邱興盛 鄧興智 賴文勇 王志軍 王滿榮

(重慶唯美陶瓷有限公司 重慶 402460)

1 瓷磚缺陷檢測(cè)現(xiàn)狀

建筑陶瓷行業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，特別是近年巖板跨界在櫥柜、家居行業(yè)的廣泛運(yùn)用，迎來了陶瓷行業(yè)的里程碑發(fā)展，瓷磚生產(chǎn)線已經(jīng)具備較高的自動(dòng)化水平。但瓷磚缺陷檢測(cè)仍然停留在人工檢測(cè)階段，勞動(dòng)強(qiáng)度大、準(zhǔn)確性低、實(shí)時(shí)性差、檢測(cè)效率低下，而且受質(zhì)檢人員經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的影響大，加之瓷磚規(guī)格越做越大，目前巖板的尺寸已做到1 830 mm×6 100 mm，瓷磚缺陷檢測(cè)再完全靠人海戰(zhàn)術(shù)，已經(jīng)越來越不適應(yīng)當(dāng)前的形勢(shì)了。

2 設(shè)想機(jī)器替代人工

自然界規(guī)律就是演化=突變+選擇。

利用瓷磚與木材、印刷共通點(diǎn)——檢測(cè)物的紋理及圖案，瓷磚與玻璃共通點(diǎn)——物質(zhì)反光特性，以及先進(jìn)光電技術(shù)及視覺算法，將應(yīng)用于木業(yè)、紡織、玻璃、印染行業(yè)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過底層算法和瓷磚缺陷應(yīng)用層算法的升級(jí)和延伸，移植到瓷磚缺陷檢測(cè)中來。

3 機(jī)器視覺檢測(cè)工作原理

機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)視覺研究的新興檢測(cè)技術(shù)，是將計(jì)算機(jī)處理的快速性和可重復(fù)性與人類視覺的高度智能化和抽象的能力相結(jié)合，從而產(chǎn)生了機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的概念。

機(jī)器視覺系統(tǒng)，使用高分辨率高速工業(yè)線陣CCD相機(jī)和高亮LED光源實(shí)時(shí)采集瓷磚的表面圖像，再通過圖像采集卡傳輸?shù)焦I(yè)計(jì)算機(jī)內(nèi)部，基于產(chǎn)品圖像的像素分布、亮度等圖像特征，采用專門開發(fā)的瓷磚缺陷檢測(cè)系統(tǒng)軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理分析，獲得當(dāng)前瓷磚的檢測(cè)結(jié)果和缺陷信息，最后將檢測(cè)結(jié)果傳遞給信號(hào)控制單元執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，并對(duì)所有瓷磚的檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、保存。其檢測(cè)流程，如圖1所示。

圖1 瓷磚機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)流程圖

圖像采集模塊由CCD攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭、LED光源及其夾持裝置等組成，其功能是完成產(chǎn)品表面圖像的采集。在LED光源的照明下，通過光學(xué)鏡頭將瓷磚表面成像于相機(jī)傳感器上，光信號(hào)先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。機(jī)器視覺光源直接影響到圖像的質(zhì)量，其作用是克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性，獲得對(duì)比度盡可能高的圖像。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝與光源同步。

圖像處理模塊主要涉及圖像去噪、圖像增強(qiáng)與復(fù)原、瓷磚表面缺陷的檢測(cè)和目標(biāo)分割。由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、CCD圖像光電轉(zhuǎn)換、傳輸電路及電子元件都會(huì)使圖像產(chǎn)生噪聲，這些噪聲降低了圖像的質(zhì)量從而對(duì)圖像的處理和分析帶來不良影響，所以要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理用以去噪。圖像增強(qiáng)目的是針對(duì)給定圖像的應(yīng)用場(chǎng)合，有目的地強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的特征，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果的圖像處理方法。圖像復(fù)原是通過計(jì)算機(jī)處理，對(duì)質(zhì)量下降的圖像加以重建或復(fù)原的處理過程。圖像復(fù)原很多時(shí)候采用與圖像增強(qiáng)同樣的方法，但圖像增強(qiáng)的結(jié)果還需要下一階段來驗(yàn)證。而圖像復(fù)原試圖利用退化過程的先驗(yàn)知識(shí)，來恢復(fù)已被退化圖像的本來面目，如加性噪聲的消除、運(yùn)動(dòng)模糊的復(fù)原等。圖像分割的目的是把圖像中目標(biāo)區(qū)域分割出來，以便進(jìn)行下一步的處理。

