1、中國礦業大學科研創新論文玻璃缺陷在線檢測系統設計姓名：連清學號：03101257專業：測控技術與儀器導師：劉萬里摘要傳統的玻璃質量檢測主要采用人工檢測的方法。人工檢測不僅 工作量大 ，而且易受檢測人員主觀 因素的影響，容易對玻璃表面 缺陷造成漏檢 ，尤其是變形較小 、畸變不大的夾雜缺陷漏檢 ，極 大降低了玻璃 的表面質量 ，從而不能夠保證檢測的效率與精度 u 目前 ，玻璃缺陷檢測系統主要是利用激光檢測和摩爾干涉原理的方 法。激光檢測易受到外界干擾 ，影響檢測精度。摩爾干涉原理由于 光柵內的莫爾條紋 比較細 ，為保證莫爾條紋有很強的對 比度 便 于計算機進行分析處理 ，就必須要求光柵有很高的明暗

2、對 比度， 通過復雜計算機圖形處理技術對干涉圖形進行處理 ，占用大量的檢 測時間，檢測周期非常緩慢而在實際檢驗中并無實用效果 。近年來， 迅速發展的以圖像處理技術為基礎的機器視覺技術恰恰可以解決這 一問題。機器視覺主要是采用計算機來模擬人的視覺功能，從客觀 事物的圖像中提取信息 ，進行處理并加以理解 ，最終用于實際檢 測 、測量和控制 。本文介紹的玻璃表面缺陷檢測系統采用機器視 覺技術 ，完成對玻璃缺陷的提取 、識別 ，為玻璃分級打標提供信 息 ，滿足玻璃表面缺陷檢測的要求。關鍵字：玻璃表面檢測；圖像處理；系統設計 # 目錄1、玻璃缺陷在線檢測系統設計課題的提出, 41.1 課題研究的背景 ,

3、41.2 課題研究的意義及目的 ,52、國內外玻璃缺陷在線檢測系統的研究現狀, 53、測量系統的簡要介紹 , 73.1 檢測系統的基本結構 ,73.2檢測系統原理83.3 玻璃表面缺陷圖像的處理（簡介）,94、 系統設計中重要的檢測參數和部分要求,95、 課題研究的步驟及各階段完成目標, 10相關文獻 , 11 3 1、玻璃缺陷在線檢測系統設計課題的提出1.1 課題研究的背景玻璃在生產過程中，會產生各種各樣的缺陷，比如 : 氣泡、條紋 和結石。這些缺陷都會影響玻璃的外觀質量，降低玻璃的透光性、 機械強度和熱穩定性，造成大量的廢品和次品。為提高浮法玻璃的 質量和玻璃質量等級劃分，必需對浮法玻璃帶

4、進行缺陷在線檢測或 者人工檢測。當前的玻璃缺陷在線檢測系統主要采用激光檢測、莫爾條紋干 涉和基于機器視覺的檢測方式，雖然這些的設備具有較高的測量精 度，但系統處理的數據量很大，設備的生產成本較高。還有些傳統 的玻璃缺陷檢測中，通過激光掃描或多組靜態傳感器來實現浮法玻 璃缺陷的自動檢測。檢測系統采用缺陷分析光束圖和標準缺陷光束 圖表對比而鑒別出玻璃缺陷。由于檢測傳感器的輸出信號具有普通 特性和特殊特性相摻和的現象，因此，僅能對少部分缺陷進行分類， 只能夠對熔融態玻璃產生的缺陷和錫槽產生的缺陷進行檢測與定位， 并且，不能對缺陷的性質、形狀及尺寸提供精確數據，從而不能較 好地控制玻璃質量，靈敏度也受

