信號或標準的視頻信號。CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都具有較高的性能。工業(yè)用高精度線陣掃描式C⑶攝像機的數(shù)據(jù)接口采用Gigabit Ethernet。千兆位以太網(wǎng)傳輸速度可達每秒1000兆位(即IGbps)，比快速以太網(wǎng)(FASTEthernet)快10倍。 具有網(wǎng)絡(luò)可靠性高、管理和糾錯工具的有效性強、可擴展性好、價格低等優(yōu)點。千兆位以太網(wǎng)仍使用傳統(tǒng)的CSMA/CD協(xié)議、幀格式的幀長，由于千兆位以太網(wǎng)頻寬較高，因此它提供的服務(wù)更有保證。另外千兆位以太網(wǎng)還支持交換機之間、交換機與終端之間的全雙工連接，支持共享網(wǎng)絡(luò)的半雙工連接方式，并使用中繼器和CSMA/CD沖突檢測機制。采用千兆以太網(wǎng)總線作為紙病檢測系統(tǒng)的總線，具有傳輸速度快、傳輸距離遠、可靠性高、產(chǎn)品成熟、易于擴展、價格低廉，并可以做到大范圍、快速、多點配置的優(yōu)點，具有很高的性價比。由幾何光學(xué)知識、小孔成像公式以及CCD圖像傳感器靶面尺寸公式可計算出需要的圖像傳感器個數(shù)及傳感器安裝高度。L = npXsp式中L——圖像傳感器靶面長度；np——像傳感器像元個數(shù)；sp——圖像傳感器像元尺寸。光源理想的光源應(yīng)該是明亮，均勻，穩(wěn)定的。本系統(tǒng)采用的是LED陣列模塊作為照明光源。LED光源使用壽命約約3萬小時(間斷使用壽命更長)。可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；反應(yīng)快捷，可在10微秒或更短的時間內(nèi)達到最大亮度；電源帶有外觸發(fā)，可以通過計算機控制，啟動速度快。采用由LED陣列和柱面透鏡組成的平行光透射照明系統(tǒng)，能很好地適應(yīng)紙病表面質(zhì)量檢測。同時，只要調(diào)節(jié)外部電源所供給的電流大小，就可以在保證照度依然均勻的前提下，獲得不同的LED發(fā)光亮度。這樣，可以得到很好的紙張圖像，確保檢測系統(tǒng)測量的穩(wěn)定和精度要求。高速旋轉(zhuǎn)編碼器測速實現(xiàn)采用高速旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)送脈沖并測量速度。高速旋轉(zhuǎn)編碼器能夠發(fā)送實時準確的脈沖，實驗室所采用的高速旋轉(zhuǎn)編碼器對應(yīng)電源電壓為DC5-MV，三相位輸出(A相B相Z 相)，最高響應(yīng)頻率為100KHZ，分辨率為600脈沖每轉(zhuǎn)，采用集電極開路(NPN)輸出的輸出方式。允許最高旋轉(zhuǎn)速6，OOOr/min，能夠適應(yīng)高速運行的紙病檢測系統(tǒng)。高速旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)送600個脈沖，每發(fā)送一個脈沖，紙張運行的距離可通過機械傳動相關(guān)計算得到Lm，在某一紙張運行速度下，旋轉(zhuǎn)編碼器每秒鐘發(fā)送的脈沖個數(shù)N，可得此時的紙張運行速度為v = L*N(m/s)。系統(tǒng)軟件設(shè)計通過高性能圖像處理計算機生成實時的動態(tài)檢測圖像后通過軟件進行后臺數(shù)據(jù)分析，對造紙生產(chǎn)線的在線檢測的缺陷數(shù)據(jù)進行整理分析，該系統(tǒng)的高效性關(guān)鍵在于紙病檢測算法的設(shè)計上，避免了耗時的計算過程，算法簡單高效，對最復(fù)雜的情況，如各種類型的紙病同時發(fā)生，且數(shù)量較多，整個檢測過程也能在20ms內(nèi)完成，對較為簡單的情況，如只有單一紙病，且數(shù)量較少時，可以控制在IOms以內(nèi)，具體檢測過程如下1)圖像采集與顯示圖像的采集模式主要可以分為內(nèi)同步和外同步。