机器视觉中外观缺陷检测总拍不清楚？聊聊成像方案这件事

如果你问一个机器视觉工程师，什么项目最让人头疼，外观缺陷检测大概率排在前列。尺寸测量再难，至少目标明确，长宽、孔径、位置度，无非是精度高低的问题。但外观缺陷检测不一样，它面对的是一个充满不确定性的世界：缺陷种类繁多、形态千奇百怪、背景干扰层出不穷。

产品的外观缺陷直接影响着产品的质量问题。划痕、杂质、裂纹、气泡、脏污……每一种缺陷在图像上的表现都不一样。更让人头疼的是，有些缺陷和背景的灰度差异极小，有些缺陷藏在反光区域的眩光里，还有些缺陷因为产品本身的几何形状根本拍不清楚。成像没做好，后面的算法再强也只能在“烂图”上做无用功。

一、成像为什么这么难？先从缺陷说起

外观缺陷检测的难点，主要来自产品本身以及检测仪器的选择。

产品的多样性经常让外观检测陷入困境。今天测手机玻璃盖板，明天测塑料包装袋，后天又要测金属五金件，每种产品的材质、形状、表面特性都不一样，根本没有一套万能方案可以照搬。

缺陷类型的复杂性同样棘手。除了常见的划痕、杂质、裂纹，还有易与背景融于一体的透明胶水轮廓检测，胶水本身是透明的，和背景的灰度差异可能只有几个灰度级，算法找起来非常吃力。

反光物体通常会使图像呈现大面积白斑。金属、玻璃这类高反光表面，在常规光照下会产生镜面反射，一片亮斑把缺陷特征完全淹没，提取无从下手。

圆弧面缺陷受弧面的影响导致视野不能做大。用明视野法，成像光斑非常小；用暗视野成像，则对缺陷方向有局限性。

灰尘、杂质与划痕的区分也是一个难题。部分产品表面由于材质原因，灰尘和划痕在图像上呈现的特征非常相似，算法很难判断这到底是需要剔除的缺陷，还是可以忽略的灰尘。

空心圆柱体内壁曲面的缺陷检测则受限于景深不足和镜头视角受限。内壁是曲面，镜头伸进去之后对焦范围极其有限，想得到理想的图像非常困难。

二、光源：成像方案的核心

除了缺陷检测本身固有的难点之外，在机器视觉检测系统中，光源的选择和使用是能否精确检出缺陷的关键环节。

在选择光源时，我们通常需要从几个维度来考虑。

常亮还是频闪：针对不同的检测要求，光源可使用常亮模式，也可进行多工位频闪拍照。常亮模式适合低速检测或静态拍摄；频闪模式则适合高速产线，光源在相机曝光的瞬间发出高强度脉冲光，把运动中的工件“冻结”在图像里。

明场还是暗场：根据外观缺陷的形状或材质特性，可选择明场或暗场照明，同时光源角度也可按需调整。明场照明是光线直接反射进相机，图像整体明亮；暗场照明则是光线以低角度照射，平整区域反射光不进相机（背景呈黑色），凸起和凹陷处的散射光进入相机（缺陷呈亮色）。

工作距离与视野：根据视野与精度要求，除了选择不同的相机与镜头组合外，光源的工作距离也尤为重要。距离太近，光照不均匀；距离太远，光强衰减严重。

三、常见成像方案：对症下药

不同的外观缺陷有着不同的特征，要想达到一个好的检测效果，需要对各种光源的原理及应用熟稔于心。

针对反光且外形不规则的物体，可使用多角度多光谱光源。多光谱光源从多角度照射，可使物体表面不规则的区域展现出不同的成像特性；而反光面与粗糙面对光的散射效果不同，则可在图片上投射出不同的灰度信息。通过计算颜色分布和图像阴影变化，可准确突出物体表面的层次信息，方便后期抓取图像特征。

针对大面积大视野的样品检测，条形光源和背光源是首选光源。大尺寸背光源通过LED的高密度排列，提供高均匀性与高亮度的照明效果，能突出物体的外形轮廓等特征。而条形光源的指向性强且光线均匀，通过调整角度或者多个条光组合可检测较大面积的外观缺陷。

