基于光度立体学的金属板带表面微小缺陷在线检测方法

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On-line Detection Technique of Tiny Surface Defects for M etalPlates and Strips Based on Photometric StereoXU Ke ZHOU Peng YANG Chaolin(National Engineering Research Center for Advanced Roling Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 1 00083)Abstract： Requirement of surface quality for high-quality metal plates and strips is very strict，and tiny dect is not allowed on thesurface.Existing surface inspection systems based on machine vision are dificult to detect tiny defects.Photometric stereo is appliedto detect tiny surface defects with surce normal calculated from two gray images under different illumination angles.One colorcamera with triple line-scan charge-coupled device(CCD)is mounted perpendicular to the surce of the meta1.One red lighting andone blue lighting are mounted symmetricaly on both sides of the camera.Three channels of gray image including red，green，blue areseparated from the color image captured by the camera，and red，blue channel gray images represent reflected lights of the red lightingand the blue light.The distribution map of surface slope angles is calculated from red and blue channel gray images with thedeveloped algorithm.Tiny defects cal be detected from the distribution map of surce slope angles.Experiments showe that pinholeswith the diam eter less than 0.1 nln'l can be detected.The scheme of detection norm al defects and tiny defects with one apparatus isdiscussed.One green lighting is added，and moun ted to the camera at the position betw een bight-field illumination an d dark-fieldilumination.Norm al defects can be detected from the green channel ay image of the camera which represents reflected lights of thegreen lighting。

Key words： Metal plate and strip Surface defect Surface inspection Photometric stereo十二五”国家科技支撑计划(2叭2BABl9B06)、中央高校基本科研业务费专项资金fFRF.TP-09-027B)资助项目。20120802收到初稿，20121227收到修改稿2013年2月 徐 科等：基于光度立体学的金属板带表面微小缺陷在线检测方法 27根据光度立体学原理，对于发光强度为 ，的光源，其反射光的光亮度为 LI：cosO (1)式中， 为表面反射率，0为光源与表面法线间的夹角。令 为光源入射方向的单位矢量，以为表面法线的单位矢量，则式(1)可表示为(2)令P ( ) (3) x，q熹( ，Y) (4) J L V则L， ( p. g- )/√p。 1 (5)对于光源 1，有厶 亏(. p q- )/√p q l (6)对于光源 2，有 亏( PS2yq- ：)/√p g 1 (7)由于光源 1、光源 2为条形光源，并且在 方向上光强相等，所以S1 ， 0。并且根据图 1，由于光源 1和光源2距离金属板带表面的高度相等，因此有 Sl： 。由于光源 1和光源 2的入射角相同，分别位于表面法线两侧，因此有 Sl ， 代入式(6)和式(7)，有厶6(Syq- )/√p q l (8) 号(- g- )/√p g l (9)将式(8)与式(9)相除，并根据 厶12得生：-Sz--Srqfl01k S zs q 、 由式(10)可得g c -因为Sz/ cota，所以式(11)为ot 鬻 (12)根据式(4)得qtan7 (13)式中，y为表面的倾角。由式(12)和式(13)可得- tan 鬻j由于cota为-常数，因此式(14)可简化为an( j根据式(15)可得表面倾角的变化情况。由于表面缺陷造成了表面倾角的变化，因此，可通过表面倾角的变化检测表面缺陷，尤其是表面的微小缺陷[9]。

式(15)07，L1和 三2分别是在光源 1和光源 2单独照明时的反射光亮度，可以通过摄像机采集到的图像灰度表示。对于静止物体，可分别采用打开光源 l和关闭光源 2以及打开光源 2和关闭光源 1的方式得到 1和 2，这样， 和 2是在不同时刻得到的，但是由于物体静止，因此 1和 2对应的是物体的同-区域。对于运动物体，如果采用上述方式，得到的 三1和 2对应的是物体的不同区域，这样式(15)就不成立了。

本文采用不同波长光源同步照明的方式解决上述的问题l们。光源 l和光源 2分别发射红色波长和蓝色波长的光，摄像机选用彩色三线阵 CCD 摄像机，具有 R、G、B三种像元，分别对红、绿、蓝三种波长的光线敏感，可将采集到的图像分成R、G、B三个通道，分别对应不同光源的反射光亮度。

从摄像机采集到的彩色图像中分离出R通道和B通道图像，就是式(15)的 l和 2。由于 l和三2是同- 时刻采集的，对应的是金属板带表面同-区域，因此，式(15)可用于运动状态下金属板带的表面缺陷检测。

2 缺陷检测试验图3中，光源 1选用波长为O.44 lam的蓝色LED线光源，光源 2选用波长为 0.63 1am的红色 LED线光源，光源 l与光源 2的入射角都为45。。摄像机选用加拿大 DALSA公司的PC.30.04K60型彩色三线阵CCD摄像机，分辨率为 4 096像素，最大采集速度为 12 000行/s。该摄像机像元的行间距为 30p.m，仅为像元尺寸的3倍，旧能减小了空间误差，能够对高速运动的物体进行高质量成像。

图3中的金属板带为铝板，在铝板上制作了大小不同的两种孔洞，大孔洞的直径为0.5 mIn，凶洞的直径为0.2 ran1～摄像机与光源 1、光源 2按图3所示安装在试验平台上，调节摄像机的高度，使摄像机的采集宽度为 410 mm，此时摄像机每个像素代表的物理尺寸为 410/4 0960.1 mm，即摄像机在铝带宽度方向上的采集精度为 0.1 ram/行。打开光源 l和光源2，调节光源 1和光源2的亮度，使它们相等。铝板以1 m/s的速度在试验平台上水平往复运动，摄像机以 10 000行/s的速度采集图像，因此摄像机在铝带运行方向上的采集精度为l lTl/s÷10 000行/sl×l04 Il/行 0.1 mm/行。摄2013年 2月 徐 科等：基于光度立体学的金属板带表面微小缺陷在线检测方法 29示的算法流程完全能以实时方式完成，保证系统的在线检测能力。

缺陷合并f l检测表面微小缺陷 检测表面常规缺陷f表面倾角分布图 fl I 轰面藏彦网僚计算l Ⅱ. ，工 LlB通道 R通道 G通道图像 图像 图像 l摄像机采集到的彩色图像 I4 结论图7 缺陷检测算法流程本文采用光度立体学的原理设计-种金属板带表面微小缺陷的检测方法，并用-台摄像机实现常规缺陷与微小缺陷的同步检测。

(1)通过红、蓝两种不同颜色的光源与彩色三线阵 CCD 摄像机的组合，可在不增加摄像机分辨率的基础上实现微小缺陷的检测。

(2)从摄像机采集到的彩色图像中可分离出R、G、B通道灰度图像，其中R、B通道图像为红、蓝光源反射光图像，通过 R、B通道图像可计算表面倾角的分布，通过表面倾角分布图检测微小缺陷。

(3)在上述微小缺陷检测的基础上，增加-台绿色光源，与摄像机形成介于明暗场照明方式，摄像机的G通道图像为绿色光源反射光图像，通过该图像可检测常规缺陷，从而实现常规缺陷与微小缺陷的同步检测。

本文提出的金属板带表面微小缺陷检测方法以及用-台摄像机实现常规缺陷与微小缺陷同步检测的算法简单、易实现，具有很高的推广价值。