紙塑復合袋表面缺陷圖像的梯度投影差值篩選方法

嚴國平李京鐘飛吳世燃, 楊小俊

紙塑復合袋表面缺陷圖像的梯度投影差值篩選方法

嚴國平1，李京1，鐘飛1，2，吳世燃1, 楊小俊1

（1.湖北工業大學 機械工程學院，武漢 430068；2. 襄陽湖北工業大學產業研究院，湖北 襄陽 441100）

為了解決紙塑復合袋的缺陷圖像篩選效率低、精度差等問題，提出一種基于梯度投影差值的紙塑復合袋表面缺陷圖像篩選方法。首先采集紙塑復合袋圖像，并利用Sobel算子函數得到其梯度幅值圖像，使用水平投影和垂直投影計算公式，計算獲取的梯度幅值圖像信息，得出圖像水平和垂直方向的投影均值，采集缺陷圖像中具有豐富梯度信息的特點，分析梯度投影均值的差值，根據圖像信息計算出閾值，通過比較投影差值和閾值，完成圖像的篩選。針對此次采集的缺陷圖像，當投影差值閾值設置在0.014 6～0.018 9內時，可以篩選出表面缺陷的圖像。相較于差影法，該方法的篩選正確率提高了約10%，圖片篩選時間加快了1.5 s。文中提出的梯度投影差值方法與差影法相比，具有圖像篩選正確率高、篩選速度快等優點，滿足圖像篩選在工業生產上的需求。

紙塑復合袋；缺陷檢測；圖像篩選

紙塑復合袋廣泛應用于食品包裝、航空、科技、軍工等領域[1-4]。目前，受到生產設備、加工工藝等因素的影響，紙塑復合袋表面存在較多種類的缺陷，如褶皺、破皮、孔洞、臟點等，這嚴重影響其外觀和質量。為了確保紙塑復合袋的質量，必須對紙塑復合袋的生產過程進行實時檢測，篩選出有缺陷的紙塑復合袋。傳統的紙塑復合袋缺陷檢測多依賴人工判斷，這種方式效率較低，且檢測結果因人而異。為了提高檢測的效率和精度，研究人員提出采用機器視覺的方法對目標缺陷部位進行自動檢測。

機器視覺技術在工業在線檢測[5]、測量[6-8]等方面的應用逐漸廣泛，國內外研究者也對此進行了大量的研究工作。Kim等[9]提出一種基于圖像的農田檢測系統，經過類激活圖的閾值處理，可以檢測農作物疾病癥狀，結果顯示，現場檢測系統可以自動檢測出洋蔥的真實病害癥狀。Ireri等[10]提出了一種基于單色相機和Arduino微控制器設計的番茄分揀系統，通過顏色和紋理分類識別缺陷，結果表明，該識別方法的總體檢測精度為0.989。Manish等[11]提出了一種加工零件表面粗糙度和缺陷檢測的圖形方法。利用采集的直方圖分析得出不同磨削零件的表面特征，根據灰度強度變化的分布區分表面紋理的差異。Nashat等[12]提出了一種餅干裂紋自動檢測方案，使用單模態閾值技術，利用支持向量機（SVM）對餅干裂紋圖像進行分類，結果表明，分類的正確率超過97%。

以上是機器視覺技術在缺陷識別中的應用，解決了從目標圖像中找出缺陷的問題。在紙塑復合袋的生產過程中，會對所有的紙塑復合袋進行拍照采集。隨著生產速度的提升，所采集的圖片數量越來越多，若對所有紙塑復合袋圖像進行處理，將會消耗大量不必要的時間。如何從所有采集到的紙塑復合袋照片中快速篩選出具有缺陷的照片是一個需要考慮的問題。

為了快速篩選出紙塑復合袋的缺陷圖像，需要找出缺陷圖像與正常圖像的差異點。經過實踐發現，紙塑復合袋圖像中的缺陷區域和背景區域存在灰度差，缺陷區域的梯度幅值較大。由此得出，可以通過對比正常圖像的梯度幅值差異來判斷是否存在缺陷，從而篩選出具有缺陷的圖像。

