汽车反光镜表面疵病检测

汽车反光镜面疵病检测 王 俊，于瀛洁 (上海大学机电工程与自动化学院 上海，200072) 摘 要:本文首先介绍了投影法检测汽车反光镜表面疵病的原理,包括实验仪器的搭建、设备参 数的调试及采集的图像特征。然后,同样基于此原理对于部分硬件设备进行改换,并与之前的实验结 果对比。最后,根据光学原理采用激光干涉仪反射感光的方法实现了突破,检测出了汽车反光镜 表面的疵病。此为检测出更加细微,难以分辨的光学元件表面疵病提供了一种思路,这项工作具 有积极的实际应用意义。 关键词:反光镜;疵病检测;图像采集;激光干涉仪 Abstract: This paper describes the projection method to detect surface flaws car mirror principle, the im- age features include built experimental instruments, equipment commissioning and acquisition parameters. Then, based on this same principle to change some of the hardware devices, and the experimental results were compared with the previous analysis. Finally, the laser interferometer optics reflection method to achieve a breakthrough in the photosensitive detecting a flaw automotive mirror surface. This program is to detect a more subtle and difficult to distinguish the optical element surface flaws provide an idea, this work has a posi- tive practical significance. Key words:Mirrors; Flaw detection; Image acquisition; Laser Interferometer 中图分类号:TH741;TP752.2 文献标识码:A 文章编号:1001-9227 (2014) 05-0167-06 0 引 言 椭圆的形状。从汽车反光镜材料或加工中产生的疵 [1]病，尺寸较小，与背景相比，视觉对比度差别较 汽车反光镜加工工艺一般要经过冲压、研磨、 喷漆和镀铝等阶段。各阶段生产结束后，若不对其 小，特别是小麻点等。而且这些疵病可能分布在表 面的任何一个部位，特别是边界处，且形状特点多 加工质量进行评价，误差累积后的最终质量将受到 变。因此这些特点，常规的对表面直接成像检测的 影响。在加工过程中，汽车反光镜表面会不可避免 [2] [5]地产生一些瑕疵，例如麻点、斑点、刮痕、气泡方法难以实现他们的自动化检测。 等。判断其质量优劣的取决于其表面所含疵病 针对汽车反光镜和其表面疵病的特点，本文基 的程度。 于投影法开展了检测方法实验研究，建立了实验系 对于这些疵病的检测，目前多以目视检测为 统，同时也采用平面干涉仪的光路系统开展了实验 主，但由于一些工厂生产量很大，产品品种变化多 工作，实现了不同类型的疵病的检测工作，为未来 样，非常需要自动化的快速检测方法和装置。目前 建立自动化的检测装置提供了基本测试方法。 对于高反射性的玻璃或镀银等表面疵病的检测，有 [3][4]一些方法，如人工目测法、滤波成像法，但这些 1 投影法检测 方面还不能适用于汽车反射镜的检测。原因是，汽 1.1 投影法工作原理 车反射镜有独特的特点，包括汽车反光镜的镀银反 如图 1 所示为投影法检测汽车反光镜疵病的原 光面在一层保护玻璃的背面，反光面是带有一定弧 理示意图。