CN107561091A - 一种斜射式实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜射式实木板材表面裂纹的检测系统，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，激光发射器发射到传送台上待检测实木板材表面的光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通，激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且入射光为斜射，0＜入射角＜90°。本发明同时公开了其检测方法。本发明所述检测系统和方法具有高效率，高精确度，高自动化水平的优点；且可有效降低计算数据量，实现在线检测；而将单点测量改进为多点测量，提高了检测速度和测量精度，实现了工业在线检测。

Description

一种斜射式实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测系统和检测方法，尤其是涉及一种斜射式实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法，属于木材加工制造领域。

背景技术

由于木材本身的特点和加工过程中的所处环境的影响，木材生长过程和后续加工处理过程中不可避免会产生裂纹，宽度尺寸较大的裂纹影响木材品质，影响外观，降低出材等级率。对实木板材表面裂纹进行检测并分类一直是木材检测领域的一项重要课题。

传统的检测往往由人工来完成，检测者用目视的方法判断缺陷类型，使用卡尺或其它量具来确定裂纹缺陷的尺寸，根据裂纹的宽度尺寸大小来确定板材的开裂程度。不仅工作量大，容易造成视觉疲劳，而且测量的过程受到检测人员主观因素的影响，检测的效率和质量难以保证，难以适应大规模工业自动化生产，特别是随着消费者对产品品质要求的不断提高，依靠人工检测测量越来越不能满足当今工业领域的要求。

近年来迅速发展的以图像处理技术为基础的机器视觉技术，用摄像机对板材表面进行实时拍照，照片经数字化处理后送入计算机进行图象处理，通过参数计算对板材图片提取特征以检测表面缺陷信息，然后进行分类定等级。这种方法是用图像表征裂纹点的颜色信息来区分裂纹的，如果裂纹图像颜色信息与木材图像信息差异较大时比较有效，但是木材往往会出现多种缺陷和本身颜色的变异，因而这种仅靠颜色信息来识别裂纹的方法会出现误判，造成一定的损失，且由于自身的局限，无法利用到板材开裂后厚度和宽度方向上几何尺寸变化的根本特点，这是产生误差的主要原因。

目前，利用激光扫描法进行检测木材表面裂纹缺陷的技术正在发展，激光扫描法利用木材裂纹缺陷与其表面轮廓相关联，裂纹所在部位的厚度比正常板材的厚度薄的特征识别裂纹缺陷。具体步骤为激光位移传感器发射光源投向固定在工作台上的试件表面，而后由激光位移传感器接收试件表面的反射光，根据投射和反射光路径长短通过计算可得到测试点的轮廓厚度信息。激光位移传感器在水平方向可移动，从而可扫描并得到整个试件表面的厚度轮廓信息。通过专用处理软件把厚度轮廓转换为厚度轮廓图像，经过一系列图像处理和特征识别实现裂缝缺陷的定位和识别。这种方法可以准确测量出测量点处的裂纹信息，但是它也存在不足之处，比如检测速度慢，在实际检测时需要大量的测绘点采集才能得到木材厚度轮廓信息，所以这种方法无法适应自动化生产的需要；同时该激光扫描法是一种激光时间差式，发出激光脉冲，测量脉冲从发出到返回的时间差，换算成探头到被测物体的距离，由于光的传播速度很快，准确测量出小位移量时对时间测量的精度要求非常高，否则测量的精度难以保证，而且传感器价格也较高。

发明内容

为了克服现有技术问题，本发明的目的在于提供一种非接触、测量速度快、精度高、操作简单的斜射式实木板材表面裂纹的检测系统和检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种斜射式实木板材表面裂纹的检测系统，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测实木板材表面的光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°。

进一步，一种基于上述的斜射式实木板材表面裂纹的检测系统的实木板材表面裂纹的检测方法，包括以下步骤：

S1：激光发射器向传送台上经过的待检测实木板材发射激光光源，待检测实木板材表面的激光经反射后由面阵工业相机接收，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，且，0＜入射角＜90°；

