CN101983330A - 使用结构化光线于检测缺陷的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
呈现使用结构化光线用于检测关于所制造物品的符合度与完整度的问题的经改良的方法与装置。使用自相反方向获取的两个或两个以上结构化光线影像来量测配合表面的符合度，同时避免由接缝附近的小缺陷引起的误报。
Description
技术领域
本发明是关于使用机器视觉来检测所制造物品中的局部缺陷。更特定而言，其是关于使用投射至一物品上的结构化光线来检测配合表面的对准误差，同时减少由所检验的表面中的小扰动引起的伪缺陷指示。
背景技术
许多制造物品通过两个或两个以上组件组装的外包装而区分。制造商常常想要的特征是使经组装的组件具有无缝外观。此使所述经制造组件达到当将所述组装时组件之间的接缝不可容易地辨别的容忍度来达成。不管制造零件所达到的容忍度如何，在待配合的零件中皆会出现小的变化，此时出现关于组装方法的问题。对此问题的一种解决方案为在将物品组装的后检验所述物品以判定表面是否已有可接受的精确度配合。
最简单解决方案为以肉眼人工检验制成物品以判定其是否可接受。虽然人类相对较容易训练及替换，但使用人工检验的困难包括随时间的不一致结果，及难以进行关于所检验的物品的定量判断。举例而言，可通过向一人员展示好物品及坏物品来训练其检验物品，且可接着预期该人员视类似于所展示实例的程度而接受或拒绝其它物品。然而，在人工检验员进行定性而非定量决策时，出现困难。此使得非常难以相对于特定数字容忍度检验零件，此意谓不同检验员可能会将相同零件不同地归类。此倾向使确保一致外观的检验物品目的失败。当所述零件碰巧由不同材料制成时，诸如当需要一塑料零件与一铝零件配合时，此尤其困难。
为确保一致外观且实施关于质量的定量标准，可使用机器视觉***来检验物品。依赖于色彩或灰度阶影像的2D机器视觉***在表面配合应用中具有与人类在定量量测异常方面相同的困难。出于此原因，有时使用3D视觉来检验表面。存在许多不同的自表面撷取3D信息的方法，所述方法中的每一者关于分辨率、精确度及速度不同。最适于解决此表面检验问题的3D量测方法的子集涉及将光线图案(「结构化光线」)投射于一表面上且量测图案的局部位移以撷取关于该表面的3D信息。
结构化光线可以若干不同方式在一物品的表面上产生。我们关注的方法是将聚焦图案投射于表面上且接着通过获取该图案的一影像或多个影像，量测该图案的部分的2D位置且以几何方式计算点的高度来撷取关于该表面的信息。在图1中展示现有技术结构化光线***的示意图。结构化光线投射器2将结构化光线4投射至物品6上，其中由相机8成像以形成影像10，该影像10由计算机12获取并处理。图2展示现有技术结构化光线***可如何形成具有物品上的不连续边缘的影像的一实例。在此图中，结构化光线投射器14将条带16投射至包含上表面20及下表面22的物品18上。将条带16投射至表面20及22上以形成投射图案24及26。此些图案24及26由相机28成像且随后由计算机30获取以形成待随后由计算机30处理的影像32。该影像32示意性地展示表面20与22之间的不连续性如何作为经成像的线条34及36的群之间的位移显现。计算机30典型地使用结构化光线的位移来测定一物品的一部分的相对高度。
图3为说明可如何使用现有技术结构化光线***来基于几何学计算表面上的点的相对高度的示意图。在图3中，结构化光线投射器40投射线条，将其中之一者展示为42。此线条延伸至该图的平面中且延伸出该图的平面外，且照射具有两个表面44及46的物品52，该物品52非常类似图2中的物品。来自物品68反射的线条62的光线由相机/透镜***(未图标)成像至一影像感应器平面54上。在此状况下，该影像感应器平面54将在点56处与自表面44反射的光线48相交且在点58处与自表面46反射的光线50相交。应注意，表面44与46之间的高度差异(在图3中标记为「B」)引起影像感应器平面54上点56与58之间的差异(在影像平面中标记为「A」)。实际上，可使用熟知机器视觉技术来测定影像平面中点56与58的位置且量测距离A。在此实例中，距离A由以下方程序与距离B相关