由图可知，整套实验装置主要包括:工 度的，反光镜具有高反射性的特点，反光镜总体形 作平台、计算机、支架杆、光源、光阑、透镜、万 向平台、像屏、照相机等;另外还有如挡光纸、成 状也非规则的圆形或方形，而往往是两头尖的近似 像镜头、夹具等一些辅助物品。 收稿日期:2014-03-15 此系统的工作模式为:支架杆最上方的点光源 作者简介:王俊 (1990.5-)，男，汉族，上海人，研究 生在读，目前在上海大学机电工程及自动化学院主要从事精 发出球面光波，经由下方的孔径光阑限制让部分光 密仪器检测方向的研究。 167 通过，再经过傅里叶透镜的准直使最初的球面光波 不可因为本身的材料缺陷掩盖了疵病的存在。鉴于 变成平行光束，照射在放在万向平台上的被检测镜 此，最后选择了一张 A4 打印纸作为像屏。置像屏于 后反射到白纸像屏上形成漫反射，最后再反射到 被测镜一定距离，略微转动像屏的角度使得镜子反 射的光可以清晰无误地投影到像屏的中央区域。 CCD 相机的镜头处，通过相机把反射回来的影像拍 摄下来，并将图像传输给计算机，实验人员可在屏 系统的最后一个环节便是获取图像，实验中使 幕上观察捕捉到的像。 snap cf 用 美 国 Photometrics 公 司 生 产 的 Cool mono 制冷黑白摄像机进行拍摄，相机尾部的数据线 和计算机相连，将截取的图像信息传输给计算机， 借助相应的配套软件 IC Capture 2.2 达到对图像 的实时和采样，结果会显示在屏幕上。 调整镜头与像屏的远近及拨调镜头视场的亮暗 程度，并拧下镜头后端的光圈，然后做同样步骤的 调试，直至出现清晰的影像。至此，疵病检测实验 前的准备工作已全部完成。 1.3 镜片样本采集的图像特征 工厂提供了不同疵病特点的样件，而且已在镜 图 1 投影法检测疵病原理示意图 子表面的瑕疵区域用记号标明。样本件共有将近四 1.2 实验仪器的搭建及调试 十片镜子，其中有两片没有做标注和记号因为其表 起初，先在工作台上搭起一根支架杆，分别在 面具有明显的瑕疵，仅凭肉眼即可观察得出。首 不同高度处横向插入一根支撑杆，其为之后安装的 先，挑出这两片反射镜放到实验台上查看大致情 各种元器件起到调整转向和固定位置的作用。 况，如图(a)、(b)所示。 从支架杆的顶端起，在照明光源的选择上考虑 到使用寿命、节能环保、光效率、安全系数等因素 先选用了普通的 3~5V 小 LED灯。 沿支架杆向下，灯的下方水平固定一个孔径光 阑，绕竖直轴线旋转光阑使其圆孔轴心线与光源的 中心对齐，并将孔径口打开到最大。 继续沿支架杆往下，光阑的正下方放置一个傅 里叶透镜，同样将其水平固定，再将灯源、光阑、 (a)刮痕样本 (b) 圆斑样本 透镜三者的中心轴线对齐。然后采取估约的方法， (a)图是刮痕样本。其中有两条细长条状的痕 拿一张白纸放在傅里叶透镜下方形成透射光斑，保 迹，上方一条为直线状，长度约为 27mm;下方一 持光阑的位置不变，上下移动透镜改变两者间距 条略呈弯曲状，长度约为 30mm。两条刮痕贯穿整 离，并同时移动白纸离透镜的远近。当光斑大小基 个镜面，延伸至镜片边缘;(b)图是圆斑样本。镜 本不变时，即可判定此时光阑位于焦平面上，竖直 子的中心区域和边缘处共有三处圆斑迹象，分别是 麻距离就此调试完毕。 点、斑点、铬点，形状各异，直径约为 0.8mm， 分在透镜下为万向平台，其可 360?旋转，之后要 布不规则。起先屏幕很模糊，调低 CCD 摄像机亮 度检验的汽车反光镜就放在此装置上。万向平台摆放 后，镜片轮廓线变得明显，但镜子里的疵病样貌 几乎的位置亦使 LED 灯光尽可能多的照射到上面的被测 辨别不出，直接看像屏上的投影也是同样的情 况。为镜，切勿偏离光强中心。除此之外，镜片摆放角度 了尽量模拟理想点光源，当光阑的孔径关小 之后，疵的不同根据光的射散性质会改变成像的形貌，具体 病的几何形貌开始浮现了出来，但其与周 围正常镜面如何调整角度会在之后讨论。 表象结构的对比不明显，且镜面轮廓外 的背景亮度也当镜子把平行光束反射出去后会在像屏形成漫 很高，两者对比度不够。