S2：面阵工业相机将得到的待检测实木板材反射的激光光源信息转换为待检测实木板材的裂纹轮廓图像信息；

S3：计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的待检测实木板材的裂纹轮廓图像信息，根据裂纹轮廓图像信息得到木质板材被测截面的厚度值像素和宽度值像素，并将像素单位转化为长度单位，根据厚度出现突变点的信息和突变点之间的宽度信息得到待检测实木板材的表面裂纹信息。

更进一步，在S1步骤中，激光发射器对待检测实木板材发射的激光光源为扇形激光光源，且待检测实木板材表面形成的光条为一字形光条。

而在S3步骤中，所述的待检测实木板材的厚度的计算公式为：

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测实木板材的检测厚度值；y为面阵工业相机中待检测实木板材表面与基准底面的偏移，y在裂纹图像轮廓中表现为木质板材的厚度，k为空间分辨率，且所述的k为面阵工业相机中待检测实木板材表面与基准底面的偏移y与待检测实木板材检测厚度值x的线性关系系数，通过公式(I)，得到厚度出现突变点的信息，具体为：当待检测实木板材存在裂纹缺陷时，裂纹所在处的木材厚度会突然减小(出现突变点)，在轮廓图像上，表示厚度的曲线表现为不连续，变化剧烈，即可判断在间断处存在裂纹。

且，上述的k的数值公式为：在k的数值公式中，θ为激光发射器的入射角，β为面阵工业相机的光轴与待测木质板材表面法线的夹角，f为相机焦距，L表示测量厚度为0时面阵工业相机成像的物距，θ+β＝90°，所以sin(θ+β)为固定值1，且当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，L、f、θ均为固定值，则k也为固定值。

而在S3步骤中，

待检测实木板材的实测宽度ω的计算过程则为：

ω＝k₂′W' (Ⅱ)

公式(Ⅱ)中，所述的ω为待测木质板材的实际宽度值，k₂′为待检测实木板材宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的待检测实木板材的宽度值，所述的k₂′为常数，以厚度出现突变点的点为端点，然后计算相邻两个端点间的距离得到裂纹宽度。

且，上述的k'₂＝k₂，式中：k₂为厚度为0处宽度方向的空间分辨率，当成像系统固定，测量厚度为0时成像的物距和像距均为固定值，则k₂为固定值。

本发明的有益效果为：本发明所述实木板材表面裂纹的检测系统及检测方法，可同时检测一个截面上的多个点，从而快速得出该截面的裂纹缺陷，当板材随传送台匀速前进时，可连续地检测板材任一截面的厚度信息从而可快速地检测出板材整个表面的裂纹缺陷，实现在线板材表面裂纹缺陷的检测。克服了人工检测方法效率低，精确度低，自动化水平低；机器视觉技术无法利用板材开裂后厚度和宽度上几何尺寸变化，仅靠颜色信息来识别裂纹的方法精度较低，且不能实现在线检测；现有激光检测技术单点测量速度慢、无法在线工业化测量的缺点。

附图说明

图1为本发明所述的检测系统的系统结构示意图；

图2为本发明所述的检测系统的结构示意图；

图3为木质板材裂纹检测流程示意图；

图4为木质板材厚度检测基本原理示意图；

图5为宽度检测的基本原理图示意图；

图6为检测基准面图像；

图7为木质板材裂纹检测图像；

图8为图7的二值化图像；

图9为中心线图像；

图10为激光光源入射角示意图；

图11为厚度标定曲线示意图；

图12为宽度标定曲线示意图；

图13为45°误差检测的正态检验Q-Q图；

图14为45°误差检测的标准正态分布分位图。

图中主要附图标记含义为：

1、传送台 2、激光发射器 3、支架 4、待测木质板材

5、面阵工业相机 6、数据采集卡 7、计算机 8、PLC控制箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细说明本发明。

图1为本发明所述的检测系统的系统结构示意图；图2为本发明所述的检测系统的结构示意图。

如图1和图2所示：斜射式木质板材表面裂纹的检测系统，包括传送台1、激光发射器2、支架3、面阵工业相机4，支架3桥式架设在传送台1上，沿传送台1的传送方向，依次在传送台1上方的支架3上设置激光发射器2和面阵工业相机5，且所述的激光发射器2发射到传送台1上待测木质板材4表面的光源经待测木质板材4反射后被面阵工业相机5接收，而面阵工业相机5同时与一计算机7连通，计算机7和面阵工业相机5之间还设置有数据采集卡6，在本发明中，上述的激光发射器2同时与PLC控制箱8连通，PLC控制箱8用于控制激光发射器2的激光发射情况，激光发射器2发射的入射激光线和面阵工业相机5的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°