1)A＝B(1+tan(a)/tan(b))，
其中a及b分别为作为照明在图3中指示的角度及视角。
此方法的一实例由发明者B.Shawn Buckley等人描述于美国专利第6,064,759号中。在此实例中，使用单一相机位置获取投射至一表面上的结构化光线的影像，其后使几何模型与该表面配合。使用该表面影像中的多个点形成单一3D点，此提高量测的精确度。
由Oleksandr等人描述于「以有色结构化光线的使用于相位量测和表面重现的技术Technique for Phase Measurement and Surface Reconstruction by Use of Colored Structured Light」(应用光学，第41卷，第29期，第6104至6117页(2002))中的类似方法投射多个有色图案以区分所投射的光线且尝试提高3D量测的精确度。其论述使用结构化光线以使用微分方程式自结构化光线影像撷取3D信息，以测定汽车挡风玻璃的表面状况。
使用此些方法存在两个问题。第一为速度。产生整个表面的3D地图为耗时的。在我们于本文中预期的应用中，我们不关注整个表面，而仅关注与组件之间的接缝相邻的小区域。现有技术方法的目标在于表征整个表面或物品，而非仅撷取关于两个表面的匹配的信息。因此现有技术***执行比此应用所需要的计算多得多。
第二个问题由图4说明。在图4中，一结构化光线投射器60将由线条组成的图案投射至物品68上，将所述线条中的一者展示为62。光线线条62在两个表面64、66处与物品68相交。与所述表面相交的光线由相机/透镜***(未图标)成像至感应器的影像平面76上。来自条带62的光线由顶面66反射以形成在点78处与影像感应器平面76相交的光射线70。在此实例中，反射离开底面64的光线由于表面中的小缺陷72自预期方向偏离至新方向74上，使光射线74在点80处与影像感应器平面76相交。当使用机器视觉技术量测影像感应器平面上点78与80之间的距离时，此产生量测距离A。若在预期可精确地估算距离D的情况下将上文方程式1中展示的计算应用于量测C，则将产生一误差。在目前应用中，我们关注检测表面中的小缺陷且将其与由不匹配表面引起的表面中的更具***性差异相区分。上文提及的方法将局部缺陷滤出或将其卷入计算中，使局部缺陷与配对表面之间的***性差异不可区分。此些结果中的两者对于目前应用均不合意。由于此些原因，对使用结构化光线有效且精确地检测不匹配表面同时拒绝由局部缺陷引起的误报(false positive)的方法的存在需要。
发明内容
因此，本发明的一目标在于提供一种呈结构化光线机器视觉***的形式的方法及装置，其具有检测两个表面之间的配对中的变化同时忽略由任一表面中的小缺陷引起的异常，且以比现有技术***少的计算执行此些任务的经改良能力。根据本发明的目的为达成前述及其它目标，如本文所实施及广泛描述，而揭示一种方法与装置。
本发明的一具体实例使用两个相机自两个不同方向观察一物品，其每一者观察由个别结构化光线投射器照明的一物品。在图5中展示此***的示意图。在此实施例中，第一结构化光线投射器90将第一结构化光线图案92投射至物品94上，随后第一相机96形成结构化光线图案92的影像，该影像接着由计算机95获取并处理。随后，第二结构化光线投射器97将第二结构化光线图案98投射至物品94上，随后由第二相机99成像且接着由计算机95获取并处理。此实施例可分离表面之间的高度上的真实差异与局部缺陷，此归因于表面相对于另一表面将表现为具有相同相对高度而与观察其的方向无关，而一局部缺陷在自不同角度观察时将可能表现高度上的改变的事实。此在图6及图7中说明。在图6中，两个结构化光线投射器100、104自相反方向照明一物品108。如影像感应器平面122及124处所量测的表面110与112之间的高度差异实质上相同。观看图7，吾人可见在存在一局部缺陷158的情况下，148及154处的影像感应器量测表面140相对于表面142的高度为不同值。
用于检测局部瑕疵的算法涉及自两个不同方向获取结构化光线影像。通常该两个方向分开180度且结构化光线投射器与相机两者相对于该物品成相同角度，但并不要求此举。使相机及投射器对称地设立以稍微简单的计算且将在不丧失一般性的情况下在本文中使用以说明所述方法。每一相机及结构化光线投射器对应对准以便能够观察投射至该物品上的结构化光线的反射的大部分。详言之，两个相机应能够观察投射至该物品的需要检验的区域上的结构化光线的部分。
本发明的一态样为获取结构化光线影像后，典型地并不处理所述结构化光线影像产生关于所检验物品的全体信息。可通过使用关于该物品位置及该物品上待检验区域的位置的现有信息而减少计算时间。对待检验区域的位置的了解允许该方法仅计算出关于构成一物品的两个或两个以上组件之间的接缝或多个接缝的质量的测定将需要的那些数据点。此方法假设已知关于视野中物品的位置及待检验接缝的位置的信息。此可通过将待检验物品以相对于相机及光线投射器的已知位置固持于一夹具中来保证。另外，关于该物品上待检验位置的信息可自工程制图或关于物品的其它信息预先编制，或可自该物品上结构化光线图案的测试影像推断。作为以上方法的一替代，在该物品于检验的前未固定或以其它方式安置于已知位置的状况下，可使用熟知机器视觉技术来定位该物品且以此定位以待检验。此定位步骤可使用所投射的结构化光线或另一非结构化光源来执行。
附图说明
图1为一现有技术结构化光线***的示意图。
图2为一展示经投影光线与影像之间的关系的现有技术结构化光线***的示意图。
图3为一展示不匹配边缘如何由结构化光线***检测的图。
图4为一展示一局部缺陷如何由结构化光线***检测的图。
图5为一结构化光线***的示意图。
图6为一展示由结构化光线***检测的一不匹配边缘的对称性的图。
图7为一展示由结构化光线***检测的一局部缺陷的不对称性的图。
图8为一用以使用结构化光线***来检测缺陷的算法的流程图。
具体实施方式
产品外观对于任何计算机销售产品而言极为重要。产品外观的一个非常重要的方面为「符合度与完整度(fit and finish)」，其指代产品的整体感受质量。高质量符合度与完整度可增加产品感受价值且以此增加销售及利润率，且因此无可非议地为制造商所想要。符合度与完整度的尤其困难方面是使组件配合以形成连续表面，其中所述组件之间的接缝经设计以对于使用者近乎不可见。达成普通制造容忍度且确保所有产品满足所建立的符合度与完整度标准为困难的，典型地对产品加以检验。
配合表面的符合度与完整度检验需要检测出表面高度上的细微差异。此些差异可能在视觉上不能容易地辨别，而仅当例如通过人类手指在接缝上经过而检验表面时才变得明显。此意谓平常2D机器视觉技术不能有效地用于检测配合表面中的瑕疵。
可获得多种3D视觉技术；然而，现有3D视觉技术由于两个因素而对于此类型的应用为较不合意。第一为速度。一般而言，3D视觉技术是用以表征整个物品或表面。在此实例中，吾人仅关注检验一物品的单一方面，亦即量化沿两个组件配合处的接缝的两个表面之间的符合度。典型3D应用计算比获得我们所关注的信息所需数据点多得多。因此，仅计算接缝附近的数据点的本发明提供比传统3D视觉方法高的效能。
另一问题为待检验的物品有时展现可被误认为错配组件的待检验接缝附近的小瑕疵。典型地，3D检验程序具有将该瑕疵值平均至一较大区域中或将其完全滤出的步骤。本发明通过区分表面中的小疵点与表面之间相对高度上的实际差异而对其加以改良。
图5为本发明的一具体实例的示意图。第一结构化光线投射器90将第一聚焦结构化光线图案92投射至一物品94上。此第一结构化光线图案由第一相机96成像且由计算机95获取以进行后续处理。第二结构化光线投射器97将第二聚焦结构化光线图案98投射至一物品94上的相同区域上，其中其由相机99成像且由计算机95获取并处理。在此具体实例中，该投射器及相机的光轴经配置在与由待检验表面形成的平面大体垂直的平面中。本发明并不需要此配置，但确实使计算稍微容易且因此较快速地执行。实际上，该投射器可几乎为任何角度，只要光线可到达表面而不会由目标的零件阻挡即可。该***的分辨率将取决于该结构化光线投射器相对于待检验表面的角度，其中当该投射器角度自投射器俯视几乎垂直于表面的较大角移动至该投射器角度几乎平行于表面的掠入角时在分辨率与精确度之间取舍。对于此具体实例而言，该投射器角度与表面成30度与60度之间的角度，更佳地与表面成45度。该相机接着以类似于该投射器角度的角度与投射器相对地置放。应注意，该相机可以可清楚地看见该结构化光线的任何角度置放，但关于分辨率与精确度存在相同的取舍。
