用于光学薄膜缺陷检测的快速图像分割算法
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第２ ８卷 第 １ ０期
２ ０１ １年 １ ０月
机
电
工
程
Ｖ０ ． Ｎｏ．１ １２８ ０
０（ ． ２ ： ｔ ０１１
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｃ ａ ｉａ ＆ Ｅ ｅ ｔ ｃ ｌＥ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｏ ｒ ａ ｆＭｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｌ ｃｒ ａ ｎ ｉｅ ｒｎ ｉ
用 于 光 学 薄 膜 缺 陷 检 测 的 快 速 图像 膜 缺 陷在 线检 测 中 ， 陷尺 寸极 小 ， 集 缺 采 到 的 图像 中 的缺 陷 与 背景 灰 度 级 差 极 小 ， 以确 定 合 难 适 的分 割 阈值 。实 现 光 学 薄膜 缺 陷检 测 ， 择 合 适 的 选 图像分 割 阈值 至关 重要 ， 阈值选 取 过大 ， 陷被误 判 若 缺 为背景 ， 导致 缺 陷漏检 ； 之 ， 阈值 选取 过 小 ， 分 会 反 若 部
进行 连续 多次 测量 ， 差 的大小 与符 号不 变 ， 误 或者 服从
一
了一 种基 于 图像 平 均 灰度 值 的 阈值 分 割 算 法 ， 够对 能
前景 与背 景进 行 有效 的分 离 。Ｋ ｐ ｒ 人 ａｕ 等 提 出 了 最大 熵 阈值 的分割 方法 ， 由于熵涉 及 到对数 的运 算 ， 时
ａ ｅ ｉ ｏ ｒ ｙ ｌｖ ｌｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ，ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｒｏ ｏｒ ｃｉｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｋ ｒ ｕ ｄ ｓ ｂｒ ｃ ｉｎ ａｇ ｒ ｈ ，ａ ｎ ｖ ｌｉ ｇ ｅ ｍｅ ｔｔ ｎ ｇ ｓ ｗ ｔ ｌ ｗ ｇ ａ ｅ ｅ ｉ ｅｅ ｃ ｓ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｅ ｒｃ ｒｅ ｔ ｈ ｏｙ ａ ｄ ｂ ｃ ｇ ｏ ｎ ｕ ｔａ ｔ ｌ ｏ ｉ ｍ ｈ ｏ ｏ ｔ ｏ ｅ ｍａ ｅ ｓ ｇ ｎ ａ ｉ ｏ
粗大 误差是 由于观 察 操 作 人 员 的粗 心 大 意 、 备 设 故 障 或环境 突变 而 造 成 的 误差 。 由于操 作 人 员 不 慎 ， 使 得 相机 、 光源 与薄 膜之 间 的最 佳 相对位 置发 生偏 移 ， 或是 光源发 生 了激 烈 的 衰减 ， 致 了像 素 灰度 值 的剧 导 烈 跳 变 。当薄膜 的运 动 速 度 超 出 了设 计 范 围 ， 曝光 时
背景 被错 判 为缺 陷 ， 会导致 正 常产 品误 判 。 目前 ， 图 对
收 稿 日期 ：０ 】 ） ２ Ｉ 一【 ３—２ ２
值 滤 波 、 度拉 伸 、 方 图 分 析确 定 分 割 阈值 的方 法 ， 灰 直 实现 对 聚 乙 烯 薄 膜 的 缺 陷 检 测 。ＪｎＪ ｎ ｎ ｉ－ｉ ｇ Ｗａ ｇ等 ａ 人 通 过平 滑 滤 波 、 方 图分 析 ， 直 由双 峰 法 确 定 分 割
