[發(fā)明專利]金屬銹斑最優(yōu)光譜波段選取視覺檢測(cè)裝置和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510513673.1
• 申請(qǐng)日: 2015-08-20
• 公開（公告）號(hào): CN105115908B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙首博;范劍英;王洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/25
• 分類號(hào): G01N21/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種金屬銹斑最優(yōu)光譜波段選取視覺檢測(cè)方法，其中所采用的一種金屬銹斑最優(yōu)光譜波段選取視覺檢測(cè)裝置包括光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)、測(cè)量控制系統(tǒng)(20)、計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(30)和記錄顯示系統(tǒng)(40)；所述光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)用于測(cè)出金屬件的一維光譜數(shù)據(jù)加二維空間數(shù)據(jù)信息；所述測(cè)量控制系統(tǒng)(20)用于對(duì)所述光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)的成像光譜進(jìn)行選擇；所述的計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(30)用于對(duì)采集的一維光譜數(shù)據(jù)加二維空間數(shù)據(jù)分析計(jì)算處理，并將處理結(jié)果傳送給所述的記錄顯示系統(tǒng)(40)；所述記錄顯示系統(tǒng)(40)記錄并顯示金屬銹斑的檢測(cè)結(jié)果；所述光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)包括：第一透鏡組(1)、一片透射式衍射光柵(2)、第二透鏡組(3)、一個(gè)硅基液晶(4)、一臺(tái)CCD相機(jī)(5)和外部殼體(6)；所述的第一透鏡組(1)作為物鏡將被測(cè)金屬目標(biāo)成像到所述的衍射光柵(2)面上；所述的衍射光柵(2)將入場(chǎng)光線色散，形成一維衍射光譜；所述的第二透鏡組(3)將入場(chǎng)光線成像在CCD面的同時(shí)，在所述的硅基液晶(4)面形成一維線性光譜；所述的硅基液晶(4)通過所述的測(cè)量控制系統(tǒng)(20)發(fā)出的控制信號(hào)對(duì)不同波長(zhǎng)光線進(jìn)行選擇；所述的CCD相機(jī)(5)接收成像光線，實(shí)現(xiàn)所述光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)的多光譜成像；所述的外部殼體(6)用于固定光學(xué)元件，并對(duì)光路進(jìn)行密封以避免外界干擾光進(jìn)入；其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、光譜譜線的標(biāo)定：

選用主波長(zhǎng)為405nm、510nm和650nm三種半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光譜標(biāo)定；半導(dǎo)體激光器放置在光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)的成像入口處；調(diào)整半導(dǎo)體激光器同光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)的相對(duì)位置以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直；

已知波長(zhǎng)的激光束發(fā)生偏折后到達(dá)所述的硅基液晶(4)面上，形成一條譜線；調(diào)整所述CCD相機(jī)(5)位置，使CCD對(duì)硅基液晶面成像，從而得到譜線與圖像坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

依次完成405nm、510nm和650nm三種固定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的硅基液晶面坐標(biāo)采樣；利用已知的波長(zhǎng)光譜與硅基液晶面坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)行線性插值，補(bǔ)全整個(gè)光譜，得到光譜標(biāo)定函數(shù)M；光譜譜線標(biāo)定結(jié)束后，將所述CCD相機(jī)(5)重新調(diào)整回原位，使CCD面與硅基液晶面相對(duì)所述的第一透鏡組(1)互為共軛；

步驟二、尋找最優(yōu)光譜波段：

測(cè)量控制系統(tǒng)(20)控制所述的硅基液晶(4)晶元的開關(guān)，使可見光波段分成N個(gè)細(xì)小波段；依次選取各細(xì)分波段為開狀態(tài)，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)光線在CCD面成像；將光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)多次采集不同波長(zhǎng)的圖像組合成三維多光譜數(shù)據(jù)；三維多光譜數(shù)據(jù)的表達(dá)式為：

H(x,y,λ)=T-1Σn=1NI(x,y)nMn-1(u,v,λ)---(1)]]>

T為在第一衍射級(jí)次光譜強(qiáng)度分布；I(x,y)_n是CCD所采集的第n波段圖像數(shù)據(jù)，x和y為圖像的二維坐標(biāo)，n＝1,2…,N；M_n(u,v,λ)是光譜標(biāo)定所得對(duì)應(yīng)關(guān)系的分段函數(shù)，u和v為硅基液晶面的二維坐標(biāo)，即：

M=Σn=1NMn(u,v,λ)---(2)]]>

在計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(30)中，對(duì)采集的三維多光譜數(shù)據(jù)做三維邊緣檢測(cè)，初步區(qū)分被測(cè)金屬表面銹斑數(shù)據(jù)域與被測(cè)金屬表面背景數(shù)據(jù)域；在兩數(shù)據(jù)域內(nèi)各任選一條譜線作為被測(cè)金屬表面銹斑的系統(tǒng)光譜響應(yīng)值H_o(λ)與被測(cè)金屬表面背景的系統(tǒng)響應(yīng)值H_g(λ)；

考慮一維光譜信息，系統(tǒng)光譜響應(yīng)值寫為：

Hx,y(λ)=Σn=1NSM(λ)Me(λ)E(λ)R(λ)---(3)]]>

S_M(λ)為硅基液晶在開狀態(tài)下的CCD光譜響應(yīng)函數(shù)；E(λ)為環(huán)境光源的光譜功率分布；R(λ)為被測(cè)金屬表面的光譜反射函數(shù)；M_e(λ)為最佳光譜選取函數(shù)；

被測(cè)金屬表面銹斑相對(duì)被測(cè)金屬表面背景的對(duì)比度表現(xiàn)為兩者系統(tǒng)光譜響應(yīng)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)]]>

尋找最佳光譜選取函數(shù)M_e(λ)，即：

M_e(λ)表現(xiàn)為以光波長(zhǎng)為變量的窗函數(shù)，設(shè)

M_e(λ)＝1 λ₁＜λ＜λ₁+Δλ(6)

則尋找最佳光譜選取函數(shù)變換為:

當(dāng)Δλ確定時(shí)，式子(7)成為以λ₁為變量的曲線判定函數(shù)，選取函數(shù)最大值；測(cè)量控制系統(tǒng)(20)采用函數(shù)最大值所對(duì)應(yīng)的M_e(λ)來再次控制所述的硅基液晶(4)做出相應(yīng)反應(yīng)，這樣便實(shí)現(xiàn)了光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)的最優(yōu)光譜波段成像I_e(x,y)；

步驟三、圖像處理：

通過最優(yōu)光譜波段成像，金屬表面銹斑與金屬表面背景在光學(xué)與傳感系統(tǒng)(10)中形成鮮明對(duì)比；

在計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(30)中，取兩者在最優(yōu)光譜波段的平均值作為圖像分割閾值，即：

Th=Σλ=λ1λ1+Δλ[Ho,e(λ)+Hg,e(λ)]/2Δλ---(8)]]>

經(jīng)閾值分割處理后，得到金屬銹斑的檢測(cè)結(jié)果圖像：

Irust=1Ie(x,y)>Th(x,y)0Ie(x,y)<Th(x,y)---(9)]]>

檢測(cè)結(jié)果是一幅二值圖像；當(dāng)H_o＞H_g時(shí)，標(biāo)注為1的像素為金屬銹斑，標(biāo)注為0的像素為金屬表面背景；當(dāng)H_o＜H_g時(shí)，標(biāo)注為0的像素為金屬銹斑，標(biāo)注為1的像素為金屬表面背景；

計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(30)將得到的金屬銹斑檢測(cè)結(jié)果傳送給記錄顯示系統(tǒng)(40)。