一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测装置及方法

本发明属于视觉检测，尤其涉及一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测装置及方法。

背景技术：

1、人造板是以木材或其他植物纤维为主要原料，经分离、干燥、施胶、铺装和热压等工序制成的板材，广泛应用于家具制造、建筑装饰及包装运输等领域。受原料纤维分布、铺装均匀性、热压工艺、胶黏剂状态以及生产设备运行状态等因素影响，人造板表面容易出现划痕、裂纹、凹坑、鼓泡、胶斑、污渍、缺料、纤维团聚及局部形貌异常等缺陷。上述缺陷不仅影响板材外观质量，还可能反映板材内部结合状态或生产工艺存在异常，因此需要在生产线上对人造板表面实施快速、稳定的在线检测。

2、现有的人造板表面缺陷检测方式主要包括人工目视检测和基于机器视觉的自动检测。人工检测容易受到检测人员经验、疲劳程度、环境光照及主观判断差异的影响，存在检测效率较低、漏检率较高以及检测标准难以统一的问题。传统机器视觉检测方法通常利用单一光源采集二维灰度图像或彩色图像，再依据灰度、颜色、纹理、边缘或形状等特征识别缺陷。然而，人造板表面具有明显的木纹方向性、纹理随机性和反射非均匀性，不同光照角度、光源衰减、相机暗电流及板材表面反射状态均可能引起图像灰度变化，使正常木纹与真实缺陷之间产生特征混叠。

3、此外，现有基于监督学习的缺陷分类方法通常依赖预先采集并标注的已知缺陷样本，其模型输出类别受训练数据范围限制。当生产过程中出现训练阶段未覆盖的新型缺陷、复合缺陷或低频缺陷时，模型容易将未知缺陷误判为正常区域或已有缺陷类别，难以满足开放生产环境下的缺陷检测需求。同时，仅依赖二维纹理或颜色特征的检测方式难以有效区分表面色差与实际凹凸形貌变化，对浅划痕、细微裂纹、局部鼓包及顺纹方向的微弱形变等缺陷识别能力有限。

4、因此，有必要提供一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测装置及方法，通过对多光源采集图像进行本底校正和光学解耦，分别获得表面反照率信息与表面三维法向投影信息，并结合人造板木纤维生长的各向异性特征构建顺纹形貌变化特征，在不依赖全部缺陷类别样本的情况下，根据待测区域相对于正常样本特征分布的偏离程度识别已知缺陷和未知缺陷，从而提高人造板表面缺陷在线检测的准确性、稳定性及适用范围。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测装置及方法，解决了上述问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测方法，包括：

3、获取人造板的监测区域，通过引入防溢出算子对监测区域进行辐射度校正，输出监测区域的绝对辐射度校正图像序列；

4、接收绝对辐射度校正图像序列，结合多光源系统的方向分布向量进行光学解耦计算，输出监测区域的表面反照率特征与表面三维法向投影特征；

5、接收表面反照率特征与表面三维法向投影特征，基于人造板木纤维生长的各向异性先验提取局部木纹方向流场，计算表面三维法向投影特征沿局部木纹方向流场的空间方向导数，并利用表面反照率特征的空间梯度特征进行动态激活，映射输出顺纹形貌切向变异度特征；

6、引入像素物方分辨率对顺纹形貌切向变异度特征进行无量纲化映射，提取表面反照率特征、表面三维法向投影特征以及无量纲化后的顺纹形貌切向变异度特征构建为绝对无量纲的多维特征向量，计算多维特征向量与预先构建的基准正常样本特征分布模型的统计学距离，结合本底容限阈值与非负截断算子进行滤除后，将有效距离映射输出为异常分数；

7、接收异常分数，执行阈值判定闭环，输出针对人造板的表面缺陷预警。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：

9、进一步的技术方案：原始表面图像序列具体为不同极角与方位角下的离散灰度图像；表面反照率特征具体为表征二维纹理颜色的纯粹反射率量化标量；表面三维法向投影特征具体为三维法向矢量的垂直法向分量；统计学距离具体为马氏距离。

10、进一步的技术方案：对监测区域进行辐射度校正，输出监测区域的绝对辐射度校正图像序列，其特定运算机理及制约关系如下：

11、计算原始灰度值与暗电流基准图像灰度值的有效信号差值，以及对应光源分立标定的平场基准图像灰度值与暗电流基准图像灰度值的有效基准差值；

12、对有效基准差值施加辐射度校正防溢出下限常数进行非负截断约束，获取截断基准差值，以消除白板光源老化衰减导致的分母零值或负值奇异性；

13、将有效信号差值与截断基准差值进行商运算以剥离系统空间衰减，并引入标准白板的标称反射率常数，以及用于补偿不同入射角下朗伯余弦效应偏差的光源-白板点积因子进行尺度缩放，获取无量纲的绝对辐射度校正图像序列。

14、进一步的技术方案：进行光学解耦计算，输出监测区域的表面反照率特征与表面三维法向投影特征，其特定运算机理及制约关系如下：

15、基于由各光源的单位入射方向矢量构成的光源方向矩阵，生成对应的伪逆投影矩阵，利用伪逆投影矩阵对由绝对辐射度校正图像序列组合成的列向量进行逆向投影重构，解算获取表面光度特征向量；

