用于金属罐缺陷检测的照明方案设计

在易拉罐罐盖的整个生产过程中，由于原材料的缺陷、设备的老化、员工的操作不当及其它因素的影响使得罐盖可能产生多种缺陷，其中常见的缺陷有压点、划痕、擦伤、油污、胶圈不匀、无胶、变形等。

在金属罐盖检测方面，利用机器视觉智能检测系统能够高速、准确的检测金属罐盖压点、划痕、擦伤和油污等缺陷，同时可以节省劳动力，降低成本，减少生产周期，提高产品品质，为企业增加效益， 具有很强的现实意义。

01

存在的主要问题

分析机器视觉技术在相关行业应用中的特点，成功的关键在于光源的设计、图像算法的设计和相应软件的设计。

光源的设计主要依据对象的形状、颜色信息及现场具体状况；算法的设计主要分为图像预处理、图像增强、区域分割、目标提取、识别或检测几个步骤， 闽值分割、平滑滤波、边缘提取是数字图像处理中常用的算法；

系统软件要以需求分析为前提，进行合理的系统层次设计和界面布局以优化应用效果和提升用户体验。

目前存存的主要问题：

照明光源的设计。照明效果对罐盖的质量检测极为重要，环形光照明方向眭较强，对照明的均匀性和处理的准确性产生影响，同时小适用于形状复杂的罐盖。

图像的配准。在图像配准中利用边缘区域再次划分小区域搜索的方法对区域定位的精度发速度产生了影响。

多区域的划分。采用单张图片进行了区域划分，影响了区域划分的准确性，对后期多区域检测产生了不利影响。

检测方法。由于罐盖表面不同区域的特征差异性较大，采用单一的图像处理算法不能达到预期的检测效果，要针对不同区域的特性采用多种检测算法相结合的方式进行检测，同时要考虑到算法的鲁棒性。

02

缺陷分析

不当的机加工操作容易使得盖面产生变形，扭曲和压点、划痕等，机床的漏油会造成盖面的污染，注胶机的不稳定可能导致注胶不均匀或无胶等，罐盖在传送过程中也容易产生擦伤和杂质点等缺陷。

金属罐盖缺陷检测系统的设计目标是在自动生产线的最后一步工序之后，对压点、划痕、擦伤、杂质点、污渍、油污、胶圈不匀、无胶、变形等缺陷产品进行实时分离剔除，同时不影响合格品的质量和传输，检测速度和精确度具体的技术指标为：

对于直径为１１０ｍｍ的基础盖（无加强筋），检测速度≥10P/P/S。

产品缺陷分辨率为0.1mm。

检测准确率≥98％。

03

硬件方案设计

合理检测系统的设计是以正确分析用户需求为前提的，工业应用中，机器视觉系统的检测需求及特点主要有以下几种：

1. 表面特征检测：如文字标识。应注意区分特征部分是印刷在物体表面还是凹于物体之下。

2. 尺寸检测：如外形尺寸，相对位置，共面度。这些参数的测量应注意轮廓的真实性和突出测量基准。

3. 表面质量检测：如划痕、凹坑、缺角。这类参数的检测应注意缺陷的尖锐程度和缺陷的方向，根据方向摆放光源的位置。

4. 纯净度检测：注意包装材料的透光性，液体的颜色以及杂质的材质。

5. 装配检测：如装配位置，缺零件，装错零件的检测。应注意空间位置的分布和补光、 消除反光。

6. 色差检测：注意相机的白平衡，并考虑借助滤镜。

一个典型的机器视觉检测系统主要硬件组成为：光源、镜头、相机、 图像处理单元、 监视器、 通讯、输入输出单元等。

基于以上需求分析，结合机器视觉检测系统的具体特点，设计金属罐盖缺陷检测系统的硬件结构如图所示：

04照明方案设计

照明方案的设计是机器视觉检测系统的关键部分，合理的照明能够与相机，待检测物件良好配合形成高对比对度、特征突出的输入图像，便于后期的图像处理，提高检测效果。

针对不同颜色，不同外形的罐盖进行了不同照明方式的实验和比较，并对其结果进行了分析。

1、直接照明

采用直接照明时，对于表面较光滑的物体而言，容易发生镜面反射，在相机的视野范围内形成镜面反射的强光区域和黑暗区域。

对于待测罐盖而言，由于金属表面容易产生镜面反射，所以单一角度的照明会使罐盖图片的亮度不均匀，不能达到很好的检测效果。

2、穹顶光照明

穹顶光照明由于光线由LED发出后经过穹顶的反射以漫反射的方式照射到待测物体的表面，这样的光照更加均匀，比较适合于光滑的物体表面。

当这些多角度的漫射光照射到金属罐盖表面时，产生了比直接照射更加均匀的照明效果，但此类照明也有一定缺陷，穹顶的中间位置由于反光较少形成了较暗的区域，正如以上罐盖的中间部分亮度较低，这样对罐盖的整体检测也产生了一定的影响。

同时由于罐盖表面缺陷种类较多，此类照明并非能够对所有缺陷都有较明显的响应（如划痕和擦伤）。

在实际的检测应用中由于罐盖可能发生相对于传送带垂直方向的位置偏差，这样会使得中间的暗斑区域在罐盖图片中有较大的随机性，对检测也造成了不良影响。

3、同颜色、不同角度照明

如图所示为同一罐盖在红色光高角度和蓝色光低角度照射下所体现的不同效果。

此罐盖的主要缺陷有两种：一是表面的划痕，二是盖面的污点。在红色光高角度照明中，划痕和污点表现为较暗区域，且特征较为明显，也可以看出由于ＬＥＤ发光较强，光源小够均匀，盖面反射为点状的亮斑。

从此现象可得出，金属盖面对红色光源的反射较为明显，起到了明场照明的效果。

在蓝色光低角度照明中，划痕表现为较亮区域，且特征相比于红色光照明较为突出，但在蓝色光照明的罐盖表面井未出现点状的亮斑，且污点的表现相对于红光而言并不明显。

从此现象可以得出，金属表面对蓝色光源的反射较弱，但类似于划痕的表面损伤区域反射较强， 起到了暗场照明的效果。

4、明暗场结合照明

采用明暗场相结合的照明方式能够同时突出罐盖的暗色缺陷区域和亮色缺陷区域，经试验证明，此种照明方式对加强筋结构的罐盖有良好的照明效果。

但由于采用彩色照明，相机必须选用彩色相机，并在处理中提取出彩色图片ＲＧＢ三颜色分量，这样就会对系统成本和处理时间造成一定影响。

综合以上分析，针对带有加强筋结构的罐盖可采用明场红色穹顶光源和暗场蓝色环形光源相结合的照明方式进行照明，对于基础盖则可采用平面单色光漫射照明。

审核编辑 ：李倩