基于扇形條紋調(diào)制度的光滑平面缺陷檢測

朱勇建，潘敏玲，朱立新，秦國鋒，秦運柏

(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)品表面缺陷檢測是一個重要的環(huán)節(jié)。隨著當(dāng)今社會對電子產(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，一直是當(dāng)代電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域的一大難題。而機器視覺檢測因其無接觸、無破壞性、精度高等特點，成為產(chǎn)品缺陷中一種熱門的檢測方法[1-2]。傳統(tǒng)的機器視覺檢測依賴于打光方式，運用不同的光源對待測物體進(jìn)行實驗可以獲取到不同的檢測效果。區(qū)興華[3]等對比了平行光和均勻散射光對消除強反射光的不同作用及對不同缺陷的顯現(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，面對光滑或類鏡面物體，高反光是傳統(tǒng)機器視覺的一大難題。為滿足工業(yè)制造領(lǐng)域的測量需求，反射測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金屬鏡面和噴漆表面的缺陷檢測中[4]。陳紅麗[5]和曾小星[6]等使用橫/豎條紋反射法對類鏡面物體進(jìn)行缺陷檢測，實驗結(jié)果能夠完整地檢測出類鏡面物體的缺陷。郭鳳霞[7]和Li Cao[8]等分別采用擬合法和導(dǎo)數(shù)符號二值圖像法提取條紋中心線，并對提取的條紋中心線進(jìn)行自動缺陷檢測分析，這種方法放大了缺陷特征，提高了缺陷檢測精度。熊顯名[9]利用云紋光經(jīng)拋光曲面反射產(chǎn)生的差異，通過檢測云紋圖像的變化進(jìn)行缺陷的檢測和定位。趙文川[10]等利用相移技術(shù)得到正交和垂直兩個方向的對比度分布，通過對比度分布確定被測表面的疵病位置。

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

2 缺陷檢測原理

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，實驗簡單、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，檢測效果不夠理想。相移條紋法使用多幅相移條紋計算調(diào)制度，穩(wěn)定性和抗噪能力強，相比之下更適用于缺陷檢測。

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

圖1 條紋反射檢測缺陷原理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需考慮兩個方向條紋間的相互影響，解決了橫豎條紋對缺陷分布垂直方向檢測精度差等問題，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鏡面的表面缺陷檢測。

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方向都存在梯度變化(見圖2)，能一次性獲取兩方向上的物體信息，從而使被測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，這個優(yōu)點提升了條紋對缺陷方向的兼容性。

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步移相時的合成光強，A(x,y)為背景光強，B(x,y)為條紋對比度，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，總相移量為一個條紋周期，總共可得到L幀條紋圖，由此求出每一個像素點的調(diào)制度。針對四步相移法，有

φ1=π/2,φ2=π,φ3=3π/2,φ4=2π。

正弦條紋上任意一點的調(diào)制度M(x,y)定義為：

(2)

式中Ii為第i步相移時的光強。

結(jié)合式(1)和式(2)可以得到：

(3)

由此可見，條紋調(diào)制度M(x,y)只與條紋對比度有關(guān)，且成正比例關(guān)系，與背景光強無關(guān)。在調(diào)制度實際測量中，調(diào)制度就相當(dāng)于條紋對比度，由于直接求對比度比較困難，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)來選取黑白條紋。先確定圓心和圓心區(qū)域周圍的條紋顏色，以半徑為步長依次逐項地擴展為標(biāo)準(zhǔn)扇形正弦條紋。作為擴展條件的圓環(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次相機采集到的反射條紋圖像光強。變形條紋的每一像素調(diào)制度越高，該處的條紋對比度越高，相位信息越可靠，說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為所測得缺陷某行(圖3紅線位置)的調(diào)制度分布。可以看出，當(dāng)所測位置無缺陷時，該處調(diào)制度值較高，若所測位置存在缺陷，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)

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

4 實驗與結(jié)果

本文先后采用傳統(tǒng)檢測方法、調(diào)制度法檢測同一塊Dell平面板缺陷，通過不同的檢測算法進(jìn)行有效性實驗對比。實驗中采用面光源對Dell面板進(jìn)行打光，使用500萬像素的CMOS相機獲取缺陷圖。圖5為傳統(tǒng)檢測法的檢測效果，圖6為扇形條紋調(diào)制度法檢測效果。傳統(tǒng)檢測法是利用光照和缺陷顯現(xiàn)力的關(guān)系，相機在不同的光照下能獲得同一缺陷的不同效果，這種方法的隨機性比較大，不適用于光滑面的檢測。對比可以看出，傳統(tǒng)檢測法檢測光滑面板缺陷有很大的局限性。

