基于機器視覺的直插式網絡變壓器PIN腳平整度檢測

楊 楊,黃 菊

(四川職業技術學院 電子工程學院,四川 遂寧 629000)

網絡通信技術的不斷進步,網絡變壓器得到了越來越廣泛的應用.尤其近年來5G網絡的高速發展,網絡傳輸速度越來越快,通信設備也越來越小型化、集成化,且隨著5G應用場景大幅增加,客戶產品更趨個性化,網絡變壓器作為通信設備的關鍵組件,其在形態、樣式等方面都將發生很大的改變,例如:網端設備的安裝組件更小、更薄,筆記本電腦、游戲機等產品都進一步小型化、低背化.這些變化趨勢要求網絡變壓器也需要進一步地小型化超薄化,恰恰這樣的改變給目前生產過程對網絡變壓器的一些視覺檢測提出了更高的要求.目前對網絡變壓器進行視檢時依賴人工檢測,這樣的檢測方法效率低下,人工成本高且容易生產低劣產品.因此在網絡高速發展以及工業自動化過程中,逐步實現機器視覺對網絡變壓器進行視檢將是一種趨勢,是網絡變壓器保持高生產量的同時保證品質的關鍵所在.

在網絡變壓器趨于小型化的過程中,人工對PIN腳平整度的檢測難度越來越大,并且易出現主觀性錯檢.目前機器視覺領域中,深度學習雖然發展迅速[1],同時有許多學習能力強大的CNN網絡模型被提出用于檢測物品缺陷[2-4],但是神經網絡可解釋性低,其模型結構復雜、參數居多、算法透明性低導致系統與人的協同工作效果大打折扣[5-6],盡管目前許多研究人員提出了許多方法使得網絡模型可以具有一定的解釋性,卻依舊是當下的難點[6-7],實際應用中神經網絡的部署對硬件的要求也相對較高.因此文章針對網絡變壓器PIN腳平整度的視檢,研究一套圖像處理的方法,通過機器視覺實現對其高效、自動以及低成本的檢測.

1 測量方案設計

如圖1所示,圖像測量系統由傳送裝置、被測網絡變壓器、PC端/嵌入式系統、相機、紅外發信發生器、光源以及遮光容器組成.由于網絡變壓器的外殼通常為黑色,因此搭建高灰度值(即偏白色)的背景環境增強對比度,以便于獲取網絡變壓器的輪廓,光源及照明方案選擇LED和低角度照明.實驗使用分辨率1920×1080的CMOS相機獲取網絡變壓器圖像,通過棋盤格檢測方法獲取畸變參數并進行圖像的畸變校正[8],最后獲得用于測量的網絡變壓器圖像.

技術路線如圖2所示,首先進行圖像預處理,對獲取的網絡圖像進行空間濾波,過濾CMOS相機拍攝過程中的部分噪聲以及保存圖像的邊緣特征,并且通過閾值分割快速得到信息保存較好的二值圖像;然后通過傳送帶速度、紅外發生器記錄的時間差計算K值(像素長度與物理長度的比值);最后進行垂直/水平投影并分析其統計結果得到PIN腳行(列)間距,通過設置閾值、對比圖紙中PIN腳間距得到平整度的檢測結果.

圖1 測量系統

圖2 技術路線

2 圖像處理

2.1 圖像預處理

對網絡變壓器彩色圖像的預處理步驟如下.

(1)灰度化

在對網絡變壓器PIN腳行(列)間距的計算中,主要對邊緣信息進行處理,不需要對圖像的色彩信息進行處理.因此對彩色圖像進行灰度化,減少圖像信息的計算量方便后續的圖像處理,結果如圖3b所示.

(2)圖像去噪

由于CMOS(CCD)相機在接收信號和輸出過程中會產生一些不該出現的外來像素即噪聲,而網絡變壓器圖像在大部分像素區的灰度值變化平緩,因此文章首先通過中值濾波濾除領域內灰度值突變的噪聲點.但由于一些不可知的因素仍然使得網絡變壓器圖像中PIN腳和外殼這些原本灰度值變化極小的區域出現一些多個噪聲像素相連的噪聲小區域,且無法通過中值濾波濾除.所以在中值濾波后,使用雙邊濾波[9],突出邊緣特征的同時可以很好的抑制上述噪聲小區域帶來的影響,如圖3c所示.

