活塞环缺陷检测实验的图像评价

贾正峰，于忠海，张晓锋，陈 田

(1. 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)(2.上海电机学院 机械学院，上海 200245)(3. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

活塞环缺陷检测实验的图像评价

贾正峰1,2，于忠海1,2，张晓锋2,3，陈 田1,2

(1. 上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)(2.上海电机学院 机械学院，上海 200245)(3. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

在活塞环缺陷检测过程中，数据采集是缺陷分析处理的第一步，图像质量的优劣直接影响后续图像处理的准确性。相机的曝光时间以及相机与活塞环之间的相对运动速度直接影响图像的质量。实验从曝光时间与转台转速两个方面着手，应用图像质量评价函数分析获取的图片，得到适合的曝光时间及转台转速，作为整个活塞环缺陷检测系统的实验基础。

活塞环；缺陷检测；实验分析；图像评价

实验是分析和解决问题的重要方法，是制订解决方案或是设定某些参数时的基础研究，实验数据和实验积累的经验能帮助设计者更好地达到设计要求。活塞环缺陷检测系统由图像采集、图像数据处理、缺陷分析等部分组成。图像采集是整个检测系统工作的开始，采集到的图像质量决定了后续数据处理工作中的难易程度以及缺陷分析的准确性。在此，采集图像的质量是指图像的模糊程度。运动模糊图像可以理解成景物在曝光时间内不同时刻影像的叠加，所以拍摄静止的物体时，景物叠加一致，没有拖影；而拍摄运动的物体，必定会有运动模糊的现象。运动模糊的程度由移动物体的速度和相机的曝光时间两方面决定[1]。运动速度越快，曝光时间越长，图像也越模糊。

1 图像质量评价函数

图像质量评价有主观评价和客观评价2种[2]。主观评价方法是最直接体现图像质量的方法。但是，由于主观评价方法无法通过数学模型来描述，在实际工程应用中多数情况下无法采用，因此主观评价在本文中不再赘述。客观评价法是先计算出被评价图像的某些统计特性和物理参量，通过比较这些值的大小来确定图像质量的优劣，能够使用客观的、定量分析的数学模型来表达人对图像的感受。

图像质量的客观评价分为有参照图像质量评价和无参照图像质量评价2种。

有参照图像质量评价是指通过比较被评价图像与参考图像之间的差异来评判一幅图像质量的优劣，包括平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE)、信噪比(SNR)、峰值信噪比(PSNR)等图像质量评价方法，这些方法需要有和被评价图像相应的参考图像。在本实验中，很难在拍摄运动图像的同时，拍摄相同位置的静止图像作为参考图像，所以有参照图像质量评价不适合用于评价本实验采集的图像。

无参照图像质量评价，不需要参考图像，其基本思想是：图像越清晰，图像中的边缘特征信息越丰富。因此，无参照图像质量评价的清晰度评价法实质就是比较图像的梯度能量，梯度能量值越大，图像越清晰。

下面给出2种图像清晰度评价函数。

a.Roberts算子清晰度评价函数。

Roberts算子梯度函数为：

(1)

式中grad(x,y)为点(x,y)处的梯度能量。运用整幅图像的梯度能量总和即可评价图像的清晰度。清晰度评价函数为：

(2)

b.Sobel算子清晰度评价函数。

Sobel算子梯度函数为：

(3)

其中：

Δxf(x,y)=[f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)]-[f(x-1,y-1)+2f(x,y-1)+f(x+1,y-1)]

(4)

Δyf(x,y)=[f(x-1,y-1)+2f(x-1,y)+f(x-1,y+1)]-[f(x+1,y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1,y+1)]

(5)

2 活塞环检测实验实例

以活塞环表面缺陷——端面砂孔为例，采集其图像的实验数据如下。

实验台转速：10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38r/min。

曝光时间：20,30,40,50,60,70,80,90,100,150μs。

相机采用某品牌面阵CCD相机，光源为条灯。

将实验采集到的图像数据运用清晰度评价函数进行计算，结果见表1和表2。

3 实验分析

运用MATLAB软件对实验所得的图像数据进行分析，结果如图1和图2所示。

由图像数据分析结果可知：

a.当曝光时间为20μs，转台转速为10 r/min时，得到的图片质量最好，说明运动速度越慢，曝光时间越短，图像也越清晰。

表1 Roberts算子图像清晰评价

图1 Roberts评价函数数据分析

图2 Sobel评价函数数据分析

b.曝光时间在100μs以内，随着曝光时间的延长，图像梯度能量逐渐降低，即图像越不清晰。

c.随着转速的增大，图像梯度能量有波动，总体趋势降低，即图像越不清晰。

d.曝光时间在100μs以上时，Sobel算子图像梯度能量增大。

4 总结

本实验数据的采集和分析，旨在说明曝光时间和相对运动速度对图像质量的影响，同时通过数据比较，选择合适的曝光时间和转速作为实际应用中的参考。本文从实验的角度出发，验证了曝光时间越长、转速越快，图像的质量越差。在实际检测过程中，考虑到检测效率和成本等因素，转台转速应控制在20～30 r/min，曝光时间在40～60 μs内选取。实验在实验室环境下进行的，实际检测中可根据实际情况适当调节转速和曝光时间。

[1] 张明谦. 运动模糊图像的运动参数估计及复原研究[D].成都：电子科技大学, 2009.

[2] 徐鲁安. 图像质量评价方法的研究与实现[D].杭州：浙江大学,2003.

Analysisondefectdetectionexperimentofpistonring

JIA Zhengfeng1,2,YU Zhonghai1,2,ZHANG Xiaofeng2,3,CHEN Tian1,2

(1.University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)(2.Shanghai Dianji University, Shanghai, 200245, China)(3.Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240, China)

The experiment is an important method to analyze and solve problems. The process of defect detection in piston ring, data acquisition is the first step of defect analysis processing, image quality directly affects the accuracy of subsequent image processing. The exposure time of camera and the relative velocity between camera and piston ring directly influence the quality of the image. Based on two aspects from the exposure time and the rotating speed, it designs the experiment, analyzes the image quality evaluation function applied in the field of the picture. It obtains the suitable exposure time and rotating speed, is the experimental basis of piston ring defect detection system.

piston ring; defect detection; experiment analysis; image evaluation

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.10.013

2014-07-15

贾正峰(1989—)，男，内蒙古包头人，上海理工大学硕士研究生，主要研究方向为测试控制技术。

TP391.4

A

2095-509X(2014)10-0059-03