TWI554754B

TWI554754B - 適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統及其方法

Info

Publication number: TWI554754B
Application number: TW104110812A
Authority: TW
Inventors: 陳永祥; 王偉中; 黃吉宏; 朱駿逸
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-10-21
Also published as: TW201636603A

Description

適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統及其方法

一種光學檢測系統及其方法，尤其是指一種適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統及其方法。

圓管構件在工業界中應用十分廣泛，舉凡壓力容器或是地下油管等皆在生活中常見且大量使用，此類構件長期承受反覆的負載或是流體侵蝕，且此類構件常處於高壓、高溫或是裝載危險流體，一旦發生破壞則會造成重大傷亡，此類案例在世界各地不時傳出，但目前尚未有一套完整的非破壞檢測方法，可以對圓管型構件進行真正的全範圍檢測並將缺陷檢測結果以實際試片影像呈現。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在非破壞性圓管內部缺陷檢測不便的問題。因此有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

有鑒於先前技術存在非破壞性圓管內部缺陷檢測不便的問題，本發明遂揭露一種適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統及其方法，其中：

本發明所揭露的適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統，其包含：影像擷取裝置以及計算裝置，計算裝置更包含：影像還原模組以及影像分析模組。

其中，影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取於圓管內的原始影像，以及影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取於圓管內具有至少一缺陷的缺陷影像。

計算裝置的影像還原模組是用以自影像擷取裝置獲得原始影像以及缺陷影像，並分別於原始影像以及缺陷影像中找出圓管中心、第一圓管半徑以及第二圓管半徑，分別將第一圓管半徑以及第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，透過座標轉換將原始影像以及缺陷影像分別轉換為直角坐標的原始轉換影像以及缺陷轉換影像，再配合魚眼鏡頭的投射關係函式分別修正原始轉換影像以及缺陷轉換影像的軸向失真以分別轉換為無失真的原始分析影像以及缺陷分析影像。

計算裝置的影像分析模組是將原始分析影像以及缺陷分析影像透過數位影像相關法（Digital Image Correlation，DIC）法進行比對以找出圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。

本發明所揭露的適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法，其包含下列步驟：

首先，影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取於圓管內的原始影像，以及影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取於圓管內具有至少一缺陷的缺陷影像；接著，計算裝置自影像擷取裝置獲得原始影像以及缺陷影像，並分別於原始影像以及缺陷影像中找出圓管中心、第一圓管半徑以及第二圓管半徑，分別將第一圓管半徑以及第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，透過座標轉換將原始影像以及缺陷影像分別轉換為直角坐標的原始轉換影像以及缺陷轉換影像，再配合魚眼鏡頭的投射關係函式分別修正原始轉換影像以及缺陷轉換影像的軸向失真以分別轉換為無失真的原始分析影像以及缺陷分析影像；最後，計算裝置將原始分析影像以及缺陷分析影像透過數位影像相關法進行比對以找出圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。

本發明所揭露的系統及其方法如上，與先前技術之間的差異在於本發明影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取圓管內的原始影像以及具有至少一缺陷的缺陷影像，透過計算裝置對原始影像以及缺陷影像進行座標轉換以及魚眼鏡頭的投射關係函式的影像還原程序為原始分析影像以及缺陷分析影像，計算裝置將原始分析影像以及缺陷分析影像透過數位影像相關演算法進行比對以找出圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。

透過上述的技術手段，本發明可以達成提供非破壞性圓管內部缺陷光學檢測的技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

以下說明請同步配合「第1圖」以及「第2圖」所示，「第1圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統的系統方塊圖；「第2圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法的方法流程圖。

請參考「第3圖」所示，「第3圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的裝置架構示意圖。

影像擷取裝置10上固定有魚眼鏡頭11，且圓管30是透過固定裝置31固定於影像擷取裝置10或是魚眼鏡頭11上，且固定裝置31內更包含照明模組以提供圓管30內照明。

請參考「第4A圖」以及「第4B圖」所示，「第4A圖」以及「第4B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的感光元件與成像範圍示意圖。

如「第4A圖」所示即是影像擷取裝置10內的感光元件101的大小大於魚眼鏡頭11的成像範圍111（image circle），在此情況下，影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11所擷取到的影像一般稱之為全周魚眼影像。