针对磨砂材质的表面缺陷，可使用指向性好的光源。指向性好的光源可以突出材料表面的颗粒感；相比之下，漫射光源则会使外观缺陷的成像图没有对比度，就像用柔光箱拍人像，皮肤瑕疵都被磨平了，但你想看的恰恰就是瑕疵。

针对部分需要分多次拍照且有速度要求的样品，需使用高亮光源。多工位多次拍摄成像的外观检测，需使用频闪拍照系统，且光源体积要小、重量要轻。

四、三个实战案例：交叉线形、平面无影、平面条纹

1.交叉线形光源解决纵向划痕难题

在划痕类的缺陷检测中，如果使用传统的线形光源，只能检测出“横向缺陷”，而“纵向缺陷”则难以被发现，因为光线平行于划痕方向，划痕不会产生明显的阴影或散射差异。为了让纵向缺陷也无处遁形，可采用交叉线形光源。它利用特殊的光学设计，使两侧的光线呈一定角度汇集到光源中间位置，凸显纵向缺陷，通过降低背景亮度来提升缺陷的对比度。

手机等移动电子产品的玻璃盖板表面缺陷检测是当下机器视觉的热点应用，也是难点应用之一。使用普通线光源检测“横向划痕”时缺陷可见，检测“纵向划痕”时缺陷不可见；而使用交叉线光源检测“纵向划痕”时缺陷清晰可见。

在实际检测过程中，将普通线光源和交叉线光源配合使用，可以很好地检出玻璃盖板上的横竖划痕。这种方法可用于检测玻璃盖板、薄膜、金属面等产品上的划痕和条纹等缺陷。

2.平面无影光源应对不平整表面

平面无影光源能提供高均匀度的漫射照明，可以消除产品表面不平整形成的干扰，成像效果与“圆顶+同轴光源组合”类似，且相比组合光源更节省空间。

在检测表面不平整的物体时，如塑料等材质柔软的包装袋表面，推荐使用平面无影光源。使用同轴光源时，光线明暗不均匀，无法检测不平整物品；使用圆顶光源照明存在阴影，也无法检测不平整物品；使用平面无影光源，打光均匀，成像清晰且包装袋上的字体清晰可见。

3.平面条纹光源检测凹凸点

平面条纹光源使用平面条纹式照明，通过反射的光线相互干涉而形成明暗相间的干涉直条纹。当检测物体表面有凹凸不平时，由于光程变化使得部分直条纹产生形变，以此来检测元件表面的凹凸点及细小缺陷问题。

平面条纹光源可很好地弥补同轴光源难以检测的凹凸点及细小缺陷不明显的短板，适用于反光物体、膜材、五金件、玻璃上的凹凸点及细小缺陷的检测。在玻璃盖板划痕检测中，使用平面条纹光源时划痕清晰可见；而使用同轴光源时，玻璃盖板表面整体被均匀照射，但划痕不可见。

在机器视觉领域，双翌光电一直专注于光学成像方案与视觉算法的深度协同。其视觉系统在复杂材质成像方面积累了丰富的工程经验，面对高反光金属、透明薄膜、曲面工件等复杂的检测对象，系统通过多角度组合光源与智能曝光控制，能够有效抑制反光干扰、增强缺陷对比度。在玻璃盖板划痕检测、包装袋表面缺陷检测等场景中，双翌的方案已经帮助多家制造企业实现了稳定的缺陷检出。

五、结语

外观缺陷检测从来没有通用的方案。不同的产品、不同的缺陷、不同的精度要求，对应的成像方案可能完全不同。只有根据产品的检测需求以及产品的自身特性来选择合适的光源，才能得到好的光学方案。

随着科技的进步，光源的种类不断增多，在保证成像质量的同时也朝着节省空间与成本的方向发展，同时很多检测上的疑难点得到了解决与改善。从交叉线形光源到平面无影光源，从平面条纹光源到多角度多光谱光源，每一次成像方案的进步，都在让那些缺陷变得清晰可见。