CN1324448A - 使用带通滤波检测在诸如轮胎侧壁之类的凸面中的奇点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在一个包括由边缘定界的结构(50a)的凸面中的一个无边缘奇点(50b)的检测。根据本发明,产生表面的一种三维表示。从表面的三维表示抽取凸度,并且平滑结构的边缘,以便得到呈现奇点的凸面的无凸起表示和现在滤波其边缘的结构。把无凸起表示与一个阈值相比较,以便检测无凸起表示的扁平面积。分析检测区域(50a,50b)的表面,由此当其表面大于其预定表面时,把一个面积(50b)检测为奇异的。通过使用用来执行轮胎的质量控制的该装置,在实时操作期间能肯定地标识凸胀或颈缩,并且能与故意提供在轮胎上的标记相区分。带通滤波借助于两个低通滤波器实现。滤波是非线性的。除去象素制品和奇异制品。使用一个介质滤波器。

Description

使用带通滤波检测在诸如 轮胎侧壁之类的凸面中的奇点

本发明涉及工业质量控制，并且更具体地说，涉及当检查其本身表现为表面成形中的特定异常的构造缺陷时具有弱结构凸纹型表面的产品的工业质量控制。

在工业质量控制中，在其中凸面呈现故意创建的结构情况下，除可能存在的任何构造缺陷之外，经常的任务是对凸表进行构造缺陷的研究。在该上下文中最重要的用途之一，是在车辆轮胎侧壁上所谓的凸胀或颈缩的检测。在检测这种缺陷特征中的主要困难在于这样的事实：试验下的区域呈现凸起的有意提供的隆起凹凸型字母或其他标记，字母和缺陷结构位于相同高度间隔内，或者要检测的缺陷可能具有比在制造期间引入的结构小的深度，及况且在试验下的侧表面呈现环形弯曲。结果，在测量形式数据的基础上的一个简单阈值决定，不会导致在缺陷与文字之间的清楚区别。也应该考虑到，有许多轮胎制造商，他们的每一个提供多种轮胎类型。每种轮胎类型可能具有不同的尺寸，并因此具有不同的侧壁弯曲。而且，每种轮胎类型将具有不同的凹纹。尽管制造商的凹纹通常从一种轮胎类型到另一种大都相同，但轮胎类型本身的设计和在轮胎上找到的进一步信息，从一种类型到另一种显著地变化。轮胎凹纹一般是这样的，从而制造商的字母例如不会从轮胎侧壁突出，而是由诸如当从横截面看时的三角形之类的一个隆起符号包围着，该符号通常从轮胎表面明显地显现，即带有一个边缘。此外，可能有其他边缘定界隆起部分，然而这些部分通常占据较小区域。

在车辆轮胎的生产中，在内部结构中的构造缺陷可能出现，这些缺陷显著影响机械性能，并因而影响稳定性行为。这样的构造缺陷，例如在围绕其布置轮胎橡胶的钢网中，在外部作为凸胀或颈缩是可见的。必须除去这样的产品。这些结构缺陷特别容易出现在侧壁上，并因而重叠在轮胎的未受干扰环形表面上。这样的缺陷结构的横向和垂直尺寸与也存在的-即以隆起字母或标记的形式故意构造在表面上-的结构尺寸相差不大。

直到现在，电容测量方法一直主要用来在工业范围内进行这些检查，但这些不能提供适当的检查级。在表面运动期间，即在轮胎的转动期间，测量传感器的电容变化用来检测在测量电极与轮胎表面之间的距离变化。这里距离具有1cm的量级。这种方法的缺点在于其几何相关的较粗横向空间分辨率，作为其结果仅有可能灵敏地测量跨过试验区域宽度的的少量轨迹。测量信号不包含关于高度偏差的准确几何形状的足够信息。另外，不可能在文字与缺陷结构之间区分，因为两种结构能位于相对于周围表面的相同高度范围内。因此一般必须把用于缺陷的生成检测阈值选择成高于文字的高度，以避免由于构造结构引起永久的伪缺陷检测。