背 景 灰 度 级 差 极 小 而 导 致 的 分 割 困难 ， 现 光 学 薄 膜 缺 陷 的快 速 检 测 。 实 关 键 词 ： 差 修 ； 误 光学 薄膜 ； 陷 检 测 ； 像 分 割 缺 图 中 图 分 类 号 ： Ｐ４ ；Ｈ ４ Ｔ ２ ２ ７ ４ Ｆ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １ ４ ５ （ ０ １ １ Ｏ一） １０ — ５ ｌ２ １ ）０—１７ （ Ｉ ６
钟球 盛 ， ２ 李静 蓉 ， 广 华 ２ 胡
（ ． 南理工 大学 机 械 与汽 车工 程学 院 ， １华 广东 广 州 ５０４ ；． 州南 沙 华卓化 工 有 限公 司 ， 东 广州 ５ １５ ） １６０２ 广 广 １４ ８
摘要 ： 为减少光学薄膜缺陷 的漏检 和误判 ， 提高检测 的快 速性 ， 出了一种基 于误 差修 正理论的 图像 分割算法 。该算 法接受 带有 随 提 机误差 的背景 图像 ， 以各像素点灰度值残余 误差 与标准差 的偏 离程度作 为分割依 据 ， 片 最终将 缺陷检 测转化 为粗 大误差 判别 。该 算法使每 个像素点都具 有一个 自动更新 的最佳分割 阈值 ， 可改善全局或局部 阈值 分割不彻底 的缺点 。由于在系统初 始化 阶段标准 均值背景 图像 已构 建完毕 ， 正常检测过程 中仅需 一次减法运算 即可完成缺 陷的分离 ； 只有 当背景 图像 灰度 变化积 累到一定程度 时 ， 才需要更新标准均 值背 景图像和标准差 ， 因而算 法总体运算量极小 。实验结果表 明 ， 该算法能有效抑 制 图像 噪声 ， 克服 由于 ｝标 与 ＝ ＝ ｊ
Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｒｏ ｏ ｒ ｃｉｎ；ｏ ｔｃ ｌｆｌ ；ｄｅ ｃ ｎ ｐ ｃｉ ｎ；ｉ ａ ｅ ｓ ｇ ｎ ａｉｎ ｅ ｒ ｒｃ ｒｅ ｔｏ ｐ ｉａ ｉｍ ￣ ｔｉｓ ｅ ｔｏ ｍ ｇ ｅ ｍｅ ｔｔｏ
像 分 割算 法 的研 究较 多 。Ｐ ａ ｇ 人提 出 由 中 ．Ｇ ｍａｅ’ 等
ａｇ ｒｔｍ ｓｐ ｏ ｓ ｄ．Ｔｈ ｌｏ ｉｈｍ ｎｖ ｒｓｄ ｆ ｃｓｉ ｓ ｃｉｎ ｔ ｒ ｓ ｒｏｓｅｓｉ ｔｏ ｃ ｏ ｄｉｇ ｔ ｈ ｐ ｒｕ ｅｄｅ ｒ ｅ ｏ ｅ ｉ ｕａ ｒ ｌ ｌｏ ｉｈ ｗａ ｒ ｐｏ ｅ ｅ ａｇ ｒｔ ｃｏ ｅｔ ｅ ｅ ｔ ｎ ｐｅ ｔ ｏ ｇｏ ｓｅ ｒｒ ｔｍａｉ ｎ ａ ｃ ｒ ｎ ｏｔ ｅｄｅ ａ ｔ ｒ ｇ ｅ ｆｒ ｓｄ ｌｅ ｎｒ ｏ ｆ（ｌ ｓａ ｄａ￣ ｄ ｖ ａｉｎ，ａ ｒ ｓｗｅｌｅ ｅ ｎ ｔ ｅ ａ ｅ ｏ ｏ ｉ ｒｂｌ ｎｅ ｔｂ ｅ ａ ｏ ｅ ｏｒ ｘ ｓｉ ｇ ｉ ｈ ｉ ｇ ｓ Ｍ ｏｅ ｖ ｒ ｓｎ ｅ ｒ）ｌ ｔ ｎ ｒｔ ｅ ｉｔｏ Ｉ ｎｄ ｗｏ ｋ ｌ ｖ ｎ ｉ ｈ ｃ ｓ ｆｃ ｎｓｄｅ ａ ｅ ｉ ｖｉ ｌ ｒｎｄ ｍ ｒ ｓ ｅ ｉｔｎ ｎ ｔ ｅ ｍａ ｅ ． ａ ｒｏ ｅ ． ｉｃ ｓ ｔ ｒｃｔ ｎ ｏ ｅ ａｉ ｎ ａ ｄ ｔｎｇ ｏ ａｃ ｒ ｎ ｍ ａ ｅ ｎｅ ｄ ｏ ｌ ｏ ｂ ｏ ｅ ｏ ｅ，ｔ ｌｏｒｔ ｕ￣ ａ ｉ ｐ ｒ ｔｏ ｎｄ ｕｐ ａ ｉ ｆｂ ｋｇｏｕ ｄ ｉ ｇ ｅ ｎｙ ｔ ｅ ｄ ｎ ｎｃ ｔ ｏ ｈｅａ ｇ ｉ ｈｍ ｓｑ ｉｅ ｅｆｃ ｅ ｔａ ａ ｈ ｐ ｘ ｌ ｂ ｓ ｉ ｕ ｔ ｆ ｉ ｎ ｎｄ ｅ ｃ ｉｅｌｗｉｌ ｅ ａ — ｉ ｓｇ ｅ ｕ ｉｄｅ ｅ ｄｅ ｔｓ ｇ ｅ ｔｔｏ ｈ ｅ ｈｏｄ ａ ｏ ｔｃ ｌｙ Ｔｈ ｘ ｅ ｉ ｅ ｔｌｒｓ ｌｓｉ ｄｉａｅ ｔ ｔｔ ｏ ｓ ｄ ａｇ ｒｔ ｉｎ ｄ ａ ｎ ｐ ｎ ｎ ｅ ｍ ｎａ ｉｎ ｔ ｒ ｓ ｌ ｕｔｍａ ｉａｌ ． ｅ ｅ ｐ ｒｍ ｎａ ｅ ｕ ｔ ｎ ｃ ｔ ｈａ ｈｅｐｒｐｏ ｅ ｌ ｏｉｈｍ ａ ｘｒ ｃ ｈ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔａ ｔｔ ｅ ｄ — ｆｅ ｅ ｉｎ ｒ ［ｄｌ ｎｄ ｃ ｍｐｌｔｌ ． ｅ ｔｒ ｇｏ ａｆ ｙ ａ ｏ ｉ ｅｅ ｙ
本研 究把 误差 修正 理论 引入 到光 学薄膜 缺 陷 的检
测领域 ， 与现有 的 图像分 割算 法相 比较 ， 这种 被提 出 的 算法 可 以克服 由于 前景 与背景 灰度 级差 极小 且缺 陷几 乎淹 没在 背景 当 中而 导致 的 图像 分 割 的 困难 ， 可实 现 图像 中缺 陷 区域 的快速完 整分 割 ， 具有 较强 的实 用性 ， 并在 同类 图像 分割 方面 的应用 具备 一定 的重 用性 。
第 １ ０期
钟球盛 ， ： 于光学薄膜缺 陷检 测的快速图像分割算法 等 用
变时 ， 传统 背景 差分 算法 才有 效 ， 而并 不适用 于 背景 图
像发 生缓 慢 或 激 烈 变 化 的 场 合 。曹 丹 华 等 人 提 出
系统 误差 是指 在 相 同 测 量条 件 下 ， 同一 被 测 量 对
定 的函数规 律 的变 化 。在 图像 采 集 的部 分 ， 薄 膜 从
的运 动 到编码 器 的信 号 ， 控 制 器 的控 制 信 号 到 相 机 从
的触 发 ， 光 源 到薄膜 ， 薄膜 到镜 头 ， 镜 头 到 相 机 从 从 从
间开 销 大 ， 以满 足 实 时性 的要 求 。Ｎ Ｏｓ 难 ．ｔ ｕ等人
当， 当前 背景 与标 准 背 景 之 间 存 在 的定 值 差 异 等 等 。 以上 渐变 与不 变 的特定 因素 构成 了复杂 的 图像像 素灰
度值 的系统误 差 ， 测量 的结 果产 生不 良的影响 ， 对 故需
要建 立起 误差 修正 模 型 ， 它从 测 量 结 果 中分 离并 修 将 正 。本研 究使 用 当前 背 景 图像 修 正 “ 时 ” 过 的标 准 背 景 图像 ， 实现 系统误 差 的修正 。
（ ． ｃ ｏ Ｉｏ ｃ ａ ｉａ １ Ｓ ｈ ｏ ｆＭｅ ｈ ｎｃ ｌ＆ Ａｕｏ ｔ ｅ Ｅ ｇｎ ｅ ｉｇ，Ｓ ｕｈ Ｃ ｉａ Ｕｎｖ ｒｉ ｆＴ ｃ ｎ ｌｇ ． ａ ｇｈ ｕ ｔｍｏｉ ｎ ｉｅ ｒ ｖ ｎ ｏ ｔ ｈｎ ｉｅｓｔ ｏ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｇｕ ｎ ｚ ｏ ｙ
基 金 项 目 ： 央高 校 基 本科 研 业 务 费 专项 资 金 资助 项 目（ ０９ Ｍ０ ４ ） 中 ２０ Ｚ ０ ３ 作 者 简 介 ： 球 盛 （９ ３一），男 ， 尔江 门人 ， 钟 １８ 广 主要 从 事 机 器 视 觉 方 面 的研 究 工 作