在此具体实例中，该第二投射器及相机与该第一投射器及相机对称地配置，该第二投射器及相机与该第一投射器及相机在同一垂直平面上且与该第一投射器及相机成180度相对。此组态为便利的且使计算较简单，但肝第二投射器及相机可处于任何角度，只要表面上的所关注区域由两个投射器照明且能够由两个相机观察即可。图6示意性展示本发明的一具体实例如何工作。一栅格图案100被投射102至一工件108的表面110上，产生反射118。类似地，一栅格图案104被投射至一工件的表面110上且反射116。当该工件表面110移动至新高度112时，所述栅格图案100及104现分别经反射为120及114，其中所述反射图案124及122各自的位移与该工件表面高度的变化126成比例。因为两个位移124及122大致相等，因此可假定所述位移是因为该工件高度的总体变化126。图7展示此具体实例如何回复工件的缺陷。在图7中，栅格图案130被投射至一工件表面142上且反射于144。同样，第二栅格图案134被投射136至该工件表面142上且反射于150。图7亦展示当该工件移动至第二高度时发生何事，140表示高度变化156，且一缺陷158经引入表面中。所投射132的栅格图案130现自该工件表面140上的缺陷158反射于146，产生该栅格图案的所量测位移148，而所投射136的栅格图案134自该工件表面140上的缺陷158反射于152，产生该栅格图案的所量测位移154。应注意所量测位移148及154由于该缺陷158对反射146及152的影响而不大致相等，且因此指示存在一缺陷。
在此具体实例中，该结构化光线投射器及相机在投射其图案与获取影像方面交替以便不彼此干扰。用于保持图案分离的其它方案为可能的。在其它具体实例中，该图案可使用不同波长的光线及置放于相机上的光学滤光片投射以区别所述图案。类似地，该图案可使用正交极化投射，其中在该相机上有分析器以分离所述图案。此些具体实例所具有的共同之处在于其允许同时地而非连续地获取图案。另外，用以将该结构化光线图案投射至该物品上的光学器件及/或由该相机使用以使该结构化光线图案成像的光学器件可经设计以抑制如零件表面修整的细节且增强结构化光线图案的细节。举例而言，该投射器可使用红外光投射图案，且该相机可具有滤光片以消除除了来自影像的红外光的所有光。在本发明的一具体实例中用以处理数据的算法展示于图8中。在该影像数据由该计算机获取之后，通过识别待处理影像中的区域或多个区域160开始处理。此允许算法仅处理将有助于所要结果的那些区域，由此增加***通量。一旦选定区域，则典型地将该影像数据过滤以减少噪声162。在过滤之后，以高精度检测影像中的结构化光线特征。举例而言，若该结构化光线特征为线条，则可使用熟知机器视觉算法以子像素精度检测线条的中心164。在对该特征进行高精度检测之后，可推断该特征下方表面的高度166。如此进行的一种说明于图3中方法且由上文的方程式1描述。假设选择表面44作为高度量测的原点，则对条带42的位置的量测将偏移影像中的量A。在使用方程式1的计算之后，因此条带42的高度及物品52的表面46将自任意选择的原点44建立为-B。
计算出高度168后，自此数据对符合度与完整度的测定取决于两个后续分析步骤。首先将影像数据点对点比较170且测试以判定所量测表面高度是否相等172。在大多数状况下，两个数据组将相同174。在此些状况下，该输出数据将为该输入像素中的任一者。在输入高度量测值不相等176的状况下，该输出像素将经标记且将注意到差异的量值。随后将结果合并178为单一影像。在像素相同的状况下，将检验接缝的已知位置的任一侧上的区域以判定其是否足够接近而通过检验。若像素不同，意谓在表面位置中存在差异，则应注意到差异且进行至用于决定该物品是否通过检验180的程序的其它部分。在所述值不同的状况下，应注意该位置并不意谓所述表面处于不同高度，而是存在阻止***进行有效量测的表面疵点。该程序必须接着决定该疵点是否足够大以致保证拒绝或可能该物品是否应由人工来检验以判定其可接受性。
