基于OpenCV 的木材表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

陳富

（曲靖市麒麟?yún)^(qū)林業(yè)局東山木材檢查站 云南曲靖 655000）

0 前言

木材表面缺陷，是指其表面的某些特征，這些特征能使木材的商品及使用價(jià)值變低，但這些特征不僅會(huì)影響木材堅(jiān)韌度，還對(duì)木材的加工以及裝飾作用造成較為嚴(yán)重的影響。因此，可以對(duì)木材表面進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)，其方法有：人工直檢、超聲檢、利用X 射線及計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)等等。本篇文章，則就利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，研發(fā)了一套對(duì)木材表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)，其為木材的加工產(chǎn)業(yè)提供了切實(shí)可行的解決方法。此系統(tǒng)可以通過信息技術(shù)將實(shí)時(shí)檢測(cè)出表面缺陷的類別、大小以及具體位置等，并且通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胂到y(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而對(duì)未來的相關(guān)工作進(jìn)行一定程度的指導(dǎo)。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是檢平臺(tái)和檢測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)，檢測(cè)平臺(tái)上主要涵蓋了傳送結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)光源、CCD 工業(yè)相機(jī)、開關(guān)等等，其機(jī)架由歐標(biāo)3030 鋁型材，3030 角碼、M5 不銹鋼內(nèi)六角圓柱頭螺釘、M5 配鋁型材的T 型螺母、M8 尼龍腳墊等組成[1]。檢測(cè)系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)線與相機(jī)進(jìn)行連接，對(duì)拍下的圖像實(shí)時(shí)傳輸，進(jìn)而快速對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，最后將相關(guān)信息傳遞給木材的加工設(shè)備當(dāng)中。木材通過相機(jī)拍攝區(qū)域，安裝在機(jī)架附近的開關(guān)檢測(cè)到木材將要接近，將信號(hào)傳輸給檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)控制機(jī)位開始停止運(yùn)輸。計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，相機(jī)獲取木材圖像，檢測(cè)表面缺陷，向下傳遞檢測(cè)結(jié)果，隨后進(jìn)行對(duì)木材加工，當(dāng)計(jì)時(shí)器到時(shí)后，下位機(jī)使傳送帶電機(jī)發(fā)電，移動(dòng)一段距離后電機(jī)失電，后重復(fù)之前的工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要通過C++語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，通過MFC/C++進(jìn)行操作面板的開發(fā)，在此基礎(chǔ)上通過OpenCV 以及CameraDS的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過程中圖像的獲取，其具有靈敏速度快等優(yōu)勢(shì)[2]。

2.1 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)通過用戶的實(shí)際需求，設(shè)置為兩種模式，即手動(dòng)和自動(dòng)，在手動(dòng)測(cè)試的模式下，用戶可以自由地對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在設(shè)定好參數(shù)之后，點(diǎn)擊獲取圖片、缺陷檢測(cè)的按鈕，畫面將會(huì)直接顯示出缺陷的種類、大小和位置等信息。按下繼續(xù)按鈕，傳送帶將會(huì)輸送下一個(gè)待檢測(cè)物體，從而進(jìn)行重復(fù)的工作。而在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)手動(dòng)模式的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，不需要人工進(jìn)行干預(yù)[3]。

2.2 參數(shù)設(shè)置

為了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，用戶在進(jìn)行初次使用時(shí)可以手動(dòng)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，點(diǎn)擊“參數(shù)設(shè)置”按鈕，將會(huì)彈出對(duì)話框，對(duì)話框內(nèi)包括分割閾值、時(shí)間、最大舍棄面積以及像素坐標(biāo)等等。

2.3 分割閾值

系統(tǒng)設(shè)置的是二值化函數(shù)，進(jìn)而需要對(duì)木材表面的缺陷圖像進(jìn)行閾值分割，閾值的設(shè)定結(jié)果也將直接影響到最后檢測(cè)的結(jié)果，其具體作用是能夠?qū)D像中灰度大于設(shè)定值的像素點(diǎn)修改到白色，小于設(shè)定閾值的則可改為黑色，這樣的設(shè)定可以使檢測(cè)結(jié)果更加清晰且易辨[4]。

2.4 時(shí)間間隔

時(shí)間間隔的測(cè)試可以先打開相機(jī)，在木材表面的拍攝區(qū)做好標(biāo)記，按下“測(cè)試”按鈕，并且通過秒表計(jì)時(shí)，用肉眼直接觀察相機(jī)拍攝區(qū)，當(dāng)標(biāo)記到達(dá)拍攝區(qū)邊緣時(shí)就可以停止計(jì)時(shí)，將表中的時(shí)間填寫到相應(yīng)的編輯框當(dāng)中[5]。

