缺陷检查系统和方法与流程

本发明涉及一种缺陷检查系统和方法，用于照明板材样品以使能样品中的表面缺陷的检测。

背景技术：

已知的是照亮板材样品，以使能在表面中的瑕疵的检查。

一个特别例子是用于上漆的表面，例如车体，其中针对瑕疵检查漆或基础表面。大多数车制造商使用机器人和自动化上漆系统涂各涂层漆以产生在车体上的漆面，该车体然后被用于创造整车。虽然这样的系统一般令人满意地执行，但是大多数制造商在批准上漆后的车体用于组装为整车之前具有油漆工作的质量审核。

质量控制可以基于人工视觉检查或由相机捕获的图像的自动图像处理。

人工检查过程通常包含工人随着每个车体沿着输送器移动，围绕每个车体人工移动，并且针对若干不同的可能瑕疵来视觉扫描车体。

工人一般被给予只有很短的时间（例如仅几分钟），以评估整个车体。通常，存在漆检查站，其有足够的空间用于工人围绕每个车体走动。标准方法是基于光越多就越容易视觉识别瑕疵的理解，在检查过程期间对车体提供尽可能多的直射光。重点在于照明车体。

检查工人必须留意多达几十个不同类型的瑕疵或缺陷。例如，如果有基础缺陷，例如在车体金属中的凸起部分或凹入部分，这通常在油漆工作中将被分别反映在凸起或凹进部分。此外，可能在上漆之前或期间已经停留在车体上的诸如灰尘或其它颗粒之类的东西将导致显著的瑕疵。

目前，车漆工作是多涂层。例如，第一涂层或相当哑光的中性色防锈剂（有时称为“E”涂层）被施加到金属。通常中性的具有稍微哑光或与最终的车体颜色相同的颜色的底漆涂层被施加到第一涂层。最后，一​​个或多个顶涂层，例如基涂层加透明涂层可以施加在底涂层上。

第一涂层一般被检查均匀性、瑕疵和异物。针对瑕疵、平坦性、均匀性、污垢、腔、焊道和金属中的负或正凹陷，分析底漆涂层。顶涂层产生高反射表面，其针对诸如平坦性、白色斑点、条纹、漩涡痕和其它瑕疵被检查。

如果瑕疵被识别后，工人们试图当场把它抛光掉，或车体必须被从组装线拖到另一位置以进行漆修复。

提供良好的照明解决方案可以帮助在车厂中的工人提早并且有效地检测缺陷。然而，光沐浴车体的当前方法未被发现是理想的，并且工人有时依靠他们的手而不是眼睛来检测车体上的缺陷。

技术实现要素：

本发明由权利要求限定。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于样品中的表面缺陷的人工视觉检查的缺陷检查系统，包括：

用于照亮样品表面的包括在平面内形成的光源阵列的照明系统，其中光源阵列限定在平面内向着样本的光照方向的范围，该范围覆盖至少90度；和

控制器，其用于控制光源以在序列中操作，使得在序列中利用在单个入射方向的最大光源强度来照亮样品的每个点，并随着时间的推移，提供最大光源强度所在的方向改变以覆盖所述范围。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于样品中的表面缺陷的自动检查的缺陷检查系统，包括：

用于照亮样品表面的包括在平面内形成的光源阵列的照明系统，包括一个平面，其中光源阵列限定在平面内向着样本的光照方向的范围，该范围覆盖至少90度；和

控制器，其用于控制光源以在序列中操作，使得在序列中利用在单个入射方向的最大光源强度来照亮样品的每个点，并随着时间的推移，提供最大光源强度所在的方向改变以覆盖所述范围；

