CN105115908B - 金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法 - Google Patents
金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法，属于视觉检测技术领域。所述的检测装置包括光学与传感系统、测量控制系统、计算机信息处理系统和记录显示系统。其中光学与传感系统由第一透镜组、一片透射式衍射光栅、第二透镜组、一个硅基液晶、一台CCD相机和外部壳体组成，用于测量一维光谱数据加二维空间数据信息。所述的检测方法包括光谱谱线的标定、寻找最优光谱波段和图像分割处理。本发明通过采集丰富的三维数据阵列信息和最优光谱波段选取，减少了环境光，金属工件形貌和姿态等因素对检测结果的影响，有效提高了金属锈斑的视觉检测准确度和精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法，属于视觉检测技术领域。
背景技术
金属锈斑的视觉检测技术被广泛应用于装备制造过程的金属原料筛选和产品分级，是装备制造成套工艺的重要环节。目前金属锈斑的视觉检测普遍采用直接地后期图像处理的方式，根据锈斑与背景在光电传感器上的通道数据阶跃变化，即灰度突变来完成检测。然而普通的视觉成像装置通道数量有限，限制了金属锈斑的检测精度，且在工业现场复杂环境中，灰度突变特性受环境光，金属工件形貌和姿态等因素影响严重，难以对金属锈蚀情况准确做出评价。因此，如何实现金属锈斑的高准度、高精度的视觉检测成为了装备制造高端化的迫切需求。
发明内容
为了实现这一需求，本发明提供一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法，通过一维光谱数据加二维空间数据信息的采集，提高金属锈斑与背景的对比度，从而提高金属锈斑的视觉检测准确度和精度。
为了解决上述技术问题，本发明金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置予以实现的技术方案是：包括光学与传感系统、测量控制系统、计算机信息处理系统和记录显示系统；所述光学与传感系统用于测出金属件的一维光谱数据加二维空间数据信息；所述测量控制系统用于对所述光学与传感系统的成像光谱进行选择；所述的计算机信息处理系统用于对采集的一维光谱数据加二维空间数据分析计算处理，并将处理结果传送给所述的记录显示系统；所述记录显示系统记录并显示金属锈斑的检测结果。
所述光学与传感系统包括：第一透镜组、一片透射式衍射光栅、第二透镜组、一个硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCOS）、一台CCD相机和外部壳体；所述的第一透镜组作为物镜将被测金属目标成像到所述的衍射光栅面上；所述的衍射光栅将入场光线色散，形成一维衍射光谱；所述的第二透镜组将入场光线成像在CCD面的同时，在所述的LCOS面形成一维线性光谱；所述的LCOS通过所述的测量控制系统发出的控制信号对不同波长光线进行选择；所述的CCD相机接收成像光线，实现所述光学与传感系统的多光谱成像；所述的外部壳体用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。
本发明金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测方法，包括以下步骤：
步骤一、光谱谱线的标定：
选用主波长为405nm、510nm和650nm三种半导体激光器进行光谱标定；半导体激光器放置在光学与传感系统的成像入口处；调整半导体激光器同光学与传感系统的相对位置以实现准直；
已知波长的激光束发生偏折后到达所述的LCOS面上，形成一条谱线；调整所述CCD相机位置，使CCD对LCOS成像，从而得到谱线与图像坐标的对应关系；
依次完成405nm、510nm和650nm三种固定波长对应的LCOS面坐标采样；利用已知的波长光谱与LCOS面坐标关系进行线性插值，补全整个光谱，得到光谱标定函数M；光谱谱线标定结束后，将所述CCD相机重新调整回原位，使CCD面与LCOS面相对所述的第一透镜组互为共轭；
步骤二、寻找最优光谱波段：
测量控制系统控制所述的LCOS晶元的开关，使可见光波段分成N个细小波段；依次选取各细分波段为开状态，对应波长光线在CCD面成像；将光学与传感系统多次采集不同波长的图像组合成三维多光谱数据；三维多光谱数据的表达式为：
（1）
