基于激光視覺原理測量玻璃中氣泡的尺寸

肖長江，張景超，魏 勇，李興元，胡學(xué)良

(1.燕山大學(xué)理學(xué)院，秦皇島066004;2.燕山大學(xué)里仁學(xué)院，秦皇島066004)

引 言

平板玻璃廣泛用于建筑、汽車、制鏡、顯示、光伏等行業(yè)，氣泡、結(jié)石、裂紋等缺陷的存在不僅影響其美觀還直接關(guān)系到玻璃的機(jī)械強(qiáng)度和透光性能［1］，進(jìn)一步的加工處理也很難消除缺陷。由于下游產(chǎn)業(yè)對(duì)玻璃原片的質(zhì)量要求不斷提高［2-4］，這就需要對(duì)玻璃的缺陷進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控［5］。人眼對(duì)浮法玻璃上的缺陷并不敏感，且容易產(chǎn)生漏檢。目前，德、英、美等發(fā)達(dá)國家已具備較成熟的玻璃在線檢測系統(tǒng)，但設(shè)備價(jià)格昂貴。國內(nèi)一些公司也在試制玻璃缺陷在線自動(dòng)檢測系統(tǒng)，但檢測及識(shí)別速率、精度方面與國外還有較大差距［1］。檢測設(shè)備性能的提高可有效保障玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量，提高其市場競爭力［6］。激光視覺檢測技術(shù)［7-11］是一種可行有效的玻璃缺陷檢測技術(shù)。本文中主要探討玻璃氣泡的激光視覺檢測原理，采用線結(jié)構(gòu)光激光器(linear laser diode，LLD)、線陣 CCD 相機(jī)(linear array charge coupled device camera，LCCD)以及一套速率可調(diào)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室搭建了玻璃氣泡尺寸視覺測量系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究氣泡圖像的失真原因及失真情況下氣泡尺寸的測量問題。

1 激光視覺測量原理

視覺測量原理如圖1所示。圖1a中，LLD是線結(jié)構(gòu)激光器，LCCD是線陣CCD相機(jī)，n，t，l分別是平板玻璃法向、橫向和縱向。LLD發(fā)射一線結(jié)構(gòu)激光照射在平板玻璃上，成像透鏡將線光斑成像在LCCD像元陣列上，LCCD最大行頻由下式確定:

式中，νmax為最大行頻(單位為kHz)，ν為像素時(shí)鐘頻率(單位為MHz)，M為分辨率(即LCCD光敏單元上的像元個(gè)數(shù))。圖1b為n-O-t平面上的系統(tǒng)示意圖，其中，V為相機(jī)視場(單位為mm)，d為工作距離(單位為mm)，f為成像透鏡焦距(單位為mm)，s為像元尺寸(單位為μm)，由幾何光學(xué)可知，LCCD的視場由下式計(jì)算:

Fig.1 Sketch of laser vision measurement

LCCD的視場在橫向上是1維的，每次只采集一行，只有橫向信息，如果要獲取1幅圖像，浮法玻璃板必須沿縱向運(yùn)動(dòng)。

圖像的橫向精度可表示為:

式中，pt為圖像橫向精度(單位為mm)，即圖像橫向相鄰兩個(gè)像元間距代表玻璃板上橫向的實(shí)際尺寸(由于像元之間排列緊密，這里近似認(rèn)為像元間距與像元尺寸相等)。將(2)式代入(3)式得:

可以看出，在相機(jī)工作距離、焦距和像元尺寸確定的情況下，圖像的橫向精度是確定的。

縱向精度與LCCD的工作行頻和被攝物體的運(yùn)動(dòng)速率有關(guān)，其計(jì)算公式如下:

式中，pl為圖像縱向精度(單位為mm)，即圖像縱向相鄰兩行間距代表玻璃板上縱向的實(shí)際距離，vl為玻璃板的縱向運(yùn)動(dòng)速率(單位為mm/s)，νwork為LCCD的工作行頻(單位為kHz)。由(1)式可知，工作行頻νwork與工作像素時(shí)鐘頻率ν′的關(guān)系為:

將(6)式代入(5)式可得縱向精度與工作像素時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系:

由(5)式和(7)式可知，當(dāng)玻璃板縱向速率vl=0時(shí)，即使LCCD處于工作狀態(tài)(νwork≠0)，但由于此時(shí)pl=0，說明此時(shí)只能獲取線結(jié)構(gòu)光斑處的橫向信息，不能獲得玻璃氣泡的視覺圖像;當(dāng)玻璃板縱向速率vl≠0時(shí)，LCCD將獲得的1維橫向圖像信息進(jìn)行拼接從而采集玻璃表面的2維圖像信息。

