玻璃質(zhì)量在線視覺檢測系統(tǒng)光源的設(shè)計(jì)探索

張坤

摘要：在玻璃生產(chǎn)過程中，為了自動檢測玻璃質(zhì)量，通常會以機(jī)器視覺法檢測生產(chǎn)線中的玻璃缺陷。圖像采集是視覺檢測過程中的重要環(huán)節(jié)，而此環(huán)節(jié)中的差異化光照方式會對圖像采集質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，為了保證玻璃檢測效果，防止檢測環(huán)節(jié)受到不良光照效果的影響，需要在玻璃質(zhì)量在線視覺檢測系統(tǒng)當(dāng)中對光源實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保視覺檢測系統(tǒng)可對玻璃多種裂痕實(shí)現(xiàn)充分識別。為此，本文結(jié)合光源在在線視覺檢測系統(tǒng)中的作用，深入探索玻璃質(zhì)量在線視覺檢測系統(tǒng)光源的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：玻璃質(zhì)量;在線視覺檢測系統(tǒng);光源

中圖分類號：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

通過在線視覺檢測系統(tǒng)檢測玻璃質(zhì)量，需要對玻璃圖像進(jìn)行拍攝，而光源系統(tǒng)會對圖像中呈現(xiàn)的玻璃合格部分及缺陷部分產(chǎn)生直接影響。為了有效提升玻璃質(zhì)量檢測水平，有必要對玻璃質(zhì)量在線視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行光源設(shè)計(jì)，在優(yōu)質(zhì)光源系統(tǒng)支持下，攝取符合拍攝要求的優(yōu)質(zhì)玻璃圖像，實(shí)現(xiàn)多種類型玻璃裂痕的全面、準(zhǔn)確檢測。

2 光源在在線視覺檢測系統(tǒng)中的作用

玻璃生產(chǎn)過程中，在線檢測系統(tǒng)實(shí)際監(jiān)測水平會直接影響玻璃產(chǎn)品最終生產(chǎn)質(zhì)量，而將機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)應(yīng)用到玻璃生產(chǎn)線當(dāng)中，不僅有助于解放人力，還可提升檢測準(zhǔn)確性，屬于一種安全、可靠、無接觸、無損傷的檢測方法，非常適合應(yīng)用在環(huán)境相對惡劣或者復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場。[1]在線視覺檢測系統(tǒng)設(shè)置的工業(yè)接口屬于通用性質(zhì)，因此可移植、可通用。此系統(tǒng)通過攝像機(jī)拍攝圖片替代人眼識別，可通過合理、精準(zhǔn)的參數(shù)設(shè)計(jì)，自動、高效、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，同時進(jìn)行科學(xué)分析。玻璃材質(zhì)相對特殊，因此需要拍攝條件滿足更多需求，那么圖像采集系統(tǒng)應(yīng)用中要獲得優(yōu)質(zhì)玻璃圖片，需要重點(diǎn)進(jìn)行光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，促使視覺檢測系統(tǒng)在運(yùn)行中最大限度提升檢測準(zhǔn)確率。正常情況下，既有所用光源系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)置好的照明方式可以滿足圖片拍攝要求，且能夠比較明晰地呈現(xiàn)出玻璃氣泡、裂痕、雜質(zhì)等缺陷。[2]拍攝過程中會受到受力方位、深度等因素影響，使裂痕在照片中表現(xiàn)出不一樣的形態(tài)。不同的光源系統(tǒng)以及所使用的差異化照明方式，會對裂痕成像質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，所以需要在對玻璃質(zhì)量實(shí)現(xiàn)在線視覺檢測過程中，對相關(guān)檢測系統(tǒng)充分做好光源設(shè)計(jì)。

3 玻璃質(zhì)量在線視覺檢測系統(tǒng)光源的設(shè)計(jì)

本文基于玻璃生產(chǎn)線速度、鏡頭現(xiàn)場、攝像機(jī)掃描頻率等相關(guān)參數(shù)，仿真生產(chǎn)線建立玻璃質(zhì)量檢測系統(tǒng)，通過設(shè)置差異化實(shí)驗(yàn)條件，對各自條件下生產(chǎn)線玻璃狀況進(jìn)行圖片拍攝，經(jīng)后續(xù)處理與自動分析，最終得到多種差異化檢測結(jié)果[3]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，文中基于各項(xiàng)參數(shù)模擬構(gòu)建的玻璃生產(chǎn)線檢測系統(tǒng)和所設(shè)置的光照方式，都可以滿足玻璃質(zhì)量檢測要求。

