（测试计量技术及仪器专业论文）强反射表面缺陷检测技术.pdf

摘要 日趋激烈的世界范围内的竞争使得现代企业都在极力提高产品质量，包括 产品的表面质量和外观质量。在生产过程中对产品的质量进行检测，并将检测 所获得的信息用于自动控制是实现这一目标的重要手段。在自动检测方法中， 强反射复杂表面随机缺陷的自动检测是一项重要的研究课题，也具有一定的技 术难度。这是因为当被测工件为强反射复杂表面时，由于表面的反射光极强， 对面阵c c d 扫描成像有很大的影响，并且复杂的表面( 表面的几何形状多样， 镀层种类多) 和随机缺陷也给检测工作带来了很大的困难。本论文在c c d 光电 检测技术、计算机图像处理技术与自动控制技术相结合的基础上，提出了一种 表面缺陷的检测方法。 系统采用面阵c c d 作为光电探测器件。详细分析了在进行强反射复杂表面 随机缺陷检测时的光学照明问题。提出了缺陷显现力的具体定义和工件表面照 度值与缺陷显现力之间的关系。据此设计了l e d 照明系统作为c c d 的光源， 成功的实现了本系统的一个关键技术：均匀、稳定、散射的照明光源，从而有 效的解决了强反射及复杂缺陷给检测带来的困难。 在图像处理中，采用了中值滤波算法去除噪声和拉普拉斯锐化算法；为了 得到图像的某些统计特征，对图像进行了灰度直方图分析；图像二值化采用的 是最大方差自动取阈值法；对于得到的二值图像采用最小二乘算法来确定检测 区域。为了进行缺陷识别，对经过以上图像处理后得到的二值图像，提取缺陷 的几何特征( 面积、周长) ，作为识别特征，并建立了模糊模式识别的数学模型。 论文比较详细的介绍了系统的各个组成部分，进行了大量的实验研究，最 后给出了经过实验室模拟实验得到的检测结果，并对实验结果进行了分析，提 出了改进措旌，为实现1 0 0 的自动检测做了铺垫。 关键词：表面缺陷，光电检测，强反射，均匀散射光， 缺陷显现力，图像处理，模式识别 a b s t r a c t t h ew o r l d w i d e i n c r e a s i n g l y i n t e n s i v ee c o n o m i c c o m p e t i t i o nu r g e s m o d e m e n t e r p r i s e st oc o n s t a n t l yi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y , i n c l u d i n gs u r f a c ea n da p p e a r a n c e q u a l i t y f o rt h i sp u r p o s e ，o n ei m p o r t a n tm e a n si s t o a u t o m a t i c a l l yi n s p e c tm a t e r i a l a n dp r o d u c td u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c ea n df e e d b a c kt h ei n s p e c t i o ni n f o r m a t i o n i n t oq u a l i t yc o n t r 0 1 w h e nd e t e c t i n gd e f e c t so ns t r o n g l yr e f l e c t i v es u r f a c e ，t h em e t a l s u r n c eo f w o r k p i e c eg i v e so f fs t r o n gr e f l e c t e dl i g h t ，w h i c hm a y a f f e c tc c d s c a n n i n g i m a g i n gb yc a u s i n gd i s t o r t i o nt oc c di m a g i n g t h a ti sw h y t h ea m o m a t i cd e t e c t i o n f o rd e f e c t so ns t r o n g l yr e f l e c t i v es u r f a c ei sa l li m p o r t a n tr e s e a r c ht h e s i s t h i sp a p e r d e s c r i b e sa na u t o m a t i ci n s p e c t i o n s y s t e mb a s e do nt h e c o m b i n a t i o no fc o m p u t e r i m a g ep r o c e s s i n g ，c c dp h o t o e l e c t r i c i t yi n s p e c t i o na n d a u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e a r e ac c di su