通 信 联 系人 ： 胡 华 ， ， 男 博士 ． － ａｌｇ ｈ＠ ｓｕ． ｄ ．ｎ Ｅ ｍ ｉ ｈｕ ｃ ｔｅ ｕ 【 ：
Ｅｆ ｃ ｅ ｍ ａ ｅ ｓ ｇ ｅ ｔ ｔｏ ｌ ｏ ｉｈ ｏ ｅ ｅ ｔｉ ｓ ｅ ｔｏ ｆ ｏ ｔｃ ｌｆｌ ｓ ｉ ｆ ｉｎｔｉ ｇ ｅ ｍ ｎ ａ ｉ ｎ ａ ｇ ｒ ｔ ｍ ｆ ｒ ｄ ｆ ｃ ｎ ｐ ｃ ｉ ｎ ｏ ｐ ｉ ａ ｍ ｉ
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阈值 ， 薄膜 缺陷 图像 实现 简单 而有 效 的分割 。但 是 ， 对
只有 当前 景与 背景 有很 大灰 度级 差 异且 直方 图表 现 出
明显 的双 峰时 ， 峰法才 奏效 。Ａ．Ｋ ａｉ 人 －１ 双 ｈｌａ等 ｆ ４阐
述 的背景差 分算 法 适 用 范 围 比较 窄 ， 当背 景 恒 定 不 仅
研究 了最 大类 间方 差 的分割 方法 。
的采 集 ， 以上 每一个 环 节 都 有 可 能 由 于信 号 传 递 或 者
是机 械传 动 而引 入 系统 误 差 。例 如 ： 源 按 一 定 规 律 光 缓慢 衰 变 ； 械装 置发 生缓 慢 的相对位 移 ； 阵相机 内 机 线 部 Ｃ Ｄ元 件 的缓 慢 老化 ； Ｃ 甚至 标准 背景 图像 的选 择不
２ ０１ １年 １ ０月
机
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用 于 光 学 薄 膜 缺 陷 检 测 的 快 速 图像 膜 缺 陷在 线检 测 中 ， 陷尺 寸极 小 ， 集 缺 采 到 的 图像 中 的缺 陷 与 背景 灰 度 级 差 极 小 ， 以确 定 合 难 适 的分 割 阈值 。实 现 光 学 薄膜 缺 陷检 测 ， 择 合 适 的 选 图像分 割 阈值 至关 重要 ， 阈值选 取 过大 ， 陷被误 判 若 缺 为背景 ， 导致 缺 陷漏检 ； 之 ， 阈值 选取 过 小 ， 分 会 反 若 部
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了一 种基 于 图像 平 均 灰度 值 的 阈值 分 割 算 法 ， 够对 能
前景 与背 景进 行 有效 的分 离 。Ｋ ｐ ｒ 人 ａｕ 等 提 出 了 最大 熵 阈值 的分割 方法 ， 由于熵涉 及 到对数 的运 算 ， 时
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粗大 误差是 由于观 察 操 作 人 员 的粗 心 大 意 、 备 设 故 障 或环境 突变 而 造 成 的 误差 。 由于操 作 人 员 不 慎 ， 使 得 相机 、 光源 与薄 膜之 间 的最 佳 相对位 置发 生偏 移 ， 或是 光源发 生 了激 烈 的 衰减 ， 致 了像 素 灰度 值 的剧 导 烈 跳 变 。当薄膜 的运 动 速 度 超 出 了设 计 范 围 ， 曝光 时
背景 被错 判 为缺 陷 ， 会导致 正 常产 品误 判 。 目前 ， 图 对
收 稿 日期 ：０ 】 ） ２ Ｉ 一【 ３—２ ２