至少一个相机；

用于控制相机在光源操作序列期间拍摄连续图像的控制器；和

用于处理图像以导出至少一个差别图像的处理器，其中，差别图像高亮由原本平滑表面上的随机定位的表面缺陷引起的阴影位置的变化，并且基于差别图像提供缺陷检测。

在两个方面，样品优选包括板材，或具有板表面的对象，其旨在具有平滑表面（其可以是平面或平滑弯曲的表面），但是可能具有随机定位的表面缺陷，表面的平滑性在该缺陷处被破坏。照明系统导致由这些表面缺陷形成阴影。然后可容易地识别由光照方向的变化而导致的阴影位置的变化。

可以在人工视觉检查系统中视觉地识别它们，或者可以通过图像处理基于识别在捕获的图像的差别来识别它们。这些图像差别源自于阴影被投射的方向的变化。在自动化方法中，一个或多个差别图像可用于检测缺陷。缺陷的外观针对序列内的不同照明条件而变化，而无缺陷的表面具有在图像中的小得多的变化。因此，通过与阈值比较一个或多个差别图像，可以自动地检测缺陷。

在两个方面，本发明提供了其中将表面缺陷投射的阴影的位置用来识别那些表面缺陷的系统。通过提供主光照的移动方向，投射的阴影将随着时间的推移而移动，这使得缺陷更容易人工地或使用相机来识别。

光源的平面可形成围绕待分析的样品的台架（以已知方式），而光源都被向内定向以照亮样本。然而，不是简单地一次并在同一强度照亮所有的光源以利用光充斥样品，而是提供定向照明，其随时间的推移而演变。以这种方式，在样品上的所有位置由具有主方向的照明照亮，在该主方向中，强度比所有其它方向的强度更高，并且这个主方向随时间的推移而演变。已发现凭借在特定方向或方向范围中的定向照明更容易地观察到缺陷。

本发明使得缺陷（例如在车体表面上）的可见性能够被改进，从而工人可以更容易和更高效地找到缺陷。

角的范围将取决于样品的性质。对于单一平坦表面，90度的范围可以是合适的。对于更3维的对象，例如具有侧面和顶部或底部，较大的范围是适当的，如至少135度或甚至至少180度（其对应于台架从地平面向上围绕对象）。

控制器可以适于控制光源阵列以顺序打开一个光源到设定亮度并且关闭或调暗其它光源。这提供了最基本的方法，其中，在任何时间由激活的光源照亮的样品的部分接收仅或主要来自一个方向的直射光（因为该光源是点源或准直源）。然而，这可能导致长的检查过程。

因此，在优选的布置中，控制器适于控制光源阵列改变光源的输出的强度，使得每个光源在序列中的相应时间点具有比其它更大的强度。

该方法可以提供在照明分布中的平滑动态变化。通过在不同时间具有来自不同的角度的主照明来改进缺陷的可检测性。光源强度的变化可跟随序列。该序列使不同的缺陷在不同时间变得从一般背景可见，并且增加检测缺陷的几率。通过示例的方式，光源可以以正弦强度曲线被照亮，正弦强度曲线都具有相同的周期但不同的相位。这保持高水平的一般光照，从而样品的所有区域可以被检查，但主光照方向随时间的推移而演变。

光源阵列可包括多个光源子阵列，每个子阵列在各自平面内形成，用于不同的子阵列的平面平行或接近平行，从而法线方向是在一条线（其可以是直的或弯曲的）上。例如，这可以定义一系列的照明台架。

该系统优选地包括样品平台，其中样品平台相对于照明系统在垂直于平面的方向上可移动。该（或每个）光源阵列在它们的平面提供光照，但也可以提供沿移动轴线向前和向后的光照，从而被照亮的区域重叠。移动可以是连续的或逐步的。

该系统可以包括车体镶板油漆工作检查系统。以举例的方式，汽车可以以相对慢的速度，例如5cm/s被推进通过检查区域。照明强度可以用大约6s的周期变化。

然而，本发明可以应用于用于具有待检查的光滑表面的样品的任何检查系统。样品可以是板材，或被要求具有平滑表面光洁度的固体本体。

本发明还提供一种对样品的表面提供照明以使能样品中的缺陷的视觉人工检查的方法，该方法包括：

使用在平面内形成的光源阵列来照亮样品平面，其中光源阵列限定在平面内朝向样品的光照方向的范围，该范围覆盖至少90度​​；和

控制光源以在序列中操作，使得在任何时间点，样品的每个被照亮点被来自光源阵列的直射光照亮，在该直射光中在单个入射方向提供最大光源强度，并且随着时间的推移，提供最大的光源强度所在的入射方向改变以覆盖所述范围。