如「第4B圖」所示即是影像擷取裝置10內的感光元件101的大小小於魚眼鏡頭11的成像範圍111，在此情況下，影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11所擷取到的影像一般稱之為全幅魚眼影像。

全周魚眼影像能擷取到將魚眼鏡頭11的成像範圍111全部的影像，而全幅魚眼影像則會受限於CCD感光元件尺寸，而無法擷取到將魚眼鏡頭11的成像範圍111全部的影像，故本發明為了要得到完整的影像資訊，將採用影像擷取裝置10內的感光元件101的大小大於魚眼鏡頭11的成像範圍111的全周魚眼影像。

然而，影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11所擷取到的影像會受到魚眼鏡頭11本身設計而產生畸變（distortion），故影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11所擷取到的影像可進一步提供至計算裝置20，以對影像進行影像還原。

請參考「第5A圖」以及「第5B圖」所示，「第5A圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的擷取影像示意圖；「第5B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的轉換影像示意圖。

在計算裝置20自影像擷取裝置10獲得影像41後，可透過計算裝置20的影像還原模組21於影像41中找出圓管中心、第一圓管半徑以及第二圓管半徑，由於影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11擷取圓管內的影像，故在影像41中必然會包含景深不同的第一圓管半徑以及第二圓管半徑。

計算裝置20的影像還原模組21會將第一圓管半徑以及第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，再透過座標轉換將影像41轉換為直角坐標的轉換影像42。

請參考「第6A圖」以及「第6B圖」所示，「第6A圖」以及「第6B圖」繪示為鏡頭投射方式示意圖。

然而，影像41由於受到魚眼鏡頭11本身設計而產生畸變，故將影像41轉換為轉換影像42時，並非為實際的影像，故計算裝置20的影像還原模組21需要再進一步配合魚眼鏡頭11的投射關係函式修正轉換影像的軸向失真以轉換為無失真的分析影像。

先定義點為物空間中某一點；點為點在影像平面上之投影位置或是成像點；為鏡頭投射中心；與分別代表入射光之入射角及經過投射中心之折射角；為投射中心與影像平面之距離，稱為主距（Principle Distance）；為影像平面上成像點與影像中心之距離。

「第6A圖」是採用中心透視鏡頭，故入射光經過鏡頭投射中心後並不會產生折射，故入射角等於折射角，即，進一步根據幾何關係可得知影像平面上成像點與影像中心之距離可以表示為。

「第6B圖」是採用魚眼鏡頭，故入射光經過鏡頭投射中心後會產生折射，此時入射角不等於折射角。

請參考「第7A圖」至「第7D圖」所示，「第7A圖」至「第7D圖」繪示為魚眼鏡頭的投射方式示意圖。

進一步來說，魚眼鏡頭的投射方式大致可分成四種，分別為等距投射（Equidistant Projection）、等角投射（Equisolid-Angle Projection）、正投射（Orthographic Projection）以及球極平面投射（Stereographic Projection）。

如「第7A圖」所示，「第7A圖」中魚眼鏡頭的投射方式為等距投射，入射角與影像平面上成像位置相對關係式為，在等距投射方式的魚眼鏡頭下，影像平面上之各像素點距離影像中心的距離與入射角成正比，如此一來就很容易得到影像平面中各像素所對應到的入射角。

如「第7B圖」所示，「第7B圖」中魚眼鏡頭的投射方式為等角投射，入射角與影像平面上成像位置相對關係式為，「第7B圖」中魚眼鏡頭的投射方式表示入射光角度與所有該角度之入射光在影像平面上所形成影像面積之比值為常數，故魚眼鏡頭的投射方式為等角投射特別適用於影像面積之量測。

如「第7C圖」所示，「第7C圖」中魚眼鏡頭的投射方式為正投射，將魚眼鏡頭所接受到之各角度入射光直接正投射於影像平面，故會造成強烈的畸變，且距離投射中心之成像點距離會與入射角成正弦函數關係為。

如「第7D圖」所示，「第7D圖」中魚眼鏡頭的投射方式為球極平面投射，而球極平面投射屬於等角投射之其中一種類型，球極平面投射即為將圓球面投影至平面的映射，故入射角與成像點距離關係可表示為。