2.5 最大舍棄面積

最大舍棄面積指的是面積小于設(shè)定值的區(qū)域，其不屬于缺陷可以舍棄掉，因?yàn)槟静谋砻婵赡軙?huì)存在污點(diǎn)、灰塵等，相較于缺陷面積來說要小得多，所以不必計(jì)算在內(nèi)。但是對(duì)于最大舍棄面積的設(shè)定，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行考量，否則會(huì)將原本可以被標(biāo)記的缺陷漏掉。

2.6 缺陷檢測(cè)

在對(duì)上述相關(guān)參數(shù)設(shè)定完畢之后，打開相機(jī)，按下獲取圖片的按鈕，選擇框中會(huì)顯示按下按鈕時(shí)獲取的圖像。按下“保存”按鈕，則可以對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，進(jìn)而為下次的操作做出參考。按下“缺陷檢測(cè)”，木材表面的缺陷會(huì)被框處，且在右上角有編號(hào)，從而可以查看此次檢測(cè)是否準(zhǔn)確。對(duì)于缺陷的大小是通過缺陷中像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)以及一系列的轉(zhuǎn)化關(guān)系來計(jì)算的。一般像素的中心為圖像中木材的中心點(diǎn)[6]。

2.7 結(jié)果保存

軟件下方有可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行保存的按鈕，軟件還可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和保存。點(diǎn)擊保存按鈕，軟件將相關(guān)信息保存到Excel 文檔當(dāng)中，用戶可以在之后的工作中根據(jù)歷史記錄以及存檔文件進(jìn)行修改或刪除。

3 系統(tǒng)測(cè)試流程

3.1 系統(tǒng)測(cè)試

本次設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)設(shè)備為CPU Intel Xeon E3-1240 V6 350GHz；內(nèi)存16GB，操作系統(tǒng)為Window8 專業(yè)版；主板信息為Gigabyte X200M-PLUS WS-CF；開發(fā)的平臺(tái)為微軟Visual Studio 2015；版本為12.1.21006.1；應(yīng)用程序的構(gòu)造為MFC，開發(fā)語言與編譯方式分別為C++與VC++。

3.2 系統(tǒng)整體的調(diào)試

本次測(cè)試的方式是通過照相機(jī)拍攝被檢測(cè)木材來進(jìn)行，拍攝對(duì)象包括有缺陷、有污點(diǎn)、有劃痕、有灰塵等不同類型的木材。并且分別對(duì)拍攝結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而增加檢測(cè)的準(zhǔn)確率。根據(jù)計(jì)算機(jī)上顯示的缺陷檢測(cè)結(jié)果，我們假設(shè)被檢測(cè)的9 張木材照片為總樣本，假使首張相片被準(zhǔn)確的檢測(cè)出有缺陷，那么則有S1=1，E1=0，A1=1；接著的圖片有一個(gè)缺陷被計(jì)算機(jī)正確檢測(cè)出，但是誤測(cè)出兩個(gè)缺陷，那么結(jié)果可以表示為：S2=3，E2=2，A2=0.33，同理按照此方法對(duì)其余的照片進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的結(jié)果為，最后準(zhǔn)確率A=（A1+A2+A3+……A9）/9·100%=86%。在此次系統(tǒng)整體調(diào)試過后，利用該種方法，我們又對(duì)500 張木材的圖片進(jìn)行了同樣的檢測(cè)，其檢測(cè)準(zhǔn)確率為93.3%，平均檢測(cè)時(shí)間為2ms，已經(jīng)完全符合相關(guān)企業(yè)對(duì)于檢測(cè)質(zhì)量以及效率的要求[7]。

4 總結(jié)

本篇文章基于OpenCV 的木材表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過再次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確且快速的進(jìn)行木材缺陷的檢驗(yàn)，檢測(cè)的平均準(zhǔn)確率達(dá)到了93.3%。平均檢測(cè)時(shí)間高達(dá)2m/s；并且，系統(tǒng)軟件經(jīng)過設(shè)計(jì)操作界面簡(jiǎn)單易上手，且系統(tǒng)運(yùn)行也較為平穩(wěn)，具有超強(qiáng)的實(shí)用性。本次系統(tǒng)也能夠應(yīng)用到木材檢測(cè)的各個(gè)用途當(dāng)中，也能夠靈活應(yīng)用到木材生產(chǎn)以及加工的流水線上，具備極好的通用性?；贠penCV 的木材表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)，能夠很大程度上解決企業(yè)在進(jìn)行木材生產(chǎn)以及加工過程中，表面出現(xiàn)缺陷的問題，值得被廣泛應(yīng)用。