图像处理技术在铝合金锭气缩孔检测中的应用

孙新明1，莫锦秋1，俞启荣2

(1.上海交通大学机械与动力学院，上海200030；2.上海皮尔博格有色零部件有限公司技术部，上海200062)

摘要：论述图像处理技术的发展，及其在压铸行业中的应用———利用图像处理技术进行检测、管理和控制压铸生产。“铝合金锭气缩孔自动检测系统”是依据图像处理技术，使用VB编程语言设计的1套检测铝合金锭及铸件切面气缩孔分布状况的应用软件。

关键词：压铸；气缩孔检测；VisualBasic；图像处理技术

　图像分辨与识别技术在近几年发展相当迅速，并广泛应用于工业、广告、气象、勘探、刑侦、公共管理、艺术、医技等各行各业。

铸件中存在气缩孔对铸件的使用性能会产生不利影响，严重时甚至造成不良后果，应尽量避免，但是1.5和4%到底有多大?在铸件剖面上靠目测是无能为力的?因此需要寻找1种准确度量气缩孔大小、多少、弥散程度的方法。

运用图像处理技术检测气缩孔是1种较好的解决方案。运用图像处理技术可以识别出气缩孔边界，采取一定的算法可以使气缩孔特征从机体中显现出来；运用图像处理技术可以在1张低倍照片上测量出点到点的距离。利用计算机算法语言结合图像处理技术可以设计出“铝合金锭气缩孔自动检测系统”，可以快速、准确地完成气缩孔状态判别。

1　系统方案

1.1　系统工作原理

图像可分为2大类：位图和矢量图。矢量图的特点是，绘画程序中物体定位、形体构造建立在以数学方式记录构件(图形元素)的几何性质上，例如直线、曲线、圆形、方形的形状大小。适合于以线条特体定位为主的绘制，通常用于计算机辅助设计(CAD)和工艺美术设计等。位图以记录屏幕上图像的每1个白或彩色的象素来反映图像。每1个象素有特定的位置和颜色值。适用于具有复杂色彩、明度多变、虚实丰富的图像。我们进行图像处理，一般选择位图，因为位图可以看成是点的矩阵(简称点阵)，易于实现计算机编程。

图1　系统方框图

1.2　需要的硬件设施

(1)1套专用夹具，用来夹持被测试样；(2)使用无频场光源，消除光线干扰对检测结果的影响；(3)1套带USB接口的计算机；(4)选购30万像素以上的CCD摄像头；(5)实验室常用试样低倍照片制备设备。

1.3　软件设计

软件使用VB6.0编制，界面设计成Windows风格，在主程序窗口完成图像处理的一系列工作，各个阶段图像的变化直观地在屏幕上显示。完成处理后，输出结论并存储结论到数据库，软件是系统的关键，系统性能的好坏主要在编程算法上。

2　关键技术

2.1　摄像头的选型

摄像头的关键部件是感光器件，当前摄像头领域中主要就是CCD和CMOS2种器件。CCD(ChargeCoupledDevice)具有成像灵敏度高、抗震动、体积小等优点。摄像头有2个重要指标，它们是像素值和分辨率。像素值越高就意味其产品的解析图像能力越强。当前主流产品的像素值一般在30～35万，分辨率是摄像头辨别图像的能力。目前，摄像头所给出的分辨率一般为640×480，对于一般气缩孔的检测(宏观)，该类摄像头可以胜任。

2.2　图像预处理

图像预处理包括图像的灰度处理、中值滤波、二值化。为了方便处理，将拍摄的照片转化成256级灰度照片。很多图像处理软件都有灰度变换的功能。采用中值滤波的方法，消除图片中的各种干扰信号。图片中特别小的针孔也要进行滤波操作，得到目标明确的灰度照片。中值滤波是1种既能过滤噪声又能很好地保护边缘轮廓信息的增强方法，对于消除孤立点的干扰十分有效。

图像二值化就是选择1个灰度阈值，然后将每个像素灰度和他进行比较，超过阈值的重新分配以最大的灰度(例如255)，低于阈值的分配以较小的灰度(例如0)，这样就组成了1个新的二值图像。

用方程式描述如下：

式中　f(x，y)———图片上任1点的灰度值；

G(x，y)———处理后该点的新灰度值；

T———需要确定的灰度阈值，最合适阈值可用试验方法获得。

经过上述一系列的图像转换后，就得到1张特征明显、层次分明、便于分析计算机的黑白图像。

2.3　提取气缩孔特征

气缩孔数、气缩孔率、最大气缩孔直径、气缩孔分布间距4个指标度量切面上气缩孔，这部分内容是本软件的核心部分，算法的选取关系到软件处理速度和处理精度。

(1)计算气缩孔率

计算气缩孔率即计算机气缩孔面积占观察区域面积的百分比，是从整体上度量气缩孔严重程度的重要指标。在VB中采用循环指令，按行列扫描图像依次对每个像素进行判别，灰度为0的(黑孔)像素点颜色值设为红色并进行累加计数，遍历整幅图片后，得到总的红色点数n，则算出针孔面积和图片面积的比值p%，即气缩孔率：

p%=n/A

式中　A———扫描图片的分辨率(行像素数×列像素数)。

(2)计算气缩孔数

计算气缩孔数就是算出图片中独立气缩孔的个数，它是别离散性气缩孔的重要依据。采用改进的轮廓跟踪法(又称爬虫法)识别出图像中各气缩孔的边界，用显亮线圈出，每个气缩孔即就形成1个封闭环，记录封闭环的个数m，m即气缩孔的数量。

(3)计算气缩孔最大直径

计算最大气缩孔就是找到图片中面积最大地气缩孔的直径，是判断集中性气缩孔的重要依据。依次选取每个封闭环为目标，使目标对象在坐标系中逐步旋转，每次3度，总共旋转90°。每当目标对象旋转1次，便对它的边界x，y轴拟合1个外切矩形，并求出在旋转90°过程中，具有最小面积的拟合矩形，此矩形的长边便是目标对象的当量直径。计算完m个封闭环后，取最大直径为图片中气缩孔的最大直径。

采用工程近似，假设气缩孔的形状都为近似圆形，利用上面求得的封闭环周长，转换为封闭环的直径。可减少计算量。

(4)计算气缩孔分布间距

计算气缩孔的分布间距就是计算图片中气缩孔之间的平均距离，是1种度量气缩孔弥散程度的方法。任取1个封闭环边界上的点作为起始点，按纵向(或横向)扫描，计算与其他封闭环边界象素点的距离，计入变量，再选另1封闭环，进行上述计算，直到遍历所有m个封闭环，计算平均值，即为气缩孔分布平均间距。采用工程近似的方法，使用封闭环边界点坐标作为计算距离的起始点。求取的平均距离与实际值较接近，精度较高。当铝合金锭机体中存在很大的集中性气缩孔时，检测结果误差较大。

4　结论

系统计算出4个指标的量值，设立加权因子，使用者可以合理调节4个指标的加权因子，得到1个气缩孔的综合指标。

该系统优点在于处理速度快，系统的重复性好，操作方便。缺点是由于采用近似算法，在遇到一些特殊的气缩孔时，得到的结果与实际有较大的误差，这是需要改进的方面。