(3)閾值分割

為了得到分割網絡變壓器外殼與背景、PIN腳的二值圖,需要將去噪后的圖像進行圖像分割.常用的圖像分割有Otsu閾值分割[10-11]、聚類分割[12-14]等方法.但實際的使用過程中發現,圖像中的陰影會導致Otsu閾值分割效果很差,而聚類分割的效果較好,但其計算量相對閾值分割較大,用于灰度值差距明顯的圖像分割性價比較低.所以考慮到實際情況,并未使用常用的幾種圖像分割方法,而根據灰度直方圖的統計結果進行閾值分割,如圖3g所示.首先為保證后續尋找良好的閾值區段不被噪音影響,對灰度統計結果進行滑動均值濾波;然后根據外殼灰度值集中于低灰度值且背景、PIN腳與外殼的灰度值差較大則中間灰度值統計的像素個數趨近于0的特點,設定像素閾值θ,并在0-100灰度區域段尋找像素個數低于θ的閾值區域段(θ為經驗值且文中取θ=20);最后以最寬的閾值區域段的灰度中值β作為分割閾值,如圖3g中“*”.文章對比使用Otsu閾值分割、K-means聚類分割,如圖3d、3e、3f所示(分割圖取反).

(a)原圖

(d)Otsu閾值分割

(b)灰度圖

(e)k-means聚類分割

(c)濾波圖

(f)文章閾值分割

(g)閾值尋找

2.2 計算K值

為后續求取間距等長度參數與圖紙規定長度對比,需要求得K值(像素長度與物理長度的比值).如圖4a所示,通過獲取網絡變壓器前后端通過紅外發生器時間的時間差以及傳送帶速度,可計算得到網絡變壓器沿傳送方向的物理長度.如圖4b所示,再通過圖像預處理之后的網絡變壓器圖像垂直投影,可獲得網絡變壓器沿傳送方向的像素長度.K值計算如式(1)所示.

(1)

其中t1為前端過紅外發生器時間,t2為后端過紅外發生器時間,v為傳送帶速度,Lr為物理長度,Lp為像素長度其中,Lp由圖4b得到.

(a)時間差示意圖

2.3 PIN腳間距計算

(1)圖像水平校正

為了使得網絡變壓器圖像的垂直/水平投影結果能夠反映PIN腳的平整度與計算間距,需要將圖像中網絡變壓器部分呈水平放置.因此首先使用Hough變換檢測網絡變壓器的最長邊,然后得到最長邊與水平線的夾角并進行圖像旋轉,如圖5a、5b所示.

(2)垂直/水平投影

對校正后的圖像進行垂直/水平投影,如圖5c、5d所示,垂直投影統計結果中波谷位置可以反映PIN腳在水平方向的間距,水平投影統計結果中波谷位置可以反映PIN腳在垂直方向的間距.

(b)圖像旋轉

(c)垂直投影

(d)水平投影

(3)波谷檢測

為了得到PIN腳的間距長度,需要檢測垂直/水平投影波形圖的波谷位置.但由于PIN腳出現偏斜或光照不均勻等情況,使得出現影響波谷檢測的偽谷,因此通過一種偽波谷排除檢測方法有效地對波谷位置進行檢測.首先使用滑動平均濾波對波形進行一定的平滑,因為在PIN腳處整體的波谷明顯,所以受到的影響很小,而對于其他部分具有很好的平滑作用,但窗口大小不宜選擇過大,以免造成PIN腳處波谷的明顯偏移,文中使用滑動濾波窗口大小W=5.然后進行傳統的波谷檢測,計算如式(2)所示.

(2)

L為圖像像素長度,y(k)為水平方向上k列上統計的像素個數.當滿足式(2),k、y(k)即為波谷位置坐標.得到所有的波谷后進行第一輪的偽波谷篩除,以PIN腳半徑d作為領域半徑,計算如式(3)所示.