值 滤 波 、 度拉 伸 、 方 图 分 析确 定 分 割 阈值 的方 法 ， 灰 直 实现 对 聚 乙 烯 薄 膜 的 缺 陷 检 测 。ＪｎＪ ｎ ｎ ｉ－ｉ ｇ Ｗａ ｇ等 ａ 人 通 过平 滑 滤 波 、 方 图分 析 ， 直 由双 峰 法 确 定 分 割
背 景 灰 度 级 差 极 小 而 导 致 的 分 割 困难 ， 现 光 学 薄 膜 缺 陷 的快 速 检 测 。 实 关 键 词 ： 差 修 ； 误 光学 薄膜 ； 陷 检 测 ； 像 分 割 缺 图 中 图 分 类 号 ： Ｐ４ ；Ｈ ４ Ｔ ２ ２ ７ ４ Ｆ 文 献 标 志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ １ ４ ５ （ ０ １ １ Ｏ一） １０ — ５ ｌ２ １ ）０—１７ （ Ｉ ６
钟球 盛 ， ２ 李静 蓉 ， 广 华 ２ 胡
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摘要 ： 为减少光学薄膜缺陷 的漏检 和误判 ， 提高检测 的快 速性 ， 出了一种基 于误 差修 正理论的 图像 分割算法 。该算 法接受 带有 随 提 机误差 的背景 图像 ， 以各像素点灰度值残余 误差 与标准差 的偏 离程度作 为分割依 据 ， 片 最终将 缺陷检 测转化 为粗 大误差 判别 。该 算法使每 个像素点都具 有一个 自动更新 的最佳分割 阈值 ， 可改善全局或局部 阈值 分割不彻底 的缺点 。由于在系统初 始化 阶段标准 均值背景 图像 已构 建完毕 ， 正常检测过程 中仅需 一次减法运算 即可完成缺 陷的分离 ； 只有 当背景 图像 灰度 变化积 累到一定程度 时 ， 才需要更新标准均 值背 景图像和标准差 ， 因而算 法总体运算量极小 。实验结果表 明 ， 该算法能有效抑 制 图像 噪声 ， 克服 由于 ｝标 与 ＝ ＝ ｊ
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的运 动 到编码 器 的信 号 ， 控 制 器 的控 制 信 号 到 相 机 从
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要建 立起 误差 修正 模 型 ， 它从 测 量 结 果 中分 离并 修 将 正 。本研 究使 用 当前 背 景 图像 修 正 “ 时 ” 过 的标 准 背 景 图像 ， 实现 系统误 差 的修正 。
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阈值 ， 薄膜 缺陷 图像 实现 简单 而有 效 的分割 。但 是 ， 对
只有 当前 景与 背景 有很 大灰 度级 差 异且 直方 图表 现 出
明显 的双 峰时 ， 峰法才 奏效 。Ａ．Ｋ ａｉ 人 －１ 双 ｈｌａ等 ｆ ４阐
述 的背景差 分算 法 适 用 范 围 比较 窄 ， 当背 景 恒 定 不 仅
研究 了最 大类 间方 差 的分割 方法 。
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是机 械传 动 而引 入 系统 误 差 。例 如 ： 源 按 一 定 规 律 光 缓慢 衰 变 ； 械装 置发 生缓 慢 的相对位 移 ； 阵相机 内 机 线 部 Ｃ Ｄ元 件 的缓 慢 老化 ； Ｃ 甚至 标准 背景 图像 的选 择不