T为在第一衍射级次光谱强度分布；是CCD所采集的第n波段图像数据，x和y为图像的二维坐标，n =1,2…,N ；是光谱标定所得对应关系的分段函数，u和v为LCOS面的二维坐标，即：
（2）
在计算机信息处理系统中，对采集的三维多光谱数据做三维边缘检测，初步区分被测金属表面锈斑数据域与被测金属表面背景数据域；在两数据域内各任选一条谱线作为被测金属表面锈斑的系统光谱响应值与被测金属表面背景的系统响应值；
只考虑一维光谱信息时，系统光谱响应值可写为：
（3）
为LCOS在开状态下的CCD光谱响应函数；为环境光源的光谱功率分布；为被测金属表面的光谱反射函数；为最佳光谱选取函数；
被测金属表面锈斑相对被测金属表面背景的对比度表现为两者系统光谱响应值的比值：
（4）
寻找最佳光谱选取函数，即：
（5）
通常表现为以光波长为变量的窗函数，设
（6）
则寻找最佳光谱选取函数可以变换为:
（7）
当确定时，式子（7）成为以为变量的曲线判定函数，选取函数最大值；测量控制系统采用函数最大值所对应的来再次控制所述的LCOS做出相应反应，这样便实现了光学与传感系统的最优光谱波段成像；
步骤三、图像处理：
通过最优光谱波段成像，金属表面锈斑与金属表面背景在光学与传感系统中形成鲜明对比；
在计算机信息处理系统中，取两者在最优光谱波段的平均值作为图像分割阈值，即：
（8）
经阈值分割处理后，得到金属锈斑的检测结果图像：
（9）
检测结果是一幅二值图像；当时，标注为1的像素为金属锈斑，标注为0的像素为金属表面背景；当时，标注为0的像素为金属锈斑，标注为1的像素为金属表面背景；
计算机信息处理系统将得到的金属锈斑检测结果传送给记录显示系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本检测装置采用LCOS与色散元件、光电探测器组合成的光学与传感系统，采集包括一维光谱数据加二维空间数据信息的三维数据阵列，较以往的视觉检测装置能得到更加丰富和完整的视觉特征信息。融合了金属锈斑与背景的光谱特征差异，本发明采用最优光谱波段选取的检测方法，减少了环境光，金属工件形貌和姿态等因素对检测结果的影响，有效提高了金属锈斑的视觉检测准确度和精度。本检测装置和方法通用性强，对光谱特征差异明显的其他材质的缺陷检测同样适用。
附图说明
图1为本发明视觉检测装置的系统结构组成框图；
图2为本发明视觉检测装置中光学与传感系统的结构示意图；
图3为本发明金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测方法的流程图；
图4为本发明光学与传感系统采集的三维多光谱数据阵以及锈斑与背景谱线选取示意图；
图5为本发明最优光谱波段选取的曲线判定函数图；
图6为本发明实施例的钢质工件在检测前，最优波段成像和检测结果图；
图中：1-第一透镜组，2-透射式衍射光栅，3-第二透镜组，4- 硅基液晶，5-CCD相机，6-外部壳体。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
如图1所示，本发明金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置，包括光学与传感系统10、测量控制系统20、计算机信息处理系统30和记录显示系统40；所述光学与传感系统10用于测出金属件的一维光谱数据加二维空间数据信息；所述测量控制系统20用于对所述光学与传感系统10的成像光谱进行选择；所述的计算机信息处理系统30用于对采集的一维光谱数据加二维空间数据分析计算处理，并将处理结果传送给所述的记录显示系统40；所述记录显示系统40记录并显示金属锈斑的检测结果；
如图2所示，所述光学与传感系统10包括：第一透镜组1、一片透射式衍射光栅2、第二透镜组3、一个LCOS 4、一台CCD相机5和外部壳体6；所述的第一透镜组1作为物镜将被测金属目标成像到所述的衍射光栅2面上；所述的衍射光栅2将入场光线色散，形成一维衍射光谱；所述的第二透镜组3将入场光线成像在CCD面的同时，在所述的LCOS 4面形成一维线性光谱；所述的LCOS 4通过所述的测量控制系统20发出的控制信号对不同波长光线进行选择；所述的CCD相机5接收成像光线，实现所述光学与传感系统10的多光谱成像；所述的外部壳体6用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入。
如图3所示，本发明金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测方法包括以下步骤：