圖像分析模塊主要涉及特征提取、特征選擇和圖像識(shí)別。特征提取的作用是從圖像像素中提取可以描述目標(biāo)特性的表達(dá)量，把不同目標(biāo)間的差異映射到低維的特征空間，從而有利于壓縮數(shù)據(jù)量、提高識(shí)別率。瓷磚表面缺陷檢測(cè)通常提取的特征有紋理特征、幾何形狀特征、顏色特征、變換系數(shù)特征等。用這些多信息融合的特征向量來可靠地區(qū)分不同類型的缺陷，這些特征之間一般存在冗余信息，即并不能保證特征集是最優(yōu)的，好的特征集應(yīng)具備魯棒性和自適應(yīng)性。為此，還需要進(jìn)一步從特征集中選擇更有利于分類的特征，即特征的選擇。圖像識(shí)別主要根據(jù)提取的特征集來訓(xùn)練分類器，使其對(duì)瓷磚表面缺陷類型進(jìn)行正確的分類識(shí)別。

機(jī)器視覺系統(tǒng)組成，如圖2所示。

圖2 機(jī)器視覺系統(tǒng)工作原理示意圖

4 機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

瓷磚缺陷視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要由機(jī)械輸送線、光源組件、相機(jī)組件、光電組件、電氣控制柜、吹氣清潔組件、標(biāo)記組件、護(hù)罩等幾部分組成，如圖3所示。

瓷磚濕法拋光、磨邊及深加工后殘留水分、磨邊碎渣、殘存超潔亮蠟渣、生產(chǎn)設(shè)備掉落灰塵等在磚面進(jìn)入視覺檢測(cè)系統(tǒng)，直接影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，所以要求磚面潔凈。開發(fā)高頻、高速、高壓的強(qiáng)力吹水風(fēng)機(jī)，采用高頻變頻器將高速永磁電機(jī)的頻率提高到780 Hz，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到24 000 r/min，最大風(fēng)壓提高到20 000 Pa，瓷磚表面水分吹掉98%以上，并且吹出來的風(fēng)源溫度≥50 ℃，更加有利于提高坯溫和減少干燥殘留水分，如圖4所示。

同時(shí)，在瓷磚缺陷算法中，識(shí)別出微量的殘存水分，來進(jìn)一步提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖3 瓷磚機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 強(qiáng)力吹水風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

5 機(jī)器視覺系統(tǒng)在瓷磚生產(chǎn)中的應(yīng)用

該機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用于瓷磚生產(chǎn)線上對(duì)成品階段進(jìn)行全面智能自動(dòng)化的在線缺陷檢測(cè)，也可用在生坯、素坯階段。檢測(cè)設(shè)備放置在瓷磚生產(chǎn)線的分級(jí)工位，替代人工對(duì)成品瓷磚進(jìn)行表面缺陷的在線自動(dòng)檢測(cè)并分級(jí)，幫助用戶利用科學(xué)智能現(xiàn)代化的手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行高精度檢測(cè)、分析，并對(duì)生產(chǎn)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、總結(jié)。

瓷磚行業(yè)產(chǎn)品種類繁多、換產(chǎn)頻繁，并且會(huì)出現(xiàn)同批次產(chǎn)品圖案隨機(jī)變化的情況，如果采用傳統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)等品建模的方法，每生產(chǎn)一種新產(chǎn)品，都要先收集若干標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)建模，這種建模方法費(fèi)時(shí)耗力，效率很低，學(xué)習(xí)樣本少，正式生產(chǎn)的時(shí)候檢測(cè)準(zhǔn)確率就很低，學(xué)習(xí)樣本多，就會(huì)影響生產(chǎn)效率，因此這種傳統(tǒng)的建模方法無法適應(yīng)瓷磚行業(yè)的檢測(cè)需要。