另外，光源 距离像屏较近，反射，像屏选择尤为关键，既要有一定的粗糙度， 部分光束未经准直反射直接照射到 凹凸不平、才能有高的漫反射率;但又必须平整， 了像屏，必定会影响实验结果。对此，用一张纸挡 于是换成可变焦镜头，此镜头为日本 Computar 公司 旗下的一个可变焦系列 M3Z1228C-MP，焦距 f=12~ 住灯光下延至透镜与像屏之间的空间防止多余的光 36mm。分辨率是相机一个关键参数，换取了德国 束照射过去，这样相机拍摄到的镜面反射亮度与背 Imaging Source 公司生产的型号为 41BU02 的工业摄 景的对比度更强，疵病更加显眼，此时若将实验室 像机，其像素为 1392×1040。为体现最优性能，同 的灯光都关掉，完全暗背景的情况下，效果会更 样拧下新镜头后端的光圈，再把镜头装上相机，调 好。再者，经透镜准直后的平行光被检测镜反射后 出合适的感光度后将焦距变为最高档 36mm，此时 会变成扩束形式，光斑直径变大，也就意味着反光 可以保证拍摄的像比例放到了最大，凸显图像细节 镜表面的结构特征会被放大，疵病样貌会同比例增 特征的能力得以加强。 大，因此不管是镜面中央还是镜子边缘，都可以变 光源方面则自制一个大功率 LED 灯，工作电压 换万向平台和像屏的角度来查看需要放大的局部 为 6~9V，电流约为 1.5A，相比原先的亮度更强。仍 区域。 然先拿出刮痕样本进行试验，结果如图 4 所示。 视场亮度的调整、光阑口径的调节、挡光纸的 运用、镜片和像屏角度的摆放，这些因素对于成像 特征起着不可小视的作用。接下来，开始正式检测 那些被标注记号具有一定难度的反光镜。 图 4 强 LED 灯照射刮痕样本图 通过此图与前两次实验的对比，很明显无论镜 框轮廓的清晰度还是镜面与黑色背景对比度都有很 好地改善，整体的疵病形貌质量提高了。再换上之 前的特殊圆斑样本来查实，结果如图 5 所示。 图 2 图 3 7#—1 5#—1 >0.06×10mm >Æ0.15×3 表面伤 砂铬子 如图 2、图 3 所示:表面伤、砂铬子虽然隐约可 见，却很容易与周围的纹理分布相混淆。仿照原先 的模式调试发现无论调节相机视场亮暗、光阑孔径 图 5 强 LED 灯照射圆斑样本图 割至最小，即使镜片角度摆放得再微妙、屏蔽掉再 图中的斑点、麻点、铬点比一开始的图像结果 多余的光线，图像和原先几乎没啥区别。不仅如 明显多了，或许有些部分辨别还存有难度，可实验 此，其余的样本例如侧脏、铝层伤、铝路也无法辨 效果进步许多。通过更换大功率 LED 灯、高性能的 别。设想光束在反射到白纸像屏过程中会扩束，投 镜头和相机使拍摄的图像质量达到了较高的水平。 影在白纸上的像会变大，且距离越远，图像越大， 接下去照例去检测其他有难度的镜片样本，取出之 这样局部的细节也容易放大。在拉大了像屏和镜片 前的两片被测镜，其拍摄情况如下图所示。 间的距离，再用相机迎上保持之前同样的间隔拍摄 后，视场却变得更加昏暗、模糊，亮度不足。分析 推测是仪器自身的硬件条件不够，所以需从硬件参 数入手，改善设备性能，才有可能检测到更微小的 瑕疵。硬件的改善涉及到许多方面，就这个实验系 统而言光源的光强需进一步加强，CCD 摄像机的焦 距可以换更大的型号，分辨率也需在提高。 1.4 硬件设备的改进 图 6 图 7 起先使用的镜头焦距仅为 12mm， 图像略小， 7#—1 5#—1 >0.06×10mm >Æ0.15×3 表面伤 砂铬子 169 对比这次的结果发现:图像整体的视觉效果有 镜位置都是手动调节的，所以平行度存在一定误 了明显的进步，原本拍摄到瑕疵的样本则更加显眼 差;(2)成像载体，投影法中镜片反射的疵病图像 突出。虽然原先能检测出的疵病类型如表面伤、砂 并不是直接对准摄像机被拍摄下来，而是先投影在 铬子这次更清晰地反映了出来，然而之前未能找到 一块像屏上，再由摄像机把像屏上的信息记录下 的疵病类型如侧脏、铝层伤、铝路照旧没有检验 来。像屏是用一张白纸代替，虽然白纸漫反射率较 出来。 