原创 磁环表面缺陷检测系统选型与搭建

磁环全称吸收磁环，又称铁氧体磁环，它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于调频噪声有很好的抑制作用，一般使用铁氧体材料(Mn-Zn)制成。

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   由于磁环的形状、厚度、表面情况对其电学特性的一定的影响，因此出厂前的产品检测较为严格，常见的产品缺陷有麻坑、爆片、起泡、裂纹、划痕、刀纹和颜色不良。传统的方法为雇用相关检测人员用肉眼观察磁环表面状况，而每条磁环生产线的生产速度为每秒至少5片，如此环境下如果要实现产品全检，要雇用大量检测人员，并且参与检测人员在工作一定时间之后由于视力急剧下降等原因将不能再从事此项工作，会给厂家带来大量除人力成本外的其它附加成本。而且由于磁环尺寸较小（如上图），肉眼判断误检率较高，最终使得产品出厂成本与不合格率上升。此种磁环出口量很大，单个价值达到1-2元人民币。国外厂商抽检过程非常严格，往往会因为一个磁环将整批产品退货，对厂家提高产品竞争力有很大影响，而如果能在此类检测中成功引入视觉测量方法，则不但可以节省人力成本，而且基于机器判断的特有稳定性也使得厂家能够对出厂产品的不合格率进行精确调整。

    然而对于磁环而言，对其进行缺陷检测却并非易事，磁环不但尺寸较小，而且表面是有一定纹理的，而麻坑等缺陷驻留在磁环表面时，由于缺陷表面与正常表面具有一定的相似性，将缺陷分离出来相对还是比较困难的，如下图所示：

图中两片磁环均有麻坑缺陷存在，然而在图中是难以直观发现的，如果在检测中引入大量分析处理算法，应对每秒5片以上的在线检测，其速度问题也将成为必须面对的困难之一。

就像用人眼去检测一样，机器视觉不过是把人的各个需要的器官代替而已：镜头代替眼睛，图像传感器芯片代替视网膜，计算机或智能相机中的图像运算单元代替大脑，算法软件代替相关的判断知识，其总合便为能够完成特定视觉检测任务的机器视觉系统。

光线进入相机首先要通过镜头，因此镜头的选择常为第一考虑对象。在本例中，被测磁环在生产线上为单个通过，每次测量时只需完全一片磁环的测量即可，磁环的外直径大约为<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />10mm，即要求镜头的视场为直径10mm以上，磁环表面的正常斑点的大小在0.1mm左右，若采用768×576的标准视频相机，则相机的分辨力为0.017mm/pixel，完全可以区分出各种不同斑点。本次使用的相机为JAI出品的型号为CV-A50 IR的相机，如下图：

   相机外形体积小巧，仅为44×66mm（宽度×长度），高度为29mm，使用1/2寸CCD芯片，帧速率为30帧/秒，信噪比大于60dB，快门时间支持程序调整，通过RS232C接口可以完成对相机的各种设置，该相机除能够感应可见光外，还可以接受近红外光，为一款OEM厂商和视觉系统集成商常用的一款机型。

镜头使用NAVITAR出品的SWIR-25镜头，如下图所示，该镜头是专门为近红外相机相关应用而设计的，广泛用于环境监控、食品分类、高速公路监视、边境或港口安全、质量控制与空中成像等领域。本款镜头最大可以安装在1寸感光芯片的相机中使用。由于其最近工作距离为300mm，在100mm的工作距离下使用时，需要后接12mm的近摄环，具体计算原理与过程可参考www.china-vision.net上的相关文章。

然后是光源的选择，即照明方式的选择，也是本文的重点。由于磁环表面的特殊性，本文将分析常见的各种方式照明，以说明最佳的照明方式。文中提到的光源主要为AI提供。首先是最常用的环形光，如下图所示：

环形照明不但能够对物体直接照明，而且安装在镜头上后在镜头周围提供了一圈均匀的光线，占用空间小，适用于表面不会发生镜面反射的物体，这种光源可以强化物体明暗部位的对比，本次检测使用的是型号为RL4260的RGB光源，AI的产品中RGB光源可按用户需要自由控制光源色彩，如下图所示：

    该光源由60粒LED组成，每一粒的位置均经过调整，最大提供直径55mm的照射范围。环形光源的照明方式如下图所示：

    使用这种照明方式时，照明范围内的整个区域将被均匀照亮，而这种光源不带漫反射层，在磁环外圈和内圈等具有镜面效果的地方LED颗粒感很明显，均匀的光线使得整个磁环较亮，凹下的部分虽勉强能够辨认，但凸起的地方四周受到均匀的光照，很容易溶入到磁环本来的纹理之中，无法辨别，因此不适用于本检测项目，如下图所示：