本发明还提供一种对样品的表面提供照明以使能样品中的缺陷的自动检查的方法，该方法包括：

使用在平面内形成的光源阵列来照亮样品平面，其中光源阵列限定在平面内朝向样品的光照方向的范围，该范围覆盖至少90度​​；和

控制光源以在序列中操作，使得在序列中利用在单个入射方向的最大光源强度来照亮样品的每个点，并随着时间的推移，提供最大光源强度所在的方向改变以覆盖所述范围；；

在光源操作序列期间拍摄连续图像；

处理图像以导出至少一个差别图像，其中，差别图像高亮由在原本平滑表面的随机定位的表面缺陷引起的阴影位置的变化；并且

基于差别图像提供缺陷检测。

附图说明

现在将参照附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示出从所有方向照亮的缺陷和从一个方向照亮的缺陷，并且示出了单个方向光照如何给出改进的缺陷检测；

图2示出不同类型的缺陷可以如何最容易地从不同的光照方向被检测；

图3示出用于在本发明的系统和相关的时序中使用的照明阵列的例子；

图4示出在车体喷涂站中使用的本发明的照明系统；

图5示出了可使用的灯具的极性光强度分布；

图6是示出使用相机的误差检测的自动化方法的流程图；以及

图7示意性示出针对不同的光设置的第一和第二相机图像并且示出使能误差检测的差别图像。

具体实施方式

本发明提供一种用于板材样品中的缺陷的检查的缺陷检查系统。使用光源阵列，其中不同的光源从不同的方向向样品提供光。光照的主方向被定义有最高强度，并且该方向随时间的推移而演变。通过提供变化的定向光照，而不是全面光照，检测缺陷变得更容易。特别是，阴影被投射的方式对于不同的光照方向而变化。这给出了演变的图像，其更容易在视觉检查期间或基于处理捕获的相机图像的自动系统来检测。

图1（a）示出从所有方向照亮的缺陷10。这给出了当从给定的方向（例如上方）观察时的低对比度。图1（b）示出了从一个方向照亮的相同缺陷10。该图像示出单方向光照如何给出改进的缺陷检测。

因此，可以看出，提供定向照明可以显著增强缺陷对比度。从所有方向提供光的典型照明解决方案因此不是改进缺陷和背景的对比度的最佳条件，因为它不能产生这些缺陷的强阴影。与此相反，从某个方向上提供光能够增强对比度来将缺陷呈现得更强烈可见。

图2示出不同类型的缺陷可以如何最容易地从不同的光照方向被检测。

图2（a）示出了具有两个缺陷的样品；压痕12和凸起的凸块14。六个光照方向被定义，被显示为“a”到“f”。图2（b）示出针对这些缺陷并基于六个不同的光照方向的亮度对比度（作为实验进行）的度量。标绘图12'示出针对压痕的对比度，标绘图14'示出针对凸块的对比度和标绘图16示出基于所有灯被打开的参考对比度。

可以看出，当所有的灯打开时缺陷的对比度不是最高。从特定的方向提供光导致那些缺陷产生更高的对比度。此外，对于不同类型的缺陷，最佳的照明条件不同。图2（b）示出了对于压痕12，方向“c”提供了最佳的对比度，而方向“f”提供了对于凸块的最佳对比度。