高，但白纸表面也较为粗糙，凹凸不平，其不规则 的组织纹理很容易掩盖掉细小的瑕疵形貌;(3)光 汽车反光镜实际上由两片镜子组成，分为玻璃 路环节，投影法中光源发出的光先经过光阑的约 外表面和镀银内表面，外表面实则是一个普通的平 制、接着透过透镜被准直、然后被检测镜本身反 面，出现瑕疵的概率较低;而内表面是一个弧形 射、在第二次经由像屏反射、最后才进入相机成 面，容易造成光的散射，检测存在一定的技术难 像。较多的光路环节必定会造成能量的损失、性质 题，并且内表面在一层保护玻璃(外表面)的内部 的改变，光所携带的信息会发生缺损和遗失，最终 与外界隔离进一步增加了实验难度。在实验中，图 导致图像失真。针对此三者潜在的影响，考虑选择 6 中的表面伤和图 7 中的砂铬子疵斑仅有 0.15mm 左 一种既有高亮度、高精确度的平行光源及高像素、 右甚至更小，这两处疵病被证实，但样本侧脏的径 高分辨率的成像设备，又尽可能减少光路环节，避 宽大于 0.5mm，比前两者大几倍却未能显现出。针 免多余载体的光学仪器，并设计与之相对应的实验 对疵病所在镜面不同位置做了归纳，基本能验证实 系统，弥补投影法的不足。 验存在的难点:内反光面带有一定弧形，且曲面中 间区域曲率小接近平面，这样规则的疵病形貌比如 2 干涉仪光路系统检测 排列整齐的砂铬子容易被检测出;而曲面边缘处曲 2.1 干涉仪光路系统检测的工作原理 率变化大，光线照射此处极容易形成散射、紊乱现 实验中选取了最新的 GPI 系列 Fizeau 型激光干 象，无法汇聚成像，即使图文较大，也无法正常成 涉仪。由于反光镜的内反光面是弧形面，当一束激 像。为了进一步验证，又选了额外三片样本来试 光的部分光线透过参考平面照射到镜面并反射，介 验，结果如图 8、图 9 所示。 于弧面的法线与入射光线会有一定的角度，反射回 来的光线无法和原先直接经参考平面反射的光线汇 聚叠加，因此不能形成干涉图像，而是变成了光的 散射现象。所以取走参考平面，依靠干涉仪原本的 光路系统，让平行的激光直接照到检测镜然后反 射，查看其反射图样。虽然内反光面是弧形的，但 实验人员可以用手灵活地旋转角度，每个瞬时反光 面总有无限小的微元平面区域和激光束近似垂直， 图8 图 9 手指印 15#—3 也就能每个瞬间看到镜面的情况。 侧边脏 这两张图的结果也基本与之前近似。图 2-9 镜 片边界处的疵病仍旧很难找出，一方面是疵病图样 本身微小;另一方面是边缘曲率的变化对光路成像 造成干扰。而图 8 中的手指印由于斑路较宽，涉及 区域较大，因此也相对容易测出。 综上所述，改进硬件设备包括相机、镜头、光 图 10 干涉仪光路示意图 源后检测能力有所提高，捕捉出的图像视觉效果也 图 10 所示为所用 GPI 干涉仪光路示意图，实验 得到加强。但边缘处的细微瑕疵及中心处的特殊缺 中去掉了 6.标准参考平面(图中用虚线圈出)。 陷辨别较困难。实验过程中还发现几个不可忽视的 2.2 基于干涉仪光路系统采集的图像特征 因素:(1)光束平行度，投影法中照射到镜片表面 仿照投影法的实验步骤，先拿了刮痕样本做了 的光是通过傅里叶透镜准直的，但光源、光阑、透 尝试，结果如图 11 所示。 图 16 14#—3 铝路 从图 12 至图 16 可看出，之前检测不出的疵病种 图 11 刮痕样本视场图 类显现了大致轮廓;之前可勉强辨认的疵病类型显 视场虽然偏暗，但图中心偏右的刮痕显得很亮 得很明晰，局部的细节真正地放大，读者进一步观 很长，相比之前投影法的结果，内表面局部区域的 细节能看的更明朗深入。立刻又找来之前的表面 察到疵病的真实形貌。从这些大小不同、形状各异 伤、砂铬子以及没有检测出的侧脏、铝层伤、铝路 的疵病中可归纳:大部分反光镜表面的瑕疵都是由 五片有难度的镜子样本继续探究，如图 12 至图 13 单个的麻点、规则排列的圆斑、无序的纹理或者大 所示。 片积的云斑组成，其与周围正常的玻璃组织的图样 还是有本质的区别。它们难以被发现一方面因为本 身很细微、渺小;另一方面内反光镜自身有一定厚 度，它们或许隐藏在较深的平面层中，需要穿透力 图 12 15#—1 很强的光渗入平面层中才可揭示它们的原形，显然 >0.5×10mm 干涉仪的激光源符合此条件。