s e da sp h o t o e l e c t r i c i t yd e v i c ei nt h es y s t e m t h ep a p e rd i s c u s s e s t h ei l l u m i n a t i o nm e t h o d sr e l a t e dt od e t e c td e f e c t so n s t r o n g l yr e f l e c t i v es u r f a c e sw i t h c c dd e t e c t i o n ac o n c e p to fd e f e c te x p r e s s i v i t yi sd e v e l o p e da n dt h ed e p e n d e n c yo f i m a g eq u a l i t yo n l u m i n a n c ei si l l u s t r a t e di nt h ec o n d i t i o no fs c a t t e r e dl i g h t b a s e do n t h ep r i n c i p l e su n d e rt h o s ep a r t i c u l a rc o n d i t i o n s ，l e di l l u m i n a t i o ns y s t e mh a sb e e n d e s i g n e d t os o l v eo n eo ft h ek e y t e c h n i q u e si nt h i ss y s t e m ：t og e tu n i f o r m ，s t a b l ea n d d i f m s ei l l u m i n a t i o n a r i t h m e t i c ss u c ha sm e d i a ns m o o t h i n g ，s h a r p i n ga r i t h m e t i c ，g r e yh i s t o g r a m a n a l y s i s ，i m a g eb i n a r y z a t i o na n dd e f i n i n gd e t e c t i o na r e a h a v eb e e nu s e di nt h ei m a g e p r o c e s s i n g b yp i c k i n gu pt h e c h a r a c t e ro fa r e aa n dp e r i m e t e r , d e f e c t sc a r lb e e n r e c o g n i z e da n da m a t h e m a t i c sm o d e lo fp a t t e r nr e c o g n i t i o nb a s e do nf u z z yp a t t e m r e c o g n i t i o n h a sa l s ob e e n p r e s e n t e d t h r o u g h a g r e a td e a lo f e x p e r i m e n t u n d e rl a b ，t h er e s u l t so f d e t e c t i o nw e r eg i v e n b a s e do nt h ea n a l y s i so f d a t a , i m p r o v i n gm e m o d s w e r e p r o p o s e d a tl a s t a l lt h e s ea r e p r e p a r i n g f o rs u c c e s s f u l l yp e r f o r m i n g10 0 a u t o m a t i cd e t e c t i o na n dm e e t i n gt h e d e m a n do f i n d u s t r y k e y w o r d s ：s u r f a c ed e f e c t s ，p h o t o e l e c t r i c i t yi n s p e c t i o n ， s t r o n g l yr e f l e c t i o n ， u n i f o r ms c a t t e rl i g h t ，d e f e c te x p m s s i v i t y , i m a g ep r o c e s s i n g ， p a t t e r nr e c o g n k i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：下乡瞳? 