对于真实样品，缺陷的形状和位置是随机的和不可预测的，所以固定的照明条件不能够针对所有缺陷类型来优化缺陷检测。

为了改进不同类型的缺陷的可见性，本发明的照明系统系统地改变样品上的照明分布。

图3示出用于在本发明的系统和相关的时序中使用的照明阵列的例子。

在最简单的实施中​​，存在提供光到样品的单个拱的光源。然而，图3示出了三个拱，每个有三个光源。总共九个光源被编号L1到L9。

每个拱包括在平面内形成的光源的子阵列。光源朝着位于拱内的样本向内发光。在所示的例子中，光源各自处于条的形式，其发射基本上准直的光（如图1（b）所示），以便实质上有单一方向的光照。注意，非准直点光源也可以提供向内的直射光，使得在样品上的任何点再次仅在单一方向上接收光（即，沿着点光源和样品上的相应点之间的矢量）。

光源的阵列限定向着样品的光照方向的范围。该范围的大小取决于样品的性质。该范围覆盖至少90度​​（样品的法线方向的每一侧的至少45度）。对于旨在围绕样品的拱，该角度范围接近180度。范围在图3中被示为θ，并且在该示例中大约为135度。

通过来自不同光源的光照，可以以跨越可用范围的不同的角度来提供光。

当然，光可能不会从所有方向到达样品表面的每个部分。例如在左侧的镶板不会被来自右侧的光照亮。因此，该光源扫描角θ的全部范围，但在样品表面上的每个点可能会经历较小的入射光角的范围。

图3中的多个拱沿着由箭头30所示的方向被对齐，箭头30所示的方向对应于样品和照明装置之间的相对移动的方向。这种相对移动意味着，照明装置是用来使能顺序检查样品的不同部分以及顺序检查不同样品。

光源被控制在序列中操作，使得样品的每个点是在序列中以单个入射方向的最大光源强度被照亮。这个方向随着时间的推移而变化，以覆盖范围θ。

在最简单的实施方式中，一次只有一个光源（或只有每个拱的一个光源）被完全打开。在这种情况下，最大照度是该光源的亮度，和所有其它光源具有零输出。

然而，图3示出了更先进的控制方法。

在图3中的时序图标绘强度I相对于时间t的图。它显示了光源L1的正弦强度曲线。所有其它光源被控制，以提供具有偏移的相位的相同的周期和振幅的正弦强度曲线，如所示那样。只有光源L2至L9的强度曲线的极大值被示出，以避免过分弄乱时序图。周期可以是秒的量级，例如在1s至20s的范围内，来为利用每个特定方向特性的检查提供一定时间。

在时间点的序列处，存在具有最大强度的一个光源，而所有其它光源具有较低的强度，诸如用于光源L1的时间t₁。在这些时间点的每个，处于光源的视野中的样本的每个点以在单一入射方向的最大光源强度被照亮。这个方向随时间的推移而演变。如在图3中可以看到，存在当两个相邻的光源具有相等（并且不完全最大）强度时的中间时间点。当光源在提供最大强度时是独立的时，其源可以被认为提供光照的主要方向，虽然所有其它光源（除了被设置到最小强度的任何光源之外，如果该最小是零的话）正在对光照的大体水平做贡献。

定向强度差仍然使能增强的渐变和因此改进的缺陷检测。

通过使用多个拱，强度不仅跨越垂直于运动矢量30的平面，而且还沿运动矢量30的方向变化。相移正弦函数的序列创建在水平取向和垂直取向两者中非常平滑的光分布变化。任何缺陷形状可在特定时刻被容易地检测，在该特定时刻，定向照明最适合于该特定缺陷。