首先，利用工業相機采集目標圖像。由于相機自身和外界環境會對采集圖像產生噪聲信息，因此在進行圖像篩選前需要對圖像進行預處理，以提高圖片目標區域的辨識度。常見圖像預處理算法包括均值濾波、中值濾波、高斯濾波等。針對紙塑復合袋缺陷圖像的去噪，經過預處理后發現，采用均值濾波和中值濾波的去噪效果較差，處理后的圖像模糊，細節丟失嚴重，而采用高斯濾波算法的去噪效果較好，缺陷邊緣細節保留完整。圖像篩選需滿足實際生產中實時檢測的要求，目前大多采用差影法[13-15]。由于紙塑復合袋表面本身存在一定的色差，再加上生產環境光照的影響，各紙塑復合袋表面成像的灰度值整體上存在差異。當缺陷與紙塑復合袋表面背景的灰度值較為接近時，則難以被差影法檢測出，易造成缺陷漏檢。針對差影法在對紙塑復合袋表面缺陷圖像篩選中的不足，且缺陷區域比正常區域具有更明顯的圖片梯度信息，文中提出一種紙塑復合袋表面缺陷圖像的梯度投影差值篩選方法。

梯度投影差值篩選方法根據梯度幅值圖像來分別計算其水平投影和垂直投影，并計算圖像各行、各列像素灰度平均值。由于紙塑復合袋表面缺陷圖像的缺陷區域和背景區域存在灰度差，表面缺陷圖像的梯度幅值會較大，可用梯度幅值圖像水平和垂直方向投影均值曲線直觀地衡量圖像梯度。利用梯度幅值圖像投影均值的最大值減去最小值，可以得出梯度投影均值的差值。通過比較差值與閾值，可以判斷是否存在缺陷。采集到的紙塑復合袋表面缺陷圖像包含豐富的梯度信息，根據各類缺陷梯度信息的不同，可以篩選出缺陷，因此采用梯度投影差值的方法對紙塑復合袋缺陷圖像進行檢測，可以彌補差影法在紙塑復合袋檢測時容易漏檢的問題，從而提高檢測效率。

1 紙塑復合袋表面缺陷圖像篩選方法

1.1 梯度幅值圖像的投影理論

梯度幅值可以由式（2）來計算。

如圖1所示，近似計算中心像素(,)的方向和方向的偏微分，如式（3）—（4）所示。

(3)

(4)

索貝爾算子主要用作邊緣檢測，它是離散性差分算子，用來運算圖像亮度函數灰度的近似值。在圖像的任何一點使用此算子，將會產生對應的灰度矢量或法矢量。

利用紙塑復合袋梯度幅值圖像得到的信息，計算圖像中的水平投影、垂直投影和圖像的像素灰度平均值。

1.2 基于梯度投影差值的圖像篩選流程及其實現

紙塑復合袋表面缺陷圖像篩選流程見圖2。

圖2 缺陷圖像篩選流程

紙塑復合袋外表面圖片的梯度幅值投影見圖3，圖3中第1列為紙塑復合袋采集到的原圖。由圖3c可知，表面正常圖像梯度投影均值曲線變化小，灰度值波動范圍小，無明顯灰度變化，而表面缺陷圖像其梯度投影均值曲線存在明顯灰度突變，因此可以依據紙塑復合袋表面圖像梯度投影均值曲線的“山峰”高度，篩選出紙塑復合袋表面缺陷圖像。

梯度投影均值曲線的“山峰”高度可以用梯度投影均值的差值來衡量，其計算過程見式（10）—（12）。

式中：()為梯度幅值圖像水平投影均值； max[()]為最大值；min[()]為最小值。

式中：()為梯度幅值圖像垂直投影均值；max[()]為最大值；min[()]為最小值。

和中的較大值為梯度投影均值的差值。

= max(,) (12)

設置梯度差值閾值，當大于時，判斷這張表面圖像是表面缺陷圖像，否則為表面正常圖像。

圖3 紙塑復合袋表面圖像的梯度幅值投影

2 篩選結果對比分析

2.1 圖像篩選結果的分析

為了確定篩選準則，依據文中提出的篩選方法對每類200張（350像素×350像素）圖像進行實驗，表面缺陷圖像梯度投影差值和表面正常圖像的梯度投影差值的統計結果見圖4。

