CN1105995C - 图像处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的图像处理方法，设置一电视摄像机，用于观察与叠层基底等这类检测对象的辊压方向基本一致的方向上观察入射光直接反射，随着电视摄像机、对象和光源间相互位置关系的变化，观察光的直接反射分量。随着入射光角度的变化，这样顺序测定亮度，就对象上的相应测定点，获得反射亮度最大的照明角即直接反射光的入射角，并就检测对象上的所有点获得直接反射光的入射角，得到表明直接反射光其入射角分布的图像。

Description

图像处理方法
本发明涉及一种可以实现对象三维结构测定的图像处理方法，和一种包括高速度、高精度检测细微波纹缺陷以及在叠层基底等上面表现为密度变化信息的任何缺陷的对象表面缺陷检测方案在内的图像处理方法。
作为一例对电视摄像机得到的图像进行处理以确定或测定一对象三维结构的方案，日本专利特开昭63-83873号公报(Ogata et al.)揭示了一种就顺序点亮多个光源得到的多幅图像(为一种亮度差立体像)根据反射率测定对象三维结构的方法。在该方法中，得到一反射光密度信息(反射率图)，所表现的是用各个相应照明光源照明一参照对象时基于这些图像的对象表面的面方向同电视摄像机测定的照度或亮度之间关系，通过各个相应照明光源对实际对象进行相类似照明用电视摄像机所测定的亮度同上述反射率图的对照，得到实际测定对象各表面单元梯度，再以所用的梯度构成实际对象的三维结构。
作为一检测有光泽对象上缺陷的方法，日本专利特开平3-296408号公报(Yamatake et al.)揭示了一种利用激光束相干的方法，在该方法中，铜质包层叠层制造方法用来对各个相应绝缘基底的正反面上形成达几十微米的铜质层进行蚀刻加工，将多个这种铜质包层基底叠层形成最终产品，叠层前其上偶而在基底表面有裂纹、凹痕、锈迹、污迹等缺陷发生，需要预检。经辊压由于有约几微米的很细微不平整发生，致使基底表面金属光泽进一步黯淡，通常用注入树脂的构件形成绝缘基底就造成该构件呈现筛状外观。在公知缺陷检测方法中，对所有表面上规则出现的不平整的检测和对亚光平面上很细微缺陷的检测都是通过相对这些平面以小角度照射激光束进行的，通过观察该光束在此反射的表面上的细微结构所造成的干涉带检测该缺陷。具体来说，激光源出射的光束由透镜展宽为光缝形状，该缝状光束经投射透镜以小角度入射到其上将反射的基底其预定宽度的区域。这样反射的光投射在激光束光源对面配置的屏幕上，呈干涉图样。在基底表面有裂纹的场合，就会观察到干涉带，此带区由电视摄像机摄取，通过图像处理设备可以鉴别该缺陷。
但在上述检测三维结构的前一种方法中，存在这样的问题，由于是基于对象的表面形状在该对象各个表面均为相同这一假定构造出反射率图的，因而此方法不适用于表面反射率有波动的对象。而且，由于采用不规则反射分量，因而此方法不适用于由此得不到不规则反射分量的有光泽对象。此外，以照明光源进行照明作为参照时，将随亮度变化得到该三维结构，因而检测明显受到照明二次反射的影响。
而在后一种检测缺陷的方法中，存在有这样的问题，基底上任何异物都会造成干涉带有显著变化，而误检测为不合格。此外，若基底含有翘曲，该干涉带便逃出视野，而无法正常测定。
只要无法得到三维结构，就无法互相区别含有某些凹痕的缺陷和不含任何凹痕的缺陷。此外，要利用激光束的干涉现象，因而，由此显著影响对基底表面上很细微结构的检测。
本发明是为了解决上述问题提出的，其目的在于提供一种允许特别是具有彩色明暗度或光泽的对象的准确三维结构的图像处理方法。
本发明另一目的在于提供一种包括一不大受表面特性和异物影响，能够稳定检测对象表面缺陷的缺陷检测方法在内的成像处理方法。
本发明第一方面的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
按与对象辊压方向基本一致的方向设置对对象摄像用的电视摄像机和对对象照明用的光源；
边变动光源、对象和电视摄像机的相对位置关系，从而顺序变动入射照明光在对象表面多个位置上的角度，边用电视摄像机顺序获得对象的多幅图像；