为有效避免发生LED颗粒感状的局部强烈反光，常用的光源还有漫反射光源，如下图所示：

漫反射光源是仿照阴天的自然光制作的，在照射表面能够进行镜面反射的物体时可以很好地避免反射局部亮光。标准的屋顶形漫反射光源设计有表面粗糙的照明空腔，可以有效防止外界不确定光线的介入，而且能够安装在机械手臂上做快速检测，从铝罐底部的印字读取到金属零件表面缺陷检测均有大量使用。本例使用的光源为DL9160，如下图所示，它是AI出品的标准产品中最大的屋顶光源，内径为161.3mm，可以用于较大物体的检测，比如发动机部件的检测。     
     

   这种光源可以很好地解决表面反射率较高的物体表面局部反射现象，但对于磁环而言，有如阴天的照明效果和上一款环形光类似，无法确定缺陷的位置，其照明原理与照明磁环的效果如下图所示：

另外为保证光照的均一性，这种屋顶状的光源顶部的开孔尺寸有限，选择时要注意是否能把镜头伸进去，或者在示意图的上方加装镜头使用时，要注意对成像区域的影响，当然也可以把相机系统加装在光源内，此时要注意相机系统遮挡光线后对图像的影响。

此外背光源也是最常用的光源之一，如下图所示：

背光源照明均匀，能突显零件的轮廓，因而广泛应用于测量、分类、定位等领域，AI的光源以体积薄而著称，背景光源使用简单，然而使用时光源要放在被测物下方，不透光的部位在图像中统统以黑色呈现，由此可知其对于磁环表面的检测无能为力，当然如果单纯测量磁环尺寸的话倒是不错的选择。

此外常用的光源还有条形光源，如下图所示：

有些用户会把4条条形光源围绕一圈做成方向可自由调整的大面积光源，这是由于这种光源在长条方向上能够照亮一片具有一定宽度的区域，在印制电路板等大面积检测中可以发挥不错的作用，而且以往使用管形荧光灯的场合全部可以使用这种光源替代，以获得均匀的照明与稳定的光强。此外，如果使用两条条形光对称照明，则可以扩大照明区域，便于实现某些特殊场合的要求。这种光源从自动瓶子装箱检查到中、大尺寸印制电路板检测等领域有广泛的应用。

下图是本次检测用到的条形光源及其照明原理图：

由其原理可以看出，使用条形光源照明微小零件不免有大材小用之嫌，然而照明效果究竟如何呢？经过小编比对，使用条形光源的磁环效果如下图：

从上图可以看出，方向单一的条形光的确能够把部分缺陷反映出来，但同时读者也会注意到，仔细观察的话，上图中麻坑的实际尺寸要比图中的亮斑大一点，这样尺寸较小的缺陷可能难以反映在图片中，因此条形光并非最佳的选择。然而条形光也不是只有上面所说的照明模式，在AI出品的条形光源中，还有下图所示的条形光源：

这种光源可以提供宽度为3mm~20mm狭窄但亮度较高的照明，为线阵相机量身定制，在印刷品检测、织物检测中多有应用。如下为实物及原理图：

这种主要用于线阵相机的光源用在磁环上效果如下图所示：

图中可以观察到一条明显的亮区，这样磁环呈现出局部亮而局部暗的情况，是不适用于配合面阵相机的表面检测的。通过以上各光源的比较可以看出方向性一致的条形光相比其它光源能产生一定的效果，方向性讲究一致的光源很容易让人想到同轴光，如下图所示：

同轴光源主要设计为表面具有一定镜面反射特性的物体照明，因此在计算机芯片上字符检测、瓶盖检测、注射器检测等领域可以经常看到它们的身影，也是金属物体检测时的常用光源之一，本次测试用的光源及其原理如下图：

从原理上看，磁环被这种光源照射时，表面粗糙度较低的地方能够把光线大部分反射进镜头，而表面粗糙度较高的地方无法把足够的光能量反射入镜头，这样来说在检测缺陷方面应当具有一定的效果，以下是经过简单调整后的光源照明效果：

上图中左图为使用绿色照明，右图改用红色，并加强了光源亮度，此外还把背景更换为黑色吸光材料，对比以上两图可以看出，提高亮度对磁环两面对比度的提升有很大作用，此外要确保正常表面的光线可以顺利进入镜头，镜头光轴的方向一定要与光源光线方向平行。沿着这条思路思考下去，只要把光源亮度再提高一点，表面粗糙度较低的纹理在相机中也将会呈现白色，剩余部分将是缺陷的位置，于是得到以下图片：