16、提取表面光度特征向量的欧氏向量范数，作为表面反照率特征；

17、在引入防零除极小正实数常数以消除纯黑区域归一化奇异性的前提下，利用约束后的表面反照率特征对表面光度特征向量进行方向归一化，并提取归一化向量在笛卡尔坐标系垂直方向单位向量上的投影分量，作为表面三维法向投影特征。

18、进一步的技术方案：计算表面三维法向投影特征沿局部木纹方向流场的空间方向导数，映射输出顺纹形貌切向变异度特征，其特定运算机理及制约关系如下：

19、基于图像离散像素网格坐标与相机的像素物方分辨率，构建物理度量域下的物理域空间偏导算子；

20、利用物理域空间偏导算子提取表面反照率特征的偏导数，并通过图像空间高斯卷积算子进行邻域平滑，构建二维结构张量矩阵；

21、对二维结构张量矩阵进行特征值分解提取最小特征值，并在引入防零除与防梯度消失常数以消除归一化奇异性的约束下，闭环提取对应的特征向量作为局部木纹方向流场的切向单位向量，以确立物理形态变化的顺纹走向基准；

22、利用物理域空间偏导算子提取表面三维法向投影特征的二维空间梯度向量，计算其在切向单位向量上的投影绝对值，获取空间方向导数；

23、结合木纹结构激活常数，对表面反照率特征空间梯度的欧几里得范数进行指数衰减映射以构建激活权重项，利用激活权重项对空间方向导数进行动态惩罚调制，以抑制平滑区域的本底噪声，映射输出顺纹形貌切向变异度特征。

24、进一步的技术方案：引入像素物方分辨率进行无量纲化，并计算多维特征向量与预先构建的基准正常样本特征分布模型的统计学距离，映射输出异常分数，其特定运算机理及制约关系如下：

25、利用像素物方分辨率作为乘子，对顺纹形貌切向变异度特征进行空间尺度缩放抵消，获取绝对无量纲化的顺纹形貌切向变异度特征；

26、将表面反照率特征、表面三维法向投影特征以及无量纲化的顺纹形貌切向变异度特征进行联结拼接，构建严格无量纲的多维特征向量；

27、提取预先构建的基准正常样本无量纲特征的均值向量与协方差矩阵的逆矩阵，利用均值向量计算多维特征向量的分布偏差向量，并利用逆矩阵对分布偏差向量进行空间正交归一化投影，解算获取统计学距离；

28、从统计学距离中扣除本底容限阈值常数，并施加非负截断算子以消除正常形态微小波动引发的逻辑反转与负向随机偏移，截断获取有效统计学距离；

29、结合特征空间的物理自由度常数，对有效统计学距离的平方特征执行指数衰减翻转映射，将开放的距离值域严格映射收敛至概率空间区间，输出异常分数。

30、进一步的技术方案：执行阈值判定闭环，输出针对人造板的表面缺陷预警，具体步骤如下：

31、调用解算输出的异常分数；

32、比对当前空间坐标下的异常分数与预先固化的警报阈值常数；

33、当判定异常分数严格大于警报阈值常数时，确立当前空间坐标对应的监测区域已显著偏离人造板正常特征流形，触发并向外围生产线控制设备发送包含物理坐标信息的表面缺陷预警电信号。

34、一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测装置，包括：

35、图像采集与频闪控制模块，用于协同高速相机与多光源矩阵获取人造板原始表面图像序列及系统本底环境基准图像；

36、存储器，用于存储基准正常样本特征分布模型的静态配置参数以及计算机可执行指令；

37、信号处理中枢计算模块，包含微处理器，微处理器被配置为执行存储器中存储的计算机可执行指令，以闭环实现上述基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测方法。

38、本发明提供了一种基于机器视觉的人造板表面缺陷开集检测装置及方法，与现有技术相比具备以下有益效果：

39、1、本发明通过获取不同光源照射条件下的人造板原始表面图像序列，并结合暗电流基准图像、平场基准图像及标准白板标称反射率进行辐射度校正，能够削弱相机暗电流、光源亮度不均、光源衰减及不同入射角造成的灰度偏差，提高不同时间和不同设备状态下图像特征的一致性。

40、2、本发明根据多光源系统的方向分布对校正后的图像进行光学解耦，分别提取表面反照率特征和表面三维法向投影特征，使二维纹理、颜色变化与表面凹凸形貌变化能够分别表征，降低色差、木纹和形貌缺陷之间的特征混叠，提高对划痕、裂纹、凹坑及鼓泡等缺陷的辨识能力。

41、3、本发明基于人造板木纤维生长的各向异性先验提取局部木纹方向流场，并计算表面三维法向投影特征沿木纹方向的变化程度，能够突出顺纹方向上的细微形貌突变，抑制正常木纹随机波动及平滑区域本底噪声对检测结果的干扰。

42、4、本发明将表面反照率特征、表面三维法向投影特征及无量纲化的顺纹形貌切向变异度特征构建为多维特征向量，并利用其与基准正常样本特征分布模型之间的统计学距离确定异常程度，无需预先穷举全部缺陷类别，能够对训练阶段未出现的新型缺陷、复合缺陷及低频缺陷进行开集检测。

43、5、本发明将有效统计学距离映射为异常分数，并通过警报阈值完成缺陷判定，可在发现异常区域时向外围生产线控制设备发送包含物理坐标信息的缺陷预警信号，便于实现缺陷定位、板材分选、生产线联动及工艺追溯，提高人造板在线质量检测的自动化程度。