CN110186937A - 剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法及系统 - Google Patents

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黄易杨
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Abstract

本发明公开了一种剔除灰尘影响的镜面物体表面缺陷检测方法及系统；本发明在传统基于调制度分析原理的斜投斜拍式检测系统中引入均匀照明光源模块，基于散射原理，实现了识别镜面物体的表面灰尘信息，故而通过与缺陷及灰尘分布信息图对比分析，即得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息。本发明检测系统，结构紧凑，克服了传统检测需要大量人工检测的局限性；避免了复杂的标定过程，也无需积分重建待测物体的高度信息，避免了积分算法带来的误差；同时，解决了传统基于调制度原理的检测系统存在点缺陷与灰尘点难以区分的问题；因此本发明检测系统和检测方法具有准确，简单，快捷和实用的优势。

Description

剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法及系统
技术领域
本发明属于光学成像技术领域，具体涉及一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法及系统。
背景技术
随着玻璃技术的日益成熟，玻璃已经成为我们衣食住行生活中不可或缺的一部分。玻璃由于具有很高的硬度(莫氏硬度为8H)使之抗划伤、极佳的透光性能、较好的表面强度使之抗摔抗压、极好的表面光洁度、极好的金属质感。玻璃面板在电子显示屏中的应用越来越广泛，如液晶显示屏的基板，电视、笔记本电脑、pad、手机的保护玻璃等。
在玻璃盖板的生产中，由于材料、制作工艺等原因，会产生一定比例的缺陷玻璃盖板。对于玻璃盖板厂家来说，产品质量是其要考虑的重要环节。玻璃盖板表面缺陷直接影响产品质量，质量过关，该厂家才能占领更大的市场份额。如何在玻璃盖板生产过程中运用高科技提高玻璃盖板质量，检测系统所能发挥的作用直接决定着玻璃盖板质量。检测系统能避免次品进入后序工序中，降低成本，提高质量，高速稳定非接触的检测系统对玻璃盖板厂家来说是不可或缺的。根据检测到的缺陷特征分析缺陷是由哪一步引入的，可改进玻璃盖板生产工艺，减少生产过程中的缺陷，提高玻璃盖板性能和成品率。
目前，电子显示屏玻璃盖板在生产线上较多依靠人眼检测，人眼在强光下检测缺陷既费时，又受主观因素影响，不同视力的人检测的结果会有较大差异，缺乏统一的评判标准。人眼在暗室环境中长时间受强光刺激，短期内视力就会大幅下降，电子显示屏玻璃盖板生产企业通常几个月就会更换一批工人。人眼检测既不利于工人的健康，也不利于企业的利益。而现有基于调制度分析进行表面缺陷检测的系统，由于无法区分灰尘和缺陷，致使检测结果不够准确，无法很好地得到玻璃盖板的二维表面缺陷分布信息。因此，亟需发展一种识别灰尘与表面缺陷以获取更为精准的表面二维缺陷分布信息的方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法及系统，旨在解决既有方法基于调制度原理的检测系统存在点缺陷与灰尘点难以区分的技术问题，提高了检测的准确度，而且操作简单、快速。
为实现上述目的，本发明提供一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，包括以下步骤：
S1、在待测镜面物体表面倾斜方向入射编码结构光，并采集经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像；
S2、在待测镜面物体表面平行方向入射均匀照明光，并采集经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像；
S3、对步骤S1获取的变形结构光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图；
S4、对步骤S2获取的散射光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘分布信息图；
S5、根据步骤S4得到的灰尘分布信息图对步骤S3得到的灰尘及缺陷分布信息图进行剔除处理，得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
进一步地，所述步骤S1中，经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像具体表示为：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[2πf0x+δn]
其中，A(x，y)表示背景光强，B(x，y)表示条纹对比度，δn表示相移大小，f0表示条纹的频率。
进一步地，所述步骤S2中，经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像具体表示为：
其中，λ表示入射光波长。
进一步地，所述步骤S3具体为：
采用N步相移法求解变形结构光图像的调制度，根据灰尘及缺陷处的图像调制度与正常区域图像调制度的区别，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图。
进一步地，所述变形结构光图像的调制度计算公式具体为
其中，N表示相移步数。
本发明还提出了一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，包括结构光照明模块，均匀照明光源模块，图像采集模块和图像数据处理模块；
所述结构光照明模块用于在待测镜面物体表面倾斜方向入射编码结构光，在待测镜面物体表面成像；