接著，請參考「第8圖」所示，「第8圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的入射角與圓柱高度關係示意圖。

若魚眼鏡頭的投射方式為等距投射，並且在直徑相同且入射角已知的情況下，可以推導出入射角角度與圓管內壁上實際高度的關係式為，上述為影像平面所對應到之圓管內壁上實際高度；為圓管直徑，當得到影像平面中各像素與實際高度的對應關係後，即可修正其軸向方向上由於魚眼鏡頭所產生的畸變。

即計算裝置20的影像還原模組21即可配合魚眼鏡頭的投射關係函式分別修正轉換影像42的軸向失真以換為無失真的分析影像43。

接著，請參考「第9圖」所示，「第9圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的數位影像相關法示意圖。

在計算裝置20的影像還原模組21將影像41經過上述影像回原過程後轉後為分析影像43，計算裝置20的影像分析模組22即可透過數位影像相關演算法進行影像的比對，上述數位影像相關演算法是應用有限元素法的觀念，將影像切割成數個次級影像，再利用數值分析比對變形前與變形後之影像，以獲得影像上欲量測之感興趣區域（Area of Iinterest，AOI）的位移與應變等資訊。

數位影像相關演算法即是在物體變形前拍攝影像，設定為參考影像（Reference Image），隨著物體開始變形後，依據試件變形的情形與實驗所需之時間，擷取單張或設定間隔時間擷取多張變形影像（Deformed Image）。在參考影像上選取欲量測之AOI區域，指定一種子點（Seed Point）為影像相關性比對的初始點，藉由此點估算初始值。再根據試件表面特徵的大小，設定子區域（Subset Size）與每個子區域的間隔，用於比對參考影像與變形影像的相關性。最後，找出變形前後灰階值最相似的區域，以計算出位移及應變量。

如「第9圖」所示，假設物體變形前，選定子區域之中心點為，子區域內部某一待測點為位移量為；當物體變形後，中心點之新座標為及待測點之新座標為，可表示成：

以及

其中為物體變形後水平方向位移，為物體變形後垂直方向位移。

將上述方程式對子區域中心點做泰勒展開式，可得：

其中，和分別為點到點水平及垂直之空間距離，和分別為點水平及垂直之位移函數。

在分析計算時，若選取之子區域夠小或物體在變形時為小變形，則和將趨近於零。因此即可忽略高階項，於是可將上述方程式省略二階以上之高階項，簡化至一次項後如下：

定義六個參數為待求之變數，和為位移參數，為位移梯度參數。最後，藉由搜尋分析此六個參數，得知物體之位移與應變。

則將由變數向量映射至變形後相對應區域。決定點鄰近區域位移或應變需配合變形後影像，搜尋對應於變形前空間位置。由於空間與灰度值兩項為耦合資料，空間資訊為待定，因此灰度值為唯一可用以決定待測點位移量之資訊。假設變形前點的灰階值為，變形後點移動至灰階值為，若影像灰度值不因變形前後改變，即。

但實際狀況受限於數位化誤差與物體移動後改變與光源空間關係等因素，變形前後同一點的影像灰階值無法維持；實際進行灰度值相關比對，搜尋最近似灰度值分佈，定義代表變形前點影像點集合，中任一影像點元素以表示之，代表該區域變形後影像點集合其中任一影像點元素以表示之。

在比對變形前後影像之相關性，即是將變形前後影像各點之灰階值代入交互相關函式（Cross-Correlation Function）中，由相關函式計算出相關係數（Correlation Coefficient）來判斷。目前常用判別待測物變形前後灰度值與關係的方法有最小平方（Least-Square Correlation）演算法、交相關（Cross-Correlation）法及正規化交相關（Normalized Cross Correlation，NCC）演算法，又稱正規化灰階相關（Normalized Gray-scale Correlation，NGC）演算法…等；其中，NCC計算式如下所示：