图3为木质板材裂纹检测流程示意图。

如图3所示：基于上述的斜射式实木板材表面裂纹的检测系统的实木板材表面裂纹的检测方法，包括以下步骤：

S1：激光发射器向传送台上经过的待检测实木板材发射激光光源，待检测实木板材表面的激光经反射后由面阵工业相机接收，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，且，0＜入射角＜90°；

S2：面阵工业相机将得到的待检测实木板材反射的激光光源信息转换为待检测实木板材的裂纹轮廓图像信息；

S3：计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的待检测实木板材的裂纹轮廓图像信息，根据裂纹轮廓图像信息得到木质板材被测截面的厚度值像素和宽度值像素，并将像素单位转化为长度单位，根据厚度出现突变点的信息和突变点之间的宽度信息得到待检测实木板材的表面裂纹信息。

图4为木质板材厚度检测基本原理示意图。

如图4所示：激光发射器2发射扇形光源，照射到水平的传送台1上，测量时先将激光线在相机中成像调至最清晰，整个测试过程不再调节成像过程中相距、物距等成像参数，成像过程原理如如图4所示，激光发射器2发射激光线至待检测木质板材4(毛边板材)的表面，面阵工业相机5与激光发射器2成一定角度来成像，图中O点是镜头透镜的中心，即光心，B点是没有放毛边板材时激光照射到传送台1上的点，此时检测厚度值为0，此时在面阵工业相机5成像平面上的像点是B'，BB'的连线通过光心垂直于透镜，即光轴。当放上一个厚度为x的毛边板材时，激光照射在毛边板材表面A点处，此时在面阵工业相机5成像平面上的点为A'，在面阵工业相机5中偏移厚度的像素值为y'(单位：像素)，k_c为面阵工业相机5中像素大小(单位：mm/像素)，为相机常数。令y＝y′·k_c，代表相机中偏移厚度的像素值y'与相机常数k_c的乘积，即图像中待检测木质板材4的厚度(单位：mm)。

x：检测厚度值

y：图像中被测毛边锯材的厚度即面阵工业相机中被测毛边锯材产品表面与基准底面的偏移厚度

θ：激光发射器的入射角

β：面阵工业相机的光轴与待检测木质板材的表面法线夹角

由图中几何关系可以知道：

x＝AB cosθ

y＝A'B'

L＝OB

L'＝OB'

x'＝AC

L”＝OC

其中L表示测量厚度为0时成像的物距，L'为像距，L”为测量厚度不为0时成像的物距，f为相机焦距。当相机位置固定时，L、f、θ为固定值，由放大率公式可得

即：x＝k·y (2)

公式(2)中，x为待检测木质板材的实际厚度值；y为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移，y在厚度和宽度轮廓图像中表现为木质板材的厚度，k为厚度方向的空间分辨率，且所述的k为面阵工业相机中待检测木质板材表面与基准底面的偏移y与木质板材检测厚度值x的线性关系系数，这个值大小与测试系统中透镜焦距、未放木质板材时物距、光轴与激光束的夹角共同决定的，通过公式(2)，得到厚度出现突变点的信息，具体为：当待检测实木板材存在裂纹缺陷时，裂纹所在处的木材厚度会突然减小(出现突变点)，在轮廓图像上，表示厚度的曲线表现为不连续，变化剧烈，即可判断在间断处存在裂纹。

且上述的k的数值公式为：在k的数值公式中，θ为激光发射器的入射角，β为面阵工业相机的光轴与待检测木质板材表面法线的夹角，f为相机焦距，L表示测量厚度为0时面阵工业相机成像的物距，θ+β＝90°，所以sin(θ+β)为固定值1，且当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，L、f、θ均为固定值，则k也为固定值。