5、到限制；同時，受聚光燈的分辨率 的影響，檢測的寬度也很狹窄，直接影響檢測速度。如果依靠工人通過眼睛來識別玻璃中的缺陷，易產生漏檢、誤 檢。然而傳統的玻璃質量在線檢測主要采用人工檢測的方法。對于 人工檢測，除了其速度慢，需要占用大量的資源外，更有下列幾個 致命的缺陷 :1) 容易出現漏檢的情況。由于長時間的重復勞動，人眼極易出 現疲勞的情況，此時，甚至會將一些嚴重的廢品放過去，給玻璃廠 家及使用單位帶來嚴重損失，造成極壞的社會影響；2) 無法保證統一的質量標準，人工檢查時，對于很小缺陷的情 況，合格與否是檢查者根據感覺主觀判斷的，不同的人甚至同一人 在不同的狀態下的判斷標準很難做到統一。因此把機

6、器視覺技術應用于玻璃生產線來檢測玻璃質量，對減 少人為誤差、提高企業的經濟效益、降低玻璃生產成本以及節約能 源等具有極其長遠的意義。1.2 課題研究的意義及目的目前，玻璃缺陷的檢測分析有著十分重要的意義。生產商可以 根據檢測設備提供的數據分析該缺陷產生的原因和機理，再根據獲 得的數據，設定相應的工藝條件和參數，同時先進的檢測設備也能 夠保障高質量的玻璃產品，提高在市場中的競爭能力 。在傳統的玻 璃缺陷檢測中，通過激光掃描或多組靜態傳感器來實現浮法玻璃缺 陷的自動檢測。檢測系統采用缺陷分析光束圖和標準缺陷光束圖表 對比而鑒別出玻璃缺陷。由于檢測傳感器的輸出信號具有普通特性 和特殊特性相摻和的現象

7、，因此僅能對少部分缺陷進行分類，只能 夠對熔融態玻璃產生的缺陷以及錫槽產生的缺陷進行檢測和定位， 但不能對缺陷的性質、形狀及尺寸提供精確數據，從而不能較好地 控制玻璃質量，靈敏度也受到限制；同時受聚光燈的分辨率的影響， 檢測的寬度也很狹窄 , 直接影響檢測速度 。一般的檢測方法只能檢 測部分缺陷，而且并不能進行詳細的分類，本文研究的這種玻璃缺 陷檢測的方法，不但在精度上有很大的提高，對玻璃缺陷進行詳細 的分類，且該系統還可應用于玻璃畸變的檢測，為玻璃生產線上提 供可靠的數據。隨著數字圖像處理技術在工業領域的發展，基于數字圖像處理 技術的機件缺陷檢測得到了廣泛的應用。低成本、無損傷、準確， 快速

8、，使得機器視覺在缺陷檢測領域具有重要的意義。同時，鋼化 玻璃的表面缺陷智能化檢測算法設計尤為重要。作為整個檢測系統 的軟件部分，智能化檢測算法的設定對于檢測成功與否起到關鍵作 用。2、國內外玻璃缺陷在線檢測系統的研究現狀目前，國際上對玻璃質量檢測的應用研究較為成熟。近些年來， 由于建筑和汽車行業的高速增長，推動了相關玻璃的制造和使用行 業的快速發展，對于玻璃的質量要求也是越來越高，因此國外許多 科研機構都在開展玻璃缺陷在線檢測系統的研究，下面是其中的一 些研究成果：1）德國LASOR司浮法玻璃在線缺陷檢測系統。LASOR公司是 第一家推出浮法玻璃激光檢測設備的公司，其產品在世界玻璃生產 線上安

9、裝的數量最多。LASO公司近年又推出了新型的采用數字照 相技術的玻璃檢測設備2F1裝置。2F1檢測系統采用先進的CCD成 像技術和智能光源，其檢測精度大大超過了激光檢測系統 （能檢測出0.1 X 0.1mm的缺陷），并且具有光學檢測功能，能在同一臺機器上 實現多功能檢測。 2F1 系統可以檢測的玻璃缺陷包括氣泡、結石、 錫點、玻筋等，它還可以對這些缺陷進行分類，以利于對玻璃質量 的判別。所檢測出的缺陷信息可以實時地顯示在操作屏幕上，并可 以多種圖表形式向用戶提供缺陷的統計信息。2）丹麥制造的“結石檢測器”。3）法國SGC（公司制造的M1型全自動多功能玻璃瓶罐在線檢測 機。4）德國的INNOME

