具有光滑表面的待测物于光学检测上的影像处理方法及其检测系统与流程

1.本发明涉及一种光学检测上的影像处理方法及其检测系统，更具体地讲，本发明涉及一种具有光滑表面的待测物于光学检测上的影像处理方法及其检测系统。


背景技术：

2.立体光学法(photometric stereo method,psm)是一种由光学投影成型法所延伸出来的物体表面信息重建的算法，通过单一摄像机在相同的拍摄角度下取得待测物的多个影像，待测物受不同光照方向的照射光逐一照射，进而以算法进行该等影像的叠合，产生合成影像。
3.传统上，立体光学法使用光学中的完美漫射(perfect diffusion)模型以解出待测物表面的梯度矢量(gradients)，再经过矢量场的积分后得到三维模型，进而亦可取得待测物表面的光强度分布状况。
4.立体光学法是基于光强度值来做为整体模型的计算依据，且由于在求解过程中不必计算出所有会对光强度造成影响的参数值(例如反射系数)，亦能得到良好的结果，所以立体光学法被广泛地运用。
5.然而，由于立体光学法需要使用光学中的完美漫射模型来求解，这使得应用上受限于具有粗糙表面的待测物上并须搭配均匀的平行光源，进而无法在具有光滑表面或具有易反射特性的待测物及非准直的光源下进行检测。


技术实现要素：

6.本发明的发明目的之一在于使立体光学法适用于具有光滑表面的待测物的检测，且可不受限于均匀的平行照射光的条件。
7.本发明的另一发明目的在于使金属材质待测物上的凸起或凹陷的微小瑕疵得以被容易检知。
8.本发明的再一发明目的在于使用较小的检测系统配置空间，同时提高具光滑表面的待测物的瑕疵检测正确性。
9.为了实现上述目的及其他目的，本发明提出了一种具有光滑表面的待测物于光学检测上的影像处理方法，其包含：基于对该待测物不同的各个光照方向，依序取得对应各个光照方向的各幅原始影像，该原始影像的幅数至少为3；一影像资料前处理步骤，将各该原始影像内的各像素的一调整前灰度值分别进行非线性化调整以产生对应的一调整后灰度值，其中，当一灰度阈值小于一反转阈值时，令该调整前灰度值小于该灰度阈值的多个像素的灰度变化比值均大于该调整前灰度值非小于该灰度阈值的其余像素的灰度变化比值，当该灰度阈值大于该反转阈值时，令该调整前灰度值小于该灰度阈值的多个像素的灰度变化比值均小于该调整前灰度值非小于该灰度阈值的其余像素的灰度变化比值；及一合成步骤，基于立体光学法使经该影像资料前处理步骤处理后的各该原始影像被合成为供后续瑕
疵检测的一合成影像。
10.在本发明的一实施例中，上述合成步骤后可进一步包含一影像资料后处理步骤，基于合成影像的灰度分布资料，将对应的梯度分布资料中属于梯度值小于第一梯度阈值或大于第二梯度阈值的梯度值皆调整至0，以及使 0～255的灰度值分布于该第一梯度阈值与该第二梯度阈值间以产生具有新灰度分布的一待分析影像，供后续瑕疵检测。
11.在本发明的一实施例中，取绝对值的第一梯度阈值与第二梯度阈值的数值可为相同。
12.在本发明的一实施例中，第一梯度阈值可为-0.5，第二梯度阈值可为0.5。
13.在本发明的一实施例中，梯度值0所对应的新灰度分布的灰度值可为128。
14.在本发明的一实施例中，待测物的受测区域的表面粗糙度的ra 值小于或等于1.6(μm)。
15.为了实现上述目的及其他目的，本发明还提出了一种使用前述的影像处理方法的检测系统，其包含：供一待测物放置的载台、配置于该载台上方的取像装置、环设于该取像装置周边的光源模块、及耦接该取像装置及该光源模块的控制主机。其中，该光源模块包括多个光源装置，该控制主机执行如前所述的影像处理方法。
16.在本发明的一实施例中，控制主机可用于执行一瑕疵判断程序，于待分析影像上的灰度值大于一凸瑕疵阈值的像素定义为一凸瑕疵，并于待分析影像上的灰度值小于一凹瑕疵阈值的像素定义为一凹瑕疵。
17.在本发明的一实施例中，各光源装置的光照射方向与取像装置的光轴间的夹角可为0～30度。