所述均匀照明光源模块用于在待测镜面物体表面平行方向入射均匀照明光；
所述图像采集模块用于分步采集经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像，及经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像；
所述图像数据处理模块用于变形结构光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图；对散射光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘分布信息图；根据灰尘分布信息图对灰尘及缺陷分布信息图进行剔除处理，得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
进一步地，所述结构光照明模块输出标准N步相移正弦条纹的编码结构光。
进一步地，所述结构光照明模块投影于待测镜面物体表面，经待测镜面物体表面调制后的光线进入图像采集模块且成像于图像采集模块的成像靶面。
进一步地，所述均匀照明光源模块至少包括一个白光光源。
进一步地，所述均匀照明光源模块投影于待测镜面物体侧面，经待测物体表面灰尘散射的光线进入图像采集模块且成像于图像采集模块的成像靶面。
本发明的有益效果是：本发明在传统基于调制度分析原理的斜投斜拍式检测系统中引入均匀照明光源模块，基于散射原理，实现了识别镜面物体的表面灰尘信息，故而通过与缺陷及灰尘分布信息图对比分析，即得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息；本发明的检测系统结构紧凑，克服了传统检测需要大量人工检测的局限性；避免了复杂的标定过程，也无需积分重建待测物体的高度信息，避免了积分算法带来的误差；同时，解决了传统基于调制度原理的检测系统存在点缺陷与灰尘点难以区分的问题；因此本发明检测系统和检测方法具有准确，简单，快捷和实用的优势。
附图说明
图1是本发明的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法流程示意图；
图2是本发明基于调制度测量缺陷及灰尘的原理示意图；
图3是本发明基于调制度测量灰尘的原理示意图；
图4是本发明的检测系统检测玻璃盖板表面灰尘及缺陷的原理示意图；
图5是本发明的检测系统检测玻璃盖板表面灰尘的原理示意图。
图中：1为结构光照明模块，2为均匀照明光源模块，3为图像采集模块，4为待测镜面物体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，是本发明的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法流程示意图；一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，包括以下步骤：
S1、在待测镜面物体表面倾斜方向入射编码结构光，并采集经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像；
S2、在待测镜面物体表面平行方向入射均匀照明光，并采集经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像；
S3、对步骤S1获取的变形结构光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图；
S4、对步骤S2获取的散射光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘分布信息图；
S5、根据步骤S4得到的灰尘分布信息图对步骤S3得到的灰尘及缺陷分布信息图进行剔除处理，得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S1采用斜投斜拍方式，在待测镜面物体表面倾斜方向入射编码结构光，使得光线在待测镜面物体表面成像。
为了提高测量精度，本发明采用具有特定相移的正弦条纹成像于待测镜面物体的表面，并采集经待测镜面物体的表面调制得到的变形正弦条纹。
如图2所示，当待测镜面物体表面存在缺陷或者灰尘时，会造成光线偏折，从而引起缺陷及灰尘处的调制度值不同于周围正常区域的调制度值，因此通过分析调制度值，可以得到缺陷及灰尘的分布。
经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像具体表示为：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[2πf0x+δn]
其中，A(x，y)表示背景光强，B(x，y)表示条纹对比度，δn表示相移大小，f0表示条纹的频率。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S2采用侧投斜拍方式，在待测镜面物体表面平行方向入射均匀照明光，并采集经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像。
如图3所示，当均匀照明光进入从待测镜面物体内部的光线在经过缺陷时，大部分光线都被内部的反射损耗了，只有一少部分在合适的情况下逸出。
本发明中由于光线被灰尘散射，光线的传播方向发生了改变，所以灰尘处的光线可以通过散射被采集，根据米氏散射，经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像具体表示为：
其中，n﹤4，n的具体取值取决于微粒尺寸，θ为散射角，即观察的方向与光线入射角所呈的夹角。λ为入射光波长，并且散射光强度与波长的n次方成反比。因此，当有灰尘时，由于灰尘的散射现象，在灰尘所在的位置，光强不会为零。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S3采用N步相移法求解变形结构光图像的调制度，根据灰尘及缺陷处的图像调制度与正常区域图像调制度的区别，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图。