[0033]內(nèi)同步模式(Free Run Mode)是依照攝像機本身內(nèi)部產(chǎn)生的時序去作曝光取像。 這種同步模式運作下影像卡無法主導(dǎo)攝像機取像的時間點，影像卡是處于被動接收數(shù)據(jù)的角色。曝光時間與線周期時間相等，由一組內(nèi)部控制訊號產(chǎn)生一個上升方波作為開始曝光取像訊號，直到下一條線周期的上升方波訊號進來時便將影像送出。外同步模式(External Synchronization Mode)。在這種模式下，攝像機本身并不會主動產(chǎn)生時序去曝光取像，由外部送來的訊號作為同步觸發(fā)訊號，主要是取上升方波作為開始曝光取像訊號，由外同步訊號的周期時間決定曝光取像時間及線周期。本紙病檢測系統(tǒng)采用外同步模式采集圖像。通過高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器測得紙機車速，再根據(jù)實時車速計算出該速度下相機采集的行頻，經(jīng)由高速數(shù)字輸出卡向相機發(fā)送觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)圖像采集的功能。采用外同步觸發(fā)模式，可以避免采集圖像的失真(車速高，行頻低，圖像被壓縮， 反之采集圖像被拉伸)，保證處理算法最終的準確性。根據(jù)車速和檢測精度調(diào)整高精度線陣掃描式CCD攝像機的行頻，設(shè)置每幀圖像的掃描行數(shù)，將啟動采集卡，將采集到的灰度圖像保存到內(nèi)存并顯示。2)孔洞檢測由于采用的是背光源，采集的圖像孔洞處明顯比其他區(qū)域亮度高，所以針對孔洞采用最為快速簡單的方法先對每幀圖像進行二值化，灰度大于設(shè)定閾值的像素構(gòu)成的連通域有可能是孔洞，對連通域進行標記，把同一個連通域內(nèi)的像素標記為同一個數(shù)字，不同連通域內(nèi)的像素標記數(shù)字不同，計算各連通域的面積，對于面積小于設(shè)定值(根據(jù)檢測精度確定)的連通域認為是噪聲，不予考慮，對面積大于設(shè)定值的連通域認為是孔洞，計算每個區(qū)域的質(zhì)心，得到孔洞的中心坐標，并統(tǒng)計孔洞的數(shù)目，連同對應(yīng)孔洞的面積保存到相應(yīng)的數(shù)組。3)黑斑檢測如果紙張由臟污點或者粘有異物，在圖像上呈現(xiàn)的是黑斑，黑斑處的像素灰度值整幅圖像灰度值的最低處，可以采用像檢測孔洞那樣用直接二值化的方法，具體采用的方法為先對每幀圖像進行二值化，灰度小于設(shè)定閾值的像素構(gòu)成的連通域有可能是黑斑，對連通域進行標記，把同一個連通域內(nèi)的像素標記為同一個數(shù)字，不同連通域內(nèi)的像素標記數(shù)字不同，計算各連通域的面積，對于面積小于設(shè)定值(根據(jù)檢測精度確定)的連通域認為是噪聲，不予考慮，對面積大于設(shè)定值的連通域認為是黑斑，計算每個區(qū)域的質(zhì)心，得到黑斑的中心坐標，并統(tǒng)計黑斑的數(shù)目，連同對應(yīng)黑斑的面積保存到相應(yīng)的數(shù)組。4)亮斑檢測亮斑指紙頁上纖維層比較薄，但并未完全穿透，其透光度較紙頁其他部位為大的部分，所以在圖像上呈現(xiàn)的亮斑處的像素灰度值是高于整幅圖像灰度值且低于孔洞的灰度值。因此所采用的檢測方法需要考慮使亮斑與孔洞區(qū)分，具體采用的方法為先對每幀圖像進行二值化，這個二值化有別于孔洞和黑斑的二值化，主要是亮斑采用的二值化需要兩個設(shè)定閾值A(chǔ)、B (其中A是孔洞檢測中的閾值)。灰度小于設(shè)定閾值A(chǔ)且大于設(shè)定閾值B的像素構(gòu)成的連通域有可能是亮斑，對連通域進行標記，把同一個連通域內(nèi)的像素標記為同一個數(shù)字，不同連通域內(nèi)的像素標記數(shù)字不同，計算各連通域的面積，對于面積小于設(shè)定值 (根據(jù)檢測精度確定)的連通域認為是噪聲，不予考慮，對面積大于設(shè)定值的連通域認為是亮斑，計算每個區(qū)域的質(zhì)心，得到亮斑的中心坐標，并統(tǒng)計亮斑的數(shù)目，連同對應(yīng)亮斑的面積保存到相應(yīng)的數(shù)組。