A. 用主波长为405nm、510nm和650nm三种已知波长半导体激光器进行光谱谱线标定，得到光谱标定函数M；
B. 测量控制系统20利用得到的光谱标定函数M对光谱进行细分控制，将光学与传感系统10多次采集不同波长的图像组合成三维多光谱数据采集三维多光谱数据；
C. 寻找最优光谱选取函数，测量控制系统20采用函数最大值所对应的来再次控制LCOS做出相应反应，实现光学与传感系统10的最优光谱波段成像；
D. 计算最优光谱波段的图像分割阈值，对进行图像分割，完成金属锈斑检测。
实施例：
下面结合附图，并以表面附锈的钢质工件为例进一步对本发明做详细说明：
选用主波长为405nm、510nm和650nm三种半导体激光器进行光谱标定；导体激光器放置在光学与传感系统10的成像入口处；调整半导体激光器与半导体激光器同光学与传感系统10的相对位置以实现准直；
已知波长的激光束发生偏折后达到LCOS面上，形成一条谱线；调整CCD位置，使CCD对LCOS成像，从而得到谱线与图像坐标的对应关系；
依次完成405nm、510nm和650nm三种固定波长对应的LCOS坐标采样；利用已知的波长光谱与LCOS坐标关系进行线性插值，补全整个光谱，得到LCOS的光谱标定函数M；光谱谱线标定结束后，将所述CCD相机5重新调整回原位，使CCD面与LCOS面相对所述的第一透镜组互为共轭；
将光谱在450nm～650nm范围，以10nm为间隔进行细分；测量控制系统20控制LCOS晶元的开关，依次选取各细分波段为开状态，对应波长光线在CCD面成像；将光学与传感系统10采集20组不同波长的图像组合成三维多光谱数据；对采集的三维多光谱数据做三维边缘检测，初步区分钢质工件表面暗红锈斑数据域与钢质工件表面背景数据域；如图4所示，锈斑在三维多光谱数据阵中为一立体形态，背景在其周围表现为立体形体；在两数据域内各任选一条谱线作为钢质工件表面暗红锈斑的系统光谱响应值与钢质工件表面背景的系统响应值；
寻找最优光谱选取函数，实验中选取，将其变换为以为变量的曲线判定函数，如图5所示。选取函数最大值，在时，对比度最高，此时的最优光谱选取函数；测量控制系统20控制LCOS令做出相应坐标的晶元为开状态，这样便实现了光学与传感系统10的最优光谱波段成像；
在计算机信息处理系统30中，计算最优光谱波段图像的分割阈值Th=98；
经阈值分割处理后，得到锈斑的检测结果图像；图6为钢质工件在检测前，最优波段成像和检测结果图，对于实验中的钢质工件，锈斑的系统光谱响应值偏低，即，则标注为0的像素为金属锈斑，标注为1的像素为金属表面背景；
最后，计算机信息处理系统30将得到的金属锈斑检测结果传送给记录显示系统40。
本发明中，测量控制系统20、计算机信息处理系统30、记录显示系统40的设计均属于本领域内公知常识，本领域内的技术人员可根据要求再现，在此不再赘述。
尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (1)
1.一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测方法，其中所采用的一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置包括光学与传感系统(10)、测量控制系统(20)、计算机信息处理系统(30)和记录显示系统(40)；所述光学与传感系统(10)用于测出金属件的一维光谱数据加二维空间数据信息；所述测量控制系统(20)用于对所述光学与传感系统(10)的成像光谱进行选择；所述的计算机信息处理系统(30)用于对采集的一维光谱数据加二维空间数据分析计算处理，并将处理结果传送给所述的记录显示系统(40)；所述记录显示系统(40)记录并显示金属锈斑的检测结果；所述光学与传感系统(10)包括：第一透镜组(1)、一片透射式衍射光栅(2)、第二透镜组(3)、一个硅基液晶(4)、一台CCD相机(5)和外部壳体(6)；所述的第一透镜组(1)作为物镜将被测金属目标成像到所述的衍射光栅(2)面上；所述的衍射光栅(2)将入场光线色散，形成一维衍射光谱；所述的第二透镜组(3)将入场光线成像在CCD面的同时，在所述的硅基液晶(4)面形成一维线性光谱；所述的硅基液晶(4)通过所述的测量控制系统(20)发出的控制信号对不同波长光线进行选择；所述的CCD相机(5)接收成像光线，实现所述光学与传感系统(10)的多光谱成像；所述的外部壳体(6)用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入；其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、光谱谱线的标定：