由圖4可知，當圖像梯度投影差值閾值設置在0.014 6～0.018 9內時，可以判斷表面圖像是否為表面缺陷圖像。

2.2 定量的比較與分析

取圖像梯度投影差值閾值=0.016 3，對6類紙塑復合袋表面圖像的每類100張圖像樣本進行測試，并與差影法比較，測試結果見表1，文中提出的紙塑復合袋圖像篩選方法用GD表示。

從表1可以看出，與差影法相比，GD法取得了更好的篩選結果，篩選正確率為99.5%，篩選正確率提高了約10%，篩選圖像的速度也有所提高，單張表面圖像的平均判斷時間僅為0.058 37 s。故采用GD法可以提高篩選紙塑復合袋表面圖像的效率，加快檢測速度，提高檢測精度。

圖4 紙塑復合袋表面圖像梯度投影差值

表1 紙塑復合袋表面缺陷圖像篩選測試結果

Tab.1 Surface defect image screening test result of paper-plastic composite bag

3 結語

以紙塑復合袋缺陷圖像為研究對象，通過提出的新方法解決了缺陷圖像篩選精度差、效率低的問題，實現了對紙塑復合袋表面缺陷的快速篩選。

1）分析了紙塑復合袋幾種常見的缺陷特征，通過比較原始圖像和不同方法預處理后的圖像信息，根據峰值信噪比和算法處理時間的定量分析后發現，高斯濾波法的處理效果較好，同時運算速度也較快，因此確定高斯濾波為圖像降噪算法。

2）將常規圖像篩選方法用于紙塑復合袋缺陷檢測時，由于紙塑復合袋的表面圖像與背景的灰度值差異不大，缺陷圖像難以被差影法檢測，檢測誤差較大，因此不適用于紙塑復合袋表面缺陷檢測。

3）提出了一種新的圖像篩選方法，該方法基于圖像的梯度投影差值信息，選擇以水平投影的像素灰度值和垂直投影的像素灰度值來描述缺陷圖像的紋理特征。通過比較缺陷圖像與正常圖像的投影差值，可以快速、準確地篩選出缺陷圖像，且對紙塑復合袋的破皮、孔洞和臟點等均具有較好的篩選效果。實驗證明，所提出方法的篩選正確率為99.5%，相較于差影法，提高了約10%。

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Gradient Projection Difference Screening Method for Surface Defect Image of Paper-plastic Composite Bag

YAN Guo-ping1, LI Jing1, ZHONG Fei1,2, WU Shi-ran1, YANG Xiao-jun1

(1. School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2. Xiangyang Industry Research Institute, Hubei University of Technology, Hubei Xiangyang 441100, China)

The work aims to propose a surface defect image screening method for paper-plastic composite bag based on gradient projection difference, so as to solve the problem of low efficiency and poor accuracy in defect image screening. Firstly, the image of paper-plastic composite bag was acquired and the gradient magnitude image was obtained by Sobel operator function. Then, the information of the acquired gradient magnitude image was calculated by the horizontal projection and vertical projection calculation formula, and the average value of horizontal projection and vertical projection of the image was derived. The difference in average value of gradient projection was analyzed according to the feature of abundant gradient information in the acquired defect image, and the threshold value was calculated according to the image information. The screening of the image was completed by comparing the projection difference and the threshold value. For the acquired defect image, when the threshold value of projection difference was set in the range of 0.014 6 to 0.018 9, the image of surface defect could be screened. Compared with the differential shading method, the screening correct rate of this method was improved by 10% and the image screening time was accelerated by 1.5 s. The gradient projection difference method proposed has the advantages of high correct image screening rate and fast screening speed compared with the differential shading method, which can meet the needs of image screening in industrial production.

paper-plastic composite bag; defect detection; image screening

TB487；TP391

A

1001-3563(2022)19-0303-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.19.037

2021–10–28

湖北省技術創新專項（重大專項）（2018AAA026）；湖北省支持企業技術創新發展項目（2021BAB010）

嚴國平（1978—），男，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為機械設計與仿真、包裝工程設計。

責任編輯：彭颋