朱勇建，潘敏玲，朱立新，秦國(guó)鋒，秦運(yùn)柏

(廣西師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品維修領(lǐng)域，產(chǎn)品表面缺陷檢測(cè)是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的需求和產(chǎn)品的質(zhì)量要求逐漸提高，產(chǎn)品表面缺陷的快速定位及檢測(cè)，一直是當(dāng)代電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域的一大難題。而機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)因其無(wú)接觸、無(wú)破壞性、精度高等特點(diǎn)，成為產(chǎn)品缺陷中一種熱門(mén)的檢測(cè)方法[1-2]。傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)依賴(lài)于打光方式，運(yùn)用不同的光源對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以獲取到不同的檢測(cè)效果。區(qū)興華[3]等對(duì)比了平行光和均勻散射光對(duì)消除強(qiáng)反射光的不同作用及對(duì)不同缺陷的顯現(xiàn)力，采用均勻散射光作為光源克服了光亮金屬表面的反光特性。

然而，面對(duì)光滑或類(lèi)鏡面物體，高反光是傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)的一大難題。為滿(mǎn)足工業(yè)制造領(lǐng)域的測(cè)量需求，反射測(cè)量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金屬鏡面和噴漆表面的缺陷檢測(cè)中[4]。陳紅麗[5]和曾小星[6]等使用橫/豎條紋反射法對(duì)類(lèi)鏡面物體進(jìn)行缺陷檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠完整地檢測(cè)出類(lèi)鏡面物體的缺陷。郭鳳霞[7]和Li Cao[8]等分別采用擬合法和導(dǎo)數(shù)符號(hào)二值圖像法提取條紋中心線(xiàn)，并對(duì)提取的條紋中心線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)缺陷檢測(cè)分析，這種方法放大了缺陷特征，提高了缺陷檢測(cè)精度。熊顯名[9]利用云紋光經(jīng)拋光曲面反射產(chǎn)生的差異，通過(guò)檢測(cè)云紋圖像的變化進(jìn)行缺陷的檢測(cè)和定位。趙文川[10]等利用相移技術(shù)得到正交和垂直兩個(gè)方向的對(duì)比度分布，通過(guò)對(duì)比度分布確定被測(cè)表面的疵病位置。

傳統(tǒng)的反射測(cè)量技術(shù)采用水平或者垂直條紋對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行調(diào)制，但這兩種類(lèi)型的條紋對(duì)同方向的缺陷更敏感，對(duì)缺陷檢測(cè)的識(shí)別率并不高。孫穎[11]等針對(duì)陶瓷球曲面特性設(shè)計(jì)了一種特殊形狀條紋，再對(duì)獲取到的變形條紋進(jìn)行處理，最終定位特征點(diǎn)。宋宇航[12]等使用圓環(huán)條紋對(duì)高反射曲面的鋼球進(jìn)行缺陷檢測(cè)，該方法能夠?qū)Υ郎y(cè)物進(jìn)行有效檢測(cè)和判別，但該方法更適用于球面物體的缺陷檢測(cè)。本文分析了光滑表面缺陷檢測(cè)的難點(diǎn)，根據(jù)條紋反射檢測(cè)原理提出了一種基于扇形調(diào)制度的光滑平面缺陷檢測(cè)方法，通過(guò)求取扇形條紋的調(diào)制度分布大致確定待測(cè)物表面的缺陷，然后再通過(guò)調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖[13]精確識(shí)別出缺陷位置。該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)方法，而且提高了檢測(cè)精度。

2 缺陷檢測(cè)原理

調(diào)制度的獲取方式主要分為單幅條紋傅里葉變換法和相移條紋法。單幅條紋傅里葉變換法只需要獲取一張條紋圖，實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單、速度較快，但是易造成頻譜混疊和頻譜泄露，獲得的調(diào)制度精度較低，檢測(cè)效果不夠理想。相移條紋法使用多幅相移條紋計(jì)算調(diào)制度，穩(wěn)定性和抗噪能力強(qiáng)，相比之下更適用于缺陷檢測(cè)。

基于相移法的調(diào)制度測(cè)量系統(tǒng)的基本原理是結(jié)構(gòu)光條紋投影到待測(cè)物體表面，經(jīng)具有高度變化的鏡平面表面反射后，正弦條紋會(huì)發(fā)生形變，通過(guò)相移技術(shù)測(cè)量待測(cè)鏡平面表面的調(diào)制度，根據(jù)待測(cè)物表面的調(diào)制度變化及其分布，即可快速準(zhǔn)確地確定表面缺陷的位置。若待測(cè)物體表面光滑，對(duì)應(yīng)的調(diào)制度值應(yīng)該是相同的，若表面存在缺陷，表面會(huì)存在輕微的高度變化，這種變化會(huì)使光線(xiàn)發(fā)生偏折和散射，造成相位分布的變化和圖像對(duì)比度的改變，即調(diào)制度發(fā)生改變。檢測(cè)原理如圖1所示，將生成的條紋由顯示屏反射到待測(cè)物，相機(jī)拍攝待測(cè)物體獲取變形條紋，并傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)對(duì)調(diào)制度的分析對(duì)比可快速地確定缺陷的位置及分布。

