缺陷检测装置及检测方法与流程

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种缺陷检测装置及检测方法。

背景技术：

在纸张印刷工序中，由于纸张表面局部不平整或者印刷滚筒叼牙咬合力不均匀等原因，常会造成纸张弓纸、褶皱等质量缺陷，此类型缺陷特征细长且其褶皱表面印刷的图纹完整，人眼直面检查难以发现，严重影响印品出厂质量控制。

当前，产品质量是各个行业对外竞争的生命线，零缺陷、零容忍、铸精品更是印刷人无限追求的质量目标。针对纸张上的弓纸、褶皱等缺陷，现有的通过人检，或通过拉伸印刷纸张后检查图纹缺失的方式来检测纸张褶皱，其检测效率低，且不适应于工业大生产需求。因此，纸张的缺陷检测迫切需要一种全新装置及方法来以解决。

技术实现要素：

鉴于上述状况，有必要针对现有技术中印刷的纸张产品中的缺陷检测效率低的问题，提供一种缺陷检测装置及检测方法。

一种缺陷检测装置，包括展平装置、与所述展平装置连接的光源装置和图像采集装置，以及与所述图像采集装置电性连接的在线检测装置，所述展平装置用于安装在印刷机的滚筒上，以对所述滚筒上的待测试的纸张产品进行展平，所述光源装置包括基板和固设于所述基板上的多个光源颗粒，多个所述光源颗粒呈线型排列，且当所述缺陷装置安装在所述滚筒上时，所述线型排列的光源颗粒平行于所述滚筒中轴线，每个所述光源颗粒与所述基板之间具有夹角，以使所述光源颗粒的光线斜射于所述滚筒上，所述图像采集装置的拍摄线垂直于所述滚筒，所述图像采集装置用于采集纸张产品的纸张图像，所述在线检测装置用于获取所述图像采集装置采集的纸张图像，并对所述纸张图像进行分析处理以确定所述纸张图像中的缺陷区域并进行报警。

进一步的，上述缺陷检测装置，其中，所述展平装置包括刮纸板和分别固设于所述刮纸板两端的两个连接板，所述连接板用于连接所述滚筒，所述基板的两端分别与两个所述连接板固定连接。

进一步的，上述缺陷检测装置，其中，所述图像采集装置包括固定板和固定于所述固定板上的多个相机，多个所述相机呈线型排列，所述固定板的两端分别与两个所述连接板固定连接。

进一步的，上述缺陷检测装置，其中，所述光源颗粒与所述基板之间的夹角为30～60°。

进一步的，上述缺陷检测装置，其中，所述光源颗粒采用800～1000纳米的红外led颗粒。

本发明实施例还提供了一种缺陷检测方法，应用于上述任意一项所述的缺陷检测装置，所述缺陷检测方法包括：

所述在线检测装置获取所述图像采集装置采集的纸张图像；

所述在线检测装置将所述纸张图像按照标准图像的分割规则划分为多个目标分区图像，并建立所述目标分区图像和所述标准图像中的各标准分区图像之间的对应关系；

所述在线检测装置将各个所述目标分区图像分别与对应的所述标准分区图像进行比对，以确定所述纸张图像中的缺陷区域，并进行报警。

进一步的，上述缺陷检测方法，其中，所述将各个所述目标分区图像分别与对应的所述标准分区图像进行比对，以确定所述纸张图像中的缺陷区域的步骤包括：

对每个所述目标分区图像通过边缘检测算法进行计算，以得到图中像素点的梯度值；

将每个所述像素点的梯度值与对应的标准分区图像设置的灰度值范围进行比对；

当所述像素点的梯度值在所述灰度值范围内时，确定所述像素点为缺陷点；

将所述缺陷点进行聚类分析，以得到缺陷区域。

进一步的，上述缺陷检测方法，其中，所述进行报警的步骤包括：

将所述缺陷区域的能量或所述缺陷点的面积与对应设置的参数值进行比对；

当所述能量或所述面积大于对应的参数值时，确定所述缺陷区域达到报错条件，并进行报警。

进一步的，上述缺陷检测方法，其中，所述纸张图像按标准图像的分割规则划分为多个目标分区图像的步骤包括：

基于区域定位算法对所述纸张图像和标准图像进行定位，确定所述纸张图像中分别与所述标准图像中的各个标准分区图像匹配的各个区域；

将所述纸张图像按照所述匹配的各个区域进行划分，以得到多个目标分区图像。

进一步的，上述缺陷检测方法，其中，所述将所述纸张图像划分为多个目标分区图像的步骤之前还包括步骤：

对所述纸张图像进行高斯滤波以消除图像噪声。

本发明中的缺陷检测装置，巧妙利用红外斜射与角度成像技术，消除纸张上原有图纹干扰，放大纸张表面平整差异，对不同方向上的缺陷有效成像。该装置可通过机检方式快速检测纸张产品上的缺陷，解决纸张印刷生产过程中质量把控弱项，提高印刷产品检测效率，降低质量风险，满足工业大生产现场的需求。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的缺陷检测装置的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中的缺陷检测装置的侧视结构示意图；

