CN117836610A - 用于检测反射表面上的局部缺陷的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过装置(10)来检测反射表面(13)上的局部缺陷的方法，该方法能高速检测反射表面上的缺陷。该装置(10)具有用于在反射表面上反射的至少一个图案(12)、至少一个相机(1)和数据处理单元(7)，其中：图案具有至少一个基本上线形的明暗过渡部；相机的位置和朝向是已知的；相机拍摄在表面上反射的图案并且生成反射图案的图像数据，图像数据被从相机传输到数据处理单元；并且数据处理单元基于对反射图案的图像数据中的至少一个明暗过渡部的至少一个特性的评估来确定表面上的局部缺陷。

Description

用于检测反射表面上的局部缺陷的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于检测反射表面上的局部缺陷的方法和装置，其中，该装置包括用于在反射表面上反射的至少一个图案、至少一个相机和数据处理单元。本发明还涉及计算机程序产品和计算机可读数据载体。

背景技术

在已知的用于测量反射表面的形状的方法中，通过反射表面反射已知形状和位置的图案，并且用相机观察和评估反射图像。术语“偏折测量”也用于这种方法。

这种偏折测量方法已经存在大量的变体。在已知的方法中，使用相机来观察图案在表面上反射的反射图像。该图案按照不同图案的平面序列或时间序列以某种方式编码，这些不同图案被一个接一个地记录以产生一个或多个对应的图像。可以在一个或多个图像中识别这些图案。因此，当使用数码相机时，可以将每个相机像素分配给一个或多个图案上的正被该像素看到的一个点。由于预先校准的缘故，系统知晓相机和(多个)图案在空间中的位置。然后，该信息可用于确定表面的诸如倾斜度或曲率等各种几何特性，并且根据已知系统的结构，还可以确定表面的形状。然后，可以使用这些表面特性来确定表面是否包含缺陷。在文献WO 2007/115621A2中示出了这种方法的示例。

然而，这些方法都比较复杂。必须计算大量算法来解码图案并重建以此方式测量的表面。这显著降低了评估速度。此外，这些方法中的许多方法需要多个图像以便能够解析编码，或者需要较大的清晰区域编码的图案，这些图案的产生相对复杂。校准这些系统也很耗时，并且在许多情况下需要大型平面镜。特别是在较大或高度弯曲的表面的情况下，这需要相当大的努力。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法并创建一种装置，该方法和装置在检测反射表面上的缺陷时能实现更高的速度。

上述目的通过具有权利要求1的特征的方法、具有权利要求6的特征的装置、具有权利要求11的特征的计算机程序产品以及具有权利要求12的特征的计算机可读数据载体来实现。

特别地，该目的通过一种用于通过装置来检测反射表面上的局部缺陷的方法来实现，该装置包括用于在反射表面上反射的至少一个图案、至少一个相机以及数据处理单元。该图案包括至少一个基本上线形的明暗过渡部，其中，相机的位置和朝向是已知的，其中，相机记录在表面上反射的图案并生成反射图案的图像数据，该图像数据被从相机传输到数据处理单元。数据处理单元基于对反射的二维图案的图像数据中的至少一个明暗过渡部的至少一个特性的评估来确定反射表面上的局部缺陷。在此不对表面进行几何测量，而是只寻找相对于理想形状的局部偏差或只寻找局部缺陷。这些局部偏差或局部缺陷可能很大，也可能很小。通过根据本发明的方法能够实现的高检查速度是有利的，因为计算更不复杂，并因此不像现有技术那样耗时。

在本发明的上下文中，反射表面不仅是全反射表面，而且特别是固态或液态物体(例如，玻璃板)的部分透明表面。因此，本发明整体上还特别适合于检测机动车辆的挡风玻璃或其他曲面窗格玻璃的表面中的缺陷。反射表面反射可见光波长范围的电磁辐射，该电磁辐射例如至少部分地在380nm至780nm的波长范围或该范围的一部分内。此外，该表面还可以反射红外辐射(波长大于780nm)和/或UV辐射(波长小于380nm)范围内的电磁辐射。

在一实施例中，可以确定多个反射表面的缺陷，例如，一块玻璃和/或彼此上下布置的多块玻璃或其他透明物体的顶部和底部。

相机是诸如矩阵或线扫描相机等数码相机，该数码相机在空间中的尤其相对于反射表面的位置和朝向是已知的。可以通过校准来确定相机的位置和朝向。例如，通过已知相机的每个像素的观察方向，可以利用良好的空间分辨率和简单的光学手段，根据在该像素上反射的图案区域的位置来确定对应的图案位置，使得能够将检测到的缺陷快速且准确地局部分配到其在表面上的位置。相机确定图案的每个图像和每个像素的亮度值和/或颜色值，这些亮度值和/或颜色值形成构成图案的图像的图像数据。然后，将这些图像数据传送到数据处理单元，并在该数据处理单元分析这些图像数据。