签字日期：j 邪上年2 月3 0 h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：f 多廖导师签名： 签字日期：o 2 年肛月3 0 日签字日期：硼年月，多日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 薅羞童鳌赛藏强竞争懿强趋激黧，不叛壤撬褰产菇羧量及生产零，并暴可戆 地降低成本以羧取最大利润已成为每一个现代企业所追求的主要目标。在生产 过程中萍| 原材料和成品进行1 0 0 的自动检测并把检测所获得的信息用于质量控 涮是实褒这一霹标楚重要手段，霹鼙：浃遮哥靠静垂动稔测手段雀璇钱纯静生产 中藏显褥越来越燕要。褥桶怒在如下的行濂中，鑫动梭溺系统正备受企韭韵关 注，并在实际生产中发挥出日髓重要的作用t l - 3 1 ( 1 ) 钢铁生产及加工弦渡 ( 2 ) 毫予缓麓教及l c 垒产孳亍韭 ( 3 ) 食品加工行业、饮料、酒类等杼渡 ( 4 ) 烟草行渡 ( 5 ) 化学工犍 ( 6 ) 纺织工业 ( 7 ) 印刷工业 一个鑫动梭测系统必须鼷餐鳃下的蘩本特点： 1 。生产过程中瓣实瓣羧裁 能对产品质最的变化作出实时反应并把检测信息反馈到生产控制系统，保 正在不降低生产率的前提下提高产品质量。 2 整霾瓣矮，安全霹纛，麓适应袋场豹恶劣象终及备耱复象予貔馥影穗。 3 。最好采矮菲接熬翡梭测方法，霹戳不干撬生产过程、不缓舔被测试样。 总之，当今社会的许多行业中，很多产品的生产过程都需要自动检测技术 “袋保迁产品质量、提高生产攀，两过去的检测工作往德是人工进行的。人工检 测裔很多蜀蔽v 萃鞴缺点，粥蠢予生产环境瀚影响，捡测入爨容易疲势叛致发生游 梭或错检现象，即不能保证1 0 0 检测。同时，人工检测的低效率，势必要求在 检测中投入大量入力瓷源，遮将大大提窿产品成本。隧麓生产攀的掇离，生产 溅程豹速凄越寒越浚，残这辩媾援下，人工羧测屈乎爨不可戆懿，羹主要酶是， 第一章绪论 人工检测不能把检测到的信息及时返回用于质量控制。 综合来说，自动检测技术在实际生产中有如下作用： 1 把操作者从单调而繁琐的事务性工作中解脱出来； 2 节省劳动成本； 3 在恶劣的环境下也能进行检测工作； 4 减少检测过程中对高熟练程度人工检测员的依赖： 5 对检测到的信息进行实时分析，并把分析的结果反馈于管理决策中； 本课题是由天津市三环乐喜新材料有限公司提出的，要求对非金属电镀工 件表面的复杂缺陷进行检测、识别及分选出有缺陷的工件。 1 2 表面缺陷自动检测的现状及课题的主要技术要求 目前，国内外都在极力提高产品质量，包括产品的表面质量和外观质量， 因而缺陷自动检测正备受企业的关注，并在实际生产中发挥日益重要的作用。 在国外，六七十年代就已开始了自动检测系统的研究“1 。现在，某些技术，如 激光扫描、超声波扫描技术、光电检测技术等已相当成熟，自动检测系统在这 些国家已相当普遍。在我国，自动检测系统与质量控制手段仍较为薄弱。 在自动检测方法中，强反射复杂表面缺陷的自动检测是一项重要的研究课 题，也具有一定的技术难度。这是因为当被测工件为强反射复杂表面时，由于 表面的反射光极强，对面阵c c d 扫描成像有很大的影响。另外工件表面镀层种 类多，表面缺陷种类也多，缺陷的结构尺寸千差万别，也给检测工作带来了很 大的困难，对光源的选择和后期的图像处理及识别工作提出了很高的要求。 目前针对这种强反射复杂表面随机缺陷的检测方法直是人工检测，检测 者凭借肉眼观察缺陷，但是肉眼检测能力毕竟有限，而且具有疲劳期，很可能 会产生漏检和误判，并且检测速度慢，成本高，不适合于现代化生产作业。为 提高生产效率，把操作者从单调而繁琐的工作中解脱出来，本系统在计算机图 像处理技术、c c d 光电检测技术和自动控制技术相结合的基础上，提出了一种表 面缺陷的检测方法。 表面缺陷的检测就是利用人眼能感受到的光照射被测对象表面，通过检测 局部区域的表面特性和与之相邻表面的特性的差异及模拟人眼的机理，来判断 此局部区域是否出现缺陷。 第一章绪论 本课题有关参数情况如下： 工件大小：5 - 3 0 r a m 工件形状：圆形，圆环 表面镀层：镀锌，镀镍，镀铬 缺陷种类：划痕、凹坑、塌边、镀层不良、砂眼、裂纹等 1 3 表面缺陷检测方法的综述、比较及选择 工业中，对于表面缺陷的检测早已有了多釉方法。目前在实际中应用的表 面缺陷检测方法主要有 5 - 1 8 1 ：人工视觉检测法、激光扫描、激光超声法及c c d 光电检测法等。 1 人工视觉检测方法 在现代的很多企业里面，仍然采用人工视觉检测的方法进行原材料、成品 和半成品的表面缺陷检测。检测者经过培训凭借肉眼进行观察和挑选。人工检 测可以对图像的细节进行分辨，并且具有智能性和模糊性。 但是，面对当今科学技术的飞速发展的形势，不能不看到人工视觉检测存 在着极大不足。长时间连续进行相同的视觉处理，操作者就会感到单调、疲劳、 厌倦，以致效率低或者判断错误。并且人工检测具有主观性误差，使得检测合 格率的可信度较低，因此对产品的质量和销售都有重要影响。人工视觉的检测 方式己明显不能满足高效率、低成本的要求。 2 、激光超声法表面检测 1 叩 激光超声技术以光声效应理论为基础，将调制后的激光投射在样品表面， 产生相应的物理效应，生成含有效被测表面信息的超声信号，利用微裂纹等缺 陷对超声波信号的调制作用，可以用激光探针检测出该信号，从中再提取出有 关缺陷的信息。 