就不同入射照明光角度的多幅图像，获得在相同点处亮度最大时的入射直接反射光的角度分布；
在检测对象表面上多个预定点处获得表明直接反射光角度分布的图像。
本发明第二方面的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
按与对象辊压方向基本一致的方向准备对对象摄像用的电视摄像机和对对象照明用的光源；
边变动光源、对象和电视摄像机的相对位置关系，顺序变动入射照明光在对象表面相应位置上的角度，边由电视摄像机获得对象的多幅图像；
就不同角度入射照明光的多幅图像，获得在相同点处亮度最大时的入射直接反射光的角度分布；
在对象表面上许多预定点处获得表明入射直接反射光角度分布的角度分布图像；
通过进行角分布图像鉴别来判定对象表面上的缺陷部分。
本发明第三方面的图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
按与对象辊压方向基本一致的方向准备对对象摄像用的电视摄像机和对对象照明用的光源；
边变动光源、对象和电视摄像机的相对位置关系，顺序变动入射照明光在对象表面相应位置上的角度，边由电视摄像机获得对象的多幅图像；
就不同角度入射照明光的多幅图像，获得在相同点处亮度最大时的入射直接反射光的角度分布；
在对象表面上所要的许多预定点处获得表明入射直接反射光角度下亮度的亮度分布图像；
通过进行亮度分布图像鉴别来判定对象表面上的缺陷部分。
根据本发明，利用这样一种图像处理方法可以达到上述目的，它包括以下步骤：设置摄取对象的电视摄像机和照明该对象用的光源；相对变动该光源、对象和电视摄像机的位置关系，以顺序变动入射照明光在对象表面上的多个位置处的角度，并由电视摄像机顺序获得该对象多幅图像；获得一以不同角度入射照明光的多个图像相同点处亮度为最大时入射直接反射光的角度分布；获得表明待检测对象表面上多个预定点处直接反射光角度分布的图像。
利用上述方法，能够以简单的布置来测定检测对象表面上所有点的表面梯度。
本发明所有其他目的和优点会在以下结合附图所示的较佳实施例对本发明所作的详细说明当中变得清楚。
图1是进行本发明图像处理方法实施例的设备的布置原理示意图。
图2是图1实施例布置的理论示意图。
图3是图2布置中电视摄像机所摄取的对象的简略示意图。
图4是图2中电视摄像机所摄取的对象的另一简略示意图。
图5是不同梯度的表面上亮度变化的示意图。
图6是图1实施例的流程图。
图7是图1实施例设备的示意图。
图8是用图7设备得到的图像的示意图。
图9是图1实施例中得到的角度分布图像的示意图。
图10是图1实施例中得到的亮度分布图像的示意图。
图11是通过变换图9所示的角度分布图像获得表面梯度分布图像的示意图。
图12是通过处理图11所示的梯度分布图像获得三维结构图像的示意图。
图13是相对于图1实施例提高精度的补充方法的示意图。
图14是进行本发明图像处理方法另一实施例所用设备的简略示意图。
图15是进行本发明图像处理方法另一实施例所用设备的简略示意图。
图16(a)和16(b)是图15所示实施例中电视摄像机和检测对象之间位置关系变动的外观示意图。
图17是加速本发明图像处理方法的另一实施例所用设备的示意图。
图18是加速本发明图像处理方法的另一实施例所用设备的示意图。
图19是本发明图像处理方法中角度分布特性图像的简略示意图。
图20至22分别是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中进行梯度校正时各加工形态的简略示意图。
图23(a)是本发明包含表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中检测缺陷加工形态所用的标准图像的简略示意图。
图23(b)是与图23(a)相同这种检测图像的示意图。
图24(a)是示意缺陷为凹痕时在光源垂直方向上出现的照明角变化的示意图。
图24(b)是示意缺陷为***时在光源垂直方向上出现的照明角变化的示意图。
图25是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中检测裂纹缺陷加工形态的示意图。