圖1 條紋反射檢測(cè)缺陷原理Fig.1 Principle for fringe-based reflection defect detection

較于普通橫豎正弦條紋，本文選用的扇形條紋無(wú)需考慮兩個(gè)方向條紋間的相互影響，解決了橫豎條紋對(duì)缺陷分布垂直方向檢測(cè)精度差等問(wèn)題，并且扇形條紋避免了傳統(tǒng)圓形條紋圓心和解調(diào)制度的影響，非常適用于鏡面和類(lèi)鏡面的表面缺陷檢測(cè)。

扇形條紋與橫縱條紋的最大的區(qū)別在于：扇形條紋在橫縱兩個(gè)方向都存在梯度變化(見(jiàn)圖2)，能一次性獲取兩方向上的物體信息，從而使被測(cè)物體表面信息保存最大化，而橫、縱條紋只在單一方向上有梯度變化，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)提升了條紋對(duì)缺陷方向的兼容性。

圖2 四種條紋在橫縱兩方向截波Fig.2 Four fringes cut in transverse and longitudinal directions

LCD顯示屏將正弦條紋投影到待測(cè)物體上，傳統(tǒng)的投影條紋可表示為：

Ii=A(x,y)+B(x,y)*cos(θ+φi)，

(1)

式中：i=1,2,…,N,Ii為第i步移相時(shí)的合成光強(qiáng)，A(x,y)為背景光強(qiáng)，B(x,y)為條紋對(duì)比度，θ為相位值，φi為相移量。為了得到條紋調(diào)制度，一般需要至少投影L(L≥3)次，總相移量為一個(gè)條紋周期，總共可得到L幀條紋圖，由此求出每一個(gè)像素點(diǎn)的調(diào)制度。針對(duì)四步相移法，有

φ1=π/2,φ2=π,φ3=3π/2,φ4=2π。

正弦條紋上任意一點(diǎn)的調(diào)制度M(x,y)定義為：

(2)

式中Ii為第i步相移時(shí)的光強(qiáng)。

結(jié)合式(1)和式(2)可以得到：

(3)

由此可見(jiàn)，條紋調(diào)制度M(x,y)只與條紋對(duì)比度有關(guān)，且成正比例關(guān)系，與背景光強(qiáng)無(wú)關(guān)。在調(diào)制度實(shí)際測(cè)量中，調(diào)制度就相當(dāng)于條紋對(duì)比度，由于直接求對(duì)比度比較困難，因而引入調(diào)制度的概念。

扇形條紋的編碼是利用不同半徑的圓環(huán)橫、縱坐標(biāo)來(lái)選取黑白條紋。先確定圓心和圓心區(qū)域周?chē)臈l紋顏色，以半徑為步長(zhǎng)依次逐項(xiàng)地?cái)U(kuò)展為標(biāo)準(zhǔn)扇形正弦條紋。作為擴(kuò)展條件的圓環(huán)半徑如下：

(4)

式中R為圓環(huán)直徑，x和y是圓環(huán)上對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)，x0,y0是圓環(huán)的圓心坐標(biāo)。所以半徑為擴(kuò)展條件得到的條紋是環(huán)形條紋，再截取中心角為0°≤θ≤90°的圓環(huán)即可得到標(biāo)準(zhǔn)扇形正弦條紋。

標(biāo)準(zhǔn)扇形正弦條紋可表示為:

Ii=A(x,y)+B(x,y)*cos(2πR(x,y)+φi)，

(5)

式中2πR(x,y)為相位值。由此可以得出調(diào)制度公式為:

(6)

式中In為第n次相機(jī)采集到的反射條紋圖像光強(qiáng)。變形條紋的每一像素調(diào)制度越高，該處的條紋對(duì)比度越高，相位信息越可靠，說(shuō)明該處存在缺陷的可能性越小。圖3為扇形條紋調(diào)制度法得到的調(diào)制度圖，圖4為所測(cè)得缺陷某行(圖3紅線(xiàn)位置)的調(diào)制度分布?？梢钥闯觯?dāng)所測(cè)位置無(wú)缺陷時(shí)，該處調(diào)制度值較高，若所測(cè)位置存在缺陷，則該處調(diào)制度明顯降低。因此，可以選用調(diào)制度作為檢測(cè)缺陷的依據(jù)。