变形结构光图像的调制度计算公式具体为
合并变形结构光图像与调制度计算公式得到
由此可以看出，调制度与背景光强A(x，y)无关，仅仅与B(x，y)有关。
根据
Imax(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)
Imin(x,y)＝A(x,y)-B(x,y)
得到
说明调制度仅仅由光强的最大值Imax(x，y)与最小值Imin(x，y)之差决定，背景光对调制度无影响，通过上述分析也可以看出，调制度对环境光的变化不敏感，使得测试系统在环境光变化后结果仍然较稳定。
在本发明的一个可选实施例中，由于均匀照明光进入缺陷后逸出的光线亮度相比于灰尘的亮度要低得多，因此上述步骤S4通过二值化手段将缺陷从检测结果中去除，从而获取被待测镜面物体上灰尘散射后的图像，得到灰尘点的光强图。
在本发明的一个可选实施例中，上述步骤S5通过结合灰尘分布信息图和缺陷及灰尘分布信息图二者进行数据分析、处理，即可得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
基于上述剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，本发明还提出了一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，包括结构光照明模块1，均匀照明光源模块2，图像采集模块3和图像数据处理模块；
所述结构光照明模块1用于在待测镜面物体4表面倾斜方向入射编码结构光，在待测镜面物体4表面成像；
所述均匀照明光源模块2用于在待测镜面物体4表面平行方向入射均匀照明光；
所述图像采集模块3用于分步采集经待测镜面物体4表面调制后的变形结构光图像，及经待测镜面物体4表面灰尘散射后的散射光图像；
所述图像数据处理模块用于变形结构光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图；对散射光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘分布信息图；根据灰尘分布信息图对灰尘及缺陷分布信息图进行剔除处理，得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
上述结构光照明模块1可使用任何结构光照明设备，本发明直接选用LCD液晶显示屏作为结构光照明模块1，结构光照明模块1还包括与LCD液晶显示屏相连的控制系统，从而实现控制结构光照明模块1产生不同模式的结构光。
如图4所示，将结构光照明模块1和图像采集模块3分别倾斜置于待测镜面物体4的表面的上方，调整结构光照明模块1、待测镜面物体4的表面和图像采集模块3三者在空间中的位置使其满足反射定律。
为了提高测量精度，本实施例中控制结构光照明模块1产生具有特定相移的正弦条纹。所述正弦条纹成像于待测镜面物体4的表面，经待测镜面物体4的表面调制得到的变形正弦条纹进入图像采集模块3且成像于图像采集模块3的成像靶面，图像采集模块3将采集得到的图片交由后续图像数据处理模块处理，得到待测镜面物体4的表面灰尘及缺陷信息图。
当待测镜面物体4表面存在缺陷或者灰尘时，会造成光线偏折，从而引起缺陷及灰尘处的调制度值不同于周围正常区域的调制度值。故通过分析调制度，可以得到缺陷及灰尘的分布。
本发明采用N步相移法求解调制度，图像采集模块3接收被待测镜面物体表面调制的某帧变形条纹可表示为
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[2πf0x+δn]
其中，A(x，y)表示背景光强，B(x，y)表示条纹对比度，δn表示相移大小，
图像采集模块3所拍摄的变形条纹图表示为
其中，是由待测物体引入的附加相位。
上述均匀照明光源模块2可使用任何均匀照明光源设备，本发明直接选用LED光源作为均匀照明光源模块2，调整均匀照明光源模块2、待测镜面物体4的表面和图像采集模块3三者在空间中的位置使图像采集模块3能够接收到均匀照明光源模块2发出的，经待测物表面灰尘散射的光线，如图5所示。
本发明控制均匀照明光源模块2工作，产生的光线经待测镜面物体4的侧面，使得经过被待测镜面物体4的表面上灰尘散射后的光线进入图像采集模块3，并且成像于图像采集模块3的成像靶面。而进入从待测镜面物体4内部的光线在经过缺陷时，大部分光线都被内部的反射损耗了，只有一少部分在合适的情况下可以进入相机靶面。但是相比于灰尘的亮度，缺陷的亮度要低得多，于是可以通过二值化手段将缺陷从检测结果中去除。从而获取被待测镜面物体4上灰尘散射后的图像，得到灰尘点的光强图。
由于光线被灰尘散射，光线的传播方向发生了改变，所以灰尘处的光线可以通过散射到达相机靶面，在有灰尘的位置将是一个亮点。根据米氏散射
其中，n﹤4，n的具体取值取决于微粒尺寸，θ为散射角，即观察的方向与光线入射角所呈的夹角。λ为入射光波长，并且散射光强度与波长的n次方成反比。因此，当有灰尘时，由于灰尘的散射现象，在灰尘所在的位置，光强不会为零，从而被图像采集模块3接收，图像采集模块3将采集得到的图片交由后续图像数据处理模块处理，通过对光强图进行数据分析，得到待测镜面物体4的表面灰尘信息图，由于灰尘属于大粒子散射，对光线的散射呈白色，在所得表面灰尘信息图中可观察到灰尘点为白色亮点。
上述图像采集模块3选用CCD相机，CCD相机为Allied Vision Technologies MG-505B，相机镜头为焦距为25mm的定焦镜头(ComputarM2514-MP2)。
本发明的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统的工作原理为：