图3为本发明第一实施例中的缺陷检测装置的结构框图；

图4为图1中区域a的放大结构示意图；

图5为本发明第二实施例中的缺陷检测方法的流程图；

图6为本发明第三实施例中的缺陷检测方法的流程图；

图7a和7b所示，分别为采集的纸张图像的原图，和经过处理后的图像。

主要元件符号说明

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

请参阅图1至图4，为本发明第一实施例中的缺陷检测装置，该缺陷检测装置用于对纸张产品上的褶皱缺陷进行检测，具体实施时，其安装在应刷机的滚筒10上，并对滚筒10上的纸张产品进行检测。该缺陷检测装置包括展平装置20、与该展平装置20连接的光源装置30和图像采集装置40，以及与图像采集装置40电性连接的在线检测装置50。

该展平装置20用于安装在印刷机的滚筒10上，以对滚筒上的待测试的纸张产品进行展平。具体的，该展平装置20包括刮纸板21和固设于刮纸板21两端的连接板22，该两个连接板22可通过螺栓等固定件固定在印刷机的滚筒10上。纸张产品紧贴在滚筒10的表面，且随着滚筒10的转动而转动。刮纸板21与滚筒10的表面平行，并对随着滚筒10运动的纸张进行平整预处理，其作用是减少纸张不平带来相机成像上局部阴影，以免影响后期检测。

滚筒10上设置有固定纸张的叼牙，为了避免刮纸板21在运动过程中与叼牙发生碰撞，刮纸板21在设计上按叼牙位置预留与叼牙同等宽度的空位，在展平纸张的同时有效避开叼牙。一般来说叼牙宽度为2～3张纸的厚度，因此刮纸板21与滚筒10的安装位置预留2-3张纸张厚度缝隙。

该光源装置30包括基板31和多个光源颗粒32。该基板31的两端分别固定在两个连接板22上，该多个光源颗粒32固定在基板31上，且呈线型排列。当该缺陷检测装置安装在滚筒10上时，该多个光源颗粒32呈平行于滚筒中轴线的线阵，以形成线性光源对纸张产品进行打光。每个光源颗粒32与基板31之间具有夹角，以使光源颗粒32的光线斜射于滚筒10的表面上，从而对紧贴滚筒的印刷纸张斜射打光。该夹角α的取值范围可为30～60°，优选的，本实施例中该夹角为45°。采用斜射光源的目的是在后期成像上消除纸张印刷原有图纹干扰，放大褶皱缺陷成像特征。

考虑到不同光的波长成像不同的特性，选取红外光作为照射光，因此光源颗粒选用波长800至1000纳米的红外led颗粒，其可消除印刷纸张原有图纹干扰，突出纸张表面平整差异。

该图像采集装置40包括固定板41和固定于固定板41上的多个相机42，该固定板41的两端分别与两个连接板22固定连接。该多个相机42呈线型排列，以形成线阵相机来实时采集纸张产品的图像。

图像采集装置选用彩色红外线阵，其拍摄角度垂直于滚筒10表面，即该线阵相机的拍摄线垂直于滚筒10表面上的纸张产品。由于光源颗粒以45°斜射角照射在滚筒10上，因此，相机42的拍摄线与光源颗粒的光线成45度夹角，并垂直拍摄待检纸张，通过该方式获取的图像在消除印刷图纹干扰的同时放大不同方向上缺陷特征，有利于实现对纸张印刷褶皱等缺陷的在线检测。

如图4所示，该在线检测装置50通过数据线与图像采集装置40相连，并进行信息交互。在线检测装置50获取图像采集装置40采集的纸张图像，并对采集的纸张图像进行分析处理以确定纸张图像中的缺陷区域和针对该缺陷区域进行报警。

该线检测装置50主要包括有工控机、在线检测软件、io卡和声光报警灯等。该工控机上安装在线检测软件，在线检测软件基于边缘检测的特征提取算法、分区域的检测参数设计，直接对单张产品进行缺陷分析，实现纸张印刷褶皱缺陷在线检测，在质量异常情况下通过io卡发送报警停机。