尽管偏重使用这种方法，但工业用户需要一种对于与构造文字或标记结构的尺寸的相同量级的高度偏差允许一定缺陷检测的试验方法。

一种用来测量表面轮廓的已知方法是光学三角测量，也称作光交叉方法。这里把一个窄光束，一般是激光束，指向要测量的表面，并且把发散的反射辐射光学映象到一个具有多个图素即象素的传感器上。如果在摄象机与光束之间的几何尺寸保持不变，那么在被测物体上光交点的空间位置沿光束的变化，能由在传感器表面上的投影光点的移动计算。

在第一实例中，这种测量用于一个点。如果要检查整个区域，则试验物体在三角测量装备下从一侧运动到另一侧，并且迅速记录测量值，从而检测在轮胎侧壁上的小圆形结构。

然而，这种方法的一个缺点在于，至今不可能借助于后电路数据处理在缺陷结构-即凸胀和颈缩-与隆起文字之间区分。就这种方法而论，对于显著超过文字的高度才能检测缺陷结构，从而除在径向的改进分辨率之外，与电容方法相比没有值得叙述的优点。

光交叉方法的进一步发展通过用扇形束和一个区域传感器扫描表面实现。投影到传感器上的光线能用来确定沿在凸面上的测量线的高度信息。通过运动物体，高度信息被逐行记录，并且然后结合以形成一个完整的数据记录。以该方法产生的数据记录包含来自整个表面区域的高度信息，包括缺陷和文字及标记结构。然而，由于文字和缺陷结构位于相同的高度范围内，并且这些结构也位于一个与这些结构相比强烈弯曲的表面上，所以使用如此获得的数据借助于一种阈值决定，在实际缺陷奇点与文字和标记形式的故意结构之间区分是不可能的。

DE4442980C2公开了用于凸面轮廓的无摩擦测量的一种装置和一种方法，其中一个单元创建表面的一种三维表示。

DE4304451A1公开了例如也在凸面中，例如在轮胎结构中使用的橡胶层中，用于诸如接缝之类的奇点的无摩擦测量的一种装置和一种方法，其中一个单元产生表面的剖视图。

US4402218公开了用来检测在凸面中可能存在的基本上无边缘的奇点的一种装置和一种方法，其中一个单元产生表面的一种表示。

DE3931132A1公开用来检测例如在一个凸面上的诸如粗糙补钉之类的奇点的一种装置和一种方法，其中一个单元产生表示表面的数据，而另一个单元从这种表示抽取凸度。

DE3801297A1公开了一种用来检测表面奇点和以数字形式产生数据作为表面的表示的方法；而且通过表面曲线的有关谐波分量的适当衰减滤波短波结构，并且产生包括长波奇点的一种表面表示，短波结构被滤除。

本发明的目的在于，提供用于在凸面中的基本上无边缘奇点的无接触检测的一种装置和一种方法，该凸面具有由边缘定界的一种结构，这些边缘能够在缺陷奇点与边缘定界结构之间进行较好区分。

该目的由根据权利要求1的装置或根据权利要求11的方法实现。

本发明基于这样的发现：尽管在凸面中的奇点和结构可能具有相同的高度，但他们在其定界方面显著不同。在轮胎侧壁之一上颈缩或凸胀形式的奇点呈现一种基本上无边缘即连续的、至不受干扰凸面的过渡。另一方面，故意强加在凸面上的结构的特征在于这样的事实：它由边缘定界，即从凸面到结构的过渡是突然的并且显著地被定界。

因此，根据本发明，在凸面的三维检测之后利用在两种形式类型之间的特定差别，以实现结构的选择性平滑，而不影响要检测的奇点。基于要检测的奇点局部定界在凸面上的事实，也抽取凸面的凸度而不影响奇点或结构。

以这种方式，得到凸面的无凸出表示，这种表示呈现要检测的奇点和结构，然而平滑结构的边缘。这里以一种方式涉及的是，轮胎侧壁的准平面后处理表示，这种表示能经受一种阈值决定以便标记其高度位于阈值以上或以下的面积区域。通过检测区域的面积的以后分析，把奇点与结构的任何“剩余物”分离，“剩余物”在某些情况下可能仍然存在，此时由阈值决定确定的奇点面积大于一个预定面积。

边缘定界结构由后处理不能完全消除。而是，简单地平滑边缘，结构的高度也作为平滑操作的结果受影响。结果，如果通过数据处理不完全抑制，则在阈值之后从结构剩余的区域显著减小，而基本上无边缘奇点几乎不受影响。结果，在与预定区域有关的阈值决定之后面积区域的分析，能够使奇点与结构区分到较高准确度，而不管结构的高度或范围是否接近凸胀的高度和范围。

