CN105627942A - 一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置及其方法，包括显示器、摄像机和计算机；显示器用于调制产生正弦相移的光栅条纹光；摄像机和显示器设置在被检测物体表面的上方，使显示器的光栅条纹光照射至该被检测物体的整个上表面，并在被检测物体的整个上表面形成条纹图像，摄像机用于采集被检测物体表面上反射的条纹图像。当被检测物体表面有凸起或者凹陷等微缺陷时会造成光线反射率的改变及偏折，使光栅条纹局部扭曲变形，该扭曲变形的部位即是该被检测物体表面的微变形。本成像装置及其方法够解决物体表面物体表面微变形缺陷太小且与目标同色造成的无法成像的问题，使物体表面微变形的缺陷信息得以表征和识别。

Description

一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置及其方法

技术领域

本发明涉及机器视觉光学成像领域与图像处理领域，尤其涉及一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置及其方法。

背景技术

机器视觉经过数十年的发展，给工业自动化带来了全新的解决方法，广泛应用于工业制造过程中的产品质量检测。机器视觉技术与工业自动化相结合，由此产生了视觉检测技术。而视觉检测最关键的就是设计正确光学成像方案和图像处理方法。因此有针对性的光源照明和成像方法与其图像处理方法变得极为重要。

由于工业产品生产时的质量控制的不确定因素，产品表面常常产生各种缺陷，其中大部分缺陷在生产中已经有有效的避免方法或检测方法，而对于物体表面的微变形缺陷由于其体现为小的凸起或者凹陷，并且与物体背景同色，很难通过现有的成像方法进行成像，即使成像后，其特征用现有的图像处理方法也很难进行识别。

结构光通常被用于物体的三维测量技术中，若要通过二维的图像获取三维的信息可以借助结构光。结构光在三维成像的过程中，就是作为一维的辅助信息被投射到物体上。在缺陷检测领域解构光的应用并不广泛。传统的三维检测方法有通过接触式的探针检测等，但效率较低且容易造成二次划伤。通过结构光进行非接触的视觉检测技术能够针对工业产品的微变形缺陷的检测有好的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置及其方法。有效的解决被检测物体表面微变形缺陷太小且与目标同色造成的无法成像的问题，使物体表面微变形的缺陷信息得以表征和识别。

本发明通过下述技术方案实现：

一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，包括显示器1、摄像机2和计算机3；显示器1用于调制产生正弦相移的光栅条纹光5；摄像机2和显示器1设置在被检测物体4表面的上方；使显示器1的光栅条纹光5照射至该被检测物体4的整个上表面，并在被检测物体4的整个上表面形成条纹图像，摄像机2用于采集被检测物体4表面上反射的条纹图像，并将其传递给计算机3的图像分析系统。所述显示器1为液晶显示显示器。所述摄像机2为工业相机。

所述摄像机2、显示器1呈V字型安装在被检测物体4的上方。

当被检测物体4表面有凸起或者凹陷时会造成光线反射率的改变及偏折，使光栅条纹局部扭曲变形，该扭曲变形的部位即是该被检测物体4表面的微变形。

一种机器视觉检测物体表面微变形的方法如下：由计算机3的图像分析系统，根据相移解调的方法，对条纹图像进行分析，通过获取相位信息的变化，得到被检测物体4光滑表面的梯度分布，即得到被检测物体4表面高度信息的改变，从而获取被检测物体4表面微变形缺陷信息，条纹图像获取相位信息的具体方法如下：

通过计算机3的图像分析系统，采用相移法进行相位提取，相移法在一个周期内需要将相位不同的多幅光栅条纹光投影到被测物体表面，通过对采集到的一组条纹图像进行相位处理来获得相位值；

设光栅条纹光5对被检测物体4投射了光栅条纹图像的数量为N，则在一个投影周期内，连续投影的两幅光栅条纹图像的相位差就是2π/N，若第n幅光栅条纹图像上每个点的光照强度用I_n来表示，则有公式如下：

$I_n(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\·cos\[\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{2\mathrm{\π}(n-1)}{N}\]$

在上式中，a(x,y)代表背景的光栅条纹光5的光照强度强，而b(x,y)则为被检测物体4的表面对外界光线的反射率，φ(x,y)为摄像机2拍摄到的包含相位改变的光栅的相位；在光照强度的大小已经确定的情况下，需要对三个大小未知的参数进行求解，所以，若要求相位值φ(x,y)，至少需要三张光栅条纹图像的相位信息，即N需要至少等于3，即可获得方程组，对它求解可得到：

由于光栅条纹图像的相位可直接进行测量，即初始相位值φ₀(x,y)已知，被检测物体4表面上所有被测点的相位值φ(x,y)可由上式求出，进一步即可计算出被检测物体4引起的相位变化为：

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本发明技术手段简便易行，根据相移解调的方法，有效的解决被检测物体表面微变形缺陷太小且与目标同色造成的无法成像的问题，使物体表面微变形的缺陷信息得以表征和识别。

附图说明

图1为本发明机器视觉检测物体表面微变形的成像装置结构布局示意图。

图2为显示器所显示的光栅条纹光的画面。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1、2所示。本发明公开了一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，包括显示器1、摄像机2和计算机3；显示器1用于调制产生正弦相移的光栅条纹光5(如黑白相间的竖向条纹)；摄像机2和显示器1设置在被检测物体4表面的上方；使显示器1的光栅条纹光5照射至该被检测物体4的整个上表面，并在被检测物体4的整个上表面形成条纹图像，摄像机2用于采集被检测物体4表面上反射的条纹图像，并将其传递给计算机3的图像分析系统。所述显示器1为液晶显示显示器。所述摄像机2为工业相机。