图1 1 所示为实验方案示意图。在超声信号的产生方面，采用声光调制器 对长持续时间的激光脉冲进行调制，并用柱面镜将点光源变成线光源以提高方 向性并改善波形；在超声波检测方面采用窄带抗干扰能力强的共扼f p 干涉仪 检测并滤波。 第一章绪论 图1 - 1 激光超声法实验方案示意图 片 以激光超声表面波为代表的用于微小缺陷检测的激光技术的研究，是目前 国际学术界的个研究热点，日益成为超声工程和无损检测领域的一个重要内 容。这种方法比较适合用于进行微小表面缺陷的非接触检测，目前已经实现了 飞机的引擎、机翼和电站的主轴等主要零部件以及为核设施中的关键零部件的 早期失效所产生的微裂纹的实时检测。而在我们所要检测的工件中，工件表面 本身就有相当的起伏，有时是纯粹的表面外观问题，加上表面缺陷的形状多样， 有裂纹还有砂眼、塌角等等，而且表面缺陷还比较大，达到毫米级，因此不适 合采用这种检测方法。 3 、激光扫描表面缺陷检测法“1 5 1 激光扫描检测法属于视觉检测的范畴。当聚焦后的激光光束落在被检测物 体的表面时，根据材料表面的性质和结构，辐射线或多或少地被散射。如果物 体表面存在缺陷，必然使得散射强度相对于正常表面发生变化。检测出其变化 就可以检测出物体表面的缺陷。 典型的激光扫描器原理结构如图1 2 所示： 从h e - n e 激光器射出的光束，经平面反射镜2 的反射、扩束准直系统3 、整 形柱面镜4 的整形后，得到所需形状和大小的激光光斑的光束，整形后的激光 光束通过扫描物镜5 照射到高速旋转的多面体6 上，通过平面反射镜7 、抛物柱 面反射镜8 实现对被检测表面的扫描。从工件表面9 反射的光线经过柱面透镜 第一章绪论 1 0 ( 如图1 - 2 b ) 的汇聚进入导光棒1 1 ，再通过导光棒到达光电探测器上，把光 信号转换成电信号。如果工件表面有缺陷，则当激光光束照射到其上时，进入 导光棒的反射光强就会发生变化，从而引起电信号的变化，这样就可以检测到 ( a ) i h e - n e 激光器2 平面反射镜3 扩束准直系统4 柱面镜5 扫描物镜6 旋转多面体 及电机7 平面反射镜8 抛物柱面反射镜9 被检测表面1 0 柱面透镜1 1 导光棒 - 工件运动方向9 图1 - 2 激光扫描结构示意图 工件表面的缺陷。扫描部分如图1 - 2 ( b ) 所示。把工件的运动与激光束的移动 结合起来，就可以实现对工件表面缺陷的自动检测了。 对工件表面进行检测时，必须使聚焦的激光束在工件表面上每点采样不留 下空隙，这通常靠激光光束在工件表面作快速扫描来实现。 由于激光光束在工件表面作快速扫描，要求激光扫描线上的每一点的光信 号都能通过一光学元件无损失( 或等损失) 的到达光电探测器上。这一目标是 通过采用一导光棒的光学传光器件来实现的。 激光光束照射到检测线上的任一点，所产生的反射光都能通过柱面镜的汇 e 第一章绪论 聚而进入导光棒。导光棒把进入它的光几乎无损失的( 或等损失的) 传至接于 其末端的光电倍增管中，从而把光信号转变成电信号，供后续电路进行信号处 理用。 激光扫描表面缺陷检测法广泛用于带钢、薄膜、光盘、集成电路等的生产 中。其特点是分辨率高、检测精度高，且是无损、非接触的。缺点是检测速度 相对较低，不适宜在线使用，成本较高。 4 、c c d 光电检测法1 6 。1 8 1 c c d 光电检测法结合了c c d 光电检测技术、计算机图像处理技术和自动控 自动流水线 图1 3c c d 表面缺陷榆测系统结构原理示意图 制技术。图1 3 所示为实 验方案示意图：用特殊的 光源( 包括荧光灯、卤素 灯、卤素金属蒸汽灯、发 光二极管及红外线和紫 外线等) ，以一定的方向 照射到被检测工件的表 面，c c d 摄像机( 分为 线阵和面阵c c d ) 在工 件表面上扫描成像，扫描 所得的图像信号经过图像采集卡输入计算机，通过图像预处理、二值化、确定 检测区域等处理方法后得到工件的二值图像，提取二值图像中的几何特征参数 ( 如面积、周长、矩等) ，然后再进行图像识别，判断出是否存在缺陷。将识别 的结果送到自动控制设备，将有缺陷的工件自动分拣出来。 c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e s ) ，即电荷耦合器件，是一种新型的固体成像 器件，是近代光电成像领域里非常重要的一种新技术产品。它是在大规模硅集 成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，集光电变换、光积分、扫描 三种功能于一体。其基本部分由m o s 光敏元阵列和读出移位寄存器组成。c c d 光电检测系统具有体积小、重量轻、耐振动冲击、受环境电磁场影响小、工作 距离大、测量精度高、成本低等特点，已经被广泛地应用于各种工业现场的测 量与控制中。 面阵c c d 是一系列排列成面阵的小光敏元件组成的探测器阵列，相邻光敏 元的中心距离d 和间隙a 决定了c c d 的分辨率。如图1 4 所示，d 和a 的典型 第章绪论 ii ； lf l 图1 - 4c c d 单元机构简图 图1 - 5c c d 测量原理图 尺寸是几个微米。