產(chǎn)品的外觀缺陷直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題,而在檢測(cè)時(shí),由于產(chǎn)品缺陷種類繁多且干擾因素眾多,導(dǎo)致產(chǎn)品的外觀缺陷檢測(cè)一直是機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中的難點(diǎn)。
外觀缺陷檢測(cè)的難點(diǎn)
外觀缺陷檢測(cè)的難點(diǎn)主要來(lái)自于產(chǎn)品本身以及檢測(cè)儀器的選擇,主要有以下幾大類:
1)產(chǎn)品的多樣性,經(jīng)常使外觀檢測(cè)陷入困境;
2)產(chǎn)品的外觀缺陷除了常見(jiàn)的劃痕、雜質(zhì)、裂紋等,還有易與背景融于一體的透明膠水輪廓檢測(cè);
3)反光物體通常會(huì)使圖像呈現(xiàn)大面積白斑,無(wú)法提取缺陷特征;
4)圓弧面缺陷,受弧面的影響導(dǎo)致視野不能做大,如用明視野法,則成像光斑非常小;用暗視野成像則對(duì)于缺陷方向有局限性;
5)部分產(chǎn)品表面由于材質(zhì)原因,灰塵、雜質(zhì)與劃痕難以區(qū)分檢測(cè);
6)空心圓柱體內(nèi)壁曲面的缺陷檢測(cè),經(jīng)常由于景深不足且鏡頭視角受限,無(wú)法得到理想的圖像。
除了缺陷檢測(cè)本身固有的難點(diǎn)之外,在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中,光源的選擇和使用也是能否精確檢出缺陷的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光源、相機(jī)、鏡頭的選取與搭配,是技術(shù)人員面對(duì)的一大考驗(yàn)。在選擇光源時(shí),通常需要如下考慮:
1)針對(duì)不同的檢測(cè)要求,光源可使用常亮模式,也可進(jìn)行多工位頻閃拍照;
2)根據(jù)外觀缺陷的形狀或材質(zhì)特性,可選擇明場(chǎng)或暗場(chǎng)照明,同時(shí)光源角度也可按需調(diào)整;
3)根據(jù)視野與精度要求,除了選擇不同的相機(jī)與鏡頭組合外,光源的工作距離也尤為重要。
針對(duì)不同類型的外觀缺陷檢測(cè)光源方案
不同的外觀缺陷有著不同的特征,要想達(dá)到一個(gè)好的檢測(cè)效果,需要對(duì)各種光源的原理及應(yīng)用熟稔于心。選擇合適的光源才能更高效地面對(duì)不同缺陷的需求。以下為針對(duì)不同外觀缺陷樣品的常用打光方案。
1)針對(duì)反光且外形不規(guī)則的物體,可使用多角度多光譜光源。多光譜光源從多角度照射,可使物體表面不規(guī)則的區(qū)域展現(xiàn)出不同的成像特性;而反光面與粗糙面對(duì)光的散射效果不同,則可在圖片上投射出不同的灰度信息。通過(guò)計(jì)算顏色分布和圖像陰影變化,可準(zhǔn)確突出物體表面的層次信息,方便后期抓取圖像特征。
2)針對(duì)大面積大視野的樣品檢測(cè),條形光源和背光源是首選光源。大尺寸背光源,通過(guò)LED的高密度排列,提供高均勻性與高亮度的照明效果,能突出物體的外形輪廓等特征。而條光的指向性強(qiáng)且光線均勻,通過(guò)調(diào)整角度或者多個(gè)條光組合可檢測(cè)較大面積的外觀缺陷。
3)針對(duì)磨砂材質(zhì)的表面缺陷,可使用指向性好的光源。指向性好的光源可以突出材料表面的顆粒感;相比之下,漫射光源則會(huì)使外觀缺陷的成像圖沒(méi)有對(duì)比度。
