姜維

中國汽車工業(yè)工程有限公司 天津市 300113

1 引言

汽車行業(yè)本就是自動化程度較高的產(chǎn)業(yè)，但是目前的工業(yè)4.0和日益上漲的人力成本給汽車企業(yè)提出了更高的要求，數(shù)字圖像處理在快速、高效的完成汽車涂裝生產(chǎn)和涂裝生產(chǎn)過程中的缺陷檢測方面有顯著優(yōu)勢。另外為實現(xiàn)高節(jié)奏的生產(chǎn)過程中，高速運轉(zhuǎn)的設(shè)備故障預(yù)警，數(shù)字圖像處理也提供了可行的解決方案。

2 數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)

提到數(shù)字圖像處理，首先要明確什么是數(shù)字圖像。一幅圖像可以定義為一個二維函數(shù)f（x，y），其中x和y是空間（平面）坐標(biāo)，而任何一對空間坐標(biāo)（x，y）處的幅值f稱為圖像在該點的強(qiáng)度或灰度。當(dāng)X，Y和灰度值f是有限的離散數(shù)值時，我們稱該圖像為數(shù)字圖像。有了數(shù)字圖像，我們可以對數(shù)字圖像進(jìn)行處理，對數(shù)字圖像處理可以分為初級處理、中級處理、高級處理三種方式，初級處理就是對圖像進(jìn)行簡單的處理，例如我們平時用的ps和相機(jī)美顏功能，都可以理解為對數(shù)字圖像進(jìn)行了初級處理，這種處理輸入的是圖像（原圖），輸出是處理過的圖像（例如PS過的圖像）。中級處理，在初級處理的基礎(chǔ)上，輸入的是圖像，輸出的則是從圖像處理中得到的信息，例如小區(qū)停車場的攝像頭，拍攝車牌號的圖像，在圖像中提取出車牌號信息，與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行比對，從而實現(xiàn)身份進(jìn)入、停車

計時等功能。最后，高級處理就涉及到計算機(jī)自主學(xué)習(xí)的功能，例如對車身表面噴涂質(zhì)量的檢測，就屬于對數(shù)字圖像的高級處理。詳細(xì)應(yīng)用將在下文闡述。

3 數(shù)字圖像處理在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 自動車型的識別

在汽車涂裝工藝中，針對不同的車型，設(shè)備需要設(shè)定不同的工藝參數(shù)，例如前處理自動加藥的加藥量，電泳的電壓，噴涂機(jī)器人的軌跡等等。針對這一應(yīng)用，目前汽車廠大部分使用光電開關(guān)，針對不同車型的特征點進(jìn)行檢測，這種方式的有點在于成本低，一般一到兩個光電開關(guān)就可以檢測2-3種車型，但是這種檢測方式的缺點在于它檢測的車型必須有明顯的特征點或者尺寸差別，這樣才能完成車型的識別。而針對尺寸差別不大或者沒有明顯特征點的車型，光電開關(guān)就無能為力了。這時就該數(shù)字圖像處理出馬了。我們在固定位置拍照，我們把目標(biāo)也就是車身標(biāo)為1，把背景標(biāo)為0，我們設(shè)定每個車型的1和0邊界，通過計算機(jī)內(nèi)部算法對圖像進(jìn)行邊界判定，這樣就可以根據(jù)1和0的邊界樣式識別出是哪種車型。以上的方法是界定邊界法。或者，我們可以使用另一種方法——骨架法。骨架法是界定邊界法的簡化形式，我們在邊界選取一些特征點，然后把特征點按一定順序連接起來，這樣構(gòu)成的圖形，就是這個圖形的邊界骨架，只要選取的骨架點能反應(yīng)出不同的車型，這種方法的計算量會小很多，適合運算資源不夠的情況。選取的點的數(shù)量不同，識別的精度也不相同。

3.2 易磨損部位的檢測及預(yù)警

汽車工廠里面的設(shè)備需要長時間高負(fù)荷運行，有些易磨損部位的檢測就成了難題，我們無法經(jīng)常性的停機(jī)檢查，那樣會嚴(yán)重影響生產(chǎn)，另外我們也很不容易憑借肉眼來觀察出細(xì)微的磨損，因此在線實時檢測易磨損部位的磨損情況就顯得十分重要。

首先一般我們需要觀察的易磨損部位周邊情況都比較復(fù)雜，或者光線條件不好，無法得到十分清晰的照片，這樣就需要我們先對數(shù)字圖像進(jìn)行一定程度的變換。首先要對圖像進(jìn)行最簡單的灰度變換，例如我們可以把過亮的圖像通過把整個圖像灰度變小實現(xiàn)圖像的變暗，或者把過暗的圖像的整個灰度變大實現(xiàn)圖像的變量，或者通過函數(shù)，把在一個很大范圍灰度的圖像的大范圍灰度映射到一個比較小的灰度范圍，這樣可以在圖像中凸顯出目標(biāo)物體。另外常用的變換還有對數(shù)變換、伽馬變換、分段線性變換、平滑空間濾波變換、銳化空間濾波變換、混合空間變換等，這些變換都是對圖像的灰度進(jìn)行針對性的處理，以達(dá)到預(yù)期的效果。

