[发明专利]金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法

摘要

本发明涉及一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置和方法，属于视觉检测技术领域。所述的检测装置包括光学与传感系统、测量控制系统、计算机信息处理系统和记录显示系统。其中光学与传感系统由第一透镜组、一片透射式衍射光栅、第二透镜组、一个硅基液晶、一台CCD相机和外部壳体组成，用于测量一维光谱数据加二维空间数据信息。所述的检测方法包括光谱谱线的标定、寻找最优光谱波段和图像分割处理。本发明通过采集丰富的三维数据阵列信息和最优光谱波段选取，减少了环境光，金属工件形貌和姿态等因素对检测结果的影响，有效提高了金属锈斑的视觉检测准确度和精度。

主权项

一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测方法，其中所采用的一种金属锈斑最优光谱波段选取视觉检测装置包括光学与传感系统(10)、测量控制系统(20)、计算机信息处理系统(30)和记录显示系统(40)；所述光学与传感系统(10)用于测出金属件的一维光谱数据加二维空间数据信息；所述测量控制系统(20)用于对所述光学与传感系统(10)的成像光谱进行选择；所述的计算机信息处理系统(30)用于对采集的一维光谱数据加二维空间数据分析计算处理，并将处理结果传送给所述的记录显示系统(40)；所述记录显示系统(40)记录并显示金属锈斑的检测结果；所述光学与传感系统(10)包括：第一透镜组(1)、一片透射式衍射光栅(2)、第二透镜组(3)、一个硅基液晶(4)、一台CCD相机(5)和外部壳体(6)；所述的第一透镜组(1)作为物镜将被测金属目标成像到所述的衍射光栅(2)面上；所述的衍射光栅(2)将入场光线色散，形成一维衍射光谱；所述的第二透镜组(3)将入场光线成像在CCD面的同时，在所述的硅基液晶(4)面形成一维线性光谱；所述的硅基液晶(4)通过所述的测量控制系统(20)发出的控制信号对不同波长光线进行选择；所述的CCD相机(5)接收成像光线，实现所述光学与传感系统(10)的多光谱成像；所述的外部壳体(6)用于固定光学元件，并对光路进行密封以避免外界干扰光进入；其特征在于，包括以下步骤：步骤一、光谱谱线的标定：选用主波长为405nm、510nm和650nm三种半导体激光器进行光谱标定；半导体激光器放置在光学与传感系统(10)的成像入口处；调整半导体激光器同光学与传感系统(10)的相对位置以实现准直；已知波长的激光束发生偏折后到达所述的硅基液晶(4)面上，形成一条谱线；调整所述CCD相机(5)位置，使CCD对硅基液晶面成像，从而得到谱线与图像坐标的对应关系；依次完成405nm、510nm和650nm三种固定波长对应的硅基液晶面坐标采样；利用已知的波长光谱与硅基液晶面坐标关系进行线性插值，补全整个光谱，得到光谱标定函数M；光谱谱线标定结束后，将所述CCD相机(5)重新调整回原位，使CCD面与硅基液晶面相对所述的第一透镜组(1)互为共轭；步骤二、寻找最优光谱波段：测量控制系统(20)控制所述的硅基液晶(4)晶元的开关，使可见光波段分成N个细小波段；依次选取各细分波段为开状态，对应波长光线在CCD面成像；将光学与传感系统(10)多次采集不同波长的图像组合成三维多光谱数据；三维多光谱数据的表达式为：H(x,y,λ)=T-1Σn=1NI(x,y)nMn-1(u,v,λ)---(1)]]>T为在第一衍射级次光谱强度分布；I(x,y)n是CCD所采集的第n波段图像数据，x和y为图像的二维坐标，n＝1,2…,N；Mn(u,v,λ)是光谱标定所得对应关系的分段函数，u和v为硅基液晶面的二维坐标，即：M=Σn=1NMn(u,v,λ)---(2)]]>在计算机信息处理系统(30)中，对采集的三维多光谱数据做三维边缘检测，初步区分被测金属表面锈斑数据域与被测金属表面背景数据域；在两数据域内各任选一条谱线作为被测金属表面锈斑的系统光谱响应值Ho(λ)与被测金属表面背景的系统响应值Hg(λ)；考虑一维光谱信息，系统光谱响应值写为：Hx,y(λ)=Σn=1NSM(λ)Me(λ)E(λ)R(λ)---(3)]]>SM(λ)为硅基液晶在开状态下的CCD光谱响应函数；E(λ)为环境光源的光谱功率分布；R(λ)为被测金属表面的光谱反射函数；Me(λ)为最佳光谱选取函数；被测金属表面锈斑相对被测金属表面背景的对比度表现为两者系统光谱响应值的比值：Ho(λ)/Hg(λ)=Σn=1NSM(λ)Me(λ)E(λ)Ro(λ)/Σn=1NSM(λ)Me(λ)E(λ)Rg(λ)---(4)]]>寻找最佳光谱选取函数Me(λ)，即：Me(λ)表现为以光波长为变量的窗函数，设Me(λ)＝1 λ1＜λ＜λ1+Δλ  (6)则寻找最佳光谱选取函数变换为:当Δλ确定时，式子(7)成为以λ1为变量的曲线判定函数，选取函数最大值；测量控制系统(20)采用函数最大值所对应的Me(λ)来再次控制所述的硅基液晶(4)做出相应反应，这样便实现了光学与传感系统(10)的最优光谱波段成像Ie(x,y)；步骤三、图像处理：通过最优光谱波段成像，金属表面锈斑与金属表面背景在光学与传感系统(10)中形成鲜明对比；在计算机信息处理系统(30)中，取两者在最优光谱波段的平均值作为图像分割阈值，即：Th=Σλ=λ1λ1+Δλ[Ho,e(λ)+Hg,e(λ)]/2Δλ---(8)]]>经阈值分割处理后，得到金属锈斑的检测结果图像：Irust=1Ie(x,y)>Th(x,y)0Ie(x,y)<Th(x,y)---(9)]]>检测结果是一幅二值图像；当Ho＞Hg时，标注为1的像素为金属锈斑，标注为0的像素为金属表面背景；当Ho＜Hg时，标注为0的像素为金属锈斑，标注为1的像素为金属表面背景；计算机信息处理系统(30)将得到的金属锈斑检测结果传送给记录显示系统(40)。