根据本发明的构思的一种最佳应用涉及轮胎的质量控制，其中对于凸胀和颈缩检测轮胎侧壁。如果检测在一个负高度阈值以下的面积区域，则总能假定颈缩，即相对于不受干扰凸面的降低，因为轮胎通常不呈现透入轮胎侧壁的结构。

通常刻在轮胎上的结构如此构成，从而字母或其他数据借助于具有较小横截面的突起边界表示。至今由于这些边界通过平滑已经不能完全带到阈值以下，所以他们在检测区域的面积分析中将仅导致非常小的区域，因而能够在结构与凸胀之间进行简单区分，因为凸胀通常具有较大尺寸。如果用于登记轮胎和图象处理结构的摄象机足够快，则根据本发明的装置和方法因而允许能实时进行的轮胎侧壁的自动质量控制。

下面参照包括的附图更详细地描述本发明的最佳实施例，在附图中

图1表示根据本发明的装置和方法的示意图；

图2表示用来记录凸面的三维表示的布置的平面视图；

图3表示图2的布置的侧视图；

图4表示根据最佳实施例用来产生表面的三维表示的单元的详细表示；

图5a表示由图4的单元产生的高度线；

图5b表示无凸表示的高度线；及

图6表示用于根据本发明的装置或用于根据本发明的方法的详细方块图。

根据本发明的装置包括一个用来创建表面的三维表示的单元10。把表面的三维表示转到一个用来从表面的三维表示抽取凸度和用来平滑结构的边缘的单元20，以便得到呈现奇点和结构的凸面的无凸起表示，已经平滑该结构的边缘。把由用来抽取和平滑的单元20创建的无凸起表示转到一个用来与一个阈值相比较的单元30，以便标识由对于阈值的一种预定关系确定的无凸起表示的面积区域。在用来检查轮胎侧壁的一个最佳实施例中，阈值包括一个用来标识凸胀的正阈值，还有一个用来标识颈缩的负阈值。由用于比较的单元30已经标识的面积区域仍然可以包括结构的“剩余物”。由高于阈值的结构造成的面积伸展，一般将比高于阈值的凸胀的面积伸展显著小到这样一种程度：借助于基于面积尺寸的面积分析能把凸胀与结构区分开。

在更详细地讨论表示在图1中用于在一个凸面中的基本无边缘奇点的无接触检测的装置之前，参照图3和图4更精密地考虑用来产生三维表示的单元10。应该指出，尽管在下面详细考虑使用光学设备的三角测量方法，但本发明不限于这样一种方法。在原理上，用来创建凸面的一种三维表示的、操作无接触的任何装置都是可接受的。

根据用于车辆轮胎的质量控制的本发明的一个最佳实施例，图2表示一个车辆轮胎100，拥有一个具有示意指示轮廓的外胎面102，还有一个要研究的并且一般是一个凸面的侧壁104。在轮胎检查实施例中，一般凸起表面具有环形形式。

要研究的侧壁104由一个扇形光束11照亮，扇形光束11由一个圆柱形透镜12从由一个激光器13产生的激光束产生。扇形光束11扩散地在侧壁104处反射，并且由一个带有一个图象传感器15和一个透镜16的摄象机14记录。

图3表示从图2中上方表示的布置的侧视图，其中能看到由在侧壁104处的扇形光束11的宽度确定的试验面积17。

图4表示用来创建表面的一种三维表示的单元10的更详细示意表示，单元10根据本发明的一个最佳实施例实施成一个扫描器测量头。在图中的号码对于装置的实际实施以nm指示尺寸，以指示相对大小。

为了节省空间，反射镜19a、19b进一步提供在一个扫描器测量头壳体18中，该壳体18也包含测量窗口19c、19d和空气隔膜19e、19f。壳体是防尘的，并且窗口19c、19d通过气流能保持免于灰尘。用表示在图4中的扫描器测量头可实现的高度测量范围是约39mm。高度分辨率是76μm(39mm高度/512灰色调的摄象机)。在轮胎侧壁上的测量面积的的宽度是80mm。高度分辨率由图象传感器或由摄象机的灰度灵敏度确定。

