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基于三維信息分析的表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)提升視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)儀的性能

機(jī)器視覺(jué) ? 來(lái)源:測(cè)量俱樂(lè)部 ? 作者:測(cè)量俱樂(lè)部 ? 2022-11-23 10:02 ? 次閱讀
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三維信息與表面質(zhì)量檢測(cè)

表面質(zhì)量檢測(cè),對(duì)于工業(yè)品質(zhì)量控制有著極為重要的意義,也是公司視覺(jué)與圖像系統(tǒng)事業(yè)部多年來(lái)專注和聚焦的戰(zhàn)略方向。對(duì)于表面質(zhì)量檢測(cè),大量的缺陷其物理表現(xiàn)都是表面圖案的改變,如印刷品的疵點(diǎn)、PCB的短路斷路、LCD屏的色斑輝點(diǎn),檢測(cè)這些缺陷最經(jīng)典的方法是通過(guò)拍攝的表面圖像進(jìn)行分析。這種通過(guò)平面圖像信息進(jìn)行缺陷判定是傳統(tǒng)表面質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的方法。但是,僅僅局限于二維信息進(jìn)行質(zhì)量分析,并不能完全滿足產(chǎn)品、工藝的檢測(cè)要求。在工業(yè)品表面質(zhì)量檢測(cè)中,存在一些對(duì)3D信息要求的典型應(yīng)用場(chǎng)景:

①表面質(zhì)量檢測(cè)中,有一類缺陷是在深度上的變化,如印刷品的劃傷、電子產(chǎn)品的表面劃痕、PCB的導(dǎo)線凹陷等等,而PCB的多銅(短路、銅渣等)和缺銅(斷路、針孔、缺口等)其實(shí)也是在深度上有變化。對(duì)于深度缺陷,一類檢測(cè)方式是通過(guò)光源的設(shè)計(jì),增強(qiáng)或削弱其在圖像中表現(xiàn),這樣將后序的處理納入傳統(tǒng)表面圖像檢測(cè)的流程。一類方法是設(shè)法測(cè)得深度變化的具體值,即進(jìn)行表面深度測(cè)量;

在某些質(zhì)量檢測(cè)場(chǎng)合,產(chǎn)品表面的3D形狀尺寸本身就是質(zhì)量判決的要求和依據(jù)。典型的如表面貼裝、錫膏厚度、產(chǎn)品外觀裝配尺寸等;

有時(shí)候我們需要深度信息來(lái)幫助判斷,最典型的是LCD檢測(cè)中,隔著0.2mm~0.7mm的玻璃,在其上的是可以清除的灰塵,在其下的是真實(shí)缺陷。

三維測(cè)量,是當(dāng)前熱門的重大技術(shù)方向,廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、逆向工程與3D打印、影視特技、虛擬現(xiàn)實(shí)、仿真、文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)、公安和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域,而在表面質(zhì)量檢測(cè)中,將信息從平面圖像信息拓展到三維信息有特殊的價(jià)值和意義:

獲得深度的具體數(shù)值,便于設(shè)置不同的門限以適應(yīng)生產(chǎn)的要求;

部分工藝是需要獲得深度準(zhǔn)確值的,如PCB中的盲孔檢測(cè);

深度特征穩(wěn)定性好。如在PCB檢測(cè)中,深度特征不易受氧化的影響,極大地●有利于減少誤報(bào);

深度特征在一些應(yīng)用條件下好壞品區(qū)分度好,可能遠(yuǎn)優(yōu)于平面圖像特征;

某些深度缺陷很難通過(guò)光源的設(shè)計(jì)在平面圖像中進(jìn)行表現(xiàn);

深度的數(shù)值測(cè)量有極大的應(yīng)用拓展前景。

表面質(zhì)量檢測(cè)中對(duì)于三維測(cè)量的特殊要求

不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于三維測(cè)量技術(shù)的要求和工作模式有很大區(qū)別,對(duì)于表面質(zhì)量檢測(cè),從需求和約束上看,對(duì)三維測(cè)量有其自身的要求:

需要對(duì)一個(gè)基本平整的表面上進(jìn)行;

深度基本沿法表面法向變化;

深度變化較小,很多在10微米量級(jí),基本范圍在1微米~2000微米之間,深度變化與被測(cè)表面尺度的比值非常??;

深度變化區(qū)域的徑深(高)比可能較大,也即是存在部分“井”或“塔”的模式。

深度測(cè)量精度要求高,一般在5~10微米的精度;

采樣密度要求高,在被測(cè)表面上采樣較密;表

面存在多樣化的反射特性;

這種問(wèn)題一般性地表述為對(duì)一個(gè)平面上的微小起伏的測(cè)量。

常用于質(zhì)量檢測(cè)的三維測(cè)量技術(shù)

深度測(cè)量及與其密切相關(guān)的三維測(cè)量,是一個(gè)龐大的技術(shù)領(lǐng)域,有機(jī)械、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等多種方法,以適應(yīng)不同的應(yīng)用需要。

當(dāng)前本領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的最顯著特點(diǎn)是大量技術(shù)從早前的研究而進(jìn)入了實(shí)用化和產(chǎn)品化甚至模塊化階段。大量的三維測(cè)量?jī)x器出現(xiàn)在市場(chǎng)上,得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

