Comparative performance for isolated points detection operators: application on surface defects extraction

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1 Comparatve performance for solate ponts etecton operators: applcaton on surface efects extracton R. Seuln, G. Delcrox, F. Merenne Laboratore Le2-12, Rue e la Fonere Le Creusot - FRANCE e-mal: ralph.seuln@utlecreusot.u-bourgogne.fr Mots clés: étecton e ponts solés, extracton e éfauts, opérateur Laplacen aaptatf, comparason e performances. Résumé Cet artcle a pour objectf e proposer une méthoe pour aer au chox un opérateur e tratement mages. Cette méthoe est applquée au contrôle e éfauts aspect sur es prouts en fabrcaton. Tros éléments caractérsent les éfauts à contrôler. Tout abor, la surface e la pèce est entèrement réfléchssante à la façon un mror. Ensute, les éfauts apparassent e façon aléatore ans l objet et ont la forme une bosse. Enfn, la talle es éfauts est extrêmement fable. Dans la plupart es cas, cellec n excèe pas 5 pxels. L éclarage utlsé pour étecter ces éfauts a fat l objet une étue sognée. Il consste à utlser es transtons e lumère grâce auxquelles les éfauts apparassent comme es ponts lumneux solés ans es zones sombres. Un tratement aapté evra alors être chos pour étecter les éfauts ans l mage. Pour cela, fférents opérateurs ont été choss ans la lttérature et provennent e famlles verses. Ces opérateurs sont tous aaptés au problème posé. Ils sont analysés et évalués sur es mages tests sogneusement choses. Afn e sélectonner l'opérateur le meux aapté au problème, une méthoe e comparason e performances es opérateurs est proposée. Elle consste abor à éfnr es crtères e comparason propres au type e éfaut à étecter. Ensute, es paramètres permettant évaluer les crtères éfns sont calculés sur es mages tests. Ces paramètres sont calculés pour chacun es opérateurs testés. Ils apportent une certane quantfcaton e l évaluaton es crtères éfns, et cela pour chacun es opérateurs. La comparason numérque es paramètres applqués à chaque opérateur permet enfn e comparer les opérateurs choss. Cette méthoe permet ans 'apporter une ae ans le chox e la technque 'extracton e éfaut à utlser. 1. INTRODUCTION Cet artcle se écompose en tros étapes. Dans un premer temps, le contexte e traval est présenté. Les éfauts aspect à contrôler sont étués fnement. Dans un euxème temps, fférents opérateurs ont été évalués pour étecter les éfauts. Ces opérateurs appartennent à es famlles e tratement fférentes et provennent e la lttérature. Ils onnent tous e bons résultats pour la étecton e ponts solés. Enfn, une méthoe e comparason e ces fférents opérateurs testés est proposée. Cette méthoe s appue sur es crtères forts mposés par le type e contrôle effectué. Elle s appue également sur une bonne connassance es mages à trater. Elle permet e égager une ae au chox relatvement fne e l opérateur le meux aapté au problème posé. 2. CONTEXTE Cette étue s'nscrt ans le care 'un projet estné à réalser un système e contrôle aspect par vson artfcelle e pèces sur une chaîne e fabrcaton. Les prouts à contrôler sont es pèces en matère plastque njectées ssues e l nustre e l emballage e cosmétque. Ces pèces subssent es opératons e vernssage et e métallsaton qu renent leur surface hautement réfléchssante comparable à es mrors. Lors e ces opératons, l arrve que es poussères s ntercalent entre le plastque et le verns provoquant e pettes nclusons et altérant ans l aspect e ce prout. Le éfaut est caractérsé par sa forme car l crée une bosse à la surface e la pèce. La nature et la couleur e la surface ne sont onc pas mofées à l'emplacement u éfaut. La plupart es éfauts ont une surface nféreure à 1 mm². Afn e mettre en évence les éfauts sur es surfaces métallques parfatement réfléchssantes, un éclarage partculer a été éveloppé. L éclarage utlsé est composé e franges sombres et e franges lumneuses. Les éfauts à étecter étant es éfauts e forme, la réflexon e l éclarage est mofée par les nhomogènétés e la surface La fgure 1 llustre ce phénomène. L'éclarage est confguré e telle manère à ce que les éfauts apparassent en blanc ans les zones