选用主波长为405nm、510nm和650nm三种半导体激光器进行光谱标定；半导体激光器放置在光学与传感系统(10)的成像入口处；调整半导体激光器同光学与传感系统(10)的相对位置以实现准直；
已知波长的激光束发生偏折后到达所述的硅基液晶(4)面上，形成一条谱线；调整所述CCD相机(5)位置，使CCD对硅基液晶面成像，从而得到谱线与图像坐标的对应关系；
依次完成405nm、510nm和650nm三种固定波长对应的硅基液晶面坐标采样；利用已知的波长光谱与硅基液晶面坐标关系进行线性插值，补全整个光谱，得到光谱标定函数M；光谱谱线标定结束后，将所述CCD相机(5)重新调整回原位，使CCD面与硅基液晶面相对所述的第一透镜组(1)互为共轭；
步骤二、寻找最优光谱波段：
测量控制系统(20)控制所述的硅基液晶(4)晶元的开关，使可见光波段分成N个细小波段；依次选取各细分波段为开状态，对应波长光线在CCD面成像；将光学与传感系统(10)多次采集不同波长的图像组合成三维多光谱数据；三维多光谱数据的表达式为：
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T为在第一衍射级次光谱强度分布；I(x,y)n是CCD所采集的第n波段图像数据，x和y为图像的二维坐标，n＝1,2…,N；Mn(u,v,λ)是光谱标定所得对应关系的分段函数，u和v为硅基液晶面的二维坐标，即：
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在计算机信息处理系统(30)中，对采集的三维多光谱数据做三维边缘检测，初步区分被测金属表面锈斑数据域与被测金属表面背景数据域；在两数据域内各任选一条谱线作为被测金属表面锈斑的系统光谱响应值Ho(λ)与被测金属表面背景的系统响应值Hg(λ)；
考虑一维光谱信息，系统光谱响应值写为：
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SM(λ)为硅基液晶在开状态下的CCD光谱响应函数；E(λ)为环境光源的光谱功率分布；R(λ)为被测金属表面的光谱反射函数；Me(λ)为最佳光谱选取函数；
被测金属表面锈斑相对被测金属表面背景的对比度表现为两者系统光谱响应值的比值：
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寻找最佳光谱选取函数Me(λ)，即：
Me(λ)表现为以光波长为变量的窗函数，设
Me(λ)＝1 λ1＜λ＜λ1+Δλ (6)
则寻找最佳光谱选取函数变换为:
当Δλ确定时，式子(7)成为以λ1为变量的曲线判定函数，选取函数最大值；测量控制系统(20)采用函数最大值所对应的Me(λ)来再次控制所述的硅基液晶(4)做出相应反应，这样便实现了光学与传感系统(10)的最优光谱波段成像Ie(x,y)；
步骤三、图像处理：
通过最优光谱波段成像，金属表面锈斑与金属表面背景在光学与传感系统(10)中形成鲜明对比；
在计算机信息处理系统(30)中，取两者在最优光谱波段的平均值作为图像分割阈值，即：
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检测结果是一幅二值图像；当Ho＞Hg时，标注为1的像素为金属锈斑，标注为0的像素为金属表面背景；当Ho＜Hg时，标注为0的像素为金属锈斑，标注为1的像素为金属表面背景；
计算机信息处理系统(30)将得到的金属锈斑检测结果传送给记录显示系统(40)。
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| Dual-coded compressive hyperspectral imaging;Lin Xing 等;《optics letters》;20140401;第39卷(第7期);第2044页，图1，图4 * |
| multi-spectral imaging by optimized wide band illumination;Cui Chi 等;《int J comput vis》;20081115;全文 * |
| 一种色度自适应投影标记点的选取方法;赵首博 等;《光谱学与光谱分析》;20150430;第35卷(第4期);全文 * |
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