我們對灰度變換后的圖像，獲取他的邊界，與正常無磨損的部件邊界進(jìn)行對比，實時進(jìn)行檢測。這樣我們還可以根據(jù)磨損的程度，設(shè)定一個預(yù)警機(jī)制，可以根據(jù)磨損速度，預(yù)測該易磨損件的壽命，制定維修計劃。在達(dá)到預(yù)測的壽命時可以直接更換該易損件，或者增加關(guān)注度，實時觀測磨損程度，在磨損程度達(dá)到臨界值時再進(jìn)行更換，這樣可以大大節(jié)約成本。

3.3 車身表面質(zhì)量檢測

質(zhì)量是產(chǎn)品的生命，對于汽車產(chǎn)品來說，好的涂裝表面是車質(zhì)量最直接最外在的體現(xiàn)，所以，每個汽車廠都對汽車車身表面質(zhì)量檢測十分嚴(yán)格，目前大部分汽車廠都采用人工檢測，通過在線人員的眼看、手摸來發(fā)現(xiàn)汽車車身表面存在的質(zhì)量問題。但是首先這種傳統(tǒng)的方式對在線的工人要求很高，工人必須有豐富的經(jīng)驗才能應(yīng)對形形色色的車身質(zhì)量問題，培養(yǎng)一個經(jīng)驗豐富的工人需要很長的時間，由經(jīng)驗不豐富的工人進(jìn)行檢查可能造成錯檢。其次，工人很難在高負(fù)荷的連續(xù)生產(chǎn)下保持長時間的專注度，往往可能在連續(xù)工作一段時間后由于注意力下降，可能造成漏檢。另外，這種檢測往往很難形成統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，例如工人覺得車身車門有色差，這就是一個完全主觀的判斷，沒有任何數(shù)據(jù)做支撐，每個人對色彩的敏感程度不同就會做出不同的判斷。針對這些問題，在車身表面質(zhì)量檢測過程中引入數(shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)勢明顯。首先，機(jī)器通過學(xué)習(xí)后學(xué)習(xí)的經(jīng)驗完全可復(fù)制到其他的機(jī)器中，這樣就解決的經(jīng)驗豐富的問題，機(jī)器可以通過不斷的學(xué)習(xí)，不斷的完善自己的知識庫，同時把這些經(jīng)驗實時共享給其他的機(jī)器。其次，機(jī)器是不知疲倦的，也不會出現(xiàn)注意力不集中的問題，無論工作多久都會保質(zhì)保量的完成工作。最后，通過數(shù)字圖像處理，完全可實現(xiàn)不同質(zhì)量缺陷的標(biāo)準(zhǔn)化，例如計算機(jī)通過對圖片的數(shù)字化處理，完全把車身的顏色數(shù)字化，顏色在什么范圍認(rèn)為是沒有問題的，超出范圍就認(rèn)為有色差，這樣所有的車身都是一個標(biāo)準(zhǔn)，避免了主觀意識對質(zhì)量的影響。

為了實現(xiàn)車身表面質(zhì)量的檢測，首先要對車身表面的照片進(jìn)行處理。這些處理包括：圖像降噪處理、圖像色彩分層、圖像的點線邊緣檢測。處理過的圖像我們還需要對圖像進(jìn)行壓縮，因為圖像中包含了很多我們不需要的信息，而計算機(jī)的存儲和運算速度有限，我們要把資源用在刀刃上，所以對數(shù)字圖像進(jìn)行壓縮也是必須的。最后我們需要對圖像進(jìn)行頻率域變換，這是數(shù)字處理的重中之重，數(shù)字計算和快速傅里葉變換算法（FFT）是人們對數(shù)字圖像處理的關(guān)鍵技術(shù)。之后我們需要對數(shù)字圖像進(jìn)行全局閾值處理，這種處理的目的在于突出我們的目標(biāo)區(qū)域，而使其他的“背景”完全“消失”，這樣我們可以更清楚的實現(xiàn)對圖像的處理。

在我們收集了足夠多的處理過的數(shù)字圖像后，我們可以開始進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)了，我們設(shè)定不同的分類器，每個分類器對應(yīng)一種缺陷，然后我們把收集的數(shù)字圖像隨機(jī)分為三個集合：訓(xùn)練集、驗證集、測試集。然后我們用訓(xùn)練集訓(xùn)練一個分類器，然后再用驗證集和測試集來測試分類器的準(zhǔn)確性。在訓(xùn)練過程中，可能會出現(xiàn)欠擬合或者過擬合，欠擬合就是模型擬定的太嚴(yán)謹(jǐn)，不符合現(xiàn)實情況。過擬合就是算法不但學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)，還把噪聲學(xué)習(xí)了這樣的算法無法推廣。我們需要尋找到一個平衡點，既能完成對缺陷的處理又能保證正常合格車身的通過率。

4 結(jié)語

數(shù)字圖像處理技術(shù)在汽車涂裝自動化領(lǐng)域的運用，必將對改善車身質(zhì)量，降低人力成本起到積極作用。并且，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，和數(shù)字處理算法的進(jìn)一步優(yōu)化，數(shù)字圖像處理將更快更準(zhǔn)確的尋找和發(fā)現(xiàn)汽車涂裝表面缺陷。隨著數(shù)字圖像處理在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步深入，通過數(shù)字圖像處理來指導(dǎo)生產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問題的水平將近一步的提高，同時隨著計算機(jī)硬件成本的降低和技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理在汽車涂裝領(lǐng)域的應(yīng)用將會持續(xù)增長。