圖3 扇形條紋調(diào)制度法得到的缺陷調(diào)制度圖Fig.3 Defect image via sector fringe-based modulation

圖4 測(cè)得缺陷某行的調(diào)制度分布Fig.4 Modulation distribution of a row in defect image

3 調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖缺陷識(shí)別

本文基于調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖[13]提出一種缺陷識(shí)別方法。相位導(dǎo)數(shù)偏差質(zhì)量圖的可靠度高，調(diào)制度梯度質(zhì)量圖能清晰地表示條紋圖的數(shù)據(jù)質(zhì)量，那么結(jié)合兩者的調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖則能大大提高缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確度。

根據(jù)四步相移法求得包裹相位為:

(7)

相位導(dǎo)數(shù)偏差質(zhì)量圖可表示為:

(8)

(9)

(10)

調(diào)制度梯度偏差質(zhì)量圖如式(11)所示：

(11)

(12)

(13)

而調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖可表示為：

Mm,n=qm,n×δMm,n.

(14)

在檢測(cè)缺陷時(shí)，若待測(cè)平面無(wú)缺陷則為質(zhì)量好的點(diǎn)，標(biāo)記為1，在圖片顯示為白色；若待測(cè)平面有缺陷則為質(zhì)量差的點(diǎn)，標(biāo)記為0，在圖片顯示為黑色。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本文先后采用傳統(tǒng)檢測(cè)方法、調(diào)制度法檢測(cè)同一塊Dell平面板缺陷，通過(guò)不同的檢測(cè)算法進(jìn)行有效性實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中采用面光源對(duì)Dell面板進(jìn)行打光，使用500萬(wàn)像素的CMOS相機(jī)獲取缺陷圖。圖5為傳統(tǒng)檢測(cè)法的檢測(cè)效果，圖6為扇形條紋調(diào)制度法檢測(cè)效果。傳統(tǒng)檢測(cè)法是利用光照和缺陷顯現(xiàn)力的關(guān)系，相機(jī)在不同的光照下能獲得同一缺陷的不同效果，這種方法的隨機(jī)性比較大，不適用于光滑面的檢測(cè)。對(duì)比可以看出，傳統(tǒng)檢測(cè)法檢測(cè)光滑面板缺陷有很大的局限性。

圖5 普通機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法的缺陷檢測(cè)效果圖Fig.5 Defect image captured by general machine vision inspection

圖6 扇形條紋調(diào)制度的缺陷檢測(cè)效果Fig.6 Defect image captured by sector fringe-based modulation

調(diào)制度檢測(cè)法又分別通過(guò)投射標(biāo)準(zhǔn)橫條紋、豎條紋、圓形條紋和扇形條紋進(jìn)行同等實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的對(duì)比，檢驗(yàn)不同算法的實(shí)際效果。系統(tǒng)設(shè)置如圖7所示，采用1 900×600的LCD顯示屏投影扇形條紋，采集裝置為大恒圖像生成的500萬(wàn)像素的CMOS相機(jī)，被測(cè)物體為Dell筆記本電腦背面板。實(shí)驗(yàn)將Dell面板上的缺陷標(biāo)記為1～8號(hào)，將缺陷走向大致分為橫向和豎向。

圖7 條紋調(diào)制度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental equipment for fringe-based modulation detection

圓形條紋越往圓心位置條紋密度越大，在圓心處密度過(guò)大不滿(mǎn)足采樣定理，容易產(chǎn)生信號(hào)失真，從而掩蓋圓心附近的缺陷信息。如圖8(a)所示，高亮部分為圓心位置。圖9為圖8(a)直線(xiàn)對(duì)應(yīng)的圓心位置的單行調(diào)制度分布，可以看出，圓形條紋圓心位置調(diào)制度變化較大，因此，使用圓形條紋進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，缺陷位置離圓心越近，調(diào)制度越不均勻，檢測(cè)結(jié)果越不可靠。而橫、豎、扇形3種條紋的調(diào)制度分布較為均勻，不存在此問(wèn)題，如圖8(b)所示。