(3)

k1為篩選出來的波谷橫坐標,df為PIN腳像素半徑長度.滿足式(3)的波谷為待定波谷,否則判定為偽波谷篩除.第一輪偽波篩出后,進行第二輪偽波篩出,計算每個待定波谷y(k)與最大值M的絕對值,所有求得的絕對值求平均得到平均值T,若待定波谷與最大值的絕對值小于f*T則判定為偽波進行排除,這里f為經驗值,文章選用f=0.3,具體計算如式(4)所示.

(4)

k2為第一輪篩選后待定波谷的橫坐標,e(x)為y(x)與最大值的差值,E為差值均值,當波谷滿足式(4)則為最后的真波谷,否則判定為偽波谷篩除.由上述得到真波谷的各個橫坐標,用于計算PIN腳的間距,檢測結果如圖6所示.

3 PIN腳平整度檢測及分析

檢測到真波谷的位置坐標后,則相鄰波谷橫坐標的差值即為檢測的PIN腳中心間的像素間距.因此首先計算波谷數量與PIN腳縱(列)數是否相等,然后通過計算得到的間距與圖紙要求的PIN腳間距進行比較,最后得出對PIN腳平整度的檢測結果,具體計算如式(5)所示.

(5)

(a)波谷檢測

其中Dr為物理間距長度,D1為像素間距長度,εr為物理誤差閾值,ε為像素誤差閾值,np為網絡變壓器縱(列)數,nb為波谷個數.若組PIN腳間距滿足式(5)則該網絡變壓器PIN腳平整度檢測合格,反之某一組PIN腳間間距不滿足式(5),則該網絡變壓器的這一組PIN腳出現有歪斜或間距尺寸不合格等情況.為了檢測文中所述方法所測量長度與實際物理長度之間誤差大小,文章使用該方法測量三組已知長度的手寫線段以及一個網絡變壓器中任意3組水平間距和垂直間距,由于歪斜的PIN腳間距使用游標卡尺這樣的儀器無法較好地得到測量結果,因此被測量的網絡變壓器PIN腳經過調整PIN腳平整度十分良好,測量對比結果如表1所示,其中網絡變壓器PIN腳直徑為0.5mm.

由表1可以看出文中測量方法對手寫線段的絕對誤差較大,這是由于在圖像水平校正時手寫線段無法保持勻稱導致線段并未達到一個良好的水平狀態,從而影響到垂直投影反映的測量結果.對網絡變壓器PIN腳水平間距測量的絕對誤差較小,垂直間距測量的絕對誤差稍大,主要原因在于文中測量方法是通過評價行與行(列與列)之間的間距從而反映整體的平整度.而在測量垂直間距時,每一行的PIN腳數較多,其中一個PIN腳輕微的傾斜對于游標卡尺并不敏感,但對于圖像識別的方法卻十分敏感.

表1 測量誤差

4 結論

文中針對直插型網絡變壓器的特點提出了一套網絡變壓器PIN腳平整度的檢測方法.在圖像預處理中根據網絡變壓器的灰度直方圖特點,進行良好的閾值分割;通過垂直投影結合傳送帶速度計算K值(物理長度與像素長度的比值);通過分析垂直/水平投影結果測量PIN腳水平/垂直間距,檢測PIN腳是否有傾斜或間距尺寸不符等情況.通過0.02mm精度游標卡尺測量,驗證文中方法的測量精度,對手寫線段的平均絕對誤差為0.2mm,對PIN腳間距的平均絕對誤差約為0.09mm、平均相對誤差為4.6%,可以對PIN腳的平整度進行一個良好的檢測,具有較好的應用場景和借鑒意義.存在的不足之處,對手寫線段的測量反映了在對圖像水平校正時方法的魯棒性還有所欠缺,在網絡變壓的閾值分割時對背景有一定的限制.在后續的相關研究中,如何提高整套方法的魯棒性以及減少對背景的限制是進一步研究的突破點.