2 sombres et en nor ans les zones clares. Pour es rasons e sensblté e mesure, on chost e saturer le capteur CCD. Seuls les éfauts blancs présents ans les zones sombres sont ms en évence [1]. Mror N Zoom Cas 2: Sans éfaut Cas 1: Avec éfaut Fgure 1. confguraton e l éclarage La fgure 2 présente un exemple typque es mages obtenues par ce système. On reconnaît la projecton es banes sombres et lumneuses sur l'objet ans que la mse en évence 'un éfaut sous forme un pont lumneux solé ans une zone sombre. Dans la sute e cet artcle, on consère comme pont solé tout agglomérat e pxels contgus ayant une valeur e lumnance fortement élevée par rapport à la lumnance moyenne locale. Objet Défaut 1 2 Image Fgure 2. mse en évence un éfaut e surface L'objectf e la étecton e éfauts est onc 'extrare ces ponts solés. Ceux-c apparassent avec une talle nféreure à x pxels et sous forme compacte. De plus, la poston e l objet ans l mage n est pas connue a pror. Auss, le tratement à effectuer sur les mages acquses evra être robuste et evra pouvor fonctonner quelque sot la forme e l objet observé. 3. ETUDE DES OPERATEURS D EXTRACTION DE POINTS ISOLES Dans ce paragraphe, nous présentons tros opérateurs sélectonnés pour leur apttue à la étecton e ponts solés. Ils ont été chos ans la lttérature et aaptés à notre applcaton Transformaton Chapeau Haut e Forme La morphologe mathématque propose cet opérateur pour extrare es pcs ou es crêtes sur es mages en nveaux e grs [2]. La transformaton Chapeau Haut e Forme consste à effectuer la fférence entre l mage ntale et son ouvert par un élément structurant B. On procée ensute à un seullage. La transformaton sélectonne la parte e l'mage ayant une largeur nféreure à la talle e l'élément structurant et le seullage permet une sélecton e l'ampltue es partes étrotes retenues. La talle e l élément structurant B étermne ans la talle es éfauts que l on ésre étecter et la valeur u seullage S étermne l ampltue es pcs que l on conservera en tant que éfauts. Cet opérateur étant conçu pour extrare es zones étrotes, l rsque toutefos e mettre en évence les zones e type fl (fable largeur mas allongée) Fltre Laplacen La érvée secone 'un sgnal ne comportant que es portes et es mpulsons présente un maxmum pour les partes u sgnal corresponant aux mpulsons. Dans notre étue, les ponts solés apparassent comme es mpulsons stuées entre es portes car ce sont es ponts blancs au mleu e zones nores entourées par es franges blanches. Le fltrage es mages par un fltre e type érvée secone permettra onc e mettre en évence les éfauts recherchés [3]. Une approxmaton scrète smple u Laplacen correspon au masque e convoluton suvant: (1) En pratque, les ponts solés sont représentés par un ensemble e pxels blancs et non par un seul pxel. Le fltre Laplacen tel qu'l a été écrt précéemment est naapté pour la étecton ésrée car l ne met en évence que les mpulsons e talle 1. Une

3 mofcaton u fltre est effectuée pour permettre la étecton e ponts solés e talles supéreures. La nouvelle approxmaton e la érvée secone consste à prenre en compte les échantllons stués à une stance 'a' e l'échantllon à trater. Ans, les portons u sgnal corresponant à une porte e quelques échantllons e largeur seront perçus par le fltre comme une mpulson. Le Laplacen résultant s'obtent par un fltrage lnéare ont les coeffcents sont représentés sur la fgure a a Fgure 3. masque e convoluton u fltre Laplacen aapté La valeur e a est aaptée en foncton e la talle es éfauts à étecter. Un seullage permet ensute e ne retenr que les pxels corresponant au pont lumneux. Le tratement proposé c permet ffclement e fférencer es ponts solés rapprochés ou e étecter es ponts stués à proxmté 'une frange lumneuse. Une bonne étecton avec cet opérateur suppose