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。