为更具说服力，最后 侧脏 还任选了三片镜子做验证，如图 17 至图 19 所示。 图 13 图 17 1#—1 9#—2 >0.06×8mm 手指印 铝层伤 图 14 图 18 7#—1 5#—2 >0.06×10mm >Æ0.15×3 表面伤 砂铬子 图 19 图 15 4#—2 5#—1 砂铬子 镀检>Æ0.15×3 伤 砂铬子 最后这三张图所展示的结果与之前情况基本一 (下转第 174 页) 171 基于 MATLAB 规则碎纸片拼接复原方法的研究及实现 姜艳秋，等 [6]选出碎片左侧全为空白的碎片，从这几个碎片开始 。 后的图形 拼接，得到 11 个仅横切的碎片。然后选出上边空白 的碎片按上述方法向下进行拼接。上下拼接结果得 4 结束语 到几个段落的文字图片。如图 6 所示。此时 6 块碎片 本文通过对碎纸片图像的精确处理，找到了一 的上下均为空白，计算机无法继续拼接，由于数目 种对规则的碎纸片拼接复原的有效方法，仅单面纵 切较少，采取人工干预手动拼接，即为手动干预，最 情况，全部能够实现计算机拼接复原。对于单、 双[45]-终得到复原图。 面即横切又纵切的情况，则有不匹配的情况出 现， 需要人工干预。该模型能够实现将规则碎纸片 拼接复 原。可将规则切割的文字、照片等二维数据 进行拼接 复原。该模型优点是算法简单、准确，对 简单、规 则切割的碎纸片拼接复原有很好的拼接 效果。 参考文献 [1] 母丽华，周永芳.数学建模[M].北京:北京科学出版社， 2011. [2] 王正林，刘明.精通 MATLAB7[M]. 北京:北京电子工业出 版 社，2006. [3] 李志林，欧宜贵.数学建模及典型案例分析[M]. 北京:北京 化 学工业出版社，2006. [4] 罗志中等.基于文字特征的文档碎纸片半自动拼接[J].计 算机工程与应用，2012，(5):207-210. 图 6 计算机自动拼接后图 [5] 董 乾，黄晓鸣.基于 OpenCV 的图像碎片拼接[J].科学技术 与工程，2010，(10):5429-5432. [6] 郑蓓蓓，郭立本.改进的遗传算法应用于碎片拼接[J].计算 3 双面即纵切又横切碎片拼接 机与现代化，2011(5):52-56. 此时由于碎片个数较多，首先将正反面两个 行高值相同的碎片分在同一组进行匹配，然后运 用单面即纵切又横切碎片的拼接方法，左右方向 拼接，得到仅横切的图形，后人工干预得到复原 提供了良好借鉴。 (上接第 171 页) 样，疵病基本全部检测了出来，所 有图中疵病所在 区域颜色深浅不一代表所处内反 光面的深度不同。 参考文献 另外，疵病涉及的区域尺寸根据比例尺的换算得出 [1] 莉 清,张 峻. 一种检测车灯反光镜表面质量的方法[J]. 光 的结果与样品给出的数据几乎吻合，这也进一步证 学仪器, 1998, 20(2): 13-17. [2] 李锡善, 蒋安民, 夏青生.光学玻璃条纹气泡的全息干涉检 实了实验的准确性。 验[J]. [J].激光, 1980, 10(13):42-45. [3] 勇 军, 白闻喜.激光衍射图样识别法检验光学零件表面疵 3 结 论 病[J]. 001.[J].光学技术, 1996, 4(001):4-6. 总结本文工作，通过投影法以及干涉仪光路系 [4] 戴名奎, 徐德衍. 光学元件的疵病检验与研究现状[J]. 光 学统反射感光的方法，可以发现汽车反光镜中的刮 仪器, 1996, 18(3): 33-36. 痕、麻点、铬点、圆斑、云斑等疵病，为未来检测 [5] 宋玉昆.光学零件表面疵病检测仪技术方案探讨[J].长春 装置建立提供了技术方法。或许还存在其他更为先 光学精密机械学院学报, 1989, 12(2):61-65. [6][6] 戴名奎, 徐德衍. 光学元件的疵病检验与研究现状(续) 进的检测手段，但本文所归纳的方法已取得理想的 [J]. 光学仪器, 1996, 18(4): 32-39. 结果，同时为光学元件表面质量检验此领域的拓展