图1 - 5 为c c d 测量系统的基本原理，物体经透镜成像于c c d 的光敏面上，成为景物图像，而c c d 光敏元的分布是离散的，相当于对景物图 像进行了抽样，抽样频率为l d 。另外，由于像元间距的存在，c c d 探测到的 不是整个图像的信息，而是其中被光敏元覆盖的部分。这相当于对景物图像进 行了积分。这样，c c d 在完成对图像的空间离散过程后。将光学信号变成电信 号，最后合成完整的视频信号输入计算机进行后续处理。 根据本课题的具体环境及要求，在方案的比较和选择上应该主要考虑如下 问题： 1 ) 非金属电镀工件表面的反射率相当高，接近于镜面反射。在如此高的反 射率条件下，c c d 成像受到影响，采用一般的照明方法较难完成，必须采取特 殊措施来保证c c d 得到清晰的图像。 2 ) 表面几何形状复杂，缺陷种类多，因此照明光源必须能够满足对各种缺 陷的表现都很好，不能丢失信息。 3 ) 本课题所要求检测的缺陷种类较多，形状各异。检测工件的表面镀层种 类也多，这些也给缺陷的检测识别带来了困难。因此，在本课题中，采用适当 的图像处理方法及缺陷识别的实现难易程度也是值得重视的问题。 4 ) 环境的要求。由于本系统将用于实际的生产现场，工作环境将会相对恶 劣，干扰及抖动是在所难免的。因此在系统的设计中要考虑到抗干扰性。 5 ) 实现方案的难易程度，即成本问题。 激光超声法表面缺陷检测法检测分辨率高，主要用于微裂缝的缺陷检测， 但是其检测原理复杂，成本高，试验装置实现较难。 激光扫描法虽然分辨率高，但是其成本高、价格昂贵。尤其是在激光扫描 法中所用到的h e - n e 激光器、扩束准直系统、整形柱面镜、扫描物镜、旋转多 面体、抛物反射镜及导光棒等组成的光学系统很复杂，光学元件的加工及使用 第一章绪论 要求都较高。更重要的是工件的抖动有可能使得从工件表面反射的光线不能进 入导光棒而产生误检现象，检测速度不高也是重要问题。 c c d 光电检测系统具有结构简单，空间分辨率高，仪器成本低，体积小， 可靠性高，抗干扰能力强，寿命长等优点。因此，本课题确定采用c c d 光电检 测法。 本论文主要包括以下几个方面的内容： 1 、绪论部分对表面缺陷自动检测方法的国内外现状进行了综述，介绍了课 题的提出、意义和主要的技术要求。通过对实际中应用的一些主要表面缺陷检 测方法的比较，确定了本课题所采用的方法c c d 光电检测法。 2 、第二章详细介绍了强反射表面缺陷检测系统的灰度检测原理以及系统的 总体结构设计，包括：c c d 的选择、面阵c c d 电子快门的设定、成像系统的 设计、对图像采集卡的二次开发。 3 、第三章详细分析了采用面阵c c d 光电检测法对强反射表面随机缺陷进 行检测时的光学照明问题。给出了缺陷显现力的具体定义。对比了采用平行光 和均匀散射光作为c c d 的照明光源时，对消除强反射光的不同作用，及对不同 表面缺陷的显现力。分析了使用均匀散射光作为光源时，工件表面照度对成像 质量的影响。最后给出了在上述条件下光照系统设计的基本原则。在这一章中 有效解决了强反射给检测工作带来的困难。 4 、第四章详细介绍了为改善图像质量而采用的各种图像处理的方法。输入 的原图像，经过这些图像处理方法后，图像质量得到了改善，图像的几何形状 特征突出，为图像特征提取和图像识别打下了良好的基础。 5 、第五章对经过图像处理后得到的二值图像进行几何特征( 面积值、周长 值) 提取，作为图像识别的依据，并建立了模糊模式识别的数学模型。 6 、第六章在大量实验的基础上，给出了检测结果，并对实验结果进行了分 析，提出了改进措施。 第二章系统的总体没计 第二章系统的总体设计 2 1 基于面阵c c d 的灰度检测原理” 对于表面缺陷检测的严格定义，工程界至今还没有定论。一种比较实际的 定义为：表面缺陷的检测就是利用人眼能感受到的光照射被测对象表面，通过 检测局部区域的表面特性和与之相邻区域表面特性的差异及模拟人眼的视觉机 理，来判断此局部区域是否出现缺陷及缺陷的类别。本课题中要检测的工件表 面缺陷主要有划痕、凸起、塌边、表面不良、砂眼、刀纹等。对这些类型缺陷 的检测，就是利用缺陷表面的光学特性与正常工件表面之间的差异以及缺陷的 几何尺寸和形状来判断及识别缺陷。 在实际工作中，工人判别缺陷的依据是物体表面相对明暗的程度即它们在灰 度上的不同。从这一点出发，我们利用灰度( 亮度) 检测法。c c d 对所接收的 一暗输出电压k 一饱和输出电压 一饱和曝光量 图2 1c c d 光电转换特性曲线 光辐射强度具有良好的线性效应。如图 2 1 所示。把它放在物镜的像面上对物体 进行摄像时，它的输出脉冲的位置准确 的对应于物体某一点的采样，而其输出 脉冲的振幅正比于物面上各点的亮度 ( 灰度) ，可得到物体灰度图。由于表面 1有缺陷的工件与正常工件对光源光强的 反射率存在差异，通过检测这一差异就 能判别出是否存在缺陷。 由于灰度检测时直接检测表面光强 的分布，因此以下几个因素对检测的可 靠性及稳定性具有决定性的影响： 1 、光源光强的稳定性。对于扫描线上的某一点，c c d 探测到的光强应为 s = p s 。，s 。为光源发射的光在该点的光强，p 为反射率，也就是说，为了更准 确地检测p 的变化，s 。应为常数。