4)針對(duì)部分需要分多次拍照且有速度要求的樣品,需使用高亮光源。多工位多次拍攝成像的外觀檢測(cè),需使用頻閃拍照系統(tǒng),且光源體積要小,重量要輕。
不同類型的光源對(duì)外觀缺陷檢測(cè)的影響
專注于生產(chǎn)機(jī)器視覺(jué)光源的沃德普自動(dòng)化公司(wordop),推出了多款針對(duì)缺陷檢測(cè)的光源解決方案。
1)交叉線形光源
圖1:交叉線形光源
傳統(tǒng)線形光源,多應(yīng)用于高速大幅面樣品的識(shí)別、定位、缺陷檢測(cè)及尺寸測(cè)量等檢測(cè)項(xiàng)。在劃痕類的缺陷檢測(cè)中,如果使用傳統(tǒng)的線形光源,只能檢測(cè)出“橫向缺陷”,而“縱向缺陷”則難以被發(fā)現(xiàn)。為了讓“縱向缺陷”也無(wú)處遁逃,沃德普推出了交叉線形光源。它利用特殊的光學(xué)設(shè)計(jì),使兩側(cè)的光線呈一定角度匯集到光源中間位置,凸顯縱向缺陷,通過(guò)降低背景亮度來(lái)提升缺陷的對(duì)比度。圖2為交叉線形光源的照明光斑與工作距離關(guān)系的示意圖。
圖2:交叉線形光源照明光斑與工作距離關(guān)系的示意圖
光源(推薦)工作距離為50~150mm。表1為交叉線形光源的推薦工作距離、理論有效范圍與實(shí)際有效范圍的關(guān)系圖。
表1:距離關(guān)系
手機(jī)等移動(dòng)電子產(chǎn)品的玻璃蓋板的表面缺陷檢測(cè),是當(dāng)下機(jī)器視覺(jué)的熱點(diǎn)應(yīng)用,也是難點(diǎn)應(yīng)用之一。針對(duì)玻璃蓋板表面的劃痕,分別使用普通線形光源和交叉線形光源對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)(光源架設(shè)方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直),檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。
(a) 普通線光檢測(cè)“橫向劃痕” (b) 普通線光檢測(cè)“縱向劃痕” (c) 交叉線光檢測(cè)“縱向劃痕”
圖3:玻璃蓋板上的劃痕檢測(cè)
玻璃蓋板上的劃痕檢測(cè)結(jié)果如圖3所示,從圖3(a)、(b)、(c)分別是普通線光檢測(cè)“橫向劃痕”、普通線光檢測(cè)“縱向劃痕”、交叉線光檢測(cè)“縱向劃痕”。從圖中可以看出,使用普通線光源檢測(cè)“橫向劃痕”時(shí)缺陷可見(jiàn),使用普通線光源檢測(cè)“縱向劃痕”時(shí)缺陷不可見(jiàn),使用交叉線光源檢測(cè)“縱向劃痕”時(shí)缺陷可見(jiàn)。因此,在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,將普通線光源和交叉線光源配合使用,可以很好地檢出玻璃蓋板上的橫豎劃痕。這種方法可用于檢測(cè)玻璃蓋板、薄膜、金屬面等產(chǎn)品上的劃痕和條紋等缺陷。
2)平面無(wú)影光源
圖4:平面無(wú)影光源
平面無(wú)影光源能提供高均勻度的漫射照明,可以消除產(chǎn)品表面不平整形成的干擾,成像效果與“圓頂+同軸光源組合”類似,且相比于組合光源而言,更節(jié)省空間。圖5為兩組光源的成像原理圖,左側(cè)為平面無(wú)影光源,右側(cè)為“圓頂+同軸”的組合光源。
圖5:成像原理圖
在檢測(cè)表面不平整的物體時(shí),如塑料等材質(zhì)柔軟的包裝袋表面,推薦使用平面無(wú)影光源。圖6為手機(jī)拍攝的食品包裝袋樣品,圖7的(a)、(b)、(c)分別為同軸光源、圓頂光源、平面無(wú)影光源對(duì)食品包裝袋上的字符的檢測(cè)效果對(duì)比。