3.1 檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于不同的光源、視覺攝像機(jī)還有玻璃三者的相對位置，區(qū)別呈現(xiàn)出兩種差異化照明方式，一種是正光源方式，另一種是背光源方式。在第一種方式下，攝像機(jī)、光源以及玻璃同在一側(cè);在第二種方式下，玻璃居于中間，攝像機(jī)和光源分別分布在其兩側(cè)。[4]具體位置可見圖1。

3.1.1 正光源方式下的測試分析

在此方式下，需要先適當(dāng)調(diào)整光源以及攝像機(jī)之間的相對角度，同步實(shí)現(xiàn)差異化參數(shù)設(shè)置?；诓ＡР馁|(zhì)具備的特殊性，此方式下很容易出現(xiàn)局部不清晰或是反光情況。比如，在拍攝玻璃圖像的過程中出現(xiàn)反光情況，可能會導(dǎo)致部分缺陷圖像丟失，即便后續(xù)經(jīng)過處理也不能改良圖片質(zhì)量，也就不能對相應(yīng)部分的裂痕實(shí)現(xiàn)有效檢測，在這種情況下會導(dǎo)致出現(xiàn)漏檢問題。之后，研究當(dāng)中一定程度的調(diào)低光源亮度，這可對上面的問題加以改善，不過所攝取的圖片中整體灰度值沒有發(fā)生較大變化，依舊不能對玻璃裂痕進(jìn)行清晰的區(qū)分。這類圖片在后期處理期間，有可能誤將非缺陷顯示誤提取為缺陷，進(jìn)而引發(fā)誤檢，將無缺陷產(chǎn)品列入廢品類型，造成資源浪費(fèi)，且會增加生產(chǎn)成本。

3.1.2 在線視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)3.1.1的分析，對玻璃進(jìn)行在線視覺檢測過程中，更適合通過背光源方式拍攝玻璃圖片。為此，文章重點(diǎn)基于背光源方式進(jìn)行一系列設(shè)計(jì)及研究。在背光源條件下，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可見圖2，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括了采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)，而采集系統(tǒng)又涵蓋了光源系統(tǒng)、工業(yè)攝像系統(tǒng)還有模擬生產(chǎn)線。

3.2 背光源照射方式下的設(shè)備參數(shù)

在背光源照射條件下對光源照度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在對玻璃表面進(jìn)行測試期間，將光源照度調(diào)整至6 600～6 800 lx區(qū)間，此時可獲得最佳拍攝效果。所以，光源照射度調(diào)整這一區(qū)間內(nèi)固定不變，同步對攝像機(jī)作出一定調(diào)整，使光源與玻璃在多種差異化角度下實(shí)現(xiàn)研究試驗(yàn)與分析。在此實(shí)驗(yàn)測試環(huán)節(jié)，玻璃生產(chǎn)線始終勻速，系統(tǒng)所設(shè)線性掃描攝像機(jī)始終維持相同行頻。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了防止光源波長對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，所設(shè)計(jì)的光源系統(tǒng)需要對光源波段進(jìn)行合理化選擇，以確保圖像傳感器具備良好的響應(yīng)效果。結(jié)合線性攝像機(jī)當(dāng)中CCD傳感器涉及的光譜響應(yīng)情況，可發(fā)現(xiàn)波長保持在630～760nm區(qū)間內(nèi)時傳感器響應(yīng)值比較高，且有良好的穩(wěn)定性，因此，光源系統(tǒng)將光源波長區(qū)間設(shè)計(jì)在630～770nm區(qū)間。[5]