光源的不稳定是导致检测系统误判的主要原 因。 9 第二章系统的总体设计 2 、扫描线上光强分布的均匀性。如果光源比较稳定，虽然扫描线上的光强 不均匀性这一因素可以通过后续的硬件或软件来修正，但是由于c c d 的动态范 围不可能是无限的，加之c c d 工作的线性区域也是有限的，因此扫描线上的光 强分布应尽量均匀。 在满足光源的光强稳定以及扫描线上的光强分布均匀这两点后，用灰度检 测确实能检测到工件表面的缺陷并能识别出某些类型的缺陷。 面光源均匀照明被测工件，检测目标经光学系统按一定比例成像于面阵c c d 摄像机的像敏区上。电荷耦合器件( c c d ) 采用光电子技术将被摄图像转换成电荷 阵列，再利用电荷耦合技术实现图像阵列电荷串序输出。以帧转移面阵c o d 芯 片为例，整个芯片分两大部分，即图像传感区和图像存储区。为保证芯片正常 工作，应给芯片施加一系列定时脉冲信号。 定时脉冲信号包括图像传感区域门( 简称图像门) 脉冲i a g 、图像存储区域门 ( 简称存储门) 脉冲s a g 、转移门脉冲t r g 等。图像传感区在曝光期间将被摄目标 图像转换成电荷阵列，在图像区域和存储区域门脉冲作用下将图像传感区产生 的阵列电荷转移到存储区，再由垂直移位脉冲和水平移位脉冲将其有序的输出。 p c 机通过总线接口控制寄存器对图像采集卡上视频控制器发出读取指令，图像 卡在受控模式下进行图像的高速采集操作，并通过电视监视器显示捕获结果。 在此基础上，运行于p c 平台上的应用程序完成图像预处理、灰度值分析、二值 化、检测区域确定等数字图像处理任务。进一步的缺陷目标识别就是对处理后 的图像进行几何特征抽取，提取图像的面积和周长，然后利用判别函数识别理 论对被测工件进行检测。 2 2 系统的总体结构设计2 2 “1 本检测系统分为硬件系统和软件系统两部分。 系统硬件环境包括：光学系统；光电传感器；模拟监视器；图像采集系统； 缺陷图像分析部分；自动控制部分等。系统结构如图2 - 2 所示： 系统软件环境：计算机操作系统采用w i n d o w s 9 8 ，开发语言使用v i s u a l c + + 控制设备采用汇编语言编程。 j 0 第二章系统的总体设计 图2 - 2 系统结构图 2 3c o d 技术特性及其选用 2 3 1c o d 工作原理2 5 “1 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 电荷耦合器件，是一种半导体器件，由一系 列相邻的m o s ( 金属一氧化物一半导体) 存储单元组成。它的最突出的特点在于 它不同于大多数半导体元件以电流或电压为信号，而是以电荷作为信号。c c d 的 基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 c c d 器件的基本结构是一系列按精确相对位置排列的m o s 电容器，这些电容 器用一半导体衬底( 如p 型硅) 制成，衬底上面是均匀连续的氧化层，再上面 是金属电极。各个电极相互绝缘，但只相隔很小的距离，这是保证相邻势阱和 电荷能够转移的基本条件。当电极上加正偏压时，电场穿过氧化层，排斥p 型 硅中的多数载流子( 空穴) ，在氧化层下形成耗尽层。由于表面正电势能象“阱” 一样收集电子，故称为储存少数载流子的势阱。c c d 信号的传输就是通过电荷在 势阱中的转移实现的。 下面以三相c c d 结构为例简述电荷传输原理： 图2 - 3 为三相c c d 的结构及势阱示意图。c c d 的每级( 即像素) 有三个电极， 每隔两个电极的所有电极( 如1 、4 、7 ，2 、5 、8 ，3 、6 、9 等) 都接在一起， 这样共有三个电极线十1 、十：、帕，故称为三相c c d 。在t 。时刻，+ - 为高电平，电 极m ，下形成势阱，收集电荷。到过度阶段t ：时刻，电极十- 与+ ：的势阱沟通。但十l 第二章系统的总体设计 下的势阱趋于消失，十z 下的势阱趋于稳定电荷在向右转移。t 3 时刻，m l 下的 势阱完全消失，m 2 下的势 阱稳定，电荷完成了从+ - 到m ：的转移。依此类推， 我们可以把电荷从也转移 到如，然后从机转移到十l 。 当整个三相时钟电压循环 一次，电荷便向右前进了 一级( 一个像素) ，实现了 电荷的传输。 c c d 器件的电荷注入 方式分为光注入和电注入 两大类，作为光电探测器 件时，c c d 采用光注入方 式。由上述可知，c c d 传 著云一! t t 感器的工作过程可分为四步：第一步是光积分期，即曝光时间，这时c c d 像元 把入射光量子按比例地转换成光生电荷，完成光一电转换。第二步是在光积分 的同时，把每个像元产生的光电荷暂时存储在相应的光敏二极管势阱中，实现 电荷存储。第三步是在曝光结束后，把存储的光生电荷沿c c d 移位寄存器转移 到输出区，完成电荷转移。第四步是在读出放大器中把每个光生电荷依次转变 成相应的视频信号，完成信号读出。因此，c c d 传感器可以看作是一个光一电变 换器，它能把一福空间分布的光学图像变换成按时间分布的视频电压信号。 