que les ponts solés soent à une stance supéreure à "a" e toute autre zone lumneuse (frange ou autre pont solé) Laplacen une gaussenne (LoG) Ce tratement est équvalent à un lssage par un fltre e type gaussen pus à une ouble érvaton. Il résulte u passage en eux mensons u fltre érvée secone une gaussenne. On notera σ l'écart type e la gaussenne. Afn obtenr un fltre totalement sotrope, on consère que le fltre 2D est obtenu par une rotaton u fltre 1D autour e son axe e symétre (axe es oronnées) [4]. La valeur e σ est aaptée en foncton e la talle u pont solé. Le seullage permet ensute e ne retenr que les pxels corresponant au pont solé. Le lssage ntégré au fltrage a tenance à renforcer le pont fable u fltre a Laplacen. En effet, le tratement ren encore plus ffcle la fférencaton es ponts solés rapprochés ou la étecton es ponts stués à proxmté 'une frange lumneuse. Une bonne étecton avec cet opérateur suppose que les ponts solés soent à une stance supéreure à 4σ e toute autre zone lumneuse (frange ou autre pont solé). 4. COMPARAISON DES OPERATEURS D EXTRACTION DE POINTS ISOLES 4.1. Méthoologe L objectf e cette comparason est apporter une ae au chox e l'opérateur le meux aapté au problème parm les opérateurs extracton e ponts solés présentés ans le chaptre précéent. Pour cela, l convent effectuer une comparason quanttatve es performances es opérateurs. Cette comparason s'effectue selon es crtères. Les performances un opérateur sont quantfées par les valeurs e paramètres représentant les crtères e comparason. La émarche aoptée est la suvante : on applque les opérateurs sur es mages caractérstques es éfauts à étecter. Sur les mages résultats, on effectue es mesures permettant le calcul e paramètres. On évalue ensute les performances e chacun es opérateurs en foncton es valeurs es paramètres obtenues Images test Les opérateurs ont été testés sur es mages e synthèse composées e mres e ponts solés. Afn e représenter les fférentes expostons e la surface à contrôler vs à vs e la source e lumère, nous avons synthétsé es mages avec fférents nveaux e saut ampltue sur les pxels représentant les éfauts. Les mages tests ont auss sub es égraatons par un fltrage gaussen qu tente e matéralser le bloomng observé sur la chaîne réelle acquston es mages. Des mages réelles ont été utlsées pour les tests, elles ont été choses pour être es exemples typques e cas concrets rencontrés sur le système e étecton e éfauts en temps réel Défnton es crtères e comparason Ces mages sont utlsées pour une évaluaton quanttatve es opérateurs extracton e ponts solés en employant une méthoe e comparason s nsprant es crtères e Fram et Deutsch [5] mofés par Cocquerez [6].

4 D une manère générale, l'optmsaton e l extracton es ponts solés consste à étecter le maxmum e pxels corresponants aux ponts solés et le mnmum e pxels hors es ponts solés. Un comproms est toujours à fare entre surétecton et sousétecton. C'est selon ces eux crtères que l'on chost e fare la comparason. Les performances un opérateur sont quantfées par les valeurs e eux paramètres P 1 et. P 1 quantfe la surétecton et caractérse la sousétecton. On éfnt Z la zone es ponts solés, sot l ensemble es pxels représentant les ponts solés. On note: n Z le nombre e pxels étectés ans Z, n 0 Z le nombre e pxels étectés hors e Z et N le nombre e pxels consttuant Z. Défnton es paramètres P 1 et : nz P1 P 2 n + n = (2) Z = N Z (3) Z 0 Ces paramètres prennent es valeurs entre 0 et 1. P 1 quantfe la robustesse u étecteur : ce paramètre est fable quan l'opérateur étecte un nombre mportants e pxels en ehors es ponts solés et vaut 1 quan l n y a pas e surétecton. caractérse le comportement u étecteur vs à vs u sgnal seul : ce paramètre vaut 1 quan tous les pxels représentant les ponts solés sont extrats et est fable quan es lacunes apparassent ans la étecton. Pour le calcul e chacun e ces paramètres, la connassance es ponts solés à étecter est nécessare et est