数据处理单元可以作为模块集成到相机中，或者可以形成与相机分离的单元。在后一种情况下，通过有线或无线的方式将图像数据从相机传输到数据处理单元。数据处理单元包括处理器，该处理器是解释并执行算法的指令/命令的功能模块，该功能模块具有指令控制单元、算术单元和逻辑单元。处理器可以至少包括微型处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA-可将逻辑电路编程到其中的数字集成电路)、分立逻辑电路以及这些部件的任意组合。数据处理单元还可以包括存储器模块、输入模块(例如，键盘或触摸板)、电源模块(例如，电池)和显示模块(例如，显示器)。数据处理单元可以形成为真实的硬件资源或虚拟化的计算机资源，该真实的硬件资源例如是智能手机、台式计算机、服务器、笔记本、集群/仓库规模的计算机、嵌入式系统等。数据处理单元还可以包括用于与相机交换数据的发送器/接收器(收发器)。

图案可以显示在屏幕上，并通过图案保持器布置在反射表面上方的预定位置。相机查看图案的反射图像并将其记录。相机还定位在反射表面的上方，即定位在反射表面的与图案相同的一侧上。图案被定位为使得其面向反射表面。

为了进一步提高精度，在一实施例中，可以在一个或多个显示器上显示图案。以此方式，图案的设计可以适应于反射表面的条件(例如，其尺寸)。在一实施例中，图案可被设计为黑白图案或彩色图案。该图案包含至少一个基本上线形的明暗过渡部，取决于观察方式，该明暗过渡部在过渡部中形成连续的明线或暗线。该线可以形成为完全直的或弯曲的，或者分段直的和/或分段弯曲的。如果从该线的横向方向观察明暗过渡部，则其形成高亮度区域(亮区)以及随后的低亮度区域(暗区)，反之亦然，其中，该线形成在亮区和暗区之间，即通过从亮到暗或从暗到亮的过渡部。在一实施例中，该过渡部清晰地形成，即跨越该过渡部的亮度梯度相对较大，例如每毫米的亮度相对变化至少为每毫米60％。亮度(值)被定义为给定波长范围内的光的相应强度。

在该方法的一实施例中，图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的特性包括图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的形状和/或所述至少一个明暗过渡部的预定区域中的对比度和/或跨越所述至少一个明暗过渡部的预定距离上的亮度变化。该实施例基于以下发现：反射表面上的缺陷导致图像数据中的明暗过渡部的线的形状和/或线的区域的对比度的偏差或者明暗过渡部的亮度变化，在数据处理单元中分析图像数据时识别这些偏差或变化。在此，将对比度定义为根据图像数据的指定区域中的最小亮度值(Imin)和最大亮度值(Imax)计算出的值。将以此方式确定的对比度值与例如使用相机参数定义的预定对比度目标值或对比度目标值范围进行比较。如果计算的对比度值不同于对比度目标值或者在对比度目标值范围之外，则确定存在缺陷。对于线的形状，执行所确定的线形状与预定的线形状的比较(所谓的图案比较)。为此，数据处理单元首先将图像中的线识别为最亮线形部分(针对亮线)或最暗线形部分(针对暗线)，确定其形状并检测相邻的亮区和暗区。如果线形部分的偏差超过指定的公差范围，则也检测到缺陷。例如，表面可以包括方向的变化、倾斜度的变化或曲率的变化，这些变化通过线形状相对于图案的偏差来检测。对于明暗过渡部的指定距离上的亮度变化(即，亮度梯度)，还确定所测量的亮度变化是否偏离亮度变化目标值或亮度变化目标值范围。如果偏离了亮度变化目标值或亮度变化目标值范围，则检测到表面中的缺陷。例如，与原始图案相比，图像中的明暗过渡部在缺陷区域中可能显得更不“明显”并且更加“模糊”，这可以通过亮度梯度来表示。因此，相机图像中的梯度小于原始图案中的梯度。

由于相机的位置和观察方向是已知的并且因此关于图像数据的哪个区域拍摄反射表面的哪个局部区域的信息也是可用的，因此当检测到缺陷时，可以例如使用一个或多个上述分析将所确定的缺陷分配给表面的位置。还可以通过使用数据处理单元确定相对于目标值或目标值区域或线形区域的偏差在表面上的延伸区域来确定缺陷的尺寸。

