CN110261390B - 一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统和方法，其中系统包括图像采集模块、图像处理模块、漫反射光源和结构光光栅，所述漫反射光源的光线经过结构光光栅后照射到待测物体上，并在待测物体形成明暗相间的光线形状，所述图像采集模块和图像处理模块连接；所述图像采集模块用于采集待测物体的图像信息，并将采集到的图像信息发送至图像处理模块；所述图像处理模块用于根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析。本发明在待测物上照射呈现明暗相间的光线形状后，根据光线形状的形状参数对待测物体进行缺陷分析，能够检测出待测物上的大缺陷和小缺陷，可广泛应用于自动光学检测领域。

Description

一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统和方法

技术领域

本发明涉及自动光学检测领域，尤其涉及一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统和方法。

背景技术

在工业技术发展的带动下，人们对工业零件的表面精确度要求越来越高，无论是针对外观完整性还是缺陷类型检测都提出了新的要求。零件的外观及缺陷检测成为了工业生产加工过程中不可或缺的一部分。目前，零件的外观及缺陷检测方法主要有三种：1、基于超声波、射线、电磁涡流等的检测方法；2、人工目测检测方法；3、机器视觉检测方法。

近几年来，随着LED技术、图像采集技术、数据传输技术的不断发展更新，基于机器视觉的检测技术得到了长足的发展。由于机器视觉检测不需要或较少需要人为的干预，是一种自动化、高性能的检测方式，能够实现100％实时在线自动检测。目前已经广泛应用于液晶显示屏、钢板轧制、纺织品等生产过程中的质量控制，并且取得了良好的效果。

对于平整的光滑表面，目前基于视觉缺陷检测的方法中，绝大部分采用高角度光或者低角度光照射到工件，然后设定一定角度的工业相机进行图像采集。在此过程中，平整表面的图像无明显变化，而对于缺陷表面，缺陷部分会使漫反射的一致性受到破坏，从而造成缺陷区域和灰度背景区域出现明显的灰度跳跃，以此来判断缺陷。

但是这种方法对于非平整的光滑曲面，无法实现相应的检测效果，特别是缺陷物理尺寸较小，或者特征不明显的待测件。在非平整的光滑曲面上，由于镜面反射的关系，当光源按照一定的角度照射到工件表面时，对应的采集相机必须按照镜面反射的对应位置进行图像采集。由于曲面外观的不确定性，相机的对应位置无法确定。因此，固定位置相机无法有效的采集图像数据。而且，对于表面曲率变化很小的凹坑缺陷或者凸起缺陷，由于表面变化很小，传统的方法无法通过灰度值的变化或其他特征检测到缺陷。目前还没有一种技术能够对上述非平整光滑曲面的缺陷进行检测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够针对非平整光滑曲面进行表面缺陷光学检测的系统和方法。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，包括图像采集模块、图像处理模块、漫反射光源和结构光光栅，所述漫反射光源的光线经过结构光光栅后照射到待测物体上，并在待测物体形成明暗相间的光线形状，所述图像采集模块和图像处理模块连接；

所述图像采集模块用于采集待测物体的图像信息，并将采集到的图像信息发送至图像处理模块；

所述图像处理模块用于根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析。

进一步，还包括用于传送待测物体的传送装置，所述传送装置包括移动平台和用于控制移动平台运动的运动控制模块，所述运动控制模块和图像处理模块连接。

进一步，所述漫反射光源包括漫射板和多个灯带模块，各所述灯带模块包括串联灯带和用于控制串联灯带的亮度的电流驱动单元。

进一步，所述串联灯带的亮度依次增加或依次减小。

进一步，所述串联灯带由多个LED灯串联组成，所述LED灯为白色LED灯、红色LED灯及蓝色LED灯中任一种LED灯。

进一步，还包括光电传感器，所述光电传感器与图像处理模块连接。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测方法，包括以下步骤：

控制待测物移动至漫反射光源区后，在待测物体上形成明暗相间的光线形状，并获取待测物的图像信息；

根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析。

进一步，所述控制待测物移动至漫反射光源区后，在待测物体上形成明暗相间的光线形状，并获取待测物的图像信息这一步骤，具体包括以下步骤：

控制待测物在移动平台运动上移动，并在检测到待测物经过漫反射光源区时，采集待测物的图像信息；

判断图像信息是否符合要求，若符合，停止采集测物的图像信息；反之，按照预设方式控制漫反射光源的亮度，并继续采集待测物的图像信息，直到图像信息符合要求。

进一步，所述形状参数包括明亮区域和光线形状的边界线，所述根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析这一步骤，具体包括以下步骤：