所述摄像机2、显示器1呈V字型安装在被检测物体4的上方。

当被检测物体4表面有凸起或者凹陷等微缺陷时会造成光线反射率的改变及偏折，使光栅条纹局部扭曲变形，该扭曲变形的部位即是该被检测物体4表面的微变形。

一种机器视觉检测物体表面微变形的方法如下：由计算机3的图像分析系统，根据相移解调的方法，对条纹图像进行分析，通过获取相位信息的变化，得到被检测物体4光滑表面的梯度分布，即得到被检测物体4表面高度信息的改变，从而获取被检测物体4表面微变形缺陷信息，条纹图像获取相位信息的具体方法如下：

通过计算机3的图像分析系统，采用相移法进行相位提取，相移法在一个周期内需要将相位不同的多幅光栅条纹光投影到被测物体表面，通过对采集到的一组条纹图像进行相位处理来获得相位值；

设光栅条纹光5对被检测物体4投射了光栅条纹图像的数量为N，则在一个投影周期内，连续投影的两幅光栅条纹图像的相位差就是2π/N，若第n幅光栅条纹图像上每个点的光照强度用I_n来表示，则有公式如下：

$I_n(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\·cos\[\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{2\mathrm{\π}(n-1)}{N}\]$

在上式中，a(x,y)代表背景的光栅条纹光5的光照强度强，而b(x,y)则为被检测物体4的表面对外界光线的反射率，φ(x,y)为摄像机2拍摄到的包含相位改变的光栅的相位；在光照强度的大小已经确定的情况下，需要对三个大小未知的参数进行求解，所以，若要求相位值φ(x,y)，至少需要三张光栅条纹图像的相位信息，即N需要至少等于3，投射足够多的光栅条纹图像即可获得方程组，对它求解可得到：

由于光栅条纹图像的相位可直接进行测量，即初始相位值φ₀(x,y)已知，被检测物体4表面上所有被测点的相位值φ(x,y)可由上式求出，进一步即可计算出被检测物体4引起的相位变化为：

一般采用三步、四步相移法就可满足成像的需求。本实例设三幅投影光栅条纹光照强度可以分别表示为：

I₁(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)·cos[φ(x，y)]

$I_2(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\·cos\[\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{2\mathrm{\π}}{3}\]$

$I_n(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\·cos\[\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{4\mathrm{\π}}{3}\]$

对应得相位主值得求解公式则为：

$\mathrm{\φ}(x,y)=arctan\left(\frac{\sqrt{3}(I_2-I_3)}{2I_2-I_2-I_3}\right).$

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，其特征在于包括：

显示器(1)、摄像机(2)和计算机(3)；显示器(1)用于调制产生正弦相移的光栅条纹光(5)；摄像机(2)和显示器(1)设置在被检测物体(4)表面的上方；使显示器(1)的光栅条纹光(5)照射至该被检测物体(4)的整个上表面，并在被检测物体(4)的整个上表面形成条纹图像，摄像机(2)用于采集被检测物体(4)表面上反射的条纹图像，并将其传递给计算机(3)的图像分析系统。

2.根据权利要求1所述机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，其特征在于，所述摄像机(2)、显示器(1)呈V字型安装在被检测物体(4)的上方。

3.根据权利要求1所述机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，其特征在于，所述显示器(1)为液晶显示显示器。

4.根据权利要求1所述机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，其特征在于，所述摄像机(2)为工业相机。

5.根据权利要求1至4中任一项所述机器视觉检测物体表面微变形的成像装置，其特征在于，当被检测物体(4)表面有凸起或者凹陷时会造成光线反射率的改变及偏折，使光栅条纹局部扭曲变形，该扭曲变形的部位即是该被检测物体(4)表面的微变形。

6.一种机器视觉检测物体表面微变形的方法，其特征在于采用权利要求1至5中任一项所述机器视觉检测物体表面微变形的成像装置实现，具体步骤如为：由计算机(3)的图像分析系统，根据相移解调的方法，对条纹图像进行分析，通过获取相位信息的变化，得到被检测物体(4)光滑表面的梯度分布，即得到被检测物体(4)表面高度信息的改变，从而获取被检测物体(4)表面微变形缺陷信息，条纹图像获取相位信息的具体方法如下：

通过计算机(3)的图像分析系统，采用相移法进行相位提取，相移法在一个周期内需要将相位不同的多幅光栅条纹光投影到被测物体表面，通过对采集到的一组条纹图像进行相位处理来获得相位值；

设光栅条纹光(5)对被检测物体(4)投射了光栅条纹图像的数量为N，则在一个投影周期内，连续投影的两幅光栅条纹图像的相位差就是2π/N，若第n幅光栅条纹图像上每个点的光照强度用I_n来表示，则有公式如下：

$I_n(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\·cos\[\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{2\mathrm{\π}(n-1)}{N}\]$

在上式中，a(x,y)代表背景的光栅条纹光(5)的光照强度强，而b(x,y)则为被检测物体(4)的表面对外界光线的反射率，φ(x,y)为摄像机(2)拍摄到的包含相位改变的光栅的相位；在光照强度的大小已经确定的情况下，需要对三个大小未知的参数进行求解，所以，若要求相位值φ(x,y)，至少需要三张光栅条纹图像的相位信息，即N需要至少等于3，即可获得方程组，对它求解可得到：

由于光栅条纹图像的相位可直接进行测量，即初始相位值φ₀(x,y)已知，被检测物体(4)表面上所有被测点的相位值φ(x,y)可由上式求出，进一步即可计算出被检测物体(4)引起的相位变化为：