根據(jù)(4)式和(7)式，由已知參量便可計(jì)算出圖像的橫向和縱向理論精度，利用獲取的玻璃氣泡橫向和縱向像素?cái)?shù)，便可以計(jì)算出氣泡的橫向和縱向尺寸。

式中，sl和st分別為氣泡縱向和橫向尺寸，Nl和Nt分別為氣泡縱向和橫向所占像素?cái)?shù)。

將(8)式中兩式相比得:

對(duì)于確定的氣泡，比值sl/st是恒定的，如圖2a所示;若pl=pt，則Nl/Nt=sl/st，說明圖像縱橫所占像素比等于實(shí)際氣泡的縱橫尺寸比，圖像反映了真實(shí)的氣泡形狀，如圖2b 所示;若 pl＞ pt，則 Nl/Nt＜ sl/st，說明圖像縱橫所占像素比小于實(shí)際氣泡的縱橫尺寸比，圖像存在壓縮變形，如圖2c所示;若pl＜pt，則 Nl/Nt＞sl/st，說明圖像縱橫所占像素比大于實(shí)際氣泡的縱橫尺寸比，圖像存在拉伸變形，如圖2d所示。

Fig.2 Sketch of bubble distortion

由(4)式和(5)式可得:

此式為保證圖像不失真時(shí)，LCCD當(dāng)前工作行頻νwork與玻璃板縱向運(yùn)動(dòng)速率vl之間的關(guān)系。相機(jī)的當(dāng)前工作行頻隨縱向運(yùn)動(dòng)速率成線性變化，當(dāng)縱向運(yùn)動(dòng)速率增大時(shí)相機(jī)的工作行頻相應(yīng)增大，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速率減小時(shí)相機(jī)的工作行頻相應(yīng)減小，二者比值保持不變。

由(4)式和(7)式可得:

即要保持玻璃氣泡不失真，工作像素時(shí)鐘頻率ν′與玻璃板縱向運(yùn)動(dòng)速率vl之間必須滿足的關(guān)系式，在相機(jī)焦距、工作距離、像元尺寸和分辨率確定的情況下，二者之間亦是一個(gè)線性關(guān)系，(10)式和(11)式就是LCCD與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)掃描匹配的關(guān)系式。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及參量

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。其參量如下:LLD是美國Prophotonix Ltd公司生產(chǎn)的inviso單線激光光源，激光線強(qiáng)度呈非高斯均勻分布，強(qiáng)度波動(dòng)10%以內(nèi)，功率19mW，峰值波長690nm，最高工作溫度33℃，扇角60°;LCCD相機(jī)由加拿大Dalsa公司生產(chǎn)，型號(hào)P2-22-06K40，像元尺寸 7μm ×7μm，分辨率 6144 ×1，最大行頻12kHz，相機(jī)接口采用Base Camera Link高速標(biāo)準(zhǔn)接口，采用相關(guān)雙采樣和嵌入式平場糾錯(cuò)算法保證其輸出均勻性，其波長響應(yīng)度在690nm達(dá)到峰值38DN/(nJ/cm2)@10dB，可以實(shí)現(xiàn)LLD和LCCD的最佳匹配。數(shù)據(jù)采集卡采用Dalsa公司的X64-CL iPro高速圖像采集卡，像素時(shí)鐘頻率達(dá)85MHz，數(shù)據(jù)密度為(8～16)bit/pixel，主機(jī)總線為 PCI-X66，幀緩存為32MB，軟件為Sapera LT 32 bit。相機(jī)鏡頭采用Nikon尼克爾自動(dòng)變焦鏡頭，焦距(24～85)mm可調(diào)，浮動(dòng)光圈F/(2.8～4)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為東莞市奧普特自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的往返式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，型號(hào)為OPTLBLS10，運(yùn)動(dòng)速率(0～200)mm/s，速率由廿博公司生產(chǎn)的高載頻脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變頻控制器調(diào)節(jié)，型號(hào)NS32，可以顯示工作頻率 f′為(0～30)Hz，工作臺(tái)行程(240 ～340)mm，工作臺(tái)尺寸220mm×220mm。

Fig.3 Experiment system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中采用的玻璃樣品(來自耀華玻璃廠)中心區(qū)有一橢圓形氣泡。根據(jù)平臺(tái)制造商提供的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參考速率與速率控制器工作頻率的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各工作頻率對(duì)應(yīng)的速率近似值如表1所示。實(shí)驗(yàn)中，工作距離d=420mm，焦距f=35mm，光圈選擇F/2.8，幀速10frame/s，圖像分辨率 2000pixel×480line，圖像壓縮率90%，工作像素時(shí)鐘頻率ν′=20MHz。按表1調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)速率，利用Sapera CamExpert圖像采集軟件抓取氣泡缺陷圖像如圖4所示，f′為速率控制器工作頻率。可以明顯看到隨速率的增大，氣泡圖像的縱向尺寸逐漸減小，而橫向尺寸幾乎不變，這與(4)式和(7)式的理論討論相符。