在一实施例中，图案相对于表面的位置是未知的，即不是固定的。这意味着没有相对于相机和反射表面校准图案。由于不需要测量反射表面，只需要确定表面上缺陷的位置和/或尺寸，因此当前的任务不需要图案的精确位置。缺陷被理解为相对于期望的表面质量和/或结构的偏差，该偏差损害了表面的光学特性，特别是损害了可见光波长范围内的电磁辐射的反射特性。缺陷可以包括例如表面区域中的夹杂物、表面中的不平坦等。为了正确评估明暗过渡部的特性，相机聚焦在反射表面的平均距离上。此外，选择相机的光圈设置，使得以能够检测到明暗过渡部的方式对至少一个明暗过渡部的线进行成像。

在一实施例中，图案包括形成两个明暗过渡部的至少一个条纹，并且数据处理单元评估该至少一个条纹的宽度以确定表面上的局部缺陷。该至少一个条纹可以形成为图案中的相对于暗环境的亮条纹(光条纹)或者相对于亮环境的暗条纹。在另一实施例中，图案可以形成为条纹网格。该至少一个条纹仅用于产生两个明暗过渡部，但不代表与图案相关的编码。

在一实施例中，在相机记录反射图案的同时，图案和/或表面相对于彼此移动。以此方式，可以测量(与图案的尺寸相比较大的)反射表面。

该目的还通过一种用于检测反射表面上的局部缺陷的装置来实现，该装置包括用于在反射表面上反射的至少一个图案、至少一个相机和数据处理单元，其中，该图案包括至少一个基本上线形的明暗过渡部，其中，相机的位置和朝向是已知的，其中，相机被配置为记录在表面上反射的图案，生成反射图案的图像数据，并且将该图像数据传输到数据处理单元，其中，数据处理单元被配置为基于对反射图案的图像数据中的至少一个明暗过渡部的至少一个特性的评估来确定表面上的局部缺陷。该装置能够快速且容易地定位反射表面上的缺陷。

以上针对图案给出的实施例也与上述装置相关。将参考上面的解释。

在该装置的一实施例中，该图案包括形成两个基本上线形的明暗过渡部的至少一个条纹，并且数据处理单元被配置为评估该至少一个条纹的宽度以确定表面上的局部缺陷。如上所述，使用亮条纹(光条纹)或暗条纹以及评估图像数据中的条纹宽度以定位缺陷涉及本发明的非常简单的实施例。

在该装置的一实施例中，图案和/或表面被配置为在由相机记录反射图案的同时相对于彼此移动，以便分析较大的表面区域。

上述方法例如可以被实现为包括指令的计算机程序，该指令在执行时使数据处理单元的处理器执行上述方法的步骤，其中，计算机程序包括上述步骤和数据定义的组合，其使计算机硬件能够执行计算或控制功能，且/或是符合特定编程语言的规则，并且由上述功能、对象或问题解决方案所需的声明和命令或指令组成。

还公开了一种包括指令的计算机程序产品，该指令在由数据处理单元的处理器执行时使该装置执行上面定义的方法的步骤。因此，公开了一种存储这种计算机程序产品的计算机可读数据载体。计算机程序产品可以是软件例程。

从实施例的示例的以下说明和附图中，本发明的其他优点、特征和可能应用变得明显。所描述和/或示出的所有特征单独地或以任意组合形成本发明的主题，甚至独立于它们在权利要求或参考文献中的概述。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的用于确定反射表面的形状的装置的实施例。

具体实施方式

图1示出了用于检测待检查物体3的反射表面13中的缺陷的装置10的基本结构。装置10包括相机1，相机1经由反射表面13观察图案载体2的图案12。为了能够确定物体3的反射表面13中的缺陷，使用已知的相机校准方法来确定相机1的坐标系。例如，可以使用在至少两个不同朝向上观察平面图案的相机校准方法，该相机校准方法在Zhang，Z.的“Aflexible new technique for camera calibration(用于相机校准的灵活新技术)”，IEEE模式分析和机器智能汇刊，第22卷，第11期，2000，第1330-1334页中进行了描述。例如，在Fraser，Clive S.的“Digital camera self-calibration(数码相机自校准)”，ISPRS摄影测量与遥感杂志，第52(4)期，1997年，第149-159页中描述了其他相机校准方法。

数码相机1被配置为逐个像素地查看在反射表面13上反射的二维图案12。

图案12可以具有不同的特征。为此，设置有作为图案载体2的平面屏幕(例如，TFT屏幕)，在该平面屏幕上可以显示任意图案12。由于平面屏幕2的像素尺寸是已知的，因此所显示的图案12的几何形状也是精确已知的。然而，也可以想到图案载体2的其他实现方式，例如保持器中具有测量图案的可更换板。例如，图案12可以在深色背景上形成两个具有宽度B1和宽度B2的亮条纹，它们之间的距离大于两个条纹的宽度B1、B2。在此，B1和B2可以相同或不同。两个条纹之间的距离是相邻条纹的两个相邻明暗过渡部之间的距离。每个条纹包括两个明暗过渡部，即，从低亮度区域到高亮度区域的第一明暗过渡部和从高亮度区域到低亮度区域的第二明暗过渡部。