圖6:手機(jī)拍攝的食品包裝袋樣品
(a)同軸光源 (b)圓頂光源 (c)平面無(wú)影光源
圖7:不同光源的成像效果圖
如圖7所示,使用同軸光源時(shí),光線明暗不均勻,無(wú)法檢測(cè)不平整物品(a);使用圓頂光源照明存在陰影,也無(wú)法檢測(cè)不平整物品(b);使用平面無(wú)影光源,打光均勻,成像清晰且包裝袋上的字體清晰可見(jiàn),適用于檢測(cè)不平整物品表面(c)。從圖7中不難看出,使用同軸光源時(shí)成像效果最差,而使用平面無(wú)影光源的成像效果最好。除此之外,平面無(wú)影光源還適用于弧面產(chǎn)品字符檢測(cè)、圓柱體表面檢測(cè)以及電子元器件字符檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。
3)平面條紋光源
圖8:平面條紋光源
平面條紋光源使用平面條紋式照明,通過(guò)反射的光線相互干涉而形成明暗相間的干涉直條紋,當(dāng)檢測(cè)物體表面有凹凸不平時(shí),由于光程變化使得部分直條紋產(chǎn)生形變,以此來(lái)檢測(cè)元件表面的凹凸點(diǎn)及細(xì)小缺陷問(wèn)題。平面條紋光源可很好的彌補(bǔ)同軸光源難以檢測(cè)的凹凸點(diǎn)及細(xì)小缺陷不明顯的短板,適用于反光物體、膜材、五金件、玻璃上的凹凸點(diǎn)及細(xì)小缺陷的檢測(cè)。圖9為平面條紋光源成像原理圖。
圖9:平面條紋光源成像原理圖
在實(shí)際應(yīng)用中,平面條紋光源以其獨(dú)特的發(fā)光原理,有著無(wú)可替代的成像優(yōu)勢(shì)。以下為兩組經(jīng)典案例。
案例1:玻璃蓋板劃痕檢測(cè)。圖10為平面條紋光源和同軸光源的成像效果對(duì)比。(a)為平面條紋光源檢“劃痕”的效果,可以看到玻璃蓋板表面劃痕清晰可見(jiàn)。b)為同軸光源檢“劃痕”,可以看到玻璃蓋板表面整體被均勻照射,但劃痕不可見(jiàn)。
(a)平面條紋光源檢“劃痕”的效果 (b)同軸光源檢“劃痕”
圖10:成像效果對(duì)比
案例2:偏光膜表面變形與凹凸點(diǎn)檢測(cè)。圖11為平面條紋光源的成像圖。(a)為平面條紋光源檢膜材“變形”的效果,(b)為平面條紋光源檢“凹凸點(diǎn)”的效果,可以看到檢測(cè)圖片中有缺陷的地方條紋明顯形變,不再呈現(xiàn)出平行的特征。
(a)平面條紋光源檢膜材“變形”的效果 (b)平面條紋光源檢“凹凸點(diǎn)”的效果
圖11:成像效果圖
總結(jié)
從上述案例中可以得知,只有根據(jù)產(chǎn)品的檢測(cè)需求以及產(chǎn)品的自身特性來(lái)選擇合適的光源,才能得到好的光學(xué)方案。隨著光源的種類不斷增多,在保證成像質(zhì)量的同時(shí)也朝著節(jié)省空間與成本的方向發(fā)展,同時(shí)很多檢測(cè)上的疑難點(diǎn)得到了解決與改善。在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中,正確選用適合的光源,不僅可以有效提升成像對(duì)比度、保證圖像均勻性,同時(shí)還可降低算法難度,大幅提升了檢測(cè)效率,使得檢測(cè)化繁為簡(jiǎn),更具性價(jià)比。
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原文標(biāo)題:外觀缺陷檢測(cè)中如何打光
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