至此磁环上的麻坑一目了然，而且不属于缺陷的地方为全白，进行分析计算时不需要对图像进行预处理，节省在线检测时间。在视觉系统不变的情况下，对其它典型磁环进行图像采集，结果如下：

正常磁环：

裂纹及外圆不完整：

起泡：

爆片：

至此所有缺陷中的麻坑、爆片、起泡、裂纹均明显表现在图中，此时配合软件算法可快速分辨磁环是否存在缺陷甚至定位缺陷的位置，本次使用的视觉软件为深圳市创科自动化控制技术有限公司出品的国产软件MVisionDemo,该软件是基于CkVision图像处理库二次开发来的，功能强大，但对于斑点分析功能来说只用到了其中的膨胀、腐蚀、图像减、图像加、Blob分析等几个功能。对于CkVision图像库的其他功能如几何匹配、灰度匹配、测量、找圆、字符、条码等功能没有用到。

                                图1

图1是检测的结果，绿色框框住的是斑点。

软件的操作过程：

1、由于CkVision图像处理库在处理灰度图像时只对8位的灰度图像有效，因此要保证图像是8位灰度图像。在装载图像后，打开图像形态编辑窗口（如图2的红色圈的按钮）

              图2

形态编辑窗口如下图3

                         图3

2、形态编辑功能介绍（图3示）

       功能包含了：二值化、二值化轮廓、距离变换、填充孔、反色、平滑、锐化、中值滤波、腐蚀、喷张、边缘检测、图像加、图像减、彩色转换、图像反转、图像对比。

3、图像在处理过程中的不同变化

         原图                膨胀5次后的图像            腐蚀5次后的图像

     图像相减后的图像         Blob分析后的图像            图像加后的图像

4.Blob功能图示

至此，本次磁环检测系统选型与搭建案例的视觉部分基本就完成了。但是在实际工厂环境下还会遇到各种复杂的问题，比如运动控制、环境光、粉尘等各种技术问题和环境干扰。国内已经有不少具备丰富工业现场集成经验的企业和工程师，如果有类似需求可以从www.china-vision.net找到他们。

最后需要说明的是，可能大家根据案例来看这套系统搭建非常简单，实际上在实验过程中我们就遇到了一些问题：

         划痕                        刀纹                    颜色不良

以上三种缺陷在强光照射下无法辨认清楚，只有当减弱光强时，其缺陷才有所显现，如下图：

因此该磁环的所有瑕疵并不能单独通过一套同轴光源完全解决，需要使用其它类型的光源并降低亮度才能把瑕疵显现出来。但是如果亮度降低，我们又会发现瑕疵和磁环表面纹理都混在一起，需要通过算法进行预处理后分离瑕疵和纹理才能解决。我们会长期对此课题进行关注，喜欢算法的朋友可以长期关注这些图片案例进行讨论。

小结：如同其它在线产品缺陷检测一样，磁环几乎没有两个完全相同缺陷，生产线上高速生产的磁环对检测算法的效率也提出了挑战，如何一次性快速发觉并分类缺陷的种类决非简单拼凑视觉部件可以解决，也正因此我们不断在成像质量与算法功能上不断追求。机器视觉在许多方面远不及人眼，但其稳定的识别标准与高速的采集能力、宽广的感应光谱范围等特性使其在生产线上得以逐渐取代人力，无疑将来会有一天所有人眼目测的检测都将被视觉系统所取代，但这一天的早日到来却是我们所有视觉人当下不容推辞的责任。

感谢以下品牌对本次评测的大力支持：
机器视觉光源厂商：Advanced illumination
工业相机厂商：JAI
工业镜头厂商：Navitar
软件厂商：深圳市创科自动化控制技术有限公司

感谢以下公司及个人对本次评测的大力帮助：
Advanced illumination深圳实验室及该公司王升经理对本次实验提供了大量光源产品支持
东冠科技（上海）有限公司张龙总经理、陈振涛经理、朱化工程师对本次评测给予大力支持并提供了测试用的JAI相机和Imagenation图像采集卡及东冠科技自主知识产权的红外光源产品。

北京嘉恒中自图像技术有限公司文广经理提供了部分AI机器视觉光源实物及转接圈，并给予大力支持。

Navitar中国区经理王新辉提供了本次实验试用的Navitar镜头

深圳市创科自动化控制技术有限公司余茂松总经理对本次评测提供了机器视觉软件及技术支持，该公司技术人员撰写了软件部分的内容。

部分支持企业网址：

北京嘉恒中自图像技术有限公司

http://www.jhi.com.cn/

深圳市创科自动化控制技术有限公司

http://www.china-vision.net/Company/?sname=ckvision

东冠科技（上海）有限公司

http://www.osesemi.com/

 
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