在实践中，待检查表面缺陷的物体例如是机动车辆的挡风玻璃。反射表面是挡风玻璃3的外表面13。

相机1记录条纹图案的图像，并将生成的数字数据传输到数据处理单元7。

通过数据处理单元7中包含的处理器基于由相机1传输的数据以及表面13上反射的图案的明暗过渡部的图像来执行表面13上的缺陷的检测。为此，对于相机的与图像的点对应的每个像素，评估由数据处理单元7从相机1接收的亮度和/或颜色值或灰度值。为此，首先使用阈值操作来搜索过渡部的线。如果该线是过渡部中的最亮区域，则认定只有该线可见的区域在图像中显示为明亮。相应地，这种阈值操作当然也可以用于暗线。在寻找强度最大值时提取线及其周围环境；这些周围环境是垂直于沿反射线走向的线的弯曲条纹，其以一定程度扩展亮/暗区域。然后，在该条纹上进行后续的计算，例如确定局部对比度以及确定线的局部形状及其宽度。然后确定线的走向是否包括与图案12的走向相比的变化，例如方向上的变化。替代地或补充地，可以确定在相邻线形明暗过渡部之间的高亮度区域中延伸的条纹的宽度。如果在明暗过渡部中存在相对于图案12的偏差，则数据处理单元检测到挡风玻璃3的表面13中的缺陷。由于相机1在位置和观察方向方面进行了校准，因此数据处理单元7还可以将缺陷分配到挡风玻璃3的表面13上的特定位置。缺陷的扩展/尺寸还可以基于由相机1拍摄的图像中的区域的大小来确定，其中，确定各个明暗过渡部的变化并将其与表面13上的区域的对应位置关联。

上述步骤易于实施，并且可以提高检测速度。确定了缺陷的位置和尺寸。数据处理单元可以将所确定的缺陷及其尺寸存储在存储器单元中，且/或将它们显示在显示器上。

附图标记列表

1相机

2图案载体、平面屏幕

3挡风玻璃

7数据处理单元

10装置

12图案

13挡风玻璃3的反射表面

Claims (12)

1.一种用于通过装置(10)检测反射表面(13)上的局部缺陷的方法，所述装置(10)包括用于在所述反射表面上反射的至少一个图案(12)、至少一个相机(1)和数据处理单元(7)，其中，所述图案包括至少一个基本上线形的明暗过渡部，所述相机的位置和朝向是已知的，其中，所述相机记录在所述表面上反射的所述图案，并且生成所述反射图案的图像数据，所述图像数据被从所述相机传输到所述数据处理单元，其中，所述数据处理单元基于对所述反射图案的所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的至少一个特性的评估来确定所述表面上的局部缺陷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的特性包括所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的形状，和/或所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的预定区域中的对比度，和/或所述图像数据中的跨越所述至少一个明暗过渡部的预定距离上的亮度变化。

3.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述图案相对于所述表面的位置是未知的。

4.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述图案包括形成两个明暗过渡部的至少一个条纹，并且所述数据处理单元评估所述至少一个条纹的宽度以确定所述表面上的局部缺陷。

5.根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述相机记录所述反射图案期间，所述图案和/或所述表面执行相对彼此的相对运动。

6.一种用于检测反射表面(13)上的局部缺陷的装置(10)，其包括用于在所述反射表面上反射的至少一个图案(12)、至少一个相机(1)和数据处理单元(7)，其中，所述图案包括至少一个基本上线形的明暗过渡部，其中，所述相机的位置和朝向是已知的，其中，所述相机被配置为记录在所述表面上反射的所述图案，生成所述反射图案的图像数据，并且将所述图像数据传输到所述数据处理单元，其中，所述数据处理单元被配置为基于对所述反射图案的所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的至少一个特性的评估来确定所述表面上的局部缺陷。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的特性包括所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的形状，和/或所述图像数据中的所述至少一个明暗过渡部的预定区域中的对比度，和/或所述图像数据中的跨越所述至少一个明暗过渡部的预定距离上的亮度变化。

8.根据权利要求6至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述图案相对于所述表面的位置是未知的。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述图案包括形成两个基本上线形的明暗过渡部的至少一个条纹，并且所述数据处理单元被配置为评估所述至少一个条纹的宽度以确定所述表面上的局部缺陷。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述图案和/或所述表面被配置为使得在所述相机记录所述反射图案期间所述图案和/或所述表面执行相对彼此的相对运动。

11.一种包括指令的计算机程序产品，所述指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求1至5中任一项所述的方法的步骤。

12.一种存储有根据权利要求11所述的计算机程序产品的计算机可读介质。