在下面，将更精密地考虑表示在图2至4中的装置的功能。在三角原理中，借助于例如圆柱透镜12形式的专用非球面透镜光学由激光产生的光扇形光束11，首先指向要研究的表面。然后把扩散反射的辐射经透镜系统16投影到摄象机的传感器表面15上。然后从测量装置的已知几何形状与投影线在传感器表面上的位置一起，以熟悉本专业的技术人员已和的方式计算照亮表面的形式。

光扇形光束11和测量摄象机14的装置的几何尺寸与摄象机的象素分辨率一起，确定在横向和在垂直方向测量的空间分辨率。如此选择几何尺寸，从而要研究的轮胎面积17成象在传感器上，该传感器采用例如在径向5cm的测量范围具有例如0.5mm的分辨率，并且同时实现基本上由图象传感器15确定的76μm的足够高度分辨率。这允许要检测的、位于超过0.5mm的高度范围的奇点的适当表示。

在切向即在轮胎圆周方向的测量空间分辨率，取决于摄象机的图象重复率。对于本发明一个最佳实施例的切向空间分辨率是1mm。另外，在实际中在一秒内应该检查一个轮胎。假定0.6m的试验面积直径，生成的测量速率是1900Hz。特别适于该试验的传感器15由例如公司IVP制造(型号MAPP 2200 PCI)。然而，能同样好地使用实现所述技术要求的其他图象传感器。集成在传感器芯片上的可编程计算机构造，确定关于柱基础的高度信息，从而对于记录的每个传感器图象，只有线即高度或轮廓线形式的估计结果必须传递到测量计算机。

沿试验区域17的这种高度线示意表示在图5a中。x轴指示轮胎的半径，而y轴指示沿半径的点相对于某一绝对值的高度。如能从图5a看到的那样，结构能具有三角形、四边形或由边缘从凸面定界的某一其他形状突起的形式。另一方面，在轮胎中的凸胀或颈缩，呈现至凸面的连续过渡，这由在结构和奇点的区域中的点指示以使问题更清楚。

应该注意，表示在图5a中的示意表示仅指示沿试验区域17的单根高度线(图3)。当轮胎100(图3)绕其轴线转动，并且摄象机以对应间隔产生这样一种高度线时，在轮胎100的一个完整转之后得到轮胎侧壁的三维表示。根据本发明，把三维高度表示供给到数字数据处理系统，该系统可以是带有显示器和操作功能的个人计算机，在其上能完成一系列图象处理操作以得到在凸面中的基本上无边缘奇点，即缺陷轮胎。必须考虑的结果是轮胎侧壁的环形弯曲和在轮胎中横向伸出的可能存在，这不一定导致指示的缺陷，因为横向伸出不一定导致轮胎的报废。

数字数据处理系统首先包括用来抽取凸度和用来平滑边缘的单元20，单元20产生一种无凸起表示，其一根单高度线表示在图5b中。能看到，首先，抽取凸度，凸度能具有高达4cm的最大值。而且，如此平滑结构的边缘，从而他们保持在图5b中，简单作为小突出，而在图5b的无凸起表示中存在的奇点基本上对应于图5a的凸起表示的奇点，因为已经进行选择性图象的处理。

图5b中表示的无凸起表示现在能与一个电平阈值相比较，以便标识无凸起表示的面积区域，这些区域由对于阈值的预定关系确定。示意表示在图5b中用来比较无凸起表示的单元30，将提供两个面积区域50a、50b，第一面积区域50a来自结构，而第二面积区域50b来自凸胀。通过结构的平滑，减小阈值以上的结构的面积区域50a，而凸胀不受选择性数据处理的影响，这将在以后讨论。这意味着也能把凸胀与类似尺寸的结构区分开。因而实现确实的凸胀检测。在用于分析标识区域50a和50b的面积的单元40中，然后自动确定来自结构的区域50a，而区域50b来自凸胀。这能通过阈值比较实现，其中阈值区域小于从凸胀期望的区域。也能从图5b看到，具有较薄横截面的结构，如用来指示在轮胎侧壁上的较大字母的那些，已经充分地由边缘滤波抑制，并因而完全落在阈值以下。在较高结构的情况下，这些强烈地衰减，并且也强烈地减小其阈值以上的面积区域，由此能容易地并且肯定地把凸胀与上述结构区分开。