18.这样，在本发明所公开的实施例中，对输入的影像资料进行非线性转换的前处理步骤，让基于立体光学法运作的运算模型可以正确处理来自具有光滑表面的待测物的影像资料，改善影像中亮度不均匀的问题，使得较易产生反射的待测物亦能适用。此外，进一步对合成后的影像进行限定正规化的后处理步骤，还可改善影像资料区间不一致的问题，让微小的瑕疵能被正确检出。
19.本发明所公开的基于立体光学法的检测系统，在对应的影像处理后可适用于具有光滑表面的待测物的检测，且可不受限于必须使用均匀的平行照射光。
附图说明
20.图1为本发明一实施例中影像处理方法的流程图；图2为本发明另一实施例中影像处理方法的流程图；图3为本发明一实施例中检测系统的示意图；以及图4为图3检测系统俯视视角的示意图。
具体实施方式
21.为充分了解本发明的目的、特征及功效，现借助下述具体的实施例，并配合附图，对本发明做一详细说明，说明如后：
22.在本文中，所描述的用语「一」或「一个」来描述步骤、部件、结构、装置、模块、系统、部位或区域等。此举只是为了方便说明，并且对本发明的范畴提供一般性的意义。因此，除
非很明显地另指他意，否则此种描述应理解为包括一个或至少一个，且单数也同时包括复数。
23.在本文中，所描述的用语「包含、包括、具有」或其他任何类似用语意非仅限于本文所列出的此等要件而已，而是可包括未明确列出但却是所述步骤、部件、结构、装置、模块、系统、部位或区域通常固有的其他要件。
24.在本文中，所描述的「第一」或「第二」等类似序数的词语，是用以区分或指关联于相同或类似的步骤、程序或运算资料，且不必然隐含此等步骤、程序或运算资料在时间上的顺序。应了解的是，在某些情况或配置下，序数词语可交换使用而不影响本发明的实施。
25.本发明公开的实施例中，是对待测物进行两次以上的取像，每次取像时的光照条件皆不同，以取得可依立体光学法进行运算的多个原始影像。然而，由于立体光学法较适用于具有近似朗博表面的待测物，所以当待测物的表面轮廓较为光滑而容易产生反射时，所取得的原始影像将难以直接适用在立体光学法的运算模型。因此，为了使用立体光学法的优点，本发明公开的实施例中，对所取得的原始影像进行前处理，使得原始影像上的影像灰度程度能适用于立体光学法的运算模型，再运用立体光学法进行影像合成后，进一步可基于表面较光滑的待测物的瑕疵检测需求来进行影像资料的正规化，从而产生待分析影像，以增强影像资料区间的一致性，进而令瑕疵区域在待分析影像上可被容易识别，提升后端瑕疵检知的正确性。
26.待测物表面的轮廓变化程度可借助表面粗糙度来呈现(依据iso 13565的规范来测定)，举例来说，可以借助算术平均粗糙度ra值来表示，在ra 值小于或等于1.6(μm)时，因漫射程度低，难以直接适用在立体光学法的运算模型。本案实施例所公开的前处理可用于解决此问题。
27.请参照图1，为本发明一实施例中影像处理方法的流程图。首先进行步骤s100、取得不同光照方向下的各个原始影像；后续进行步骤s200、影像资料前处理(非线性化调整)；再后续进行步骤s300、基于立体光学法的影像合成，进而使各原始影像被合成为可供后续瑕疵检测的一合成影像。
28.在步骤s100中，对待测物的受检测表面进行不同光照方向的照射下的取像，例如：采用对受检测表面来说为三个不同照射方向的照射光进行依序照射，进而可取得对应各个光照方向的各幅原始影像，较佳的实施方式是采用三个以上的不同照射方向的照射光，对应地撷取(捕获)三幅以上的原始影像。
29.在步骤s200中，非线性化调整是对影像的灰度值进行处理。亦即，将各原始影像内的各像素的一调整前灰度值g1分别进行非线性化调整，进而对应地产生一调整后灰度值g2。其中，调整前与调整后的灰度值的比值g2/g1为灰度变化比值。
30.步骤s200中的非线性化调整是以一个灰度阈值来区分为两区域数值的相异性调配。一调整前灰度值g1数值对应一像素的灰度表现，一像素的调整前与调整后灰度值具有一比值g2/g1。所述灰度阈值是以调整前灰度值g1作为区分的数值位置，并以调整前灰度值g1的选定来将灰度变化比值区分为两区域的条件设定。对于光滑表面的待测物，举例来说，灰度阈值(调整前灰度值g1) 可被选取在50～60间，在其他情况下则可能被设定在170～180。灰度阈值可依据不可接受的瑕疵点程度，以瑕疵点及其周围的平均灰度值来界定，举例来说，设定的不可接受的瑕疵点程度及其周围的平均灰度值为40，则灰度阈值可被设定