對任一小區域存在一個最佳的參數向量，使上述方程式發生極值，則與為相關區域，兩區域中心座標向量差即為相關位移量；當，則與為完美對應關係。由上述方程式決定最大值發生影像像素位置，物體變形前後資訊分別記錄於兩張影像，所以計算位移時尚需將影像紀錄過程影像原點位移量納入考量；對同一個X-Y座標系而言，此時參考影像與待測影像原點座標向量差值稱為相對位移向量，運用相關計算所得最大值發生位置，即為待測影像自相關峰值座標至參考影像與待測影像交相關係數峰值座標點間向量值稱之為相關位移，此時位移量相對位移與相關位移兩部份向量和所構成，像素與已知的實物與影像幾何比例可由幾何校正獲得，則幾何比例與位移向量乘積即可得知實際位移量，獲得位移場後即可以包含數值微分或結合有限元素法等方式計算應變場。

藉由上述說明，計算裝置20的影像分析模組22即可將分析影像透過數位影像相關演算法進行比對以找出圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。

接著，以下為透過本發明對圓管進行剛體平移1公厘（1mm）測試的實驗結果，請參考「第10A圖」至「第10C圖」所示，「第10A圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的實際擷取影像圖；「第10B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的實際轉換影像圖；「第10C圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的實際分析影像圖。

影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11擷取於圓管內的影像41如「第10A圖」所示，影像擷取裝置10透過魚眼鏡頭11所擷取到的影像進一步提供至計算裝置20，計算裝置20自影像擷取裝置10獲得影像41後，可透過計算裝置20的影像還原模組21於影像41中找出圓管中心、第一圓管半徑以及第二圓管半徑，將第一圓管半徑以及第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，再透過座標轉換將影像41轉換為直角坐標的轉換影像42，轉換影像42請參考「第10B圖」所示，並進一步配合魚眼鏡頭11的投射關係函式修正轉換影像的軸向失真以轉換為無失真的分析影像43，分析影像43請參考「第10C圖」所示，值得注意的是，在轉換影像42轉換為分析影像43的過程中，在影像資訊不足或影像解析度低處使用了內插法進行影像處理，故特徵斑點對比度較不明顯。

接著，請參考「第11A圖」至「第11C圖」所示，「第11A圖」以及「第11B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體平移實際位移場分佈圖；「第11C圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體平移位移分析結果圖。

「第11A圖」至「第11C圖」所示為分析影像43經過計算裝置20的影像分析模組22透過數位影像相關演算法進行影像的比對所呈現的結果，其中，「第11A圖」為方向的位移場分佈，「第11B圖」為方向的位移場分佈，由「第11A圖」以及「第11B圖」可知所分析區域之方向及方向位移分析結果除遠離鏡頭（值增加方向）處有較大誤差外皆均勻分布。

在「第11A圖」以及「第11B圖」中之方向及方向各約略等間距取樣12點觀察各點位置下之位移量分布，圖中各點下數值即為該點數位影像相關演算法分析所得之位移量，由取樣點得知各點位置下之位移分析結果接近實際位移量，且各點位置下分析之誤差值於小數點後兩位跳動，將該12取樣點之位移量取平均值並與實際位移量比較如「第11C圖」所示，方向的分析誤差為0.00267 mm；方向的分析誤差為-0.01889 mm。

接著，以下為透過本發明對圓管進行剛體旋轉5度測試的實驗結果，請參考「第12A圖」至「第12C圖」所示，「第12A圖」以及「第12B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體旋轉實際位移場分佈圖；「第12C圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體旋轉位移分析結果圖。

「第12A圖」至「第12C圖」所示為分析影像43經過計算裝置20的影像分析模組22透過數位影像相關演算法進行影像的比對所呈現的結果，其中，「第12A圖」為方向的位移場分佈，「第12B圖」為方向的位移場分佈，由「第12A圖」以及「第12B圖」可知所分析區域之方向及方向位移分析結果皆均勻分布。

在「第12A圖」中方向DIC位移分析結果與實際位移量 mm相比在遠離分析區域中心有著較大的誤差，以最左邊三取樣點之誤差平均值為0.5005 mm，而中央三取樣點之誤差平均值為0.14851 mm。

在「第12B圖」中方向DIC位移分析結果與實際位移量0 mm相比則是在遠離鏡頭區域有著較大的誤差，以最遠離鏡頭取樣點之誤差最大達到-0.293076 mm，該現象可能因為若是圓管試片在方向產生剛體旋轉之前，中心軸就已偏離鏡頭光軸，則越遠離鏡頭的影像會產生越嚴重的偏差，造成如「第12B圖」的結果。