10、SS公司INNOMES光柵在線檢測系統。 INNOMES光柵在線檢測系統是基于光的干涉原理來檢測玻璃的缺陷。 由于干涉方法具有很高的靈敏度，即使在光學畸變很弱的情況下， 莫爾檢測探頭也能檢測并計算出玻璃質量缺陷的光畸變的形狀和強 度，玻璃缺陷在線自動檢測裝置就是根據這一原理來檢測并計算出 玻璃缺陷的形狀、種類和缺陷周圍光的強度。該設備可以檢測到現 行的鋼化玻璃質量標準中規定的全部缺陷種類，包括 : 氣泡、粘錫、 錫滴、夾雜物、硫化物、玻璃瘤、劃傷等。國內也有一些玻璃缺陷在線自動檢測系統的研究成果：1）ADG90 玻璃缺陷在線自動檢測系統。該系統是國內開發的， 能在線自動檢測玻璃熔化和成型過程中

11、形成的缺陷，如氣泡、砂粒、 結石、光畸變點等，并能區分氣泡和夾雜物。2）CGT-D玻璃缺陷在線自動檢測系統。該系統首次采用光學變 形技術和特殊光陣布置，對細小缺陷進行了充分放大，而對玻璃表 面附著的灰塵、污漬因放大不足而被平滑掉。又由于采用數字圖像 處理技術有效地消除了背景干擾，實現了二維處理。不僅使裝置能 檢測出小于0.2mm的點狀缺陷，對0.3mm0.5mm的點狀缺陷的準 確率高達90%以上。檢測缺陷最小尺寸：0.2mrX 0.2mm檢測缺陷 準確率： >0.5mm時為100% 0.30.5mm時為90%以上。但是就國內總體現狀而言，目前國內許多玻璃公司依舊是是靠人工 檢查挑除廢品。

12、中國現狀已經是玻璃生產大國，生產量和需求量一 直保持在世界前列，隨著玻璃市場進一步擴大，中國玻璃工業迎來 了前所未有的發展機遇，同時也面臨著來自國際市場的嚴峻挑戰。 因此，國內玻璃行業都在設法提高產品質量、增強自身競爭力來面 對市場的挑戰。國內玻璃生產的現狀以及國際玻璃事業的發展趨勢 要求玻璃企業加快現代化步伐，堅持高技術起點，依靠技術進步， 5 大力發展高水平的優質鋼化玻璃，提高在國際市場上的競爭能力。 因此，在鋼化玻璃生產線應用機器視覺技術來檢測玻璃質量，減少 人為誤差，對于降低玻璃生產成本，提高企業的經濟效益，節約我 國的能源都具有十分重要的作用和極其長遠的意義。隨著印刷、玻 璃及其相關

13、行業的快速發展，對生產過程的在線監控系統也開始出 現，其中既有基于軟件處理的檢測系統，也有基于硬件電路的檢測 系統。基于軟件的檢測系統的工作流程是用攝像頭將生產現場的圖 像采集，然后用軟件對圖像進行處理，提取對象 （如缺陷）的主要特 征，然后與標準圖像進行比較，再輸出匹配結果。基于硬件的檢測 系統大部分是將軟件固化到單片機，采用單片機控制和處理，再通 過專用的接口電路或者是PLC進行數據讀取或傳輸，在速度和準確 性上雖也能夠滿足圖像處理的運算要求，但這種檢測系統主要存在 的問題是缺乏良好的人機操作界面，操作直觀性差，不能實現遠程 數據傳輸或者傳輸困難，而且由于單片機的運算速度限制，不可能 實時

14、地實現一些復雜的數學運算，如小波分析、遺傳算法、形態學 運算等，對圖像處理的質量造成了一定影響?；谲浖崿F的缺陷在線檢測系統研究雖然已經取得了較大的發展，而且也已開始應 用于實際生產，但在以前由于受限于圖像采集硬件設備 （高速工業數 字攝像機）性能與計算機硬件處理速度，在處理速度、準確性、實 時性、可操作性上均存在較大的問題。具體到我國來說，該項研究 與國外相比還相對落后，而且由于圖像技術是一項從國防到生產到 科研都息息相關的技術，國外對我國存在一定程度的技術封鎖，因 此，研究具有自主知識產權的缺陷在線檢測系統不僅需要，而且必3、測量系統的簡要介紹3.1檢測系統的基本結構基于機器視覺的玻璃表