在下文中，更详细地讨论以便检测在凸面中的奇点的表面三维表示的数据处理。从图5a显见，结构的和奇点的空间频谱的不同之处在于，结构的空间频谱具有比奇点的频谱高得多的频谱分量，因为锐利边缘在结构的频谱中产生较高谐波。基本上无凸起的奇点一方面具有其能量宁可位于较低范围内的空间频谱。因为与奇点相比的逐渐高度变化性质，所以在该频谱中的能量强烈地被限制。

表示在图5a中的高度线的完整空间频谱因而基本包括三个区域。具有最高空间频率的区域主要由结构单独确定。通过结构和通过奇点确定一个中间区域，而凸面的凸度本身仅表明在覆盖非常小空间频率的一个空间区域中。结果，在原理上有可能的是，如果带通滤波器的通带的下部截止频率选择成小于奇点的最小频率，并且如果把通带的上部截止频率选择成高于值得用能量描述的奇点的最高频率，则借助于图5a中所示的高度线的带通滤波，实现结构边缘的选择性平滑而不影响奇点，也抽取凸面的凸度。这类滤波因而能够完全抑制面的凸度，而结构被简单地平滑，并且结构的剩余部分在图5b中表示的无凸起表示中持续。由于在横截面中看到的结构仅沿一根高度线延伸较小的距离，边缘的平滑与“真实”高度线相比也减小在无凸起表示中结构的高度，然而这不适用于奇点。以这种方式，由本发明实现结构的选择性影响。

图6表示对于轮胎的工业质量控制按照本发明一个最佳实施例根据本发明的装置10的详细方块图。表示在图6中的装置首先包括在图4及在图2和3中看到的扫描器测量头10。最好创建表面的三维表示的扫描器测量头10跟随着一个用来消除象素制品的单元51，以消除对其由于记录原因不能得到高度信息或对其已经出现计算错误的干扰象素。在本发明的最佳实施例中，用来抽取凸度和平滑边缘的单元20包括：一个短范围切向一维低通滤波器21，用来平滑结构的边缘；一个长范围切向一维低通滤波器22，用来标识无缺陷和无凸纹的轮胎表面；及一个减法单元23，以便作为结果得到轮胎表面的无凸起表示，其中抑制环形形式并且强烈衰减文字凸纹。通过其截止频率在奇点频谱以上的截止频率的短范围切向一维低通滤波器21的作用，平滑结构的边缘。通过用来标识无缺陷和无凸纹的轮胎表面的长范围切向一维低通滤波器22作用，由于其截止频率位于奇点的频谱以下，所以基本上仅得到凸面的凸度。最后，由减法单元23把低通滤波器22的结果从低通滤波器21的结果减去，以得到引述的结果。

用来把无凸起表示与一个阈值相比较的单元30包括一个阈值决定器31，后者确定用于选择或面积区域的标识的一个高度值。对于取决于用于缺陷结构的预定检测下限的正(用来标识凸胀)和负(用来标识颈缩)高度偏差发生选择。结果是一个其中标记可能缺陷面积区域的图象。

用来分析标识面积区域的表面的单元40包括一个用来以这样一种方式消除由结构造成的面积区域50a(图5b)的两维中间滤波器41，从而在自动实时处理意义上的输出信号仅是轮胎侧壁的表示，其中标记由基本上无边缘奇点造成的缺陷区域。经一个能具有用于一个显示装置或用于一个控制单元的接口形式的单元42，能转送得到的结果，并且按需要使用。

用来平滑结构边缘的切向一维低通滤波器21最好作为一个线性一维低通滤波器实施。用来标识无缺陷和无凸纹的轮胎表面的长范围切向一维低通滤波器22最好作为在切向的一个非线性一维低通滤波器实施。如此定滤波器的范围，即截止频率，从而抑制凸胀和颈缩，但保持其作为另外叠加的低频高度变化表明本身的轮胎的横向伸出。

两维中间滤波器41也用来把奇异制品抑制到要检测的最小面积区域尺寸以下。除由标记造成的面积区域之外，通过在轮胎表面上的通常奇异橡胶突出，并且也通过处理缺陷，也可以产生诸信号。两维中间滤波器的大小因而确定要检测的最小缺陷大小。