图5为宽度检测的基本原理图示意图。

如图5所示：宽度测量数学模型：

由厚度方向测量模型推理中可以看出，当在水平传送台上放置一厚度x的毛边锯材时，毛边锯材表面的激光轮廓线垂直于光轴向透镜移动了一段距离至C点所在处的宽度方向上，如图5所示：

设k₂表示厚度为0处宽度方向的空间分辨率，k'₂为厚度为x处宽度方向的空间分辨率，由透镜公式可得

如式(3)所示：θ+β＝90°，所以cos(θ+β)为0，所以所述的k'₂＝k₂，式中：k₂为厚度为0处宽度方向的空间分辨率，当成像系统固定，测量厚度为0时成像的物距和像距均为固定值，则k₂为固定值，而最终数据处理软件中待检测木质板材的宽度的计算公式为：

ω＝k₂′W' (4)

公式(4)中，所述的ω为待检测木质板材的实际宽度值，k₂′为待检测木质板材宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的待检测木质板材的宽度值，所述的k₂′为常数。

图6为检测基准面图像，表示未放入板材时的图像，图中只有一条传送台上被照亮的激光线，作为检测板材厚度的参照线；图7为木质板材裂纹检测图像，作为放入板材后的图像，其为只有黑色的背景和一条很亮的、有断点的激光线；图8为图7的二值化图像；图9为中心线图像，可显示出板材外材面与裂纹的边界点。

以上实施方式的具体标定过程为：

(1)实验装置

实验装置主要由相机、激光光源、机架、控制装置、计算机等构成。激光光源出自：Prophotonix公司，型号是D-660-010-0250-L01-S-90-S-S-2，波长是660nm，出光扇角是90度，功率10mW。相机出自是PointGrey公司，型号GS3-U3-23S6C-C，相机分辨率是1920×1200，每秒钟最大采集162帧，USB3接口。镜头出自为：Nikon，型号ML-U1614MP9，焦距24mm。

(2)实验材料

实验所用的试件为非洲金丝柚，又名特斯金莲木。实验中，取七块材面存在裂纹缺陷的不同厚度的板材作为实验对象，编号为1至7号，由于实验需考虑不同厚度对该厚度所在的宽度分辨率的影响，1至7号板材高度尺寸设计为七个水平，分别为：23.50mm、30.29mm、31.33mm、33.96mm、42.77mm、47.75mm、51.66mm，7块板材的幅面尺寸大致相同，长750mm、宽135mm，在每块板材上选取55条有裂纹缺陷的直线作为样本。

(3)实验方法

根据上述的检测实验模型，首先标定实验装置的厚度和宽度分辨率曲线，然后在待测规格板材宽度方向上画出一条记号线，测试时让激光线与记号线重合，得出激光测量值。再用游标卡尺测量板材记号线长度，并认为是准确的，即为实际值，最后比较实际值与测量值之间的误差值，来衡量检测系统的精度和可靠性。相机的倾斜角度为45°，激光光源入射角θ＝45^°情况下进行实验，激光光源入射角示意图如图10所示，保持激光发射器照射在传送带上激光线的法线与面阵工业相机所在支架的距离不变，进行7块板材的测量，每一块板材上设定检测数目为55条线。

(4)实验数据

表1 厚度标定测量数据

表2、厚度模型参数表

由表1和表2所示：x₁代表板材实际厚度，y₁代表量块测量像素值，k₁代表斜率，b₁代表截距厚度回归方程为:x₁＝k₁*y₁+b₁。

图11为厚度标定曲线示意图。

如图11所示，在激光光源入射角为45°下的厚度方向标定具有非常高的线性度，相关系数平方都在0.99以上，几乎是一条直线，模型方差0.1以下，非常小，说明模型精度非常好。

表3 45度宽度标定值

表4、宽度模型参数表

倾角	k2	b2	R2相关系数平方	σ2模型方差
					45度	0.00000036916	0.19544	0.071602	5.38e-08

如表3和表4所示：

y₂代表单位像素对应实际宽度比值x₂是板材厚度单位(mm)，k₂代表回归斜率，b₂代表截距。回归模型：y₂＝k₂*x₂+b₂。θ＝45°角度的相关系数在0.071左右，即量块实际厚度值与宽度分辨率几乎无线性关系，同时模型方差基本为0，几乎是一条水平直线。模型参数见上表4所示，同时从图12可知：当光轴与入射激光夹角为90°时，可以看出宽度方向的分辨率基本为一常数，只于测量系统的光学参数有关，而与厚度并无关系，不随被测实木板材的厚度变化而变化，因而可以简化标定程序。可以适用于各种规格不同的板材毛边检测，极大地简化了工作流程，降低了工作强度。