A1、从图像信息中获取待测图像，对待测图像进行预处理后，依次获取光线形状的明亮区域和光线形状的边界线；

A2、依次结合明亮区域和边界线提取并分析待测物的缺陷信息，并输出缺陷结果；

A3、判断是否完成整个待测物的缺陷信息提取，若是，结束检测步骤；反正，返回执行步骤A1。

进一步，所述步骤A2，具体包括以下步骤：

根据明亮区域进行灰度值分割，并根据灰度值提取表面曲率变化大的缺陷，以及分析缺陷类型；

将边界线拟合成一条曲线，并根据曲线的梯度变化情况提取表面曲率变化小的缺陷，以及分析缺陷类型。

本发明的有益效果是：本发明在待测物上照射呈现明暗相间的光线形状后，采集待测物的图像信息，并根据光线形状的形状参数对待测物体进行缺陷分析，能够检测出待测物上的大缺陷和小缺陷，弥补了现有技术无法完整地对非平整的光滑曲面进行缺陷检测的空白。

附图说明

图1是本发明一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统的结构示意图；

图2是结构光光栅的第一种实施方式的示意图；

图3是结构光光栅的第二种实施方式的示意图；

图4是漫反射光源的形状的第一种实施方式的示意图；

图5是漫反射光源的形状的第二种实施方式的示意图；

图6是漫反射光源的形状的第三种实施方式的示意图；

图7是漫反射光源的内部结构示意图；

图8是漫反射光源的灯带模块的结构示意图；

图9是本发明一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测的步骤流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例提供了一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，包括图像采集模块2、图像处理模块、漫反射光源4和结构光光栅5，所述漫反射光源4的光线经过结构光光栅5后照射到待测物3体上，并在待测物3体形成明暗相间的光线形状，所述图像采集模块2和图像处理模块连接；

所述图像采集模块2用于采集待测物3体的图像信息，并将采集到的图像信息发送至图像处理模块；

所述图像处理模块用于根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物3体进行缺陷分析。

所述漫反射光源4用于给待测物3提供光源，所述漫反射光源4的形状可以采用多种形状。由于待测物3具体不同形状曲面结构，针对不同的曲面形状的待测物3，可以选用不同形状的漫反射光源4。比如：参照图4，将漫反射光源4的形状设计成为弧形，以利于弧形工件的检测。参照图5和图6，同样的原理，可以根据待检测工件的特点设计成其他形状，比如将漫反射光源4的设计为拱形、椭圆状、斜平面或者三角形等。由漫反射光源4提供的光源可以更好地照射到待测物3表面的每个地方，无需图像采集模块2移动位置就能很好地获得待测物3的图像信息，这是由于相机的方向和光源的方向必须满足反射定律，才能采集到图像信息，如果采用非漫反射光源4，当待测物3表面为曲面时，反射的光线可能达到不了相机，造成相机采集不到对应的图像信息，而采用漫反射光源4可以很好地解决该问题。

所述结构光光栅5设置在漫反射光源4的下部，漫反射光源4的光线经过结构光光栅5 照射到待测物3上，从而在待测物3体形成明暗相间的光线形状。所述光线形状可以为多种形状，比如为条纹状，如图2所示，光条纹和暗条纹相间，也可以为其他形状，比如参照图 3，光区域为圆形或者棱形等，各光区域依次排列，而其他面积为暗区域。所述结构光光栅5 可以采用不透明物质，结合遮挡光源的原理制成。具体光区域和暗区域之间的间距根据被检测物体表面的缺陷大小进行设计，可以设计为几毫米至几十毫米不等。

具体地，所述漫反射光源4和结构光光栅5还可以通过干涉的原理，比如，所述漫反射光源4采用VCSEL发生器和光束整形器来实现，而结构光光栅5采用DOE衍射光栅来实现，最终在待测物3投射 出明暗相间的光线形状。采用该实现方式，可以极大的提高精度，对于高精度的测量，间距要小于1mm，对于普通测量可以在1mm之上。

所述图像采集模块2用于采集待测物3的图像信息，该图像采集模块2可以采用一个或者多个摄像头来实现，本实施例中对摄像头的型号并没有限制。所述图像采集模块2与图像处理模块连接，并将采集到是图像信息实时传输至图像处理模块。

所述图像处理模块用于对接收到的图像信息进行处理，获取图像上光线形状的形状参数，并根据形状参数分析待测物3的缺陷情况，根据图像信息中的灰度值的变化情况，可以获取待测物3中存有大面积缺陷的情况，而通过光线的形状可以判断获取待测物3中存有小面积缺陷的情况，从而可以完整地检测出非平整的光滑曲面的待测物3上的缺陷，弥补现在技术无法检测非平整的光滑曲面小缺陷的空白。