onnée par une mage e référence corresponant au cas éal e parfate étecton. n paramètres vosns, celu qu extrat les ponts solés e manère la plus complète est chos, qutte à extrare es pxels ne fasant pas parte es ponts solés.ce chox correspon au contexte e contrôle qualté en mleu nustrel qu vse à favorser une surétecton pouvant être moulée par la phase avale e écson Performances Le tableau 1 montre les résultats obtenus pour les mages égraées par fltrage gaussen. L'opérateur éal onne es valeurs e P 1 et égales à 1. Le melleur opérateur correspon onc à celu ont les valeurs e P 1 et se rapprochent le plus e 1. Pour ce type mages, le melleur opérateur est le fltre Laplacen. On observe, pour le fltre Laplacen et le LoG, une égraaton es résultats avec l'augmentaton u flou. Cela provent e l'ncapacté crossante à fférencer es ponts rapprochés noyés ans le flou. Il convent e noter que les performances e la transformaton chapeau haut e forme restent absolument entques malgré l'ajout e flou sur les mages. La fgure 4 montre une mage réelle ssue u système e contrôle en temps réel et l mage résultat e l applcaton u fltre Laplacen mofé correspon à la fgure Paramètres e réglages es fférents opérateurs D une manère générale, les paramètres ont été choss e manère à optmser l extracton es ponts solés. Quan l optmum osclle entre eux jeux e Fgure 2 Image réelles Fgure 3 Résultat u fltrage par l opérateur Laplacen Rayon u bloomng gaussen r = 1 r = 2 r = 3 P 1 P 1 P 1 Laplacen Chapeau haut e forme LoG Tableau 1 performances es opérateurs sur les mages égraées par fltrage gaussen

5 5. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Dans cet artcle nous avons proposé une méthoe générale permettant la comparason es performances opérateurs pour l extracton e ponts lumneux solés ans es zones sombres. Des crtères caractérsant la melleure étecton possble pour l'utlsateur ont été éfns. Ces crtères e performances servent tout 'abor e référence pour le réglage es paramètres e chacune es technques e tratement choses. Ensute, ces crtères sont utlsés pour comparer chacune es technques entre elles. Cette méthoe a été applquée ans le care e la réalsaton un système e contrôle qualté estné à étecter les éfauts aspects sur es pèces réfléchssantes. Tros opérateurs e tratement mages ont été choss ans la lttérature et ont été aaptés au problème posé. Leurs performances en matère e étecton e éfauts ont été analysées selon la procéure présentée précéemment. Le fltre Laplacen, mofé afn être faclement optmsable et aapté à notre applcaton, apparaît comme le melleur comproms compte tenu es résultats obtenus aux tests comparatfs. La émarche aoptée c peut être étenue à autres confguratons e étecton e éfauts ou e segmentaton afn e faclter le chox ans les tratements à mettre en œuvre. De plus, autres applcatons u fltre Laplacen mofé sont actuellement à l étue. Ce tratement est par exemple utlsé au sen e notre laboratore ans le care e la localsaton e puplles oculares. [6] J.P.Cocquerez, J. Devars Détecton e contours ans les mages aérennes : nouveaux opérateurs, Tratement u sgnal, vol. 2, n 1, REMERCIEMENTS Ces travaux ont été fnancés par le Consel Régonal e Bourgogne et le Pôle Imagere e Bourgogne. REFERENCES [1] G. Delcrox, D. Aluze, F. Merenne, B. Lamalle an P. Gorra - On-Lne Defects Localzaton on Mrror-Lke Surfaces, SPIE Conference on Machne Vson Applcatons n Inustral Inspecton VII, January , San José (USA), Vol. 3652, pp [2] E.R. Dougherty - An Introucton to Morphologcal Image Processng, SPIE Volume TT 9, Washngton, [3] KAMGAR-PARSI Behza, KAMGAR- PARSI Behrooz, ROSENFELD A. - Optmally sotropc Laplacan operator, IEEE trans. mage process., 1999, vol. 8, no 10, pp [4] J.S. Chen, A. Huertas, G. Meon - Fast Convoluton wth Laplacan of Gaussan Masks, IEEE Trans. PAMI, 9, pp , [5] J.R. Fram, E.S. Deutsch - A Quanttatve Stuy of Orentaton Bas of some Ege Detecton Schemes, IEEE Trans. on Comp., vol. 27, pp , 1978.