可使用许多不同结构化光线图案来照明物品以撷取所要信息。一具体实例使用垂直于待检验接缝投射至表面上的条带来检测接缝任一侧上的高度的改变。可使用其它图案，例如，将点图案投射至表面上。几乎可使用任何图案，只要其能够清楚地成像，图案要素可以子像素精确度定位，且所述要素可在影像中正确地识别即可。
本发明的另一具体实例将使用相对立配置的单一结构化光线投射器与相机对。在此具体实例中，所述投射器/相机对获取物品的第一影像，接着该物品相对于所述投射器/相机对旋转且获取另一影像。该物品、所述投射器/相机对或两者可旋转以便获取该物品的相反视图以供处理。一旦获取影像，即可如上文描述继续进行处理。
其它具体实例涉及自更多角度获取更多影像来全面测定表面的高度且改良量测的精确度。同样，该结构化光线图案可指向整个表面且可获取多个影像以便增加表面量测的样本密度。
对于熟悉此项技术者将显而易见，可在不悖离本发明的基本原理的情况下对本发明的上述具体实例的细节进行许多改变。因此，本发明的范畴应仅由以下申请专利范围确定。
Claims (8)
1.一种用于将一物品中的缺陷归类的经改良方法，其包括将光线图案投射至该物品上，使用一影像感应器获取该所投射图案的影像，将所述影像传输至一计算机，及使用该计算机处理所述影像的步骤，其特征在于，该改良包含以下步骤：
将第一图案自第一方向投射至该物品上；
使用第一影像感应器获取该第一图案的第一影像；
将该第一影像自该第一感应器传输至该计算机；
将第二图案自第二方向投射至该物品上；
使用第二影像感应器获取该第二图案的第二影像；
将该第二影像自该第二影像感应器传输至该计算机；及
使用该计算机处理该第一影像及该第二影像以检测所述影像之间的差异且以此将该物品中的缺陷归类。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一方向与该第二方向为相反观察。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一图案与该第二图案相同。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该第一影像感应器与该第二影像感应器为一单一影像感应器。
5.一种用于将一物品中的缺陷归类的经改良方法，其包括将光线图案投射至该物品上，使用一影像感应器获取该所投射图案的影像，将所述影像传输至一计算机，及使用该计算机处理所述影像的步骤，其特征在于，该改良包含以下其它步骤：
将一图案自一方向投射至该物品上；
使用一影像感应器获取该图案的第一影像；
将该第一影像自该感应器传输至该计算机；
旋转该物品；
将该图案自一方向投射至该经旋转的物品上；
使用该影像感应器获取该图案的第二影像；
将该第二影像自该影像感应器传输至该计算机；
使用该计算机处理该第一影像及该第二影像以检测所述影像之间的差异且以此将该物品中的缺陷归类。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，使该物品旋转180度。
7.一种用于使用经投射的光线图案、影像感应器及计算机将一物品中的缺陷归类的经改良***，其特征在于，该改良包含：
经配置以将图案自第一及第二方向投射至该物品上的相同位置上的第一及第二经图案化的光线投射器；
经配置以获取该第一及该第二经图案化光线的第一及第二影像的第一及第二影像感应器；及
一与第一及第二影像感应器通信以获取影像且处理所述影像以检测所述影像之间的差异且以此将缺陷归类的计算机。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该第一方向与该第二方向为相反观察。
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