Claims (12)

1．一种用来无摩擦检测在具有由边缘定界的一种结构的一个凸面中的一个可能存在的基本上无边缘奇点的的装置，包括：

一个单元(10)，用来创建表面的三维表示；

一个单元(20)，用来从表面的三维表示抽取凸度和用来平滑结构的边缘，以便得到呈现可能存在奇点和结构的凸面的无凸起表示，该结构的边缘现在已经平滑；

一个单元(30)，用来把无凸起表示与一个阈值相比较，以便标识由对阈值的预定关系确定的无凸起表示的面积区域(50a,50b)；及

一个单元(40)，用来分析标识区域(50a,50b)的面积，如果其面积超过一个预定面积则把一个区域(50b)检测为一个奇点。

2．根据权利要求1所述的装置，其中用来抽取和平滑的单元(20)带有一个具有上部和下部截止频率的带通滤波器单元，如此选择下部截止频率，从而抑制凸度，并且如此选择上部截止频率，从而平滑边缘，但奇点几乎不受影响。

3．根据权利要求1所述的装置，其中用来抽取和平滑的单元(20)包括：

一个第一低通滤波器(21)，如此选择其截止频率，从而平滑边缘，但奇点不受影响；

一个第二低通滤波器(22)，如此选择其截止频率，从而抑制凸度；及

一个减法单元(23)，用来从第一低通滤波器(21)的输出信号减去第二低通滤波器(22)的输出信号。

4．根据以上权利要求之一所述的装置，其中用来平滑的单元(20)带有一个非线性滤波器。

5．根据以上权利要求之一所述的装置，它还包括：

一个单元(51)，用来从表面的三维表示消除象素制品，单元(51)跟随着用于创建的单元(10)。

6．根据以上权利要求之一所述的装置，其中用来分析面积的单元(40)带有一个用来消除奇异制品的单元(41)。

7．根据以上权利要求之一所述的装置，其中用来分析的单元带有一个两维中间波滤器(41)，以便刚好抑制大于预定面积的那些区域，从而创建其中单独标记奇点的表面的图象。

8．根据以上权利要求之一所述的装置，其中用于创建的单元(10)包括：

一个激光器(13)，带有一个预成环路的圆柱光学器件(12)，以产生一个用来照亮凸面(17)的扇形光束(11)；及

一个矩阵摄象机(14)，用来检测从凸面反射的发散扇形光束。

9．根据权利要求8所述的装置，其中凸面是一个轮胎(100)，基本无边缘奇点是在轮胎侧壁(104)上的凸胀或颈缩，并且边缘定界结构是在侧壁(104)上引入的标记，激光器(13)和矩阵摄象机(14)如此布置，从而记录轮胎(100)的径向高度线，并且用于创建的单元(10)还包括：

一个控制单元，用来控制矩阵摄象机(14)的图象重复率和轮胎(100)的转动速度，以便在轮胎圆周方向得到希望的空间分辨率。

10．根据权利要求9所述的装置，其中布置矩阵摄象机(14)以把环形侧壁(104)的高度线记录在每张照片中，并且用于创建的单元(10)包括：

一个矩阵存储器，其中逐个存储由矩阵摄象机产生的高度线，以便得到轮胎侧壁(104)的三维表示。

11．一种用来无摩擦检测在具有由边缘定界的一种结构的一个凸面中的一个可能存在的基本上无边缘奇点的方法，包括如下步骤：

创建(10)表面的三维表示；

从表面的三维表示抽取(20)凸度和平滑结构的边缘，以便得到呈现可能存在奇点和结构的凸面的无凸起表示，该结构的边缘现在已经被平滑；

把无凸起表示与一个阈值相比较(30)，以便标识由对阈值的预定关系确定的无凸起表示的面积区域(50a,50b)；及

分析(40)标识区域(50a,50b)的面积，如果其面积超过一个预定面积则把一个区域(50b)检测为一个奇点。

12．根据权利要求11所述的方法，它用于轮胎(100)的质量控制，包括如下步骤：

把凸胀或颈缩检测为作为一个凸面的轮胎(100)的侧壁(104)上的一个可能存在奇点；和

如果它具有凸胀或颈缩则报废轮胎(100)。

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