表5、45°相对误差均值

表6、误差样本均值与方差

	均值	方差
			45°	0.1821	0.1321

由表5、表6和图13和图14可知，测量系统可靠，相对误差在1％以下，误差均值在0.5mm以内，检测精度满足木材加工需求。

本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种斜射式实木板材表面裂纹的检测系统，包括传送台、激光发射器、支架、面阵工业相机，支架桥式架设在传送台上，沿传送台的传送方向，依次在支架上设置激光发射器和面阵工业相机，且所述的激光发射器发射到传送台上待检测实木板材表面的光源经待检测实木板材反射后被面阵工业相机接收，而面阵工业相机同时与一计算机连通，其特征在于，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，0＜入射角＜90°。

2.一种基于权利要求1所述的斜射式实木板材表面裂纹的检测系统的实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光发射器向传送台上经过的待检测实木板材发射激光光源，待检测实木板材表面的激光经反射后由面阵工业相机接收，所述的激光发射器发射的入射激光线和面阵工业相机的光轴成90°夹角，且所述的入射光为斜射，且，0＜入射角＜90°；

S2：面阵工业相机将得到的待检测实木板材反射的激光光源信息转换为待检测实木板材的裂纹轮廓图像信息；

S3：计算机中的数据采集卡收集面阵工业相机的待检测实木板材的裂纹轮廓图像信息，根据裂纹轮廓图像信息得到木质板材被测截面的厚度值像素和宽度值像素，并将像素单位转化为长度单位，根据厚度出现突变点的信息和突变点之间的宽度信息得到待检测实木板材的表面裂纹信息。

3.根据权利要求2所述的一种斜射式实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S1步骤中，激光发射器对待检测实木板材发射的激光光源为扇形激光光源，且待检测实木板材表面形成的光条为一字形光条。

4.根据权利要求2所述的一种斜射式实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S3步骤中，所述的待检测实木板材的厚度的计算公式为：

x＝k·y (I)

公式(I)中，x为待检测实木板材的检测厚度值；y为面阵工业相机中待检测实木板材表面与基准底面的偏移，y在裂纹图像轮廓中表现为木质板材的厚度,k为空间分辨率，且所述的k为面阵工业相机中待检测实木板材表面与基准底面的偏移y与待检测实木板材检测厚度值x的线性关系系数，通过公式(I)，得到厚度出现突变点的信息。

5.根据权利要求4所述的一种斜射式实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，所述的k的数值公式为：在k的数值公式中，θ为激光发射器的入射角,β为面阵工业相机的光轴与待测木质板材表面法线的夹角，f为相机焦距，L表示测量厚度为0时面阵工业相机成像的物距，θ+β＝90°，所以sin(θ+β)为固定值1，且当成像系统固定，面阵工业相机的镜头位置固定且倾角确定，激光发射器距传送台高度确定，L、f、θ均为固定值，则k也为固定值。

6.根据权利要求5所述的一种斜射式实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，在S3步骤中，

待检测实木板材的实测宽度ω的计算过程为：

ω＝k₂′W' (Ⅱ)

公式(Ⅱ)中，所述的ω为待测木质板材的实际宽度值，k₂′为待检测实木板材宽度方向的空间分辨率，W'为宽度轮廓图像中表现的待检测实木板材的宽度值，所述的k₂′为常数，以厚度出现突变点的点为端点，然后计算相邻两个端点间的距离得到裂纹宽度。

7.根据权利要求6所述的一种斜射式实木板材表面裂纹的检测方法，其特征在于，所述的k'₂＝k₂，式中：k₂为厚度为0处宽度方向的空间分辨率，当成像系统固定，测量厚度为0时成像的物距和像距均为固定值，则k₂为固定值。