Table 1 Experiment data

Fig.4 Bubble images at the different velocities

3．1 氣泡圖像失真分析

將系統(tǒng)參量 f=35mm，M=6144，d=420mm，s=7μm和最大縱向運(yùn)動(dòng)速率vl，max=200mm/s代入(11)式得最大工作像素時(shí)鐘頻率νmax′≈15MHz，即當(dāng)玻璃板以最大縱向速率運(yùn)動(dòng)時(shí)，需匹配的工作像素時(shí)鐘頻率約為15MHz，速率小于200mm/s時(shí)，工作時(shí)鐘頻率必然小于15MHz，然而Sapera CamExpert中顯示可調(diào)節(jié)的最小時(shí)鐘頻率為20MHz，因此，在上述選定的焦距、工作距離內(nèi)，所觀察到的氣泡圖像必然發(fā)生變形失真。由(4)式和(7)式計(jì)算可得橫向精度 pt=0.084mm，最大縱向精度pl≈0.061mm，利用表1中的數(shù)據(jù)計(jì)算圖4中各圖像的縱向精度，可知pl＜pt，即氣泡圖像存在拉伸變形。

3．2 氣泡尺寸計(jì)算與誤差分析

利用Dalsa公司的Sapera Architect軟件可獲得氣泡圖像的縱向和橫向所占像素?cái)?shù)Nl和Nt，利用(4)式和(7)式可計(jì)算得到pt和pl，列于表1中，進(jìn)而利用(8)式可計(jì)算出氣泡尺寸。利用表1中的數(shù)據(jù)可得氣泡縱向和橫向測量尺寸隨平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率的變化關(guān)系曲線，如圖5所示，可見，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速率對(duì)氣泡縱向尺寸測量的影響遠(yuǎn)大于對(duì)橫向氣泡尺寸的測量，結(jié)果如表2所示，氣泡尺寸的橫向測量誤差較小，在誤差允許的范圍內(nèi);縱向誤差較大，已超出了誤差的允許范圍。

Fig.5 Influence of platform velocity on bubble size measurement

Table 2 Measurement results of bubble size

產(chǎn)生誤差的原因是:(1)計(jì)算采用的縱向運(yùn)動(dòng)速率只是一個(gè)均值，對(duì)于往返式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來說，必然存在速率或大或小的情況，這就造成縱向精度其實(shí)是隨時(shí)間變化的;(2)利用Sapera Architect軟件獲取縱向最大像素?cái)?shù)時(shí)，對(duì)興趣區(qū)的選擇存在一定的主觀性，不容易確定氣泡圖像的邊緣范圍;(3)利用Sapera CamExpert抓取氣泡圖像時(shí)，由于軟件響應(yīng)時(shí)間不同，也會(huì)帶來縱向測量誤差;(4)玻璃板在平臺(tái)上不規(guī)則的微小移動(dòng)對(duì)橫向和縱向測量都會(huì)或多或少的產(chǎn)生誤差。

4 結(jié)論

玻璃氣泡等缺陷的測量是玻璃生產(chǎn)過程中的必要環(huán)節(jié)，激光視覺測量是一種缺陷測量的有效手段，對(duì)于線陣CCD相機(jī)來說，相機(jī)橫向掃描和玻璃運(yùn)動(dòng)的縱向掃描之間的匹配可以實(shí)現(xiàn)氣泡圖像的采集，在相機(jī)工作距離、焦距和像元尺寸確定的情況下，橫向精度通常保持不變，但縱向精度卻隨玻璃運(yùn)動(dòng)速率的變化而變化，當(dāng)縱向精度大于橫向精度時(shí)，圖像發(fā)生壓縮變形;當(dāng)縱向精度小于橫向精度時(shí)，圖像又發(fā)生拉伸變形;只有縱向精度與橫向精度相等時(shí)，才能獲得無失真的圖像。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，縱向尺寸測量誤差較大，而橫向精度卻不隨玻璃運(yùn)動(dòng)速率變化，在誤差允許的范圍內(nèi)，可以有效的測量氣泡橫向尺寸?？梢灶A(yù)見，該方法對(duì)于玻璃中的其它類型缺陷，如結(jié)石、夾雜等的橫向尺寸測量同樣適用。

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