本实施例的系统可广泛应用于玻璃检测、汽车喷漆件表面检测、电镀产品表面检测和光滑工件表面检测等，但不局限于此类。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，还包括用于传送待测物体的传送装置，所述传送装置包括移动平台1和用于控制移动平台1运动的运动控制模块，所述运动控制模块和图像处理模块连接。

所述待测物放置在移动平台1上，所述运动控制模块用于控制移动平台1运动情况，且与图像处理模块连接，并接收图像处理模块的控制指令，比如当待测物移动至漫反射光源的光源区时，图像处理模块发送控制指令给运动控制模块，从而减慢移动平台1的速度，或者停止移动平台1的移动。如此，减少人工的参与，提高了智能化，也提高了检测的效率与质量。

参照图8，进一步作为优选的实施方式，所述漫反射光源包括漫射板43和多个灯带模块，各所述灯带模块包括串联灯带41和用于控制串联灯带41的亮度的电流驱动单元。

在本实施例中，参照图7，所述漫反射光源的光源由串联灯带41提供，串联灯带41提供的光源经过漫射板43后，将光线漫射出去。所述漫射板43的结构可以采用多种结构，在本实施例中，所述漫射板43由透明材质制成，在漫射板43的内侧设有高度不同的凸起形状42，当光线穿过漫射板43后，获得更加均匀的漫射光输出，从而提高检测的准确度。

具体地，每个串联灯带41包括多个LED灯，每个串联灯带41上的LED灯采用串联方式连接，并通过电流驱动单元控制流经LED灯的电流，因此串联灯带41上每个灯珠的亮度相同。通过电流驱动单元控制串联灯带41的亮度，各串联灯带41的亮度可以相同，也可以不同，在本实施例中，各串联灯带41的亮度不同，当待测物体经过各串联灯带41时，各部分的光照亮度不同，通过调整各个串联灯带41的亮度来获取合适的图像的信噪比，从而提高检测的准确度。根据需要，串联灯带41的亮度可以设置多组，最高可设置到4096组不同的值，多组串联灯带41构成了一个LED阵列。在本实施例中，各串联灯带41采用平行的方式横跨在移动平台上，待测物体的运动方向横穿过各串联灯带41，如此，可以全方位的照射到待测物，更有利与采集图像信息，提高了检测的效率和质量。其中，所述电流驱动单元1代表第一个电流驱动单元，所述电流驱动单元2代表第二个电流驱动单元，电流驱动单元m代表第m个电流驱动单元。

参照图8，进一步作为优选的实施方式，所述串联灯带的亮度依次增加或依次减小。

在本实施例中，通过调节电流驱动单元，将串联灯带的亮度从漫反射光源的左侧至漫反射光源的右依次增加或依次减小，即在移动平台运动方向上依次增加亮度或依次减小亮度，可实现亮度渐变的面光源，整个LED阵列可形成亮度逐渐增强或逐渐减弱的漫反射光源7。漫反射光源为亮度渐变的漫反射光源，所检测缺陷的范围大大增强，整体系统将不受光照强度的限制，图像的信噪比可以大幅度增强。参照图1，在漫反射光源外设有光源控制模块，该光源控制模块带有显示屏和输入模块，通过显示屏查看个串联灯带的电流值，通过输入模块调控串联灯带的电流值。

进一步作为优选的实施方式，所述串联灯带由多个LED灯串联组成，所述LED灯为白色LED灯、红色LED灯及蓝色LED灯中任一种LED灯。

所述LED灯才采用多种颜色的单色光，比如白色LED灯、红色LED灯或蓝色LED灯等，根据待测物体切换不同颜色的LED灯，比如待测物体为有色玻璃，此时采用白色LED 灯会影响摄像机拍摄的效果，需要切换其他颜色的LED灯。

进一步作为优选的实施方式，还包括光电传感器，所述光电传感器与图像处理模块连接。

所述光电传感器(如电眼)，用于根据光电传感器的信号来判断整个图像采集工作的完成情况。该判定步骤也可以通过图像处理的方式，检测采集到的图像信息中是否包含被测物体表面信息来判断图像采集工作的完成情况。但是通过光电传感器来实现，能够获得更高的效率和准确度。