圖5 建模流程圖

為了解決這個(gè)難題，該機(jī)器視覺系統(tǒng)創(chuàng)新的使用了基于缺陷樣本進(jìn)行建模的方法：應(yīng)將瓷磚分為拋釉磚、仿古磚、凹凸模面磚、異形磚、崗巖園林磚、淺色系列、淺灰深灰系列、米黃系列、玫瑰紅系列、鈷藍(lán)系列、黑金花系列等若干大類。在每個(gè)大類里，雖然會(huì)有各式各樣、深淺各異的花紋圖案，但是缺陷區(qū)域的基本特征是不變的，先針對(duì)每個(gè)大類收集各種缺陷，采用深度學(xué)習(xí)的方法去學(xué)習(xí)缺陷區(qū)域，這樣每個(gè)大類可以生成一組檢測(cè)模板。在正常檢測(cè)的時(shí)候，只要瓷磚的大類不變，都可以共用該大類對(duì)應(yīng)的模板進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以有效地解決種類繁多、換產(chǎn)頻繁對(duì)檢測(cè)設(shè)備建模的困擾，也極大的降低了換產(chǎn)之后模板切換的難度，檢測(cè)設(shè)備的易用性和實(shí)用性也大大的增加，建模流程，如圖5所示。

采用深度學(xué)習(xí)方法建模建立的產(chǎn)品大類樣本庫(kù)，如圖6所示。

圖6 深度學(xué)習(xí)大類樣本庫(kù)

各陶瓷企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，可根據(jù)企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)(AA優(yōu)等品、A正品、B副品、等外品)對(duì)各種缺陷的面積、長(zhǎng)度等信息進(jìn)行設(shè)定，有效解決了缺陷標(biāo)準(zhǔn)控制的問題，如圖7所示。

圖7 企業(yè)內(nèi)控分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定

在線檢測(cè)速度：50 m/min，可滿足陶瓷行業(yè)產(chǎn)能檢測(cè)需求。

檢測(cè)類型：內(nèi)墻磚、外墻磚、地磚及不規(guī)則邊緣瓷磚、浮雕磚等。

圖8 瓷磚自動(dòng)分揀示意圖

該視覺系統(tǒng)在瓷磚生產(chǎn)線正常運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)采集瓷磚的圖像，基于陶瓷廠家設(shè)定的分級(jí)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn))，對(duì)生產(chǎn)中瓷磚的機(jī)械缺陷(如缺角、碰角、崩邊、鼓包、凹坑、裂紋等)，釉面和裝飾表面缺陷(如滴釉、缺釉、釉裂、縮釉、釉泡、釉紋、釉料條痕、浮渣、滴墨、拉線、落臟、劃痕、斑痕、溶洞、針孔、雜質(zhì)、滴水、黑點(diǎn)、白點(diǎn)等)做有效檢測(cè)，并可提供分揀信號(hào)給AA優(yōu)等品、A正品、B副品、等外品對(duì)應(yīng)下磚機(jī)或?qū)?yīng)打包線對(duì)瓷磚進(jìn)行自動(dòng)分類放置或打包裝箱，如圖8所示。

