CN109829899B - 一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法 - Google Patents
一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，包括以下步骤：输入一张钢卷端面的局部灰度图，对局部灰度图二维数组f(x,y)进行二维离散时频变换；将频谱图二维数组F(u,v)等分为四个象限，将频谱图二维数组F(u,v)矩阵的对角象限平移交换位置得到平移频谱图F_shift(u,v)，将平移频谱图转换为振幅频谱图，将振幅频谱图二维数组M(u,v)拆分为低频分量频谱图二维数组M_low(u,v)和其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)；将平移频谱图二维数组F_shift(u,v)中对应背景频谱方向的像素点置为零，从而得到新频谱图二维数组F_fil(u,v)；将新频谱图二维数组F_fil(u,v)进行二维离散时频反变换，得到背景抑制后的局部灰度图f’(x,y)。本发明能够对钢卷端面进行背景抑制，相较于现有滤波算法，其效果有了极大提升。
Description
技术领域
本发明涉及机器视觉技术领域，特别涉及一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法。
背景技术
在机器视觉领域，目前已经有很多缺陷检测的应用，但大多数缺陷检测应用的背景都较为简单、纹理较少且变化不大，背景造成的干扰相对较小。而对于背景复杂的应用场景，则需要先进行背景抑制，后续才能得到较好效果。
目前已有的背景抑制算法都是针对特定场景的。其中一个方向是针对红外图像的背景抑制，但其无法处理可见光图片。第二个方向是针对固定背景中的移动目标，可以采用帧间差分法等对背景进行滤除，然而此种方法显然不适用于缺陷检测。第三个方向就是采用带通滤波的方式，过滤特定频段的背景。然而，对于复杂多变的可见光图像背景，目前尚未有通用的解决方案。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，实现了抑制背景同时凸显缺陷部位的目的。
为了实现上述目的，本发明提供一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，包括以下步骤:
步骤S1，输入一张钢卷端面的局部灰度图，用局部灰度图二维数组f(x,y)表示，局部灰度图二维数组f(x,y)为M行N列；对局部灰度图二维数组f(x,y)进行二维离散时频变换，得到对应的频谱图，用频谱图二维数组F(u,v)表示；
步骤S2，将频谱图二维数组F(u,v)等分为四个象限，其中，频谱图二维数组F(u,v)矩阵的四个角位置及其附近的元素代表频域原点以及低频分量；
步骤S3，将频谱图二维数组F(u,v)矩阵的对角象限平移交换位置，得到平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵；以使得频域原点移至平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵的中央处，平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵的中央处的中央点为(M/2,N/2)；
步骤S4，将平移频谱图转换为振幅频谱图，即对平移频谱图二维数组F_shift(u,v)中的每个元素取绝对值，得到振幅频谱图二维数组M(u,v)；
步骤S5，将振幅频谱图二维数组M(u,v)拆分为低频分量频谱图二维数组M_low(u,v)和其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)；
步骤S6，计算其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)的像素均值mean和方差var；
步骤S7，设角度θ∈(-90°，90°),k为角度θ的斜率，即k＝arctan(θ*π/180°)；计算过中央点(M/2,N/2)且斜率为k的直线l，当斜率k在取不同值时，像素均值pix_m(k)＝∑M(u,v)，(u,v)∈直线l；角度θ遍历(-90°，90°)时，分别求出pix_m(k)的值；同时求出角度θ＝90°时，直线l上u＝M/2上所有像素的均值pix_m(∞)，其中pix_m(k)包括pix_m(∞)；遍历所有pix_m(k)，当pix_m(k)取得最大值时，斜率k指代的方向为原图中钢卷端面的径向；
步骤S8，遍历其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)中像素点(u0,v0)，并计算像素点(u0,v0)到直线l的距离d，如果距离d小于阈值th，且M_else(u0,v0)>mean+n*var，其中，n为波动系数，则将该像素点(u0,v0)判断为背景频谱，并将该像素点(u0,v0)在平移频谱图二维数组F_shift(u,v)上的对应像素点F_shift(u0,v0)置为零，从而得到新频谱图二维数组F_fil(u,v)；
步骤S9，将新频谱图二维数组F_fil(u,v)进行二维离散时频反变换，得到背景抑制后局部灰度图f’(x,y)。
优选的是，在步骤S1中，二维离散时频变换计算公式如下：
其中，u＝0,1,2,…M-1；v＝0,1,2,…N-1；
x表示局部灰度图中像素点的横坐标，y表示局部灰度图中像素点的纵坐标，u表示频谱图中像素点的横坐标，v表示频谱图中像素点的纵坐标。