本实施例中的缺陷检测装置，巧妙利用红外斜射与角度成像技术，消除纸张上原有图纹干扰，放大纸张表面平整差异，对不同方向上的缺陷有效成像。该装置可通过机检方式快速检测纸张产品上的缺陷，解决纸张印刷生产过程中质量把控弱项，提高印刷产品检测效率，降低质量风险，满足工业大生产现场的需求。

请参阅图5，为本发明第二实施例中的缺陷检测方法，该缺陷检测方法应用于上述实施例中的缺陷检测装置，该方法包括步骤s11～s13。

步骤s11，在线检测装置获取图像采集装置采集的纸张图像。

对印刷的纸张产品进行检测时，将该缺陷检测装置通过连接板安装在滚筒上，待检测的纸张产品紧贴检测滚筒表面运动，通过纸张展平装置的刮纸板对待检纸张进行平整预处理。斜射光源装置的光源颗粒以一定的夹角(本实施例中为45°夹角)固定在基板上，对展平后的待检纸张进行水平打光，使成像上消除纸张原有印刷图纹干扰，同时放大纸张表面平整差异。图像采集装置的相机拍摄角度垂直于检测滚筒，并与斜射光源成45°夹角，图像采集装置的采图线与打光线重合于待检纸张表面，实现对纸张印刷后产生的不同方向上的缺陷有效成像。

在线检测装置与图像采集装置通过数据线连接，并实施获取图像采集装置采集的图像。

步骤s12，所述在线检测装置将所述纸张图像按照标准图像的分割规则划分为多个目标分区图像，并建立所述目标分区图像和所述标准图像中的各标准分区图像之间的对应关系。

该标准图像为与该待检测的纸张产品印刷内容相同的图像，其作为合格的参照产品。纸张图像中的印刷内容包含有多种，例如，图片、文字、符号等，且颜色复杂。若是将该纸张产品作为整体进行比较的，无疑会增加检测难度和准确度。因此，将标准图像划分为多个区域，该划分规则可预先设置，具体实施时可根据图像特征提取算法将相同或相近图纹的区域作为一个目标分区图像，例如眼睛区域与附近脸颊区域的灰度值不同，可将其作为两个不同的目标分区图像。

将标准图像按照分割规则划分为多个目标分区图像，再对各个目标分区图像中确定一个或多个预先训练过的特征的位置，再对其质量进行度量。其中，对质量进行度量例如可采用灰度值的方式进行，即每个目标分区图像对应设置一个标准的灰度值范围，只要待测试产品该区域的灰度值在对应的灰度值范围内，表示该区域的图像正常。

当获取到一待检测的纸张图像时，将该纸张图像按照该标准图像的分割规则划分为多个目标分区图像。其中，纸张图像可通过图像定位的方式划分为多个目标分区图像，目前，数字图像处理中基于模板匹配的图像定位方法主要包括有区域定位、边缘定位和几何定位等。根据印刷产品现场匹配效率及纸面图纹特征，一般选取区域定位法，原理是以图像灰度信息为基础，用归一化相关系数为相似性度量指标，在实时在采集的纸张图像中搜索和标准图像相一致特征的位置。根据定位结果确定纸张图中与各个标准分区图像一一对应区域，以作为目标分区图像。同时，建立目标分区图像和标准图像中的各标准分区图像之间的对应关系。

步骤s13，所述在线检测装置将各个所述目标分区图像分别与对应的所述标准分区图像进行比对，以确定所述纸张图像中的缺陷区域，并进行报警。

根据目标分区图像与标准分区图像的对应关系，确定各个目标分区图像对应的标准分区图像，并分别进行比对，根据比对结果确定目标分区图像中的缺陷区域。

其中，本实施例中，目标分区图像与对应的标准分区图像以灰度值为度量标准进行比对，当目标分区图像中的各个像素不在该标准分别图像对应设置的灰度值范围内时，确定该像素为缺陷点，并根据像素一一比对的结果确定缺陷区域，并进行报警。

本实施例中，通过设置一定夹角的光源来使成像上消除纸张原有印刷图纹干扰，同时放大纸张表面平整差异，得到缺陷有效成像的纸张图像。该纸张图像通过分区域的检测方法，对单张产品进行缺陷分析，并在质量异常情况下进行报警。

请参阅图6，为本发明第三实施例中的缺陷检测方法，其应用于上述实施例中的缺陷检测装置，该方法其主要通过在线检测装置实现。该方法包括步骤s21～s27：

步骤s21，获取图像采集装置采集的纸张图像，并对所述纸张图像进行高斯滤波以消除图像噪声。

受电荷积分波动变化等影响，由相机采集的图像含有大量的噪声，对图像质量检测有巨大的干扰。因此，在图像采集完毕后，考虑到褶皱缺陷的特点及检测系统的处理速度，本实施例中，在线检测装置首先对图像进行高斯滤波消除图像噪声本实施例卡采用二维高斯滤波。