在大于40的位置(例如：50)；此外，再举例来说，设定的不可接受的瑕疵点程度及其周围的平均灰度值为180，则灰度阈值可被设定在小于180的位置(例如： 170)。
31.有关两区域数值的相异性调配的实施方式中，小于灰度阈值的调整前灰度值g1的数值区域称为第一区域，大于灰度阈值的调整前灰度值g1的数值区域称为第二区域。当灰度阈值小于一个反转阈值时，所述的非线性调整指的是要使第一区域的灰度变化比值g2/g1均大于第二区域的灰度变化比值g2/g1的调整规则；相反地，当灰度阈值大于这个反转阈值时，所述的非线性调整指要使第一区域的灰度变化比值g2/g1均小于第二区域的灰度变化比值g2/g1的调整规则。亦即，基于此调整规则，具有光滑表面的待测物可适用在立体光学法的运算模型。经步骤s200调整的原始影像，可由后续的合成步骤进行影像合成。反转阈值可界定出前述两种恰为相反的非线性调整方式的分界位置，用以确定出一个灰度阈值须对应的非线性调整方式的调整规则为哪一种。其中，这个反转阈值可被设定在70～80间的任一数值。
32.在步骤s300中，基于立体光学法的运算模型产生一合成影像。于此步骤中，对所输入的各幅原始影像进行整体的表面法矢量的计算，并基于此进一步计算出与表面法矢量垂直的正交矢量，透过矢量场的积分进而获得一深度影像，此深度影像即为合成后可供后续瑕疵检测的一合成影像。其中，立体光学法的运算模型为公知的运算处理技术，基于光强度值来做为整体模型的计算依据，在此不赘述其运算细节。
33.接着请参照图2，为本发明另一实施例中影像处理方法的流程图。相较于图1的实施例，进一步包含一影像资料后处理步骤s400。步骤s400是对影像资料进行正规化，进一步产生待分析影像，以增强影像资料区间的一致性，提高后续判断瑕疵时的正确性。
34.步骤s400可包含：s410灰度值分布转换为梯度值分布的步骤、 s420调整梯度值的步骤、及s430梯度值分布转换回灰度值分布的步骤。
35.步骤s410是将合成影像的各像素所对应的灰度分布资料进行梯度值的转换。梯度值指相邻像素的灰度值的变化程度，故本步骤是依据影像资料上的行或列的排序方向，将依序排列的各像素进行灰度值变化程度的计算，亦即，与序列中前一排序的梯度值做变化程度的计算，进而取得排序方向上的梯度分布资料。梯度分布资料的数值会介于-1～1之间。
36.步骤s420是指在梯度分布资料中，选出梯度值小于第一梯度阈值或大于第二梯度阈值的梯度值，并将这些被选出的梯度值皆设定调整至0。此步骤是限定化的正规化处理，在梯度分布资料上加上限定化的处理，可进一步有助于瑕疵的凸显。所述的第一梯度阈值及第二梯度阈值可为取绝对值后数于相同数值的二阈值。举例来说明，对于待测物表面的算术平均粗糙度ra值小于或等于1.6(μm)的受测区域来说，第一梯度阈值可被选定为-0.5，第二梯度阈值可被选定为0.5，进一步地，甚至可适用于算术平均粗糙度ra值小于或等于0.8(μ m)的受测区域。
37.步骤s430是将0～255的灰度值分配至调整后的梯度分布资料中，使其可被转换回灰度分布资料。此步骤相当于步骤s410的逆向处理。
38.0～255的灰度值分布于第一梯度阈值与第二梯度阈值间以产生具有新灰度分布的一待分析影像，供后续瑕疵检测。其中，由于第一梯度阈值与第二梯度阈值之间以外的范围的梯度值已皆为0，故步骤s430相当于使0～255的灰度值分布于第一梯度阈值与第二梯
度阈值间，产生具有新灰度分布的待分析影像。其中，梯度值0所对应的新灰度值可被设定为128，作为转换的基础。