5)其他復(fù)雜紙病檢測一般其他復(fù)雜紙病如紙張褶皺、弱對比度刮痕等大致呈線狀，可用快速曲線檢測算法進行圖像處理。先對圖像進行高斯濾波盡量減少噪聲干擾，然后進行邊緣檢測，得到二值化的邊緣圖像，進行快速Curvelet變換，如果變換空間有明顯的亮區(qū)，說明紙張中存在紙病，找到處理后數(shù)據(jù)系數(shù)的最大值點，從而確定紙病位置及大小。6)紙病圖像的保存和紙病數(shù)據(jù)的保存與分析對于檢測出含有紙病的灰度圖像將會被實時的保存到硬盤中，方便對紙病的查閱和分析。建立紙病數(shù)據(jù)庫，將實時檢測到的紙病數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫當中，并進行分類匯總， 得到成紙紙病的卷報表，內(nèi)容包括紙病類型、數(shù)量、位置和面積、卷長、時間、歷史曲線，生成的圖表均可打印。同時在主界面中實時的生成紙病模擬圖像，方便用戶隨時查看紙病模擬圖像及歷史數(shù)據(jù)，可以根據(jù)在紙病模擬圖像中出現(xiàn)的模擬紙病符號找到實際紙病圖像及紙病的具體數(shù)據(jù)，如紙病類型、位置和面積等。
權(quán)利要求1.一種基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)，其特征是，它包括至少一臺圖像采集裝置，圖像采集裝置設(shè)置在紙輥上方，圖像采集裝置還設(shè)有相配合的可調(diào)節(jié)照明光源；圖像采集裝置與圖像處理計算機連接，圖像處理計算機與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器連接，同時，在紙輥的輥軸上還安裝有至少一個高速旋轉(zhuǎn)編碼器，高速旋轉(zhuǎn)編碼器也與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器連接。
2.如權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)，其特征是，所述圖像采集裝置為工業(yè)用高精度線陣掃描式CCD攝像機。
3.如權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)，其特征是，所述可調(diào)節(jié)照明光源為可調(diào)節(jié)LED照明光源。
專利摘要本實用新型涉及一種基于機器視覺的快速在線紙病檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠準確地檢出并識別高速運動中紙頁的缺陷，包括直徑0.5mm以上的孔洞、臟/污點、水滴/油滴印記、破損、褶皺、刮痕、暗斑、亮斑、邊緣破損等常見缺陷。同時系統(tǒng)具有圖像顯示、實時報警、質(zhì)量報告表打印、紙病剔除、設(shè)備故障診斷等功能。它包括至少一臺圖像采集裝置，圖像采集裝置設(shè)置在紙輥上方，圖像采集裝置還設(shè)有相配合的可調(diào)節(jié)照明光源；圖像采集裝置與圖像處理計算機連接，圖像處理計算機與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器連接，同時，在紙輥的輥軸上還安裝有至少一個高速旋轉(zhuǎn)編碼器，高速旋轉(zhuǎn)編碼器也與后臺數(shù)據(jù)分析與管理服務(wù)器連接。
文檔編號G01N21/89GK202002894SQ20112000618
公開日2011年10月5日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者周露露, 李慶華, 沈才生, 王磊, 甄易, 綦星光 申請人:山東輕工業(yè)學(xué)院