基于結(jié)構(gòu)光的表面缺陷檢測系統(tǒng)影響因素分析

徐 平

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院 ，河南 鄭州 451191)

在產(chǎn)品質(zhì)量缺陷檢測中，有時需要用到產(chǎn)品的三維信息，如機械零部件中常見的孔和裂紋缺陷，既需要直徑數(shù)據(jù)又需要孔的深度參數(shù)，此時就要進行三維數(shù)據(jù)的獲取。目前常用的三維數(shù)據(jù)獲取方法有結(jié)構(gòu)光法[1-4]和立體視覺法[5-8]。結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)通常用于干擾因素較少的場合，以避免其他光源對結(jié)構(gòu)光編碼信息產(chǎn)生干擾，但在實際生產(chǎn)環(huán)境中，周圍物體的反射光線或者環(huán)境中其他光源都會導(dǎo)致相機采集到錯誤信息。這些干擾因素包括漫反射、互反射、表面散射和投影儀離焦等。Achar等[9]對全局光照形成原因進行了分析，并采用多投影儀分離全局光照；林志潔等[10]提出了一個投影顯示補償方法來減少互反射，并防止圖像質(zhì)量下降；張越一[11]提出使用高頻條紋抵抗全局光照的干擾；王昌龍等[12]采用一種組合編碼結(jié)構(gòu)光碼值優(yōu)化方法來減少反射光的影響。

本研究通過搭建結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)，對影響結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)精度的主要干擾因素進行了分析，以期提高結(jié)構(gòu)光測量質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)原理

結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)基于三角法工作原理，一般可根據(jù)光源的不同分為點式結(jié)構(gòu)光、線式結(jié)構(gòu)光和光柵(編碼)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。本研究采用光柵結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，主要包括相機、光源(投影儀)和被測物體，其中相機一般為CCD相機，用于接收被測物體表面圖像，投影儀用于產(chǎn)生拍照所需的明暗不同的光線。整個測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)Fig.1 Test system

在該系統(tǒng)中，相機、投影儀(光源)形成三角關(guān)系，可利用它們之間的三角幾何信息進行三維測量，具體過程如下：利用投影儀將按照一定規(guī)律排列的明暗相間的光照射到被測物體表面，由于被測物體表面不同，投射的光會扭曲變形，而變形和物體表面的形狀有著直接關(guān)系，CCD相機能夠捕捉到明暗變化的圖像(點云)。如果相機、投影儀與被測物體之間的距離一定，即可利用得到的圖像獲得產(chǎn)品表面的數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。其中，硬件包括投影儀、CCD相機(相關(guān)參數(shù)見表1)，軟件包括標定軟件和檢測程序。

表1 硬件參數(shù)Tab.1 Parameters of the hardware

采用結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)進行零部件表面缺陷檢測時，需要基于采集到的點云數(shù)據(jù)進行分析，故點云數(shù)據(jù)的準確性直接影響檢測效果。但是，在實際采集過程中，點云數(shù)據(jù)常受到周圍環(huán)境的影響，為此對其影響因素進行了分析。

2 影響測量精度的因素

2.1 外部光源

在分析過程中，對一個木板(圖2)進行了測試。該木板表面有孔裂紋，以孔識別為基礎(chǔ)對影響測試過程的因素進行了分析?；诮Y(jié)構(gòu)光的系統(tǒng)進行表面信息獲取時，一般是利用豎直方向的數(shù)據(jù)點來獲取高度或者深度的數(shù)據(jù)，采集到的點云數(shù)據(jù)中，孔的相關(guān)點云會有一定的Z值(此處默認豎直方向為Z方向)，可以利用Z值來區(qū)分木板表面和孔，如圖3所示。

圖2 測試用木板 圖3 面和孔點云示意圖 Fig.2 Test board Fig.3 Picture of the plate and hole points cloud

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，平面點云坐標值也不完全一致，而是一個區(qū)間。分析可能是外部光源的影響，為此分別對有、無外部光源的情況進行了對比。其中：有外部光源是在測試過程中外部采用40 W日光燈提供照明，且燈管在整個測試系統(tǒng)正上方1 m處；無外部光源是利用紙箱將整個測試系統(tǒng)完全密閉，保證沒有光源影響。

光源對點云數(shù)據(jù)的影響見圖4。為了避免測試過程中隨機誤差的存在，每次測量都進行了3次。

圖4 光源對點云數(shù)據(jù)的影響Fig.4 The effect of light on points cloud

由圖4可見：當存在外部光源時，3次所測得的表面Z坐標最大值約為11.8 mm，最小值約為9.6 mm，誤差達到2.2 mm；當無外部光源影響時，雖然表面Z坐標也有一定差別，但3次測量的重復(fù)性較好，誤差基本能夠控制在1 mm左右(Z坐標的最大值和最小值之差)。主要原因是結(jié)構(gòu)光方法采用格雷碼結(jié)合相移的編碼，該方法的基礎(chǔ)是灰度值，當外部有光源時，會在投影儀基礎(chǔ)上增加一個光源，使獲取的灰度值偏大而導(dǎo)致誤差。因此，在實際應(yīng)用中需要考慮外部光源的影響，盡量避免外部光源，可以采用密室來減少干擾信號。

2.2 金屬表面反射

在對零部件表面特征進行提取時，有時零件表面會有反射。比如發(fā)動機連桿機構(gòu)，由于其表面粗糙度較低，金屬表面甚至?xí)霈F(xiàn)鏡面反射，此時有無外部光源，在數(shù)據(jù)采集過程中都會有反射現(xiàn)象。為此，對有、無反射進行了對比，第一次數(shù)據(jù)采集時不對金屬表面進行處理，第二次對金屬表面進行噴涂處理，以消除鏡面反射。

圖5為金屬表面有無涂層時采集到的點云數(shù)據(jù)對比。由圖5可知：無涂層時，金屬的鏡面反射較為嚴重，使得采集到的點云出現(xiàn)了無點云數(shù)據(jù)的情況，進而無法得到相關(guān)特征；金屬表面增加涂層后，采集到的點云數(shù)據(jù)就較為完整，4個孔的特征都能夠明顯看到。

圖5 有、無涂層時的點云數(shù)據(jù)對比Fig.5 The comparasion of data with and without coat

由此可見，在實際應(yīng)用過程中，可在金屬表面添加涂層，消除金屬表面的鏡面反射，以利于后續(xù)產(chǎn)品缺陷特征的提取。

3 結(jié)論

基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)對物體表面缺陷進行檢測時，干擾因素會影響測試結(jié)果，針對外部光源和產(chǎn)品表面反射對測試結(jié)果的影響進行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)外部光源使得獲取到的點云數(shù)據(jù)坐標值存在較大誤差，建議在實際測試過程中采用密室方法屏蔽外部光源。

(2)金屬表面的反射使得點云數(shù)據(jù)無法獲取，建議在實際測試過程中對其表面進行鈍化處理。