3.3 背光源照射方式下的相對位置角度

在背光源照射方式下，光源系統(tǒng)中的玻璃、攝像機(jī)和光源相對角度主要可以保持三種位置關(guān)系。為此，本文針對兩種裂痕拍攝質(zhì)量，對這三種位置關(guān)系加以對比并分析，選出和生產(chǎn)線實(shí)踐要求最相符的光源系統(tǒng)。本研究使裂痕深度、玻璃截面保持差異化相對位置，進(jìn)而將玻璃裂痕分成兩種類型：①玻璃切割面和裂痕深度兩方向不平衡且保持任意角度;②玻璃切割面和裂痕深度保持平行方向。根據(jù)有關(guān)理論和實(shí)踐，分別列出三種差異化位置關(guān)系，分析各關(guān)系下兩裂痕所攝圖片受到怎樣的影響，經(jīng)后續(xù)處理，對缺陷尺寸加以計(jì)算，對缺陷位置加以分析。

1.第一種位置關(guān)系

在這一位置關(guān)系中，攝像機(jī)和光源保持于同一直線當(dāng)中，并且此直線垂直于玻璃生產(chǎn)線，基于理論計(jì)算，設(shè)計(jì)攝像機(jī)和玻璃生產(chǎn)線物距保持在25cm。

在這種位置關(guān)系下，對第①種裂痕進(jìn)行圖像拍攝，并對所攝圖像進(jìn)行處理。通過分析，可發(fā)現(xiàn)圖像中玻璃缺陷位置反映出來的光吸收、光折射和合格位置顯著不同。在原圖觀察中，可明晰地對裂痕加以辨別，同時結(jié)合深度投影可了解裂痕深度。針對玻璃中出現(xiàn)的波紋圈狀裂痕，因?yàn)樗牧押凵疃群筒Ａ懈蠲鎯烧叻较虿惶幱谕恢本€，且和玻璃切割面保持垂直，所以在光線照射時會受到光線變化和缺陷部分遮擋影響，呈現(xiàn)出較大的成像面積，圖像清晰容易分辨。[6]在對所拍攝圖片進(jìn)行后期處理之后，能夠比較精準(zhǔn)地對缺陷位置進(jìn)行提取，并對缺陷大小進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

在這種位置關(guān)系下，對第②種裂痕進(jìn)行圖像拍攝，這期間光線與玻璃截面呈90°角，與此同時，攝像機(jī)接收相關(guān)光線，若玻璃切割面和缺陷縱向方向不相交，就很難明辨缺陷縱向深度。這主要是因?yàn)槿毕莩上駮尸F(xiàn)出垂直影像，所攝圖片會顯示出一條細(xì)線，后期處理期間所提取缺陷面積要比真實(shí)缺陷面積小，且不能對缺陷深度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

2.第二種位置關(guān)系

在這一位置關(guān)系下，光源線和生產(chǎn)線呈90°角，生產(chǎn)線又與攝像機(jī)所處直線保持一定角度。此次實(shí)驗(yàn)中，針對差異化角度進(jìn)行測試。玻璃生產(chǎn)線和攝像機(jī)所成角度在45°～60°時，可以獲得比較明顯的拍攝效果。

在這一位置關(guān)系下，對第①種裂痕進(jìn)行拍攝。整個拍攝過程中，相對位置當(dāng)中的物距固定，對采集系統(tǒng)當(dāng)中三者相對角度做出適當(dāng)改變。因?yàn)閿z像機(jī)和光源保持不同的相對角度，在所拍攝圖像中能夠看到裂痕深度投影，不過波紋圈狀裂痕會有部分缺失，并且缺失部分相對較大，圖片經(jīng)過后期處理仍然不能對裂痕部分實(shí)現(xiàn)修復(fù)，進(jìn)而出現(xiàn)部分裂痕丟失，在實(shí)際應(yīng)用中可造成漏檢[7]。

這一位置關(guān)系下，對第②種裂痕進(jìn)行拍攝，可明顯優(yōu)化拍攝效果。拍攝期間缺陷部位有光線經(jīng)過的時候，會因?yàn)檎趽鹾驼凵浔容^清晰地將缺陷深度拍攝出來，圖片經(jīng)過后期處理，可比較精確地對裂痕位置進(jìn)行定位，并有效計(jì)算缺陷面積。