約略等間距取樣15點之位移量，在求取各點位移量平均值後並與實際位移量比較如「第12C圖」所示，方向的分析誤差為-0.32301 mm；方向的分析誤差為-0.02111 mm。

接著，進行圓管以及圓管內部嵌入人工缺陷時分別進行扭矩負載200 N*m後，再透過本發明進行光學檢測，並且為了要得到較長的有效景深，故將魚眼鏡頭之光圈調至最小，並調整固定裝置的照明模組使試驗的黑白對比呈最佳狀況。

請參考「第13A圖」至「第13E圖」所示，「第13A圖」以及「第13B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的扭矩負載實際位移場分佈圖；「第13C圖」以及「第13D圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的扭矩負載實際應變場分布圖；「第13E圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的扭矩負載實際剪應變場分布圖。

「第13A圖」至「第13E圖」所示為圓管進行扭矩負載200 N*m後的光學檢測結果，其中，「第13A圖」為方向的位移場分佈，「第13B圖」為方向的位移場分佈，「第13C圖」為方向的應變場分佈，「第13D圖」為方向的應變場分佈，由「第13A圖」可知方向位移分佈呈現連續且位移量絕對值由下往上漸增，由「第13B圖」可知方向位移存在正負成對的分布情形，也是因為在方向受到大小相等且方向相反之剪應力所造成，由「第13C圖」至「第13E圖」可知方向之應變、方向之應變以及剪應變場的應變值分布較不連續，且應變值介於之間，推論是因分析影像轉換過程中實驗架設的歪斜所造成的誤差。

請參考「第14A圖」至「第14E圖」所示，「第14A圖」以及「第14B圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的缺陷扭矩負載實際位移場分佈圖；「第14C圖」以及「第14D圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的缺陷扭矩負載實際應變場分布圖；「第14E圖」繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的缺陷扭矩負載實際剪應變場分布圖。

「第14A圖」至「第14E圖」所示為圓管內嵌入人工缺陷進行扭矩負載200 N*m後的光學檢測結果，且扭矩施載方向與圓管內未嵌入人工缺陷進行扭矩負載200 N*m的扭矩施載方向不相同，其中，「第14A圖」為方向的位移場分佈，「第14B圖」為方向的位移場分佈，「第14C圖」為方向的應變場分佈，「第14D圖」為方向的應變場分佈。

由「第14A圖」方向位移分佈呈現連續且位移量絕對值由下往上漸增，由「第14B圖」可知方向位移存在正負成對的分布情形，也是因為在方向受到大小相等且方向相反之剪應力所造成，且「第14A圖」以及「第14B圖」對於方向位移分佈的趨勢與「第13A圖」以及「第13B圖」相似，唯扭矩施載方向不相同導致，「第14B圖」與「第13B圖」的位移分布左右相反，並可進一步證實扭矩施載方向確實會對方向位移分布造成影響。

進一步來說，由「第14B圖」中可明顯看出具有兩個長軸方向為－45度方向的橢圓形位移值集中區域分別為橢圓區域A以及橢圓區域B，橢圓區域A以及橢圓區域B即為人工缺陷內部氣泡受周圍材料擠壓而集中處，且橢圓區域A以及橢圓區域B的位移值為正，代表人工缺陷受擠壓而壓縮至橢圓區域A以及橢圓區域B時是往正方向膨脹，故由平面內位移分佈圖就可明顯判斷出缺陷的位置。

而由「第14C圖」中可明顯看出橢圓區域A以及橢圓區域B有正值的應變值集中，且橢圓區域A以及橢圓區域B兩端有負值的應變值集中存在（即「第14C圖」中箭頭所指之處），應為氣泡集中而產生膨脹時，人工缺陷會往方向擴張，並對周圍產生擠壓，造成氣泡集中處兩端之應變值為負。

而由「第14D圖」中可明顯看出橢圓區域A以及橢圓區域B亦有正應變值集中，且橢圓區域A以及橢圓區域B上方則是有負值的應變集中區域，人工缺陷受到負載時氣泡集中處之方向位移為正值，為人工缺陷內氣泡受壓縮至此區域時材料是往正方向膨脹，故氣泡集中處材料之各個元素點會產生拉伸應力，且氣泡往正方向膨脹時會對上方材料之各個元素點造成壓縮應力，而產生如「第14D圖」中的應變分布情形。