图26是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中检测锈迹缺陷加工形态的示意图。
图27是说明本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中检测锈迹缺陷加工形态的流程图。
图28是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中以污点区域作为参照进行缺陷检测这种加工形态的示意图。
图29是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中也以污点区域作为参照进行缺陷检测这种加工形态的示意图。
图30是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中对异物进行检测这种加工形态的理论示意图。
图31是本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中对异物进行检测这种加工形态的示意图。
图32是说明本发明包括表面缺陷检测方案在内的图像处理方法中对异物进行检测这种加工形态的流程图。
现结合附图所示具体实施例说明本发明，但应理解，这种说明并非为了将本发明仅限定为这些具体实施例，而是包括所附权利要求保护范围内可行的所有替换，修改和等效方案。
参照本发明实施例，图1简略示出进行本发明图像处理方法实施例所用的图像处理设备，此设备包括电视摄像机1、光源2和图像处理部4，从而象铜质包层叠层基底这类检测目标3的表面其叠层表面由电视摄像机1摄取，该电视摄像机所摄取的图像在图像处理部4中处理。
具体来说，该基底铜质层表面上达几微米的不平整，表现为在对该层辊压加工时以辊压方向上横着的条纹的形式出现在整个表面上，因而光源2发出的光便由表面上这种细微不平整不规则地反射，但造成一较强的直接反射分量沿辊压方向出现在反射角方向上。在此处所示的设备中，电视摄像机1因而设置在与辊压方向基本一致的方向上，用于如相应箭头所示变动光源2、电视摄像机1和检测对象3互相位置关系时观察直接反射分量。对于不同角度的入射照明光进行观察得到的图像例如如图3和4所示。这里，光源2位于图2中L1位置时，对象3表面上位置A处的被照明部分几乎是平的，因而光源2的入射光的直接反射分量以图3中横向延伸带区A的形式出现。而在图2所示凹痕B形式的缺陷部分，则有图3所示这种局部直接反射分量B1出现。当光源2处于图2另一位置B时，图4中与图2中位置A相对应的部分A2观察不到直接反射分量，而在图4中与图2中部分B相邻部分相对应的部分B2观察到一带区形式的直接反射分量。然而，缺陷部分在表面方向上(图2中B处)局部不同的情况下，总得不到直接反射分量。当入射照明光角度变化时图4中位置A和B处的亮度变化如图5所示，其中发现，在黑点曲线示出的平整部分A与斜率不同于部分A的白点曲线示出的缺陷部分B之间，代表最大亮度(对应于曲线的位置Pa和Pb)的入射照明光的角度是不同的。因而，通过边变动入射照明光角度边顺序测定亮度，可获得亮度最大的照明角，即对象上相应测定点处入射的直接反射光的角度，通过在对象上多个预定点获得这种入射直接反射光的角度，可以得到表现入射直接反射光角度分布的图像(角分布图像)。
接下来，参照图6流程图说明本发明方法中图像处理部4的处理动作。首先，移动光源2的实例将作为形成最简单方案的例子说明。图7中示出执行本实施例设备的动作，动作中可用电视摄像机1得到的图像示于图8。
首先，对电视摄像机1、光源2和检测对象3的位置进行初始设定(i□0)，以便由光源2照明检测对象3时直接反射分量将入射到电视摄像机1视野一端的边缘部分。然后，移动光源2，光源2每次移动固定量(i□i+1)之后，256级密度变化的图像信号从电视摄像机1输入至图像处理部4。移动光源2，直到光源2的出射光在对象3上的直接反射出现在视野的另一端边缘部分为止，光源2从位置p0一直移动至pn，所摄取的图像在图8中从S0到Sn。