c c d 器件有三个特点恰好满足我们的测量要求：1 、面阵c c d 器件可以将输 入图像以模拟图像的形式直接并真实地反映在监视器中；2 、c c d 器件本身就是 一个检测识别的基准；3 、c c d 器件可十分方便地与计算机采集系统接口。 2 3 2c c d 的选择 c c d 的选择主要应该考虑：像元数的多少，分辨率的确定及与后面光学系统 的综合设计。结合本系统的实际任务，若选用线阵c c d 作为光电传感器元件， 则无法以高效率对工件进行识别并成像。而面阵c c d 可以对视场范围内的图像 迅速成像，继而由图像采集卡转换成为数字图像进行后续处理。因此，鉴于面 第_ = 章系统的总体设计 簿c c d 靛特点，菠粕选鳟l 它 窜为本系统巍魄传慧嚣元俘。叁湾敏通公髑生产的 m t v 1 8 8 1 e x 黑白摄像机的灵敏魔高，分辨率可达6 0 0 t v l ，所以被广“泛采用。并 且它赋有可调式电子快门和增擞可调的优点，因此在我们的课题中选鼹其作为 光魄俊惑元件，葵主要技术参数如下表； 表2 - 1m t v - 1 8 8 1 型有燕参数( p a l ) 靶蕊尺寸7 9 6 m m 6 4 5 r m 蕊像像素7 9 5 ( h ) 弱( v ) 传感器1 2 ”隔行转移c c d 织撵系统6 2 5 簿，5 0 场s 最低照度 o 0 2 l x 分辨率 6 0 0 t v l 信噪比 ) 4 8 d b 电源 1 2 vd c 1 0 l功率2 4 w 电子快门1 1 2 5 ，1 2 5 0 ，1 5 0 0 ，t 1 0 0 ，1 2 0 0 0 ，1 4 0 0 0 ，1 1 0 0 0 0 外形尺寸4 2 ( w ) 4 8 ( h ) 9 5 b ) m i l l ( 不包牾连接 牛) 重量2 5 0 9 工作温度 一2 0 - - + 5 5 。c 从掰捌参数中可戳看爨d t v - 1 8 8 1 e x 爝予骶照痉0 。0 2 i x 、高分辨率，并且其 省快门控制的多种功能的摄像机。可以满魑我们的要求。 2 + 碡覆阵c c d 电子快f l 的竣定轻” 滚褪摄像极程拯摄快速遂确甥体对，铡如赛缒、彰g 承等场落，图像易模襁， 这藏要求摄像瓠蘩缭短曝光辩阙。对于逡续翔籀稼瑟静鬣簿c c d ，囊予在镜头 上安装速度可变的机械快门霄灏难，因戴在c c d 摄像祝中可敬控翻每个像素静 1 3 第二章系统的总体设计 图2 - 4 电子快门工作丑寸的势阱燹化 电荷积累时间，以控制入射光在c c d 芯片上的作用时间来实现电子快门的调节， 魄瑟巍每一凌肉灵涛慕一蔽惑滔产生辫魄耱 擎为鹫缘结譬凌密，瑟褥箕余酵滴 产生的电荷排敬掉，不予使麓。这样，藏等效予缩短存储电荷静辩闻了，辐当 予缩短光线照射纛c c d 芯片上的时间，如同如了电子快f j 一样，这就是电子快 门的工作原理。 在空穴积豢二裰警传感器中，电子浚门王佟对，侠门赫渖热弱1 1 爱瓣底， 电替鬣 快门躲i 申 电稽鬟 k r 毪0 z 巧o3 l5 0s 1 r 抉门关翔袂| 、_ j 打歼 ii ii iiii ji iiiiii i 1 ； l， 电子积累1 1 0 0 0 s l 峨一 哇q 一删卅- 1 雌一_ 1 1 蓬2 - 5 电子倏门遮凌麓控制 毫子势罄 第二章系统的总体设计 脉冲来时n 型衬底电位升高，电子势能最低，势阱下降，使存储在n + 部分的电 子全部泄放到n 型衬底中，如图2 - 4 所示。电子快门脉冲过去后，1 3 型衬底电位 降低，势阱上升，在第一p 势阱内出现势垒，电子又开始积累在n + 部分，并作 为输出到外电路的信号电荷。 如图2 5 所示是电子快门的控制方法。当电子快门开关打开时，快门控制脉 冲加到c c d 的n 型衬底，行频快门脉冲使感光单元的电荷一行一行地放掉，直 到快门脉冲停止，电荷停止泄 洲u 丌豫s 嗍s e 几啪： 放，快门关。快门开的时间长竺竺竺! ：竺! 竺竺 短，由每场出现的行频脉冲数 决定。而这个脉冲数由快门速 度选择开关控制，快门速度高， 脉冲数少。 被检测的工件是运动的， 所以我们要设置电子快门。同 时在使用电子快门时，被利用 的有效光量会减少。因而可以 通过快门和光圈恰当配合来实 图2 - 6 电子快门状态 现正确的曝光，减少强反射对面阵c c d 成像的影响。图2 - 6 为m t v - 1 8 8 1 e x 电 子快门速度设定开关状态。表2 2 为电子快门速度表，在6 - 0 0 0 4 0 7 1 线路板上 j 4 、j 5 、j 6 、j 7 的状态( 短路和开路) 组合，决定c c d 的电子快门速度。 表2 - 2 电子开门速度设定开关状态表 j d j 5j 6j 7 电子快门关闭短路任意任意任意 l 6 0 s开路短路 短路短路 l ，1 2 5 s开路短路短路开路 1 2 5 0 s开路短路开路短路 1 5 0 0 s开路短路开路开路 1 1 0 0 0 s开路开路短路短路 1 2 0 0 0 s开路开路短路开路 1 4 0 0 0 s开路开路开路短路 1 1 0 0 0 0 s开路开路开路开路 第二章系统的总体设计 经过大量的实验，确定c c d 的摄像机的光圈设定为f = 1 6 ，快门速度为 1 5 0 0 s ，即电子快门开关的状态为j 4 开路、j 5 短路、j 6 开路、j 7 开路。