而由「第14E圖」中可明顯看出具有一對正負值相反的剪應變集中區域，正值的剪應變集中區域與橢圓區域A以及橢圓區域B的左端相連，負值的剪應變集中區域與橢圓區域A以及橢圓區域B的右端相連，應為人工缺陷受到擠壓而產生集中隆起時會同時將周圍材料往人工缺陷中心集中，故在人工缺陷左右兩端產生正負成對存在的剪應變值集中區域。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於本發明影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取圓管內的原始影像以及具有至少一缺陷的缺陷影像，透過計算裝置對原始影像以及缺陷影像進行座標轉換以及魚眼鏡頭的投射關係函式的影像還原程序為原始分析影像以及缺陷分析影像，計算裝置將原始分析影像以及缺陷分析影像透過數位影像相關演算法進行比對以找出圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。

藉由此一技術手段可以來解決先前技術所存在非破壞性圓管內部缺陷檢測不便的問題，進而達成提供非破壞性圓管內部缺陷光學檢測的技術功效。

雖然本發明所揭露的實施方式如上，惟所述的內容並非用以直接限定本發明的專利保護範圍。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作些許的更動。本發明的專利保護範圍，仍須以所附的申請專利範圍所界定者為準。

10 影像擷取裝置 101 感光元件 11 魚眼鏡頭 111 成像範圍 20 計算裝置 21 影像還原模組 22 影像分析模組 30 圓管 31 固定裝置 41 影像 42 轉換影像 43 分析影像圓管中心第一圓管半徑第二圓管半徑點投影位置/成像點投射中心入射角折射角投射中心與影像平面之距離成像點與影像中心之距離影像平面所對應到之圓管內壁上實際高度圓管直徑中心點待測點中心點之新座標待測點之新座標步驟 101 影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取於圓管內的原始影像，以及影像擷取裝置透過魚眼鏡頭擷取於圓管內具有至少一缺陷的缺陷影像步驟 102 計算裝置自影像擷取裝置獲得原始影像以及缺陷影像，並分別於原始影像以及缺陷影像中找出圓管中心、第一圓管半徑以及第二圓管半徑，分別將第一圓管半徑以及第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，透過座標轉換將原始影像以及缺陷影像分別轉換為直角坐標的原始轉換影像以及缺陷轉換影像，再配合魚眼鏡頭的投射關係函式分別修正原始轉換影像以及缺陷轉換影像的軸向失真以分別轉換為無失真的原始分析影像以及缺陷分析影像步驟 103 計算裝置將原始分析影像以及缺陷分析影像透過數位影像相關演算法進行比對以找出圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小

第1圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統的系統方塊圖。第2圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法的方法流程圖。第3圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的裝置架構示意圖。第4A圖以及第4B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的感光元件與成像範圍示意圖。第5A圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的擷取影像示意圖。第5B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的轉換影像示意圖。第6A圖以及第6B圖繪示為鏡頭投射方式示意圖。第7A圖至第7D圖繪示為魚眼鏡頭的投射方式示意圖。第8圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的入射角與圓柱高度關係示意圖。第9圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的數位影像相關法示意圖。第10A圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的實際擷取影像圖。第10B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的實際轉換影像圖。第10C圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的實際分析影像圖。第11A圖以及第11B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體平移實際位移場分佈圖。第11C圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體平移位移分析結果圖。第12A圖以及第12B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體旋轉實際位移場分佈圖。第12C圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的剛體旋轉位移分析結果圖。第13A圖以及第13B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的扭矩負載實際位移場分佈圖。第13C圖第13D圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的扭矩負載實際應變場分布圖。第13E圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的扭矩負載實際剪應變場分布圖。第14A圖以及第14B圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的缺陷扭矩負載實際位移場分佈圖。第14C圖以及第14D圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的缺陷扭矩負載實際應變場分布圖。第14E圖繪示為本發明適用於圓管內部缺陷的光學檢測的缺陷扭矩負載實際剪應變場分布圖。