接下来，就所摄取图像相应像单元对图像S0至Sn在相同座标(x，y)处的亮度I0至In进行比较，获得表明最大值的图像号“i”和为最大值“i”时的亮度Ii。图像号“i”还被当作标注照明角的数值，并记录为在角分布图像RP座标(x，y)处的像单元值。此外，最大亮度Ii记录为在亮度分布图像RI座标(x，y)处的像单元值。
利用上述处理，最终获得如图9所示这种角分布图像RP和如图10所示这种亮度分布图像RI。角分布图像RP中存储的数据是亮度在相应座标中为最大的图像号，由于对于该设备布置来说，该图像号的电视摄像机、光源2和检测对象3的位置关系是已知的，根据它可以将角分布图像RP变换为图11所示表现表面固有梯度的图像。接着，通过在图11中“y”方向上对该梯度图像积分，还可以恢复如图12所示这种完整的三维结构。
在前述实施例方法中，是将摄取作为表明入射照明光角度的指数用的图像号用于产生角分布图像RP的，但最终分辨率仅限于由摄像机1、光源2和对象3之间相对移动速度和图像摄取间隔所确定的入射照明光角度变化的分辨率。
作为实施这种方案的测定，可以考虑一种入射照明光角度和亮度的关系由高斯函数、二次函数等作近似的方法，由这种函数的峰值得到该亮度的峰值，具有超过照明角移动分辨率的分辨率(分像素检测法)。也就是说，可以通过近似函数FP得到峰值(B)，以高于只是取得最大值的情形(A)的分辨率获得给出最大亮度的入射照明光的角度，因而测定分辨率得到提高。
在图7形态中，在所用设备当中，电视摄像机1和检测对象3位置固定，只有光源2移动，但每次检测范围限于电视摄像机1视野大小的前述布置有可能不适合检测对象3属于长的纵向延伸的表面(例如辊压薄铜页)的情形。在那种情形，用这样一种布置，使电视摄像机1和光源2的位置关系作为一个整体固定，使检测对象3或该整体相对移动，这样进行测定较为有效。用此方法的设备其简略布置示于图14，其中设置传送带5，用来移动检测对象3。
在检测对象3横向宽度较宽而需要较大照明源作为光源2的场合，通过固定对象3和光源2而移动电视摄像机1使得上述检测手段行之有效。用于这种测定的设备其简略布置示于图15。
利用图14和图15这种布置，需要在相应图像间就对象上的同一点达成对应关系，这是因为，电视摄像机1和对象3的位置关系的变动与光源2移动的布置不一样。图16(a)和图16(b)示出对象3表面上的相同缺陷部分B，但应理解，由于摄像机1和对象3之间存在相对移动，因而缺陷部分B象是在图像上移动。因为这种运动量可以根据摄像机1与对象3之间相对运动的速度以及所用的光学***布置估计得到，因而可以在相应图像间就对象3上相同部分达成对应关系。
在检测对象3相对于电视摄像机1较大场合或要求高速度处理的场合，单个电视摄像机1有可能不够。在这种情况，可以通过如图17所示用多个并行布置的电视摄像机1来解决。
还可以通过利用光源2中包括的发光二极管、氖灯等的多种彩色光，在一个电视摄像机1的视野内获取多种彩色光的直接反射分量，并通过彩色图像处理分开处理这些不同色光分量，以减小摄取图像的频度，并在较短的时间内进行测定。这种工作形态的布置如图18所示，其中光源有红色2R，绿色2G和蓝色2B。
在上述图7实施例布置中，可以通过移动光源2获得如图8所示直接反射分量在平整部分逐渐移动的多个图像。角分布图像RP将属于那些如图19所示在垂直方向上有梯度的图像，这是因为，图像RP当中相应像单元的亮度为最大的图像号被视为像单元值。这种梯度保持原样时，利用阈值等通过简单处理对缺陷部分的检测将会不够方便，因而需要对梯度进行校正。要达到该目的，可以考虑两种方法布置该装置。
第一布置方案中，利用的是角分布图像RP中梯度仅出现在画面的垂直方向上，并通过在这些图像画面的垂直方向上线性微分来消除梯度，其布置如图20所示。利用该布置可达到这样的效果，不仅可消除检测对象3表面中对梯度、大起伏、翘曲等的校正，而且能突出任何细小缺陷部分。
第二布置方案中，利用作为基准的入射照明角的变化量初步估计图像中出现的梯度，并通过获得角分布图像RP中估计梯度和实际梯度之差来校正该梯度。
第二布置示于图21，据此从原始像单元值减去如图21所示这种梯度量，给出的图像可以如图22所示那样平整。在该布置方案中，无法消除目标3的表面起伏或翘曲，在需要检测起伏或翘曲时这种布置将会很有效。