15、面缺陷在線檢測系統包括圖象采集部分 圖象處理、輸入輸出部分、智能控制及機械執行等幾個部分組成, 如下圖1所示：圖1檢測系統基本結構其具體工作過程為：將待檢玻璃置于盡可能均勻照明的可控背 景前（采用背面式LE D紅光），智能控制系統給圖像獲取模塊（CC D攝像機）發出控制信號,CCD攝像機攝取到的玻璃表面缺陷圖像 經過圖像采集卡把圖像數據采集到計算機內存，利用研制開發的玻璃表面缺陷圖像處理與測量軟件 ，實現對玻璃表面缺陷的檢測 ， 最后通過輸出設備輸出檢測結果。3.2檢測系統原理321系統檢測原理玻璃質量缺陷檢測是采用先進的 CCD成像技術和智能光源。系 統照明采用背光式照明，其原理如圖 2所示

16、，即在玻璃的背面放置 光源，光線經待檢玻璃，透射進人攝像頭。光線垂直入射玻璃后 當玻璃中沒有雜質時，出射的方向不會發生改變，CCD攝像機的靶面探測到的光也是均勻的；當玻璃 中含有雜質時，出射的光線會發 生變化，CCD攝像機的靶面探測到的光也要隨之改變。玻璃中含有的缺陷主要分為兩種：一是光吸收型（如砂粒、夾錫夾雜物），光透射玻璃時，該缺 陷位置的光會變弱，CCD攝像機的靶面上探測到的光比周圍的光 要弱；二是光透射型（如裂紋、氣泡等），光線在該缺陷位置發生了折 射，光的強度比周圍的要大，因而 CCD攝像機的靶面上探測到的光 也相應增強。LED紅光圖2檢測原理圖322視覺系統構成在機器視覺檢測系統中

17、，光源系統、攝像機和圖像采集卡的質 量影響整個系統的檢測精度。合理的選擇是獲取質量好、能清晰 反映玻璃缺陷存在的圖像的關鍵。目前在機器視覺系統中，光源系統主要由光源和光學鏡頭組成。 系統采用顯色性強、發光強、功耗低、散熱小、光譜范圍及壽命高 的LE D光作為源。采用背面照明，與正面照明相 比較，它的優 點是能獲得高對 比度，可得到被測物比較清晰的整體輪廓。系統選 用高分辨率、高清晰度外觸發同步的線陣 CCDUNIQ650其分辨率為 752 X 582 像素、24位圖像。圖像采集卡采用基于 PCI總線的是D H CG 300、8位、 24位和32位真彩色采集卡。視頻模擬信號作為采集卡的輸入，經濾

18、波，A/ D轉換成24bit數字信號，通過PCI總線傳送到計 算機系統內存，實現攝像機圖像到計算機內存的可靠實時傳送。以靜態圖像存入計算機，提供 BMP,JPG存盤格式。3.3玻璃表面缺陷圖像的處理（簡介）玻璃表面缺陷圖像識別的步驟如圖 3所示圖3玻璃表面缺陷圖像識別主要步驟4、系統設計中重要的檢測參數和部分要求在檢測中，主要涉及的是被檢鋼化玻璃表面存在的缺陷，需要 檢測的部分缺陷內容：缺陷最小可以檢測值氣泡0.10.2mm劃痕0.1x5mm爆邊0.5mm 9 系統設計的部分要求:部件要求檢測速度14-5米每分鐘攝像機2臺5、課題研究的步驟及各階段完成目標1）查閱相關玻璃缺陷在線檢測內容，了解國內外鋼化玻璃在線檢測 系統的研究現狀。了解機器視覺對于缺陷檢測的重要意義。時間：1-3周（2）初步設計整個系統的硬件構成和控制系統的選