康健 Xu¹² 、英 Xu² 、鄭兵 Zhu¹ °、卓興 Hu¹4 、帥 Hu¹ °、紫齋 Li³

永康質(zhì)量與技術(shù)監(jiān)測(cè)研究所（國(guó)家五金及門類產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中心）

（浙江省）永康市，郵編：321300，中國(guó)

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摘要——我國(guó)電動(dòng)工具的目視檢測(cè)存在檢測(cè)設(shè)備落后、可靠性較低的特點(diǎn)。本文介紹了一種基于圖像識(shí)別技術(shù)的電動(dòng)工具目視檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機(jī)器視覺傳感器采集被測(cè)物體的圖像，原始數(shù)據(jù)被傳輸至由機(jī)器視覺圖像算法和深度學(xué)習(xí)相關(guān)圖像技術(shù)構(gòu)成的圖像識(shí)別與檢測(cè)模塊；同時(shí)，通過(guò)圖像采集技術(shù)對(duì)視覺檢測(cè)流程進(jìn)行建模分析，并重點(diǎn)闡述了電動(dòng)工具檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件與軟件架構(gòu)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、圖像采集及相關(guān)應(yīng)用方案均得到深入研究與分析。

關(guān)鍵詞——圖像識(shí)別、視覺檢測(cè)、電動(dòng)工具

一. 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)電動(dòng)工具的質(zhì)量與安全性提出了更高要求。國(guó)家也制定了嚴(yán)格的安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，例如GB 3883.1系列標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的電動(dòng)工具檢測(cè)主要依賴人工判別或借用簡(jiǎn)易設(shè)備進(jìn)行抽樣檢測(cè)，存在檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、速度慢以及存在人為檢測(cè)誤差等問題，尤其在規(guī)格標(biāo)識(shí)和球痕檢測(cè)方面更為明顯。為解決上述問題，本文采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別技術(shù)。

采用學(xué)習(xí)算法替代傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量方法²¹。基于圖像識(shí)別技術(shù)的電動(dòng)工具視覺檢測(cè)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)自動(dòng)圖像采集、數(shù)據(jù)分析與比對(duì)功能。在電動(dòng)工具及其他工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)過(guò)程中，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工檢測(cè)存在的缺陷，顯著提升檢測(cè)速度與精度。

二. 測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于圖像識(shí)別技術(shù)的電動(dòng)工具視覺檢測(cè)系統(tǒng)由四個(gè)模塊組成：識(shí)別模塊、分析模塊、比對(duì)模塊和提示模塊。識(shí)別模塊用于拍攝PowerToo產(chǎn)品說(shuō)明書及標(biāo)識(shí)等視覺圖像，并獲取可分析的圖像數(shù)據(jù)；分析模塊負(fù)責(zé)對(duì)識(shí)別后的圖像進(jìn)行分析提取，獲取銘牌信息、說(shuō)明書文本等內(nèi)容；比對(duì)模塊則從數(shù)據(jù)庫(kù)（主要為標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)）以及數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果中的銘牌、手冊(cè)等文本資料中提取對(duì)應(yīng)信息；提示模塊用于向相關(guān)方發(fā)送提醒信號(hào)、生成質(zhì)量分析曲線，并通知需求方（制造商、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、監(jiān)管部門等）。該電動(dòng)工具視覺檢測(cè)系統(tǒng)的圖像識(shí)別技術(shù)整體架構(gòu)如圖1所示。

三、各模塊 INTHE 檢測(cè)系統(tǒng)功能分析

A. 硬件

該檢測(cè)系統(tǒng)由環(huán)形光源、500萬(wàn)像素網(wǎng)格平面陣列相機(jī)、遠(yuǎn)心透鏡與FA透鏡、圖像采集卡、測(cè)試臺(tái)平臺(tái)等部件組成。

B. 軟件

為提升電動(dòng)工具的檢測(cè)速度與精度，并使檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用更具靈活性，包含數(shù)據(jù)分析功能的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：物體外觀識(shí)別——視覺傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)增強(qiáng)處理實(shí)現(xiàn)對(duì)物體形狀特征的識(shí)別。具體而言：

1）工業(yè)相機(jī)中的CMOS傳感器對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行拍攝，將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)；

2）在計(jì)算機(jī)與圖像信息連接后，原始圖像信息被傳輸至圖像識(shí)別系統(tǒng)；

3）采用先進(jìn)的圖像增強(qiáng)、圖像濾波、形態(tài)學(xué)處理、圖像二值化等機(jī)器視覺算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理；

4)在獲取增強(qiáng)后的圖像信息后，采用圖像輪廓提取算法收集邊緣信息，并建立幾何數(shù)學(xué)模型；

5)將相應(yīng)的字符相關(guān)標(biāo)簽圖像傳輸至深度學(xué)習(xí)字符分割模塊及OCR識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中文和英文字符的實(shí)時(shí)提取；

6)之后可獲取字符識(shí)別信息，并與標(biāo)準(zhǔn)字符數(shù)據(jù)庫(kù)信息進(jìn)行比對(duì)，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)任務(wù)。