接下来说明所用到的以获得的角分布图像RP对实际缺陷进行检测的处理方法。作为最简单的缺陷检测布置方案，首先将利用特定布置对非缺陷物体所测定的数据保存作为如图23(a)所示的标准图像，以便对检测对象测定时与如图23(b)所示的检查图像数据进行比较。
通过采用存储在角分布图像RP中的表面梯度数据，可以检测待检测对象3上出现的细微凹痕、***、裂纹等。而且，就表面梯度数据而言，梯度在光源移动方向上的波动对于凹痕缺陷和***缺陷是截然相反的，利用这些数据可以鉴别缺陷的种类。凹痕缺陷和***缺陷情形在图7中Y方向上入射照明光的角度的变化如图24(a)和图24(b)所示。
接下来说明所用到的以获得的亮度分布图像RI对实际缺陷进行检测的处理方法。如上文已提及的布置所得到的亮度分布图像RI当中，存储的是目标3的表面反射率数据，对这些数据的分析允许检测出伴有亮度波动的缺陷，即裂纹缺陷或锈迹缺陷。
金属表面遭到任何别的硬物刮伤时出现裂纹缺陷，其表面轮廓显示表面微结构被刮成接近为镜表面。因而其反射率较高，呈现为在所得到的亮度分布图像RI中如图25所示那种明亮缺陷的形式。因为裂纹的特征在于以线性形式出现，通过提取在亮度分布图像中亮度线性变化的部分，能够检测该裂纹缺陷。
而在锈迹缺陷的场合，由于氧化，金属层的反射率下降，因而所得到的亮度分布图像中出现的将是如图26所示那种暗缺陷。因为锈迹缺陷在面积上明显大于其他缺陷，故可以将亮度分布图像中其亮度比周围低、其面积大到某种程度的任何部分鉴别为锈迹缺陷。
参照图27所示的流程图说明锈迹缺陷检测方法。首先按阈值TH1将亮度(分布)图像变换为二进制码。接下来，如图28所示提取某种顺序的区域并编号，获得所提取的相应区域的表面面积，将面积超过阈值TH1的某个区域视为锈迹缺陷部分。图29示出具有编号1和3的区域被判定为锈迹缺陷的状态。
在检测对象3表面上有异物的场合，由于光源2如图30所示总是相对于异物6在相对一侧的，因而电视摄像机1观测到的异物6呈黑色轮廓像。所以，与异物相对应部分在亮度分布图像中如图31所示作为黑斑出现。因而能够将对象表面上的异物6与任何***缺陷相区别，这是因为，异物6具有比***高的高度，而显示如上文所述特性。由于异物6在亮度分布图像中表现为小面积的黑斑，故低亮度但与锈迹相反、具有较小面积的部分，可以鉴别为异物。
这里参照图32所示的流程图说明异物6的检测方法，首先按阈值TH2将亮度(分布)图像RI变换为二进制码，再如图28所示提取带顺序区域，获得这些区域的表面面积，其面积低于阈值TH2的任何区域可以视为异物。在这种情况下，图29中具有编号2的区域将鉴别为异物6。

Claims (20)

1.一种图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
按与对象辊压方向基本一致的方向设置对对象摄像用的电视摄像机和对对象照明用的光源；
边变动光源、对象和电视摄像机的相对位置关系，从而顺序变动入射照明光在对象表面多个位置上的角度，边用电视摄像机顺序获得对象的多幅图像；
就不同入射照明光角度的多幅图像，获得在相同点处亮度最大时的入射直接反射光的角度分布；
在检测对象表面上多个预定点处获得表明直接反射光角度分布的图像。
2.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，所用光源为线型光源。
3.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，所用光源为点光源。
4.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，以对象上相同位置处的入射直接反射光的角度为基准，在与图像相应像单元相对应的位置处获得对象的三维结构。
5.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，根据对象与电视摄像机的相对位置关系，就对象上的相同位置，在电视摄像机摄取的多幅图像之间达成对应关系。