综上所述，本发明相对与现有技术具有如下的有益效果：

1)通过环形的(不限于环形，也可以做成平面光源或者是其他形状的光源)漫反射光源系统，可以实现相机在大的角度上完整的拍摄到待测零件。

2)通过结构光光栅配合漫射光源产生结构光，不仅可以为粒点、凹坑、气泡等缺陷提供有效的光照。同时通过相机采集明暗相间的条纹的形状(不局限于条纹形状)变化来检测表明曲率变化较小的缺陷。

3)具有可调节亮度控制模块的光照系统，可以根据不同产品零件的表面反光条件调节不同的亮度值，以合适的信噪比拍摄表面缺陷。

4)通过移动平台移动待测物体，可以实现在不同的光照条件下、不同的角度位置进行图像获取，确保更高的检测准确率。

如图9所示，本实施例还提供了一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测方法，包括以下步骤：

S1、控制待测物移动至漫反射光源区后，在待测物体上形成明暗相间的光线形状，并获取待测物的图像信息；

S2、根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析。

目前在针对缺陷的视觉检测方法中，绝大部分采用的方式是通过高角度光或者低角度光照射到工件，然后通过一定角度的工业相机进行图像采集。在此过程中，平整的表面的图像无明显变化，而对于缺陷表面，缺陷部分会使漫反射的一致性受到破坏，从而造成缺陷区域和灰度背景区域出现明显的灰度跳跃，以此来判断并检出缺陷。但是随着工艺技术的发展，现在出现越来越多的非平整的光滑曲面或者任意形状表面，由于检测时，相机的方向和光源的方向必须满足反射定律，因此传统的方法无法应用于非平整的光滑曲面检测中。而且，对于表面曲率变化很小的凹坑缺陷或者凸起缺陷，由于表面变化很小，传统的方法无法通过灰度值的变化或其他特征检测到缺陷。这种情况目前还没有得到完善地解决。

因此，本实施例提供一种能够完全检测非平整的光滑曲面的缺陷的检测方法，具体为：控制待测物移动至漫反射光源区，通过漫反射可以实现相机在大的角度上完整的拍摄到待测零件，故无需变动相机，就能采集到待测物的完成图像。在待测物体的表面上形成明暗相间的光线形状，通过相机采集此时待测物的图像信息。根据图像信息获取光线形状的形状参数，该形状参数包括颜色参数、亮度参数、灰度值参数或线条曲率的变化等。当遇到大的缺陷(比如粒点、凹坑、气泡等缺陷)时，根据漫反射光线的明亮度或者灰度可以分析获得；当遇到表明曲率变化较小的缺陷时，根据光线形状的形变可以分析获得。从而实现完整地对非平整的光滑曲面进行缺陷检测，弥补了该技术领域的空白。

其中，步骤S1包括步骤S11～S12：

S11、控制待测物在移动平台运动上移动，并在检测到待测物经过漫反射光源区时，采集待测物的图像信息；

S12、判断图像信息是否符合要求，若符合，停止采集测物的图像信息；反之，按照预设方式控制漫反射光源的亮度，并继续采集待测物的图像信息，直到图像信息符合要求。

控制待测物在移动平台运动上移动可以采用人工方式进行控制，本实施例中采用自动化的方式进行控制，可以实现在不同的光照条件下、不同的角度位置进行图像获取，确保更高的检测准确率。所述判断图像信息是否符合要求，即判断是否完成了整体待测物的图像采集工作，是否采集了该待测物 所有表面的图像信息，该步骤可采用光电传感器来实现，也可以通过图像处理的方式来实现。

当无法获取到符合要求的图像信息，控制调节漫反射光源的亮度，以获取合适的信噪比，间接地提高了检测的精确度。

所述形状参数包括明亮区域和光线形状的边界线，其中，步骤S2包括步骤S21～S23：

S21、从图像信息中获取待测图像，对待测图像进行预处理后，依次获取光线形状的明亮区域和光线形状的边界线；

S22、依次结合明亮区域和边界线提取并分析待测物的缺陷信息，并输出缺陷结果；

S23、判断是否完成整个待测物的缺陷信息提取，若是，结束检测步骤；反正，返回执行步骤S21。

所述图像信息内包括一张或多张待测图像，这是因为一张图片可能无法涵盖所有的信息，所以通过划分多种图片进行检测。依次从图像信息中获取一张待测图像，对待测图像进行预处理，获取待测图像上的明亮区域和光线形状的边界线，所述明亮区域即光区域，由于经过了结构光光栅的作用，产生了光区域和暗区域，所述明亮区域相对于暗区域相对立。所述边界线为光区域和暗区域之间的分界线。依次结合明亮区域和边界线提取并分析待测物的缺陷信息，并输出缺陷结果，输出缺陷的类型和数量等。判断是否完成整个待测物的缺陷信息提取，若是，结束检测步骤；否则，返回步骤S21，获取第二张待测图像进行检测。

