玻璃質量在線視覺檢測系統光源的設計探索

張坤

摘要：在玻璃生產過程中，為了自動檢測玻璃質量，通常會以機器視覺法檢測生產線中的玻璃缺陷。圖像采集是視覺檢測過程中的重要環節，而此環節中的差異化光照方式會對圖像采集質量產生很大影響，為了保證玻璃檢測效果，防止檢測環節受到不良光照效果的影響，需要在玻璃質量在線視覺檢測系統當中對光源實現優化設計，確保視覺檢測系統可對玻璃多種裂痕實現充分識別。為此，本文結合光源在在線視覺檢測系統中的作用，深入探索玻璃質量在線視覺檢測系統光源的設計。

關鍵詞：玻璃質量;在線視覺檢測系統;光源

中圖分類號：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

1 前言

通過在線視覺檢測系統檢測玻璃質量，需要對玻璃圖像進行拍攝，而光源系統會對圖像中呈現的玻璃合格部分及缺陷部分產生直接影響。為了有效提升玻璃質量檢測水平，有必要對玻璃質量在線視覺檢測系統進行光源設計，在優質光源系統支持下，攝取符合拍攝要求的優質玻璃圖像，實現多種類型玻璃裂痕的全面、準確檢測。

2 光源在在線視覺檢測系統中的作用

玻璃生產過程中，在線檢測系統實際監測水平會直接影響玻璃產品最終生產質量，而將機器視覺檢測系統應用到玻璃生產線當中，不僅有助于解放人力，還可提升檢測準確性，屬于一種安全、可靠、無接觸、無損傷的檢測方法，非常適合應用在環境相對惡劣或者復雜的生產現場。[1]在線視覺檢測系統設置的工業接口屬于通用性質，因此可移植、可通用。此系統通過攝像機拍攝圖片替代人眼識別，可通過合理、精準的參數設計，自動、高效、精準地實現監測，同時進行科學分析。玻璃材質相對特殊，因此需要拍攝條件滿足更多需求，那么圖像采集系統應用中要獲得優質玻璃圖片，需要重點進行光源系統設計，促使視覺檢測系統在運行中最大限度提升檢測準確率。正常情況下，既有所用光源系統已經設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出玻璃氣泡、裂痕、雜質等缺陷。[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出不一樣的形態。不同的光源系統以及所使用的差異化照明方式，會對裂痕成像質量產生直接影響，所以需要在對玻璃質量實現在線視覺檢測過程中，對相關檢測系統充分做好光源設計。

3 玻璃質量在線視覺檢測系統光源的設計

本文基于玻璃生產線速度、鏡頭現場、攝像機掃描頻率等相關參數，仿真生產線建立玻璃質量檢測系統，通過設置差異化實驗條件，對各自條件下生產線玻璃狀況進行圖片拍攝，經后續處理與自動分析，最終得到多種差異化檢測結果[3]。經實驗證明，文中基于各項參數模擬構建的玻璃生產線檢測系統和所設置的光照方式，都可以滿足玻璃質量檢測要求。

3.1 檢驗系統設計

基于不同的光源、視覺攝像機還有玻璃三者的相對位置，區別呈現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、光源以及玻璃同在一側;在第二種方式下，玻璃居于中間，攝像機和光源分別分布在其兩側。[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，需要先適當調整光源以及攝像機之間的相對角度，同步實現差異化參數設置。基于玻璃材質具備的特殊性，此方式下很容易出現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反光情況，可能會導致部分缺陷圖像丟失，即便后續經過處理也不能改良圖片質量，也就不能對相應部分的裂痕實現有效檢測，在這種情況下會導致出現漏檢問題。之后，研究當中一定程度的調低光源亮度，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生較大變化，依舊不能對玻璃裂痕進行清晰的區分。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，進而引發誤檢，將無缺陷產品列入廢品類型，造成資源浪費，且會增加生產成本。

3.1.2 在線視覺檢測系統設計

根據3.1.1的分析，對玻璃進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，文章重點基于背光源方式進行一系列設計及研究。在背光源條件下，所設計系統可見圖2，整體系統結構包括了采集系統、處理系統，而采集系統又涵蓋了光源系統、工業攝像系統還有模擬生產線。

3.2 背光源照射方式下的設備參數

在背光源照射條件下對光源照度進行適當調整，在對玻璃表面進行測試期間，將光源照度調整至6 600～6 800 lx區間，此時可獲得最佳拍攝效果。所以，光源照射度調整這一區間內固定不變，同步對攝像機作出一定調整，使光源與玻璃在多種差異化角度下實現研究試驗與分析。在此實驗測試環節，玻璃生產線始終勻速，系統所設線性掃描攝像機始終維持相同行頻。在實驗過程中，為了防止光源波長對圖像質量產生影響，所設計的光源系統需要對光源波段進行合理化選擇，以確保圖像傳感器具備良好的響應效果。結合線性攝像機當中CCD傳感器涉及的光譜響應情況，可發現波長保持在630～760nm區間內時傳感器響應值比較高，且有良好的穩定性，因此，光源系統將光源波長區間設計在630～770nm區間。[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，光源系統中的玻璃、攝像機和光源相對角度主要可以保持三種位置關系。為此，本文針對兩種裂痕拍攝質量，對這三種位置關系加以對比并分析，選出和生產線實踐要求最相符的光源系統。本研究使裂痕深度、玻璃截面保持差異化相對位置，進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。根據有關理論和實踐，分別列出三種差異化位置關系，分析各關系下兩裂痕所攝圖片受到怎樣的影響，經后續處理，對缺陷尺寸加以計算，對缺陷位置加以分析。