在上述任一方案中优选的是，步骤S2中，频域原点在物理意义上表示直流分量和低频分量。
在上述任一方案中优选的是，在步骤S7中，直线l的数学表达式为：v＝k*u+(N-k*M)/2。
在上述任一方案中优选的是，在步骤S9中，二维离散时频反变换的计算公式为：
x＝0,1,2,…M-1；y＝0,1,2,…N-1。
本发明的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，解决了在对钢卷端面进行背景抑制时，由于背景和目标频谱分布多变造成难以确定滤波频段的情况，相较于现有滤波算法，其效果有了极大提升。此外，通过本发明的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法处理之后，原始图像中钢卷端面的背景纹理(即层层叠叠规律出现的钢卷纹理)得到了有效抑制；与背景纹理方向不同、周期不同的缺陷部位却并没有受到明显削弱；从而实现了抑制背景同时凸显缺陷部位的目的。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的总体流程图；
图2为本发明的对角象限平移交换示意图；
图3为本发明的对角象限平移交换举例示意图；
图4为本发明的振幅频谱图二维数组M(u,v)拆分举例示意图；
图5为本发明的当径向斜率k＝1，阈值th＝1时的新频谱图二维数组F_fil(u,v)示意图；
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，如图1-5所示，包括以下步骤:
步骤S1，输入一张钢卷端面的局部灰度图，用局部灰度图二维数组f(x,y)表示，局部灰度图二维数组f(x,y)为M行N列；对局部灰度图二维数组f(x,y)进行二维离散时频变换，得到对应的频谱图，用频谱图二维数组F(u,v)表示；
二维离散时频变换计算公式如下：
其中，u＝0,1,2,…M-1；v＝0,1,2,…N-1；
x表示局部灰度图中像素点的横坐标，y表示局部灰度图中像素点的纵坐标，u表示频谱图中像素点的横坐标，v表示频谱图中像素点的纵坐标。
步骤S2，将频谱图二维数组F(u,v)等分为四个象限，其中，频谱图二维数组F(u,v)矩阵的四个角位置及其附近的元素代表频域原点以及低频分量；频域原点在物理意义上表示直流分量。如图2所示，P1表示直流分量，P2表示低频分量，P3表示高频分量。
步骤S3，将频谱图二维数组F(u,v)矩阵的对角象限平移交换位置，得到平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵，如图2-3所示；以使得频域原点移至平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵的中央处，平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵的中央处的中央点为(M/2,N/2)；
为了更好的说明步骤S3，在图3中进行举例说明，图3中选取了一组频谱图二维数组，进行了对角象限平移交换，得到平移频谱图二维数组；其中，图3中的01、08、57、64及其相邻位置为频域原点以及低频分量。需要说明的是，图3中选取的数据只是为了更好的解释说明本步骤。
步骤S4，将平移频谱图转换为振幅频谱图，即对平移频谱图二维数组F_shift(u,v)中的每个元素取绝对值，得到振幅频谱图二维数组M(u,v)，如图3所示；
步骤S5，将振幅频谱图二维数组M(u,v)拆分为低频分量频谱图二维数组M_low(u,v)和其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)，如图4所示；
在于因为大部分图片的极低频分量频谱数值往往远大于其他分量，如果放在一起求统计，会影响素均值mean和方差var的分布，因此，本发明将低频分量从振幅频谱图二维数组M(u,v)单独拆分出来。
步骤S6，计算其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)的像素均值mean和方差var；
步骤S7，计算过中央点(M/2,N/2)且斜率为k的直线l；
其中，直线l的数学表达式为：v＝k*u+(N-k*M)/2。
当斜率k在取不同值时，计算直线l在其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)的中经过的像素均值pix_m(k)；
当斜率k在取不同值时，像素均值pix_m(k)＝∑M_else(u,v)，(u,v)∈直线l。
当像素均值pix_m(k)取最大值时，斜率k的方向即为原图中钢卷端面的径向。
具体步骤为：设角度θ∈(-90°，90°),k为角度θ的斜率，即k＝arctan(θ*π/180°)；角度θ遍历(-90°，90°)时，分别求出pix_m(k)的值；同时求出角度θ＝90°时，直线l上u＝M/2上所有像素的均值pix_m(∞)；遍历所有pix_m(k)，当pix_m(k)取得最大值时，斜率k指代的方向为原图中钢卷端面的径向。
步骤S8，遍历其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)中像素点(u0,v0)，计算像素点(u0,v0)到直线l的距离d，距离