其中，步骤S22具体包括步骤B1～B2：

B1、根据明亮区域进行灰度值分割，并根据灰度值提取表面曲率变化大的缺陷，以及分析缺陷类型，以及分析缺陷类型；

B2、将边界线拟合成一条曲线，并根据曲线的梯度变化情况提取表面曲率变化小的缺陷，以及分析缺陷类型。

由于表面曲率变化大的缺陷(如粒点、凹坑、气泡等)，面积比较大，会造成图像中同一明亮区域的灰度值的变化，根据灰度值的变化可以检测出相应的缺陷。将边界线拟合成一条曲线，当在该曲线上对应的曲面上出现小的缺陷时，由于该曲线的作用，会使得曲线在该缺陷这个位置出现跳跃，则根据曲线的梯度变化情况则可以获取到小的缺陷。由于光区域和暗区域的间距调整，当间距越小时，理论上可以检测到无限小的缺陷，该间距可以根据工艺需求来选择。

针对与缺陷类型的分析，比如曲率变化较小的凹坑，通过漫反射结构光采集到图像，反映出来的缺陷特征为条纹的突然形变。这里所说的条纹就是一种结构；也可以是圆形，比如通过算法判断圆形已经不是标准的圆形了，则可认为存在缺陷。再比如小尺寸的粒点杂质，通过漫反射结构光采集到图像，反映出来的图像特征为在条形结构光上形状的缺失，比如条形断了，圆形会有开口，等等。通过算法判断圆形是不是标准的圆形，方形是不是标准的方形来判断是否存在缺陷。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，包括图像采集模块、图像处理模块、漫反射光源和结构光光栅，所述漫反射光源的光线经过结构光光栅后照射到待测物体上，并在待测物体形成明暗相间的光线形状，所述图像采集模块和图像处理模块连接；

所述图像采集模块用于采集待测物体的图像信息，并将采集到的图像信息发送至图像处理模块；

所述图像处理模块用于根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析；

所述形状参数包括明亮区域和光线形状的边界线，所述根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析这一步骤，具体包括以下步骤：

A1、从图像信息中获取待测图像，对待测图像进行预处理后，依次获取光线形状的明亮区域和光线形状的边界线；

A2、依次结合明亮区域和边界线提取并分析待测物的缺陷信息，并输出缺陷结果；

A3、判断是否完成整个待测物的缺陷信息提取，若是，结束检测步骤；反正，返回执行步骤A1；

所述步骤A2，具体包括以下步骤：

根据明亮区域进行灰度值分割，并根据灰度值提取表面曲率变化大的缺陷，以及分析缺陷类型；

将边界线拟合成一条曲线，并根据曲线的梯度变化情况提取表面曲率变化小的缺陷，以及分析缺陷类型。

2.根据权利要求1所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，还包括用于传送待测物体的传送装置，所述传送装置包括移动平台和用于控制移动平台运动的运动控制模块，所述运动控制模块和图像处理模块连接。

3.根据权利要求1所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，所述漫反射光源包括漫射板和多个灯带模块，各所述灯带模块包括串联灯带和用于控制串联灯带的亮度的电流驱动单元。

4.根据权利要求3所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，所述串联灯带的亮度依次增加或依次减小。

5.根据权利要求4所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，所述串联灯带由多个LED灯串联组成，所述LED灯为白色LED灯、红色LED灯及蓝色LED灯中任一种LED灯。

6.根据权利要求1所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，还包括光电传感器，所述光电传感器与图像处理模块连接。

7.一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测方法，应用于如权利要求1-6任一项所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测系统，其特征在于，包括以下步骤：

控制待测物移动至漫反射光源区后，在待测物体上形成明暗相间的光线形状，并获取待测物的图像信息；

根据图像信息获取光线形状的形状参数，并根据形状参数对待测物体进行缺陷分析。

8.根据权利要求7所述的一种漫反射结构光的表面缺陷光学检测方法，其特征在于，所述控制待测物移动至漫反射光源区后，在待测物体上形成明暗相间的光线形状，并获取待测物的图像信息这一步骤，具体包括以下步骤：

控制待测物在移动平台运动上移动，并在检测到待测物经过漫反射光源区时，采集待测物的图像信息；

判断图像信息是否符合要求，若符合，停止采集测物的图像信息；反之，按照预设方式控制漫反射光源的亮度，并继续采集待测物的图像信息，直到图像信息符合要求。

Images