图4示出了车体喷涂站中使用的本发明的照明系统。

车辆本体40安装在样品平台上，样品平台相对于照明系统在垂直于平面的方向上（即沿矢量30的方向）可移动。

图4仅示出了一个拱的光源44。可只有一个拱或有如上所述的多个拱。

该光源由控制器46控制，以提供上述的顺序控制。

本发明可以在焊接、上漆商店和组装线中用于缺陷检测。它可以使能误差在制造过程中被更早发现，并且从而通过避免需要在生产周期中比必要的更晚地修复缺陷，来降低成本。

对于视觉检查系统，它可以简化检测，因而使检测较少地依赖于工人经验。

有实施本发明的系统的许多方式。概念是，存在最亮光照光束所源自于的单一方向。通过扫描这个最亮光照光束以覆盖全范围的角度，将有最适合于检测一特定缺陷的角度。

如上所解释的，在最简单的实施方式中​​，可一次打开一个主光源。这意味着利用定向光束照射照亮在光源的视野中的样本的部分的所有直射光（即，忽略反射）。对于点光源，该方向将针对在样品上的不同点是不同的。替代地，准直的光源可以被使用，其具有输出区域（如条），从而入射方向针对被该光源照亮的样本上的所有点来说是相同的。

用于检查的光条是商业上可获得的。例如，可以使用飞利浦漆检查灯具SM300C和SM301C。这些包括条形灯，具有（部分）准直输出。光输出是不完全准直的，特别是因为来自一个条的光输出区域需要与下一个条的光输出区域合并（沿相对移动的方向），以提供完整的作业区域的光照。灯具具有在正常发射方向的峰值强度，但存在较低强度的光向正常发射方向的侧面的扩散。通过举例的方式，图5示出了用于这些条灯具的极性光强度分布。光束角越窄，由本发明所期望的阴影效果越大，但期望更大的光束角照亮目标区域。因此，找到折衷。

因此，本发明不要求完全准直的光输出。相反，存在一方向，对应该方向的到样品上的特定点的光照具有比对应其它方向的更高强度。通常，较高强度光照是对应在光输出表面的法线方向从光源发射的光。

通过（一次一个）顺序操作光源，在样品上的每个点将从一组的入射角顺序被照亮，并接收最高强度时所处于的入射方向将随时间改变。

上文的例子相反同时操作所有的光源，但具有变化的强度，以使在某个时间点具有最高强度的入射光对应一个入射方向，并且这个最高强度的光相对于来自其它方向的较低强度光照引起阴影。这允许更快速的检查过程，因为在序列中的下一光源采用最高强度之前，光源可以持续短时间保持具有最高强度。最小光源强度可以是零，但它可以相反是非零最小值。

本发明可被实施为单组的光源（在垂直于样品的相对移动的方向的单个平面中）。上面的例子使用多个平面的光源阵列，再次以降低样品检查时间。

本发明可用于使能缺陷的视觉检查。然而，它也可以被用来为使用相机和图像处理的自动缺陷检查提供光照。自动缺陷检查也可基于对比度曲线的分析，并且本发明的照明装置可因此同样改进自动缺陷检测系统的缺陷检测率。

在自动缺陷检查系统中，一组的相机可以用来记录车体（或其它对象）的图像序列。例如，有可能存在与在拱中的每个光源取向相关联的相机，从而相机一起具有围绕被检查的物体的视野。类似于光源的拱，可以有相机的单个台架，或也可以有相机的多个台架。

按照以上解释的方式来改变车体表面上的照明分布。然后应用到由相机捕获的图像序列的图像处理被用于检测所记录的图像序列中的变化。这些变化源自于对于不同图像照明条件是不同地可见的不同缺陷。如上所解释的，误差（划痕，隆起）的外观将根据所使用的光分布而改变，而无误差表面的外观将保持基本上相同。作为结果，个体相机的图像序列的分析可以用来检查在该序列中是否有显著差别。如果检测到显著差别，则它指示缺陷的存在。

图6是流程图，其概述该缺陷检测方法。它可以应用到每个相机。

该过程开始于步骤60。针对照明变化的至少一个完整的周期，在步骤62中记录图像序列。归一化步骤是在步骤64中示出以例如通过减去中值以考虑不同的光水平。

在步骤64中分析图像序列，并从这在步骤68中导出一组差值。每个差值是差别图像中的图像内容的量的度量。在步骤70中将这些差值与阈值进行比较，从而如果一对图像之间的差超过一阈值，则检测到缺陷（步骤72），而如果该对图像（或分析的多对图像都未）产生超过阈值的差，则没有检测到缺陷（步骤74）。该过程在步骤76结束。