在这种 状态下，既能满足进入c c d 所需的曝光量，又可减少强反射光对面阵c c d 成 像的影响，并且可以清晰成像在传送带上运动的工件。 2 5 成像系统设计2 9 1 成像系统是由光学镜头组成的，光学镜头在c c d 摄像机最前端，其主要作 用是将被检测工件表面成像于c c d 的像敏单元上。基本要求是：成像清晰、图 像几何畸变小、透光力强、杂散光少、像面照度分布均匀、足够的视场角和相 对孔径。合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键， 各种c c d 光学镜头种类繁多，光学镜头的主要参数都不尽相同，合适的参数指 标应根据不同接口、c c d 光敏面光学格式、光圈、视场、焦距、f 数等来确定。 图2 。7 为成像光路原理图。 本系统所用的面阵c c d 的成像面积为7 9 5m m 6 4 5 姗，其像素为7 9 5 ( h ) 5 9 6 ( v ) ，故每个像素面积为l o “m ( h ) 1 0 8 u m ( v ) ( h 一水平，v 一垂 图2 7 成像光路原理图 直) 。为防止工件晃动偏离视场，在c c d 成像面的两边需要留有余量，取成像 面的1 0 ，则可利用的尺寸为； 7 , 9 5 8 0 = 6 3 6 衄6 4 5 x 8 0 = 5 1 6 衄选5 1 6 m r n 。 系统的放大率为口= 2 y 2 y ( 2 y - - 物方视场，2 y 。像方视场) 故卢= 5 1 6r a m 3 0l l l m = 0 1 7 2取卢= - 0 1 7 2 ( 被检测工件的直径小于 3 0m m ) 由公式 111 f f i ， 第二章系统的总体设计 得f ：旦：上z t 0 8 5 3 1 ， t 一 1 8 根据实际情况并参考有关电路，取z = 3 0 m m ，m l j f = 2 5 5 9 m m 。 据此我们选用日本a v e n i r 公司生产的s e 2 5 1 4 手动光圈镜头，其主要参数 为：f = 2 5 m m ，f = 1 4 ，2 0 9 = 6 0 。 成像系统实际参数为： 口= 0 1 7 22 y = 3 0 n u n2 y = 5 1 6 r a m f k n 一3 ) f = 2 9 3 m m l = l y 口= 一1 7 0 3 5 m m 上面的成像系统物像距离为1 9 9 6 5 m m ，结构较为紧凑，对光能的利用也较 好，从而有利于光源及照明系统的设计。 2 6 图像采集系统 图像采集系统的任务是将c c d 采集的模拟图像信号转换成计算机可以理解 的数字图像信号。其工作过程为：对c c d 摄像机输出的景物的视频信号进行实 时采集，经过a d 转换后将数字图像存放在图像存储单元的一个或多个通道中， 通过计算机发出指令，将某一帧图像静止在图像存储通道中，即采集或捕获了 一帧图像。 我们采用大恒公司的v i d e o p e i x r 图像采集卡，其主要技术指标为： 标准队l 、n t s c 制黑白视频信号输入 2 5 6 8 - b i t 输入查找表 软件选择四路c v b s 输入 亮度对比度可调 图像采集最大分辨率为：p a l 一7 6 8 5 7 6 8 b i t n t s c 一6 4 0 4 8 0 8 b i t 可按单场( 奇场或偶场) 、单帧、连续场、连续帧、间隔几场或几帧等多种 方式灵活地采集图像。 其工作原理如图2 8 所示： 四路复合视频输入经多路开关，软件选择其中一路作为当前输入，输出到 第二章系统的总体设计 a d 进行模数变换。利用p c i 总线，传到v g a 卡显示或计算机内存存储。 我们对图像卡进行了二次开发，采用标准队l 制黑白视频信号从视频输入 1 输入，分辨率为7 6 8 5 7 6 8 b i t ，调用了亮度对比度调整函数，配合控制系 统采用了单帧采集方式。 调用的库函数分别为： x r s n a p ：抓取一帧图像，收到采集图像的信号后，图像卡打开图像采集， 待采集完一帧完整图像后即关闭，函数完成后图像卡处于冻结状态。 x r s e t v i d e o s t a n d a r d ：设置图像卡视频信号制式，我们采用p a l 制式。 x r s e t v i d e o r a t i o ：设置图像卡的视频信号采集的比率，该图像卡支持图像4 ： 3 和1 ：1 比率的采集。我们采用p a l 制式中的1 ：1 的采集比率，在这种方式 中视频采集窗口最大宽度、高度分别为： 5 7 6 5 7 6 。 2 7 本章小结 本章详细介绍了强反射复杂表面缺陷检测系统的灰度检测原理以及系统的 总体结构设计，包括：c c d 的选择、面阵c c d 电子快门的设定、成像系统的 设计、对图像采集卡的二次开发。 面阵c c d 选用敏通公司m t v - 1 8 8 1 ( e x ) ；电子快门设定为1 5 0 0 s ：成像 系统的光学镜头选用日本a v e n i r 公司生产的s e 2 5 1 4 手动光圈镜头；图像采集 卡的二次开发为：采用标准p a l 制黑白视频信号从