3.第三種位置關(guān)系

基于上述兩種位置關(guān)系下所拍攝圖片存在的不足，對上述兩種位置關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)改良，設(shè)計(jì)第三種拍攝位置關(guān)系。在此位置關(guān)系下，玻璃生產(chǎn)線和攝像機(jī)保持的相對角度同第二種位置關(guān)系，以確保獲得清晰的第②種裂痕圖像。此時對光源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使其和攝像機(jī)、生產(chǎn)線呈現(xiàn)出相對關(guān)系，同時體現(xiàn)一定角度。具體研究環(huán)節(jié)，按照順時針、逆時針差異化調(diào)整光源、生產(chǎn)線兩方夾角。結(jié)果證明，按照逆時針方向向右調(diào)整位置夾角時，且夾角保持在30°～60°可獲得最佳成像效果。這一關(guān)系下，不僅可修復(fù)第二種關(guān)系中第①類裂痕存在的成像部分丟失問題，還可較為準(zhǔn)確地定位第②種裂痕深度和面積。

在這一關(guān)系下對第①種裂痕進(jìn)行拍攝，此時因?yàn)楣庠春蜕a(chǎn)線、攝像機(jī)的位置保持相對關(guān)系，能夠確保裂痕成像較為清晰。通過分析第二種關(guān)系下所攝波紋圈狀缺陷部分丟失問題，著重調(diào)整相應(yīng)部位光源，促使所丟缺陷可以在拍攝當(dāng)中清晰成像，且經(jīng)過后期處理能夠清晰地分辨缺陷。

在這一關(guān)系下對第②種裂痕進(jìn)行拍攝，可以獲得比較清晰的裂痕深度截面投影，后期經(jīng)圖像處理，可對缺陷大小、缺陷深度以及缺陷位置實(shí)現(xiàn)清晰識別，測量精度較高，將其應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場不容易發(fā)生漏檢、誤檢等問題。

3.4 技術(shù)指標(biāo)以及識別準(zhǔn)確率判斷

此次研究中涉及的玻璃樣本，缺陷最小極值為3mm，具有0.005mm的誤差允許范圍，通過仿真生產(chǎn)線運(yùn)行速度，把速度調(diào)至200mm/s，進(jìn)而對攝像機(jī)行頻加以調(diào)整，使其參數(shù)設(shè)計(jì)在5000Hz。[8]在對攝像機(jī)掃描一行實(shí)現(xiàn)理論層面分析當(dāng)中，方針生產(chǎn)線有位移情況出現(xiàn)，程度是0.04mm，基于既有條件，知道原尺寸保持在10μm，縱向具有0.03mm的誤差，相關(guān)誤差都在有關(guān)要求范圍內(nèi)。研究中所選玻璃樣本密度是2.43g/cm3，厚度是5mm，尺寸是20cm×20cm。缺陷包括多種類型的裂痕缺陷，長度最小值是3mm，主要缺陷類型即為上文所述第①種缺陷和第②種缺陷，分別在三種位置關(guān)系下對兩種缺陷的整體識別率實(shí)現(xiàn)定量測試和分析，結(jié)果可見表1。

通過對樣本進(jìn)行測試，證明本文實(shí)驗(yàn)中所選光源照明方式和檢測方法均適合應(yīng)用在小、大尺寸缺陷檢測步驟，能夠?qū)ΣＡз|(zhì)量缺陷實(shí)現(xiàn)在線視覺檢測，并且在確保檢測速度的基礎(chǔ)上可有效提升檢測精準(zhǔn)度[9]。

4 結(jié)語

文章通過機(jī)器視覺檢測方法對玻璃缺陷實(shí)現(xiàn)在線檢測，并基于玻璃材質(zhì)具備的特殊性和生產(chǎn)線中的玻璃速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過調(diào)整光源相對于玻璃生產(chǎn)線和掃描攝像機(jī)的相對角度，攝取多種玻璃圖像，在對相關(guān)圖像進(jìn)行處理之后，對圖像中的玻璃缺陷進(jìn)行采集和提取，經(jīng)過分析確定最佳設(shè)備參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中對玻璃樣本涉及的兩種差異化裂痕缺陷進(jìn)行測試，經(jīng)驗(yàn)證分析，證明所設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)與在線視覺檢測要求相符，能夠清晰地顯示缺陷并準(zhǔn)確定位，有助于精確地對缺陷大小進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)踐中具有突出的應(yīng)用價(jià)值，值得廣泛推廣。

（責(zé)任編輯：陳之曦）

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