39.接着请同时参阅图3及图4，图3为本发明一实施例中检测系统的示意图；图4为图3检测系统俯视视角的示意图，可显示出光源装置31相互间以及光源装置31与取像装置20间的相对位置。检测系统包含：载台10、取像装置 20、光源模块30、及控制主机40。载台10可供待测物50的放置。取像装置20配置于载台10上方。光源模块30具有环设于取像装置20周边的多个光源装置31。控制主机40耦接取像装置20及光源模块30，用以控制取像装置20及光源模块 30，并执行前述的影像处理方法。
40.在一些机台的严苛条件下，可配置检测系统的空间可能相当受限，尤其是取像装置20与光源模块30的安置必须紧凑地安排在一起且必须位于载台10上方，甚至是，取像装置20必须位于载台10正上方，而光源模块30紧邻取像装置20，以进一步缩小占用空间。
41.因此，在这些空间狭小的条件下，并无法如一般对于光滑表面检测的配置，没有办法去将取像装置20与光源模块30分别配置在载台10的两相对侧甚至可改变其相对位置，以令反射的光线可轻易地入射至取像装置20。据此，应用公知的立体光度法并搭配本发明公开的影像处理方法来调整相关影像资料，可解决此等技术问题，并使金属材质待测物上的凸起或凹陷的微小瑕疵得以被容易检知，也提高具光滑表面的待测物的瑕疵检测正确性。
42.控制主机40可进一步执行一瑕疵判断程序，在待分析影像上的像素的灰度值大于一凸瑕疵阈值时，这些像素可被定义为凸瑕疵，此外，在待分析影像上的像素的灰度值小于一凹瑕疵阈值时，这些像素可被定义为凹瑕疵。基于影像上的调整后各个像素的灰度值表现，再借助瑕疵阈值的设定，即可在较光滑的待测物表面上判断出瑕疵位置与状况。在一般情况下，较光滑的待测物表面的凸瑕疵阈值可被设定在155～160之间的任一数值，凹瑕疵阈值可被设定在95～100之间的任一数值。在其他情况下，也可利用影像上的调整后各个像素的灰度值表现，依据所需要检知出的凹程度及凸程度(条件更严苛或更宽松)，进而对应地设置凹瑕疵阈值及凸瑕疵阈值。据此，即便当各光源装置31的平均光照射方向与取像装置20的光轴间的夹角θ仅为30度以内，甚至是0～10度间，仍可依本发明公开的影像处理方法来调整相关影像资料并凸显出凹或凸的瑕疵区域。
43.综上所述，本发明公开的基于立体光学法的检测系统，在对应的影像处理后可适用于具有光滑表面的待测物的表面瑕疵检测，且可不受限于均匀的平行照射光，解决立体光学法受限于应用对象须具备粗糙表面或须具备不易反射表面的问题。
44.本发明在上文中公开了优选的实施例，然熟习本领域技术人员应理解的是，实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，所有与实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围当以申请专利范围所界定者为准。附图标记
45.10
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载台20
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取像装置30
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光源模块31
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光源装置40
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控制主机
50
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待测物s100～s400
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步骤s410～s430
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步骤θ
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夹角。