6 機(jī)器視覺系統(tǒng)界面介紹

機(jī)器視覺系統(tǒng)界面，如圖9所示。

1-菜單欄，硬件參數(shù)調(diào)整、檢測(cè)基準(zhǔn)配置等功能；2-主顯示區(qū)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前產(chǎn)品和缺陷位置；3-缺陷列表，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前瓷磚檢出的所有缺陷信息，包括缺陷類型、缺陷位置、缺陷面積和缺陷長(zhǎng)度信息；4-缺陷顯示區(qū)，局部顯示檢出缺陷放大圖；5-工具欄，開啟、仿真和建模等功能；6-顯示當(dāng)前批號(hào)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息；7-運(yùn)動(dòng)控制區(qū)，控制設(shè)備開啟、關(guān)閉和重置功能；8-檢測(cè)記錄區(qū)，記錄該班次已檢測(cè)產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果信息，可通過點(diǎn)擊隨時(shí)查看；9-狀態(tài)信息欄，顯示當(dāng)前操作狀態(tài)和記錄的操作異常及錯(cuò)誤信息等。

圖10為瓷磚生產(chǎn)過程中檢測(cè)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)界面。

圖10 瓷磚檢測(cè)實(shí)時(shí)界面

圖11為瓷磚生產(chǎn)過程中當(dāng)前(班次)產(chǎn)品等級(jí)統(tǒng)計(jì)信息界面。

7 機(jī)器視覺系統(tǒng)瓷磚檢測(cè)方案特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

7.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)便捷操作即可實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的缺陷檢測(cè)；

(2)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，人類難以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺則可以長(zhǎng)時(shí)間地做測(cè)量、分析和識(shí)別任務(wù)；

(3)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一致性強(qiáng)，可數(shù)字化定量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；

(4)檢測(cè)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控、問題可追溯、可根據(jù)品控需求生成Excel、PDF等數(shù)據(jù)分析報(bào)表和品質(zhì)報(bào)告，除對(duì)瓷磚缺陷進(jìn)行檢測(cè)分級(jí)外，還可提供及時(shí)的前段生產(chǎn)線品質(zhì)管控所需品質(zhì)數(shù)據(jù)，幫助企業(yè)提高瓷磚生產(chǎn)過程品質(zhì)管理；

圖11 瓷磚缺陷統(tǒng)計(jì)信息界面

(5)高擴(kuò)展性?？赏ㄟ^工業(yè)總線或以太網(wǎng)配置和遠(yuǎn)程終端或后端分撿設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊；

(6)優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)線自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化程度。

7.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)非接觸測(cè)量，對(duì)于觀測(cè)者與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性；

(2)檢測(cè)算子庫(kù)，針對(duì)純色、打印圖案和隨機(jī)圖案等類型瓷磚的檢測(cè)算法；

(3)針對(duì)邊緣、四角、表面孔洞和漏釉等的特殊區(qū)域類型的檢測(cè)算法；

(4)檢測(cè)基準(zhǔn)參數(shù)調(diào)整過程便捷易操作，新產(chǎn)品快速切換和建模30 min完成，減少停機(jī)時(shí)間；

(5)簡(jiǎn)潔的界面設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)信息和統(tǒng)計(jì)信息，可定制輸出檢測(cè)報(bào)告；

(6)始終如一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)能減少誤判爭(zhēng)執(zhí)，快速實(shí)現(xiàn)前后段設(shè)備通訊(分揀下磚機(jī)或自動(dòng)打包線等設(shè)備通訊)；

(7)連續(xù)監(jiān)控品質(zhì)缺陷，可幫助廠家對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行有針對(duì)性的改進(jìn)，從而提高生產(chǎn)線優(yōu)等品率；

(8)具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測(cè)量，擴(kuò)展了人眼的視覺范圍；

(9)采用了機(jī)器視覺解決方案，可以節(jié)省大量勞動(dòng)力資源，為企業(yè)帶來可觀經(jīng)濟(jì)利益。

8 結(jié)論

重慶唯美陶瓷有限公司基于機(jī)器視覺技術(shù)的瓷磚缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，一方面實(shí)現(xiàn)了機(jī)器對(duì)人的替代，彌補(bǔ)了陶瓷制造行業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的最后短板，另一方面瓷磚缺陷檢測(cè)系統(tǒng)具有天然的數(shù)字化智能化優(yōu)勢(shì)，可以同工廠的數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)建筑陶瓷生產(chǎn)制造全流程自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。