6.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，在存储对象相同位置处入射直接反射光角度当中，根据显示最大亮度图像前后图像的亮度数据进行插补处理。
7.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，在所观察的直接反射分量移动的方向上对角分布图像进行线性微分。
8.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，角分布图像中，根据入射照明光的角度变化范围校正在所观察的直接反射分量的移动方向上出现的像单元值的梯度。
9.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，电视摄像机与对象间的位置关系固定，使光源移动以顺序改变入射照明光在对象相应位置处的角度。
10.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，电视摄像机与光源间的位置关系固定，使对象移动以顺序改变入射照明光在对象相应位置处的角度。
11.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，对象与光源间的位置关系固定，使摄像机移动以顺序改变入射照明光在对象相应位置处的角度。
12.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，同时用多个电视摄像机。
13.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，用多种互不相同彩色的光源。
14.如权利要求1所述的图像处理方法，其特征在于，对象为辊压金属时，电视摄像机设置成观察方向与该辊压金属上形成的条纹方向对齐。
15.一种图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
按与对象辊压方向基本一致的方向准备对对象摄像用的电视摄像机和对对象照明用的光源；
边变动光源、对象和电视摄像机的相对位置关系，顺序变动入射照明光在对象表面相应位置上的角度，边由电视摄像机获得对象的多幅图像；
就不同角度入射照明光的多幅图像，获得在相同点处亮度最大时的入射直接反射光的角度分布；
在对象表面上许多预定点处获得表明入射直接反射光角度分布的角度分布图像；
通过进行角分布图像鉴别来判定对象表面上的缺陷部分。
16.如权利要求15所述的图像处理方法，其特征在于，根据角分布图像中的表面梯度数据来鉴别缺陷部分的种类。
17.一种图像处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
按与对象辊压方向基本一致的方向准备对对象摄像用的电视摄像机和对对象照明用的光源；
边变动光源、对象和电视摄像机的相对位置关系，顺序变动入射照明光在对象表面相应位置上的角度，边由电视摄像机获得对象的多幅图像；
就不同角度入射照明光的多幅图像，获得在相同点处亮度最大时的入射直接反射光的角度分布；
在对象表面上所要的许多预定点处获得表明入射直接反射光角度下亮度的亮度分布图像；
通过进行亮度分布图像鉴别来判定对象表面上的缺陷部分。
18.如权利要求17所述的图像处理方法，其特征在于，在亮度分布图像中，通过检测亮度按线性形状发生变化的部分来鉴别裂纹缺陷。
19.如权利要求17所述的图像处理方法，其特征在于，通过给定缺陷部分面积的参考值，并检测出其中亮度明显不同于标准亮度的像单元顺序给出的面积大于该参考值的部分，来鉴别锈迹缺陷。
20.如权利要求17所述的图像处理方法，其特征在于，通过给定缺陷部分面积的参考值，并检测出其中亮度明显不同于标准亮度的像单元顺序给出的面积小于该参考值的部分，来鉴别所检测对象表面上存在异物。
CN97113761A 1996-06-25 1997-06-25 图像处理方法 Expired - Lifetime CN1105995C (zh)

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