10 影像擷取裝置 11 魚眼鏡頭 20 計算裝置 30 圓管 31 固定裝置

Claims

一種適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統，其包含：一影像擷取裝置，所述影像擷取裝置透過一魚眼鏡頭擷取於圓管內的一原始影像，以及所述影像擷取裝置透過所述魚眼鏡頭擷取於圓管內具有至少一缺陷的一缺陷影像，其中所述影像擷取裝置內的感光元件的大小大於所述魚眼鏡頭的成像範圍；及一計算裝置，所述計算裝置更包含：一影像還原模組，用以自所述影像擷取裝置獲得所述原始影像以及所述缺陷影像，並分別於所述原始影像以及所述缺陷影像中找出一圓管中心、一第一圓管半徑以及一第二圓管半徑，分別將所述第一圓管半徑以及所述第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，透過座標轉換將所述原始影像以及所述缺陷影像分別轉換為直角坐標的一原始轉換影像以及一缺陷轉換影像，再配合所述魚眼鏡頭的投射關係函式分別修正所述原始轉換影像以及所述缺陷轉換影像的軸向失真以分別轉換為無失真的一原始分析影像以及一缺陷分析影像；及一影像分析模組，將所述原始分析影像以及所述缺陷分析影像透過數位影像相關演算法(Digital Image Correlation，DIC)進行比對以找出所述圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。
如申請專利範圍第1項所述的適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統，其中所述魚眼鏡頭的投射方式包含等距投射(Equidistant Projection)、等角投射(Equisolid-Angle Projection)、正投射(Orthographic Projection)以及球極平面投射(Stereographic Projection)。
如申請專利範圍第1項所述的適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統，其中數位影像相關演算法包含最小平方(Least-Square Correlation)演算法、交相關(Cross-Correlation)法及正規化交相關(Normalized Cross Correlation，NCC)演算法，又稱正規化灰階相關(Normalized Gray-scale Correlation，NGC)演算法。
如申請專利範圍第1項所述的適用於圓管內部缺陷的光學檢測系統，其中所述圓管是透過一固定裝置固定於所述影像擷取裝置或是所述魚眼鏡頭上，且所述固定裝置更包含照明模組提供所述圓管內部照明。
一種適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法，其包含下列步驟：一影像擷取裝置透過一魚眼鏡頭擷取於圓管內的一原始影像，以及所述影像擷取裝置透過所述魚眼鏡頭擷取於圓管內具有至少一缺陷的一缺陷影像，其中所述影像擷取裝置內的感光元件的大小大於所述魚眼鏡頭的成像範圍；一計算裝置自所述影像擷取裝置獲得所述原始影像以及所述缺陷影像，並分別於所述原始影像以及所述缺陷影像中找出一圓管中心、一第一圓管半徑以及一第二圓管半徑，分別將所述第一圓管半徑以及所述第二圓管半徑之間的像素點以極座標表示，透過座標轉換將所述原始影像以及所述缺陷影像分別轉換為直角坐標的一原始轉換影像以及一缺陷轉換影像，再配合所述魚眼鏡頭的投射關係函式分別修正所述原始轉換影像以及所述缺陷轉換影像的軸向失真以分別轉換為無失真的一原始分析影像以及一缺陷分析影像；及所述計算裝置將所述原始分析影像以及所述缺陷分析影像透過數位影像相關演算法(Digital Image Correlation，DIC)進行比對以找出所述圓管內部缺陷的位置、形狀以及大小。
如申請專利範圍第5項所述的適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法，其中所述魚眼鏡頭的投射方式包含等距投射(Equidistant Projection)、等角投射(Equisolid-Angle Projection)、正投射(Orthographic Projection)以及球極平面投射(Stereographic Projection)。
如申請專利範圍第5項所述的適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法，其中數位影像相關演算法包含最小平方(Least-Square Correlation)演算法、交相關(Cross-Correlation)法及正規化交相關(Normalized Cross Correlation，NCC)演算法，又稱正規化灰階相關(Normalized Gray-scale Correlation，NGC)演算法。
如申請專利範圍第5項所述的適用於圓管內部缺陷的光學檢測方法，其中所述影像擷取裝置透過所述魚眼鏡頭擷取於圓管內的所述原始影像，以及所述影像擷取裝置透過所述魚眼鏡頭擷取於圓管內所述缺陷的所述缺陷影像的步驟中，所述圓管是透過一固定裝置固定於所述影像擷取裝置或是所述魚眼鏡頭上，且所述固定裝置更包含提供所述圓管內部照明。