待测镜面物体4表面通常都会存在缺陷和灰尘，二者均会造成光线偏折，从而引起缺陷及灰尘处的调制度值不同于周围正常区域的调制度值，并且调制度对环境光的变化不敏感，使得检测系统在环境光变化后结果仍然较稳定，因此通过分析调制度，即可得到缺陷及灰尘的分布。然而由于传统基于调制度分析原理得到的检测结果无法区分镜面物体表面灰尘和缺陷，因此这一方法下测得的表面二维缺陷信息不够准确。为了剔除灰尘对于待测镜面物体表面缺陷的影响，本发明中当只有均匀照明光源模块2工作，侧向照向待测镜面物体4的光线由于表面灰尘的存在，发生散射现象，灰尘从而被照亮。缺陷虽然也会被照亮，但其亮度与灰尘的亮度相比差距很大，非常易于区分，在合适的阈值下，可以在二值化结果上仅显示灰尘的分布。而基于调制度原理得到缺陷及灰尘分布信息图为现有技术，通过结合缺陷及灰尘分布信息图和灰尘分布信息图二者进行分析、处理，即可得到剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷信息。
本发明在传统基于调制度检测镜面物体表面二维缺陷的系统中引入均匀照明光源模块2，实现了识别镜面物体的表面灰尘分布信息，进而达到在检测镜面物体表面的二维缺陷时剔除灰尘影响的目的。
本发明检测系统结构紧凑，克服了传统检测需要大量人工检测的局限性；避免了复杂的标定过程，也无需积分重建待测物体的高度信息，避免了积分算法带来的误差；解决了传统基于调制度原理的检测系统存在点缺陷与灰尘点难以区分的问题；因此，本发明具有准确、简单、快速和实用的优势。
本发明提出的检测系统及检测方法适用于任何镜面物体的外观缺陷检测，尤其适用于电子显示屏玻璃盖板的外观缺陷检测，在电子显示屏领域的实际应用中具有广阔前景。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在待测镜面物体表面倾斜方向入射编码结构光，并采集经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像；
S2、在待测镜面物体表面平行方向入射均匀照明光，并采集经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像；
S3、对步骤S1获取的变形结构光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图；
S4、对步骤S2获取的散射光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘分布信息图；
S5、根据步骤S4得到的灰尘分布信息图对步骤S3得到的灰尘及缺陷分布信息图进行剔除处理，得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
2.如权利要求1所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像具体表示为：
In(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)·cos[2πf0x+δn]
其中，n表示第n帧图像，A(x，y)表示背景光强，B(x，y)表示条纹对比度，δn表示相移大小，f0表示条纹的频率。
3.如权利要求2所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像具体表示为：
其中，λ表示入射光波长。
4.如权利要求3所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
采用N步相移法求解变形结构光图像的调制度，根据灰尘及缺陷处的图像调制度与正常区域图像调制度的区别，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图。
5.如权利要求4所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测方法，其特征在于，所述变形结构光图像的调制度计算公式具体为
其中，N表示相移步数。
6.一种剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，其特征在于，包括结构光照明模块，均匀照明光源模块，图像采集模块和图像数据处理模块；
所述结构光照明模块用于在待测镜面物体表面倾斜方向入射编码结构光，在待测镜面物体表面成像；
所述均匀照明光源模块用于在待测镜面物体表面平行方向入射均匀照明光；
所述图像采集模块用于分步采集经待测镜面物体表面调制后的变形结构光图像，及经待测镜面物体表面灰尘散射后的散射光图像；
所述图像数据处理模块用于变形结构光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘及缺陷分布信息图；对散射光图像进行处理，得到待测镜面物体表面的灰尘分布信息图；根据灰尘分布信息图对灰尘及缺陷分布信息图进行剔除处理，得到剔除灰尘影响的待测镜面物体表面二维缺陷信息图。
7.如权利要求6所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，其特征在于，所述结构光照明模块输出标准N步相移正弦条纹的编码结构光。
8.如权利要求7所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，其特征在于，所述结构光照明模块投影于待测镜面物体表面，经待测镜面物体表面调制后的光线进入图像采集模块且成像于图像采集模块的成像靶面。
9.如权利要求8所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，其特征在于，所述均匀照明光源模块至少包括一个白光光源。
10.如权利要求9所述的剔除灰尘影响的镜面物体表面二维缺陷检测系统，其特征在于，所述均匀照明光源模块投影于待测镜面物体侧面，经待测物体表面灰尘散射的光线进入图像采集模块且成像于图像采集模块的成像靶面。
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