四、檢測(cè)系統(tǒng)中 EACHMODULE 的功能分析

球壓測(cè)試是GB/T 3883.1-2014[6]標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的耐熱性能檢測(cè)項(xiàng)目之一。試樣需在特定溫度下壓制2小時(shí)，隨后測(cè)量圓形壓痕的直徑。通用測(cè)量設(shè)備應(yīng)為光學(xué)放大倍數(shù)不低于10倍的光學(xué)測(cè)量裝置，并配合分辨率不超過(guò)0.1 mm? 的校準(zhǔn)刻度尺或十字線測(cè)量臺(tái)使用。此過(guò)程要求檢驗(yàn)人員判斷壓痕邊緣位置，難免存在人為因素對(duì)壓痕直徑造成影響。采用圖像識(shí)別技術(shù)可最大限度降低人為干擾，并實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

I）精度對(duì)比測(cè)試

分別使用同一材料制備了三個(gè)樣品，并在75℃、80℃和85℃條件下進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試完成后，采用圖像測(cè)量?jī)x VMS -1510G及目視檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)定壓痕深度。由三位檢驗(yàn)人員使用該儀器各測(cè)量五次，得出三個(gè)壓痕直徑的平均值，結(jié)果見表I。工業(yè)相機(jī)拍攝的照片如圖2所示。

圖 2：2.75℃、80℃、85℃ 下的壓痕圖像

TABLEIBALLPRESSURE 測(cè)試結(jié)果 

根據(jù)表I中的數(shù)據(jù)，在75°C、80°C和85°C條件下，目視檢查與傳統(tǒng)光學(xué)儀器檢測(cè)之間的誤差率均低于1%。從工作效率和準(zhǔn)確性而言，目視檢查方法可替代傳統(tǒng)光學(xué)儀器檢測(cè)。

2)標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)試

對(duì)比試驗(yàn)采用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣本進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)值為1.09毫米。標(biāo)準(zhǔn)樣品2號(hào)在85°C條件下測(cè)試，其標(biāo)準(zhǔn)值為1.50毫米。

根據(jù)公式Z=(x-X)/ σ 計(jì)算得出：其中x為測(cè)試值，x?為標(biāo)準(zhǔn)值，σ為能力評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)差；當(dāng)|z|≤2時(shí)即滿足判定條件。測(cè)試結(jié)果見表II。圖3為編號(hào)1校準(zhǔn)樣本的圖像，圖4為編號(hào)2校準(zhǔn)樣本的圖像。

通過(guò)上述兩種測(cè)試方法可以看出，視覺檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)于人工光學(xué)測(cè)量。

表 II 校準(zhǔn)樣品的結(jié)果

3) 分析

球壓測(cè)試是實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證中的一項(xiàng)常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目，對(duì)設(shè)備配置、操作人員經(jīng)驗(yàn)及測(cè)量方法均提出較高要求。通過(guò)上述兩項(xiàng)測(cè)試可以得出結(jié)論：采用目視檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量球壓痕直徑比傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量設(shè)備更為便捷快速，但其測(cè)量精度仍有待提升，主要體現(xiàn)在圖像對(duì)比度不足、過(guò)渡區(qū)域過(guò)多以及工業(yè)相機(jī)像素分辨率不夠等問題，后續(xù)優(yōu)化工作仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

根據(jù)GB/T 3883.1-2014標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)工具產(chǎn)品的標(biāo)志與說(shuō)明應(yīng)包含產(chǎn)品參數(shù)、警示語(yǔ)、制造商信息及其他相關(guān)信息。其中僅警示語(yǔ)一項(xiàng)就超過(guò)20種。目前此類檢測(cè)主要依賴人工目視檢查，效率低下且易出錯(cuò)。以電錘為例，共發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)存在13種不同類型的錯(cuò)誤。

圖6展示了相關(guān)標(biāo)識(shí)的實(shí)際照片，圖7則呈現(xiàn)了檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)視覺檢測(cè)系統(tǒng)，所有錯(cuò)誤均被準(zhǔn)確識(shí)別：識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到100%，缺陷檢測(cè)準(zhǔn)確率同樣達(dá)到100%，檢測(cè)耗時(shí)不足1秒。以電動(dòng)工具質(zhì)量監(jiān)督的抽查為例，完成40批次標(biāo)識(shí)與說(shuō)明書檢測(cè)項(xiàng)目?jī)H需1分鐘，并實(shí)現(xiàn)了雙盲測(cè)試。鑒于電動(dòng)工具種類繁多且同類產(chǎn)品的參數(shù)存在差異，后續(xù)工作中需增加檢測(cè)樣本數(shù)量以進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)試樣本類型。

圖 6 標(biāo)志部分示意圖

圖7 標(biāo)志部分的測(cè)試示意圖

五、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種快速、精確的電動(dòng)工具視覺檢測(cè)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于球壓測(cè)試。該系統(tǒng)的精度已通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于電動(dòng)工具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督與抽樣檢驗(yàn)的實(shí)際需求，我們開發(fā)了基于圖像識(shí)別技術(shù)的視覺檢測(cè)系統(tǒng)。測(cè)得球壓痕直徑的平均偏差為0.43%，與校準(zhǔn)值相比Z值小于1，檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。后續(xù)工作將進(jìn)一步擴(kuò)展檢測(cè)類別并豐富相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目，以滿足電動(dòng)工具行業(yè)的需求。

ACKNOWLEDGMENT

本文由財(cái)務(wù)助理撰寫，題為《基于圖像識(shí)別技術(shù)的電動(dòng)工具視覺檢測(cè)與大數(shù)據(jù)分析研究（QN2023448）》。

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