1.第一種位置關系

在這一位置關系中，攝像機和光源保持于同一直線當中，并且此直線垂直于玻璃生產線，基于理論計算，設計攝像機和玻璃生產線物距保持在25cm。

在這種位置關系下，對第①種裂痕進行圖像拍攝，并對所攝圖像進行處理。通過分析，可發現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，同時結合深度投影可了解裂痕深度。針對玻璃中出現的波紋圈狀裂痕，因為它的裂痕深度和玻璃切割面兩者方向不處于同一直線，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]在對所拍攝圖片進行后期處理之后，能夠比較精準地對缺陷位置進行提取，并對缺陷大小進行準確計算。

在這種位置關系下，對第②種裂痕進行圖像拍攝，這期間光線與玻璃截面呈90°角，與此同時，攝像機接收相關光線，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。這主要是因為缺陷成像會呈現出垂直影像，所攝圖片會顯示出一條細線，后期處理期間所提取缺陷面積要比真實缺陷面積小，且不能對缺陷深度進行準確計算。

2.第二種位置關系

在這一位置關系下，光源線和生產線呈90°角，生產線又與攝像機所處直線保持一定角度。此次實驗中，針對差異化角度進行測試。玻璃生產線和攝像機所成角度在45°～60°時，可以獲得比較明顯的拍攝效果。

在這一位置關系下，對第①種裂痕進行拍攝。整個拍攝過程中，相對位置當中的物距固定，對采集系統當中三者相對角度做出適當改變。因為攝像機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，圖片經過后期處理仍然不能對裂痕部分實現修復，進而出現部分裂痕丟失，在實際應用中可造成漏檢[7]。

這一位置關系下，對第②種裂痕進行拍攝，可明顯優化拍攝效果。拍攝期間缺陷部位有光線經過的時候，會因為遮擋和折射比較清晰地將缺陷深度拍攝出來，圖片經過后期處理，可比較精確地對裂痕位置進行定位，并有效計算缺陷面積。

3.第三種位置關系

基于上述兩種位置關系下所拍攝圖片存在的不足，對上述兩種位置關系進行適當改良，設計第三種拍攝位置關系。在此位置關系下，玻璃生產線和攝像機保持的相對角度同第二種位置關系，以確保獲得清晰的第②種裂痕圖像。此時對光源系統進行調整，使其和攝像機、生產線呈現出相對關系，同時體現一定角度。具體研究環節，按照順時針、逆時針差異化調整光源、生產線兩方夾角。結果證明，按照逆時針方向向右調整位置夾角時，且夾角保持在30°～60°可獲得最佳成像效果。這一關系下，不僅可修復第二種關系中第①類裂痕存在的成像部分丟失問題，還可較為準確地定位第②種裂痕深度和面積。

在這一關系下對第①種裂痕進行拍攝，此時因為光源和生產線、攝像機的位置保持相對關系，能夠確保裂痕成像較為清晰。通過分析第二種關系下所攝波紋圈狀缺陷部分丟失問題，著重調整相應部位光源，促使所丟缺陷可以在拍攝當中清晰成像，且經過后期處理能夠清晰地分辨缺陷。

在這一關系下對第②種裂痕進行拍攝，可以獲得比較清晰的裂痕深度截面投影，后期經圖像處理，可對缺陷大小、缺陷深度以及缺陷位置實現清晰識別，測量精度較高，將其應用在生產現場不容易發生漏檢、誤檢等問題。

3.4 技術指標以及識別準確率判斷

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，通過仿真生產線運行速度，把速度調至200mm/s，進而對攝像機行頻加以調整，使其參數設計在5000Hz。[8]在對攝像機掃描一行實現理論層面分析當中，方針生產線有位移情況出現，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，相關誤差都在有關要求范圍內。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，分別在三種位置關系下對兩種缺陷的整體識別率實現定量測試和分析，結果可見表1。

通過對樣本進行測試，證明本文實驗中所選光源照明方式和檢測方法均適合應用在小、大尺寸缺陷檢測步驟，能夠對玻璃質量缺陷實現在線視覺檢測，并且在確保檢測速度的基礎上可有效提升檢測精準度[9]。

4 結語

文章通過機器視覺檢測方法對玻璃缺陷實現在線檢測，并基于玻璃材質具備的特殊性和生產線中的玻璃速度進行實驗設計。通過調整光源相對于玻璃生產線和掃描攝像機的相對角度，攝取多種玻璃圖像，在對相關圖像進行處理之后，對圖像中的玻璃缺陷進行采集和提取，經過分析確定最佳設備參數。實驗中對玻璃樣本涉及的兩種差異化裂痕缺陷進行測試，經驗證分析，證明所設計光源系統與在線視覺檢測要求相符，能夠清晰地顯示缺陷并準確定位，有助于精確地對缺陷大小進行計算，在實踐中具有突出的應用價值，值得廣泛推廣。

（責任編輯：陳之曦）

參考文獻：

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