接觸法

接觸法用可以精確定位的探針去逐點(diǎn)接觸物體表面,測(cè)得被接觸點(diǎn)的空間坐標(biāo)。探針在物體表面掃描一遍,可以得到物體表面各點(diǎn)的坐標(biāo)。傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是基于這一原理。這種方法原理簡(jiǎn)單,量測(cè)精度高,但裝置復(fù)雜,量測(cè)速度慢。

需要特別注意的是,將結(jié)構(gòu)光或多目視覺(jué)模組安裝在三坐標(biāo)或關(guān)節(jié)臂上,可實(shí)現(xiàn)多方位掃描測(cè)量,解決物體表面形狀復(fù)雜帶來(lái)的遮擋問(wèn)題,這種模式是當(dāng)前在技術(shù)原理上最為成功和實(shí)用的三維圖像獲取方法。

ТОF

飛行時(shí)間法(Time of Flight,簡(jiǎn)稱TOF)。這類方法由測(cè)距器主動(dòng)向被測(cè)物體表面發(fā)射探測(cè)信號(hào),信號(hào)遇到物體表面反射回來(lái),測(cè)量信號(hào)的飛行時(shí)間或相位變化,可以推算出信號(hào)飛行距離,從而得到物體表面的空間位置信息。其最大優(yōu)點(diǎn)是遮擋小,受反射特性影響小。這種經(jīng)典的方法經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已有成熟的面陣探測(cè)陣列-TOF相機(jī)產(chǎn)品面世。

共焦法

根據(jù)高斯薄透鏡公式,已知焦距和像距,可以計(jì)算出物體到透鏡的距離,移動(dòng)透鏡,通過(guò)判斷聚焦情況,可以得到曲面表面形貌的信息,如根據(jù)在不同的透鏡位置圖像中尋找最佳聚焦點(diǎn)可以勾勒出物體表面等高線。

作為共焦法的改進(jìn),近年發(fā)展了光譜共焦式深度傳感器。探頭由光源和特殊的光學(xué)透鏡組構(gòu)成。透鏡組將光源發(fā)出的多色平行光(白光)進(jìn)行光譜分光,形成一系列波長(zhǎng)不同的單色光,同時(shí)再將其同軸聚焦。由此在有效量程范圍內(nèi)形成了一個(gè)焦點(diǎn)組:每一個(gè)單色光波長(zhǎng)的焦點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)軸向位置。在被測(cè)物體表面上聚焦的單色光又被反射回到傳感器的控制器,利用控制器內(nèi)的光譜分析儀確定該反射光的波長(zhǎng),從而確定被測(cè)表面的相對(duì)高程位置。這種方法理論上對(duì)深度測(cè)量的精度可以達(dá)到的光波長(zhǎng)量級(jí)?;谠撛硪寻l(fā)展出成熟的產(chǎn)品。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法(雙目/多目視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光/編碼光、計(jì)算攝像學(xué)等)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法是三維測(cè)量最經(jīng)典也是最常用的方法。

近年來(lái)出現(xiàn)了大量基于雙目/多目視覺(jué)、結(jié)構(gòu)光/編碼光原理的3D相機(jī),使得這一技術(shù)走向廣泛應(yīng)用。而以計(jì)算攝像學(xué)為代表的新原理新技術(shù),也開(kāi)始在三維測(cè)量領(lǐng)域嶄露頭角。

幾種技術(shù)的比較

盡管有大量的三維測(cè)量方法和成熟產(chǎn)品,但在表面檢測(cè)應(yīng)用中,受精度要求和應(yīng)用條件的限制,仍不存在完全令人滿意的方法,需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。表面檢測(cè)應(yīng)用對(duì)于三維測(cè)量技術(shù)最大的挑戰(zhàn)表現(xiàn)在精度、速度和表面特性的影響。

共焦法精度高,但基本只能用于單點(diǎn)測(cè)量和核查。結(jié)構(gòu)光和多目視覺(jué)的方法面臨的最大困擾是被測(cè)對(duì)象表面特性的影響,如拋光/鏡面易令結(jié)構(gòu)光法失效,而許多被測(cè)產(chǎn)品表面可做為匹配點(diǎn)的紋理匱乏則令雙目、多目設(shè)備無(wú)法工作。從精度來(lái)說(shuō),不同的技術(shù)存在著理論和工程上限。下圖表示了目前幾種典型的非接觸測(cè)量方法的精度范圍。

基于三維測(cè)量和基于三維信息分析的表面質(zhì)量檢測(cè)技術(shù),是對(duì)于傳統(tǒng)表面質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)的重要補(bǔ)充,并將成為表面質(zhì)量檢測(cè)的重要方向。目前仍不存在滿足各種表面檢測(cè)要求的通用三維測(cè)量技術(shù)。充分應(yīng)用三維測(cè)量技術(shù)和器件發(fā)展的成果,并基于應(yīng)用要求和工藝特點(diǎn),改進(jìn)和發(fā)展相關(guān)技術(shù),將滿足日益發(fā)展的檢測(cè)要求,有可能極大提升視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)儀的性能,甚至形成代差性的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),應(yīng)做為表面檢測(cè)領(lǐng)域必須高度重視的技術(shù)方向。

審核編輯:郭婷


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原文標(biāo)題:從平面到3D-視覺(jué)檢測(cè)的重要方向

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