圖8 不同條紋的調(diào)制度效果Fig.8 Modulation effect with different fringes

圖9 圓心處調(diào)制度的變化情況Fig.9 Modulation variation at center of circle

將4種條紋對(duì)同一缺陷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖10和圖11為1號(hào)和2號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果。1號(hào)和2號(hào)缺陷走向主要為豎。由圖10可看出，豎條紋比橫條紋更能清晰地標(biāo)識(shí)出豎缺陷。但對(duì)圖中點(diǎn)缺陷(圓圈位置)的檢測(cè)，橫條紋卻比豎條紋的檢測(cè)效果更好。而扇形條紋和圓形條紋能夠兼容兩種條紋的優(yōu)點(diǎn)完整地將1號(hào)缺陷中的兩部分缺陷檢測(cè)出來(lái)。檢測(cè)2號(hào)缺陷時(shí)(見(jiàn)圖11)，橫條紋和圓形條紋能完整地將缺陷檢測(cè)出來(lái)，但是效果依然沒(méi)有豎條紋和扇形條紋的明顯。

圖10 1號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.10 Modulation map of defect No.1

圖11 2號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.11 Modulation map of defect No.2

同理，當(dāng)檢測(cè)缺陷走向?yàn)闄M向的3號(hào)和4號(hào)缺陷時(shí)(見(jiàn)圖12和圖13)，橫條紋檢測(cè)效果比豎條紋檢測(cè)效果更好，扇形條紋和橫條紋檢測(cè)同種缺陷效果一致或者更好。實(shí)驗(yàn)得出，橫、豎條紋對(duì)缺陷的檢測(cè)具有選擇性。具體表現(xiàn)在橫形條紋對(duì)橫向缺陷的檢測(cè)結(jié)果更為明顯，豎形條紋對(duì)豎向條紋的檢測(cè)結(jié)果更為明顯，而扇形條紋則對(duì)橫、豎向缺陷的檢測(cè)結(jié)果都比較理想。

圖12 3號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.12 Modulation map of defect No.3

由圖10～圖13可以得出：圓形條紋和扇形條紋都不受缺陷方向限制，但圓形條紋的檢測(cè)效果和離圓心的距離有關(guān)，檢測(cè)效果不穩(wěn)定，扇形條紋則不需要考慮這一點(diǎn)。

圖13 4號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.13 Modulation map of defect No.4

在缺陷較為復(fù)雜時(shí)，扇形條紋調(diào)制度法的檢測(cè)效果更好。在5～8號(hào)缺陷的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中(如圖14～圖17)，橫、豎條紋對(duì)走向較為復(fù)雜的缺陷容易發(fā)生漏檢，即便是比較明顯的缺陷，橫豎條紋檢測(cè)時(shí)也會(huì)對(duì)相反方向的缺陷不敏感。圓心條紋受圓心影響，也會(huì)發(fā)生漏檢的情況。

圖14 5號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.14 Modulation map of defect No.5

如圖15(c)所示，缺陷處于圓形條紋圓心附近，周?chē){(diào)制度受圓心影響，調(diào)制度分布不均勻(圓圈部分較亮)，檢測(cè)效果明顯弱于扇形條紋。

圖15 6號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.15 Modulation map of defect No.6

圖16 7號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.16 Modulation map of defect No.7

圖17 8號(hào)缺陷的調(diào)制度檢測(cè)效果Fig.17 Modulation map of defect No.8

綜上可知，扇形條紋發(fā)生漏檢的概率比橫、豎、圓形條紋的低。針對(duì)Dell面板上的8種缺陷，扇形條紋調(diào)制度法能夠全部檢測(cè)出來(lái)，且效果優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。

最后通過(guò)調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖識(shí)別缺陷位置，結(jié)果如圖18所示。標(biāo)定缺陷的實(shí)際物理尺寸，8種缺陷的最小尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，扇形條紋調(diào)制度檢測(cè)法可檢測(cè)到最小尺寸為0.07 mm的缺陷，且檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外3種方法。

圖18 調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖的缺陷識(shí)別效果Fig.18 Modulation-phase gradient deviation quality images for defect detection

表1 Dell面板的缺陷檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié) 論

本文提出了一種基于扇形條紋的光滑表面缺陷檢測(cè)方法。該方法通過(guò)分析表面缺陷引起的調(diào)制度的微觀(guān)變化來(lái)檢測(cè)物體表面缺陷，將調(diào)制度灰度圖和包裹相位圖結(jié)合，運(yùn)用調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖進(jìn)行缺陷識(shí)別。經(jīng)8組對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，扇形條紋能完整地識(shí)別出8組缺陷。相較于傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法和橫、豎、圓形條紋檢測(cè)法，扇形條紋檢測(cè)法有更高的靈敏度，完美地抑制住條紋對(duì)缺陷的選擇性，測(cè)量精度達(dá)到0.07 mm，精度和應(yīng)用性得到提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種檢測(cè)方法放大了缺陷效應(yīng)，具有較高的準(zhǔn)確性和精度，為鏡面和類(lèi)鏡面表面缺陷檢測(cè)提供了技術(shù)支持。