如果距离d小于阈值th，且M_else(u,v)>mean+n*var，其中，n为波动系数，则将该像素点(u0,v0)判断为背景频谱，并将该像素点(u0,v0)对应的平移频谱图二维数组F_shift(u,v)上的对应像素点F_shift(u0,v0)置为零，从而得到新频谱图二维数组F_fil(u,v)；从而达到抑制背景的目的。
本发明的另一个实施例中，波动系数n选取2。
步骤S9，将新频谱图二维数组F_fil(u,v)进行二维离散时频反变换，得到背景抑制后局部灰度图f’(x,y)。
二维离散时频反变换的计算公式为：
x＝0,1,2,…M-1；y＝0,1,2,…N-1。
本发明的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，解决了在对钢卷端面进行背景抑制时，由于背景和目标频谱分布多变造成难以确定滤波频段的情况，相较于现有滤波算法，其效果有了极大提升。此外，通过本发明的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法处理之后，原始图像中钢卷端面的背景纹理(即层层叠叠规律出现的钢卷纹理)得到了有效抑制；与背景纹理方向不同、周期不同的缺陷部位却并没有受到明显削弱；从而实现了抑制背景同时凸显缺陷部位的目的。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (5)
1.一种针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤S1，输入一张钢卷端面的局部灰度图，用局部灰度图二维数组f(x,y)表示，局部灰度图二维数组f(x,y)为M行N列；对局部灰度图二维数组f(x,y)进行二维离散时频变换，得到对应的频谱图，用频谱图二维数组F(u,v)表示，其中，x表示局部灰度图中像素点的横坐标，y表示局部灰度图中像素点的纵坐标，u表示频谱图中像素点的横坐标，v表示频谱图中像素点的纵坐标；
步骤S2，将频谱图二维数组F(u,v)等分为四个象限，其中，频谱图二维数组F(u,v)矩阵的四个角位置及其附近的元素代表频域原点以及低频分量；
步骤S3，将频谱图二维数组F(u,v)矩阵的对角象限平移交换位置，得到平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵；以使得频域原点移至平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵的中央处，平移频谱图二维数组F_shift(u,v)矩阵的中央处的中央点为(M/2,N/2)；
步骤S4，将平移频谱图转换为振幅频谱图，即对平移频谱图二维数组F_shift(u,v)中的每个元素取绝对值，得到振幅频谱图二维数组M(u,v)；
步骤S5，将振幅频谱图二维数组M(u,v)拆分为低频分量频谱图二维数组M_low(u,v)和其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)；
步骤S6，计算其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)的像素均值mean和方差var；
步骤S7，设角度θ∈(-90°，90°),k为角度θ的斜率，即k＝arctan(θ*π/180°)；计算过中央点(M/2,N/2)且斜率为k的直线l，当斜率k在取不同值时，像素均值pix_m(k)＝∑M(u,v)，(u,v)∈直线l；角度θ遍历(-90°，90°)时，分别求出pix_m(k)的值；同时求出角度θ＝90°时，直线l上u＝M/2上所有像素的均值pix_m(∞)，其中pix_m(k)包括pix_m(∞)；遍历所有pix_m(k)，当pix_m(k)取得最大值时，斜率k指代的方向为原图中钢卷端面的径向；
步骤S8，遍历其余分量频谱图二维数组M_else(u,v)中像素点(u0,v0)，并计算像素点(u0,v0)到直线l的距离d，如果距离d小于阈值th，且M_else(u0,v0)>mean+n*var，其中，n为波动系数，则将该像素点(u0,v0)判断为背景频谱，并将该像素点(u0,v0)在平移频谱图二维数组F_shift(u,v)上的对应像素点F_shift(u0,v0)置为零，从而得到新频谱图二维数组F_fil(u,v)；
步骤S9，将新频谱图二维数组F_fil(u,v)进行二维离散时频反变换，得到背景抑制后局部灰度图f’(x,y)。
2.如权利要求1所述的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，其特征在于，在步骤S1中，二维离散时频变换计算公式如下：
其中，u＝0,1,2,…M-1；v＝0,1,2,…N-1；
x表示局部灰度图中像素点的横坐标，y表示局部灰度图中像素点的纵坐标，u表示频谱图中像素点的横坐标，v表示频谱图中像素点的纵坐标。
3.如权利要求1所述的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，其特征在于，步骤S2中，频域原点在物理意义上表示直流分量和低频分量。
4.如权利要求1所述的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，其特征在于，在步骤S7中，直线l的数学表达式为：v＝k*u+(N-k*M)/2。
5.如权利要求1所述的针对钢卷端面缺陷检测的背景抑制算法，其特征在于，在步骤S9中，二维离散时频反变换的计算公式为：
x＝0,1,2,…M-1；y＝0,1,2,…N-1。
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