高斯滤波具体操作是：用指定的模板(或称卷积、掩膜)去扫描图像中的每一个像素，用模板确定的邻域内像素的加权平均灰度值去取代模板中心像素点的值。

步骤s22，基于区域定位算法对所述纸张图像和标准图像进行定位，并确定所述纸张图像中分别与所述标准图像中的各个分区图像匹配的区域。

本实施例中通过区域定位法，对纸张图像和标准图像进行定位。其原理是以图像灰度信息为基础，用归一化相关系数为相似性度量指标，在实时采集的纸张图像中搜索和标准图像相一致特征的位置。根据定位结果确定纸张图中与各个标准分区图像一一对应区域，以作为目标分区图像。

步骤s23，将所述纸张图像按照匹配确定的各个区域进行划分，以得到多个分区图像，并建立所述目标分区图像和所述标准图像中的各标准分区图像之间的对应关系。

步骤s24，对每个所述目标分区图像通过边缘检测算法进行计算，以得到图中像素点的梯度值。

图像在完成高斯滤波后，基于边缘检测的质量检测算法来获取纸张图像中缺陷区域。现有的边缘检测算法有多种，例如sobel算子、canny算子、laplace算子、dog算子等一阶、二阶边缘检测算子等。根据各类检测算法的测试结果，发现sobel算子提取的特征最为完整，且杂点较少。因此，本实施例选择sobel边缘检测算法作为核心检测算法。如图7所示，为sobel算子获取纸张褶皱区域效果。

sobel算子是一个离散的一阶差分算子，用来计算图像亮度函数的一阶梯度之近似值，该算子包含两组3×3的矩阵，分别为横向及纵向，将之与图像作平面卷积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值。如果以a代表原始图像，gx及gy分别代表经横向及纵向边缘检测的图像，其公式如下:

图像的每一个像素的横向及纵向梯度近似值使用以下的公式结合，来计算梯度g的大小：

步骤s25，将每个所述像素点的梯度值与对应的标准分区图像设置的灰度值范围进行比对，当所述像素点的梯度值在所述灰度值范围内时，确定所述像素点为缺陷点。

每个标准分区图像分别对应设置有梯度高值a和低值b，则范围[b,a]则为系统可接受的灰度值范围，若边缘像素点灰度值超出可接受范围，则认为是缺陷点。

步骤s26，将所述缺陷点进行聚类分析，以得到缺陷区域。

将目标分区图像中的各个像素点的梯度值与对应的标准分区图像设置的灰度值范围进行比较，得到缺陷检测的残点图。系统采用blob聚类算法对目标图像进行聚类分析，得到缺陷区域。blob聚类算法用于对图像进出特征提取和分类，其通过缺陷合并、缺陷膨胀完成缺陷区域的确定。如图7a和7b所示，分别为采集的纸张图像的原图，和经过本方法处理后的褶皱特征图。

步骤s27将所述缺陷区域的能量或所述缺陷区域的面积与对应设置的参数值进行比对，当所述能量或所述面积大于对应的参数值时，确定所述缺陷区域达到报错条件，并进行报警。

由于纸张、油墨的差异性和环境的温度、湿度等因素影响，造成产品局部区域图像与标准图像存在一定的误差，因此，并不是检测到的所有的缺陷区域都要进行报警。本实施例中，当缺陷区域达到报错条件时进行报警。具体的，当缺陷区域的能量大于设定的能量参数值或缺陷区域的面积大于设定的面积参数值时，确定该缺陷区域达到报错条件。其中，能量是指在一个区域内，像素点的灰度值与对应的阈值差值的绝对值之和。此处的阈值可为该区域对应的灰度值范围的端点值的平均值，该能量的计算公式如下：

其中，n为当前区域，yn为该像素点的灰度值，yn’为该像素点的阈值。

本实施例中，首先对获取的纸张图像进行高斯滤波消除噪声，然后按照标准图像的划分规则划分为多个目标分区图像，再通过边缘检测算法提取褶皱边缘和抑制纸张不平整区域，得到分区图像中各像素点的梯度值。每个目标分区图像对应设置有系统可接受的灰度值范围，当一目标分区图像中的像素点的梯度值超过对应的灰度值范围时，则确定该店为缺陷点，最后通过blob聚类算法将缺陷点合并成整个缺陷区域，当缺陷区域达到报错条件时进行报警。本实施例解决印刷产品中的缺陷检测弱项，实现机检代替人检，大大提高了检测效率。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。