差别图像和它们的图像内容的度量可以通过标准的图像处理来找到。处理的图像的数目可以对应于光源的数量，从而当每个光源处于其最大强度时处理一个图像。然而，并非所有的差别图像可能需要被导出。例如，可能只需要对应面对由相机观察的物体的一部分的光源的差别图像。参考图4，如果相机对汽车的一侧进行成像，则只有当该侧的两个光源具有它们的最大输出时的图像之间的差别可能是要求的。因此，在理论上，可以在序列中的全部对的图像之间分析差别图像，但是，如果根据光源和相机的相对位置来选择要处理的图像对，则可以实现减少的图像处理。作为最低限度，基于两个不同的照明条件，只有一对图像需要被分析以得到针对该相机的差别图像。

图7示意性示出了针对特定的相机针对不同的光设置的第一和第二图像80、82。在每个图像中看到划痕。因为划痕被看作是阴影，其根据照明方向具有不同位置（和对比度），所以存在被示出为84的差别图像。

对差别图像进行处理，以得到图像内容的水平的指示器。这可以基于图像中的最大亮度，或最暗图像区域和最亮图像区域之间的最大差别。可以使用更复杂的图像处理。然后将指示图像内容的水平的值与阈值进行比较。阈值将基于对应无缺陷表面的预期水平来选择，并且对于被分析的不同产品将是不同的。

因此，差别图像高亮了由原本光滑的表面上的随机定位的表面缺陷所引起的阴影位置的变化。

照明方向的控制只适用于从光源发射的光，而没有任何反射，并且这是通过在上面的讨论中“直接”照明所表示的意思。将存在由反射所造成的其它光照，但是这将总是具有比直接光照更低的强度。此外，可以通过将检查系统的外壳设计为非反射的来减少反射。

控制器可以以多种方式来实施，利用软件和/或硬件，以执行所要求的各种功能。处理器是控制器的一个例子，该控制器采用了可被使用软件（例如，微代码）编程以执行所要求的功能的一个或多个微处理器。控制器然而可以利用或不利用处理器来实施，并且也可以被实施为执行某些功能的专用硬件和执行其它功能的处理器（例如，一个或多个编程的微处理器和相关电路）的组合。

图3示出了具有每拱三个光源的布置，以及图4示出了每拱五个光源。光源的数量越大，提供的不同光照方向的数量就越大。以举例的方式，可以存在六个拱，而每个拱6个灯具以覆盖汽车。可能有长得多的连续，例如用于其中多辆汽车排队的检查区域。

对于包括板材或具有薄板表面的样品，本发明是特别令人感兴趣的，该表面旨在具有光滑的表面（其可以是平面或平滑弯曲表面），但是可能具有随机地定位的表面缺陷，在该缺陷处，表面的平滑性被破坏。表面可以具有成形的轮廓，但它旨在在正被识别的缺陷的规模下是平滑的。这些缺陷例如可以包括在上漆表面中的凸起的凸块或凹痕，并且它们可以例如具有类似于捕获的颗粒的规模，例如小于0.5mm。

图4的系统利用控制器。可以被采用用于控制器的部件包括但不限于常规微处理器，专用集成电路（ASIC）和现场可编程门阵列（FPGA）。

在各种实施方式中，处理器或控制器可以与一个或多个存储介质（诸如易失性和非易失性计算机存储器，如RAM，PROM，EPROM，和EEPROM）相关联。存储介质可以被编码有一个或多个程序，一个或多个程序当在一个或多个处理器和/或控制器上执行时，在所要求的功能下执行。各种存储介质可以固定在处理器或控制器内或者可以是可运输的，使得存储在其上的一个或多个程序可被加载到处理器或控制器中。

公开的实施例的其它变型可以由本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，根据附图、公开内容和所附权利要求的研究来理解和实现。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。