圖5 普通機器視覺檢測法的缺陷檢測效果圖Fig.5 Defect image captured by general machine vision inspection

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

調(diào)制度檢測法又分別通過投射標(biāo)準(zhǔn)橫條紋、豎條紋、圓形條紋和扇形條紋進(jìn)行同等實驗環(huán)境下的對比，檢驗不同算法的實際效果。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500萬像素的CMOS相機，被測物體為Dell筆記本電腦背面板。實驗將Dell面板上的缺陷標(biāo)記為1～8號，將缺陷走向大致分為橫向和豎向。

圖7 條紋調(diào)制度檢測實驗裝置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，在圓心處密度過大不滿足采樣定理，容易產(chǎn)生信號失真，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)直線對應(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)行檢測時，缺陷位置離圓心越近，調(diào)制度越不均勻，檢測結(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種條紋對同一缺陷進(jìn)行實驗。圖10和圖11為1號和2號缺陷的調(diào)制度檢測效果。1號和2號缺陷走向主要為豎。由圖10可看出，豎條紋比橫條紋更能清晰地標(biāo)識出豎缺陷。但對圖中點缺陷(圓圈位置)的檢測，橫條紋卻比豎條紋的檢測效果更好。而扇形條紋和圓形條紋能夠兼容兩種條紋的優(yōu)點完整地將1號缺陷中的兩部分缺陷檢測出來。檢測2號缺陷時(見圖11)，橫條紋和圓形條紋能完整地將缺陷檢測出來，但是效果依然沒有豎條紋和扇形條紋的明顯。

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

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

同理，當(dāng)檢測缺陷走向為橫向的3號和4號缺陷時(見圖12和圖13)，橫條紋檢測效果比豎條紋檢測效果更好，扇形條紋和橫條紋檢測同種缺陷效果一致或者更好。實驗得出，橫、豎條紋對缺陷的檢測具有選擇性。具體表現(xiàn)在橫形條紋對橫向缺陷的檢測結(jié)果更為明顯，豎形條紋對豎向條紋的檢測結(jié)果更為明顯，而扇形條紋則對橫、豎向缺陷的檢測結(jié)果都比較理想。

圖12 3號缺陷的調(diào)制度檢測效果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，但圓形條紋的檢測效果和離圓心的距離有關(guān)，檢測效果不穩(wěn)定，扇形條紋則不需要考慮這一點。

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

在缺陷較為復(fù)雜時，扇形條紋調(diào)制度法的檢測效果更好。在5～8號缺陷的對比實驗中(如圖14～圖17)，橫、豎條紋對走向較為復(fù)雜的缺陷容易發(fā)生漏檢，即便是比較明顯的缺陷，橫豎條紋檢測時也會對相反方向的缺陷不敏感。圓心條紋受圓心影響，也會發(fā)生漏檢的情況。

圖14 5號缺陷的調(diào)制度檢測效果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，周圍調(diào)制度受圓心影響，調(diào)制度分布不均勻(圓圈部分較亮)，檢測效果明顯弱于扇形條紋。

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

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

圖17 8號缺陷的調(diào)制度檢測效果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Dell面板上的8種缺陷，扇形條紋調(diào)制度法能夠全部檢測出來，且效果優(yōu)于傳統(tǒng)的檢測方法。

最后通過調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖識別缺陷位置，結(jié)果如圖18所示。標(biāo)定缺陷的實際物理尺寸，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)制度檢測法可檢測到最小尺寸為0.07 mm的缺陷，且檢測效率遠(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)量圖的缺陷識別效果Fig.18 Modulation-phase gradient deviation quality images for defect detection

表1 Dell面板的缺陷檢測結(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方法。該方法通過分析表面缺陷引起的調(diào)制度的微觀變化來檢測物體表面缺陷，將調(diào)制度灰度圖和包裹相位圖結(jié)合，運用調(diào)制度-相位梯度偏差質(zhì)量圖進(jìn)行缺陷識別。經(jīng)8組對比實驗證明，扇形條紋能完整地識別出8組缺陷。相較于傳統(tǒng)機器視覺檢測法和橫、豎、圓形條紋檢測法，扇形條紋檢測法有更高的靈敏度，完美地抑制住條紋對缺陷的選擇性，測量精度達(dá)到0.07 mm，精度和應(yīng)用性得到提升。實驗結(jié)果表明，這種檢測方法放大了缺陷效應(yīng)，具有較高的準(zhǔn)確性和精度，為鏡面和類鏡面表面缺陷檢測提供了技術(shù)支持。