一种月饼外观表面成型缺陷的视觉检测方法与流程

本发明属于计算机视觉与数字图像处理，尤其涉及一种月饼外观表面成型缺陷的视觉检测方法。

背景技术：

1、对于表面带有立体浮雕图案和周期性侧边裙齿结构的成型工件，通常通过光学成像获取其表面图像，并对微细裂纹、边棱破损、表面塌陷以及色泽异常等缺陷进行识别，以保证工业成品的出厂质量，常规工业视觉检测系统一般采用面阵相机采集二维灰度图像，再结合灰度阈值分割或模板特征匹配算法，对待测表面的各类成型缺陷进行识别和定位，例如，公开号为cn122343181a的中国发明专利申请公开了一种烘焙食品生产的质量检测方法及检测系统，通过三维相机采集外观图像并结合卷积神经网络与热成像提取几何、纹理与色彩特征以识别外观缺陷，然而，该方法依赖常规三维成像与端到端统计特征匹配，预设烘焙表面处于理想光学响应状态，未建立光照反射物理模型；当月饼表面附着强反射油膜亮斑并伴随色泽渐变时，其特征提取易将表层镜面高光误判为开裂缺陷，且无法在侧边裙齿局部破损时提供抗缺损的精准刚体旋转对齐基准，难以兼顾复杂光照干扰下的几何形貌提取精度与高速检测稳定性。

2、随着工业产线的连续输送速度不断提高，待测工件经过涂刷蛋液和高温烘烤等工序后，表面渗出的油脂容易形成具有较强镜面反射的油膜，同时，非均匀的美拉德反应还会使表面的漫反射率在较大范围内逐渐变化，在表面反光、色泽变化与三维起伏同时存在的情况下，常规视觉检测所依赖的理想漫反射条件和稳定几何基准容易受到影响，主要存在以下问题：1、常规二维光学成像会把表面几何起伏和反光强弱同时反映在二维灰度图像中，两者难以直接区分，油膜产生的局部高光亮斑容易被误判为物理裂纹，而烘烤产生的色差又可能掩盖微小塌陷和花纹模糊等缺陷；2、常规三维激光三角测量或结构光扫描需要进行空间扫描采样，检测耗时较长，同时容易受到传送带机械振动的影响，在高速连续输送条件下较难满足在线检测的节拍要求；3、传统光度立体视觉算法通常按照理想漫反射条件建立求解模型，当油膜产生较强镜面反射并造成图像饱和时，表面法向量的计算结果容易发生畸变，此外，当侧边裙齿存在局部物理缺损时，常规轮廓拟合方法对旋转位置的估计容易发生偏移，进而导致模板配准出现误差。

3、因此，在强反光油膜、烘烤色泽渐变以及高速连续输送等因素共同影响下，如何区分表面光学反射变化与基底三维几何形貌，并在侧边裙齿局部受损时仍能稳定、快速地完成空间位姿对齐和缺陷分类判定，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种月饼外观表面成型缺陷的视觉检测方法，包括以下步骤：

2、步骤s1，获取待测月饼在4个及以上已知入射方向光源照明下的多向光度图像序列，构建对应表面像素坐标的光学辐射张量；

3、步骤s2，检测光学辐射张量各像素点的灰度响应值，剔除达到预设饱和上限或暗截止下限的无效通道，构建有效通道的加权最小二乘回归方程，解算漫反射反照率标量与表面单位法向量场并生成待检反照率图；

4、步骤s3，根据表面单位法向量场的正交投影分量构建微分第一基本形式度量张量，校正二阶形状算子矩阵后计算平均曲率与高斯曲率以生成表面微分曲率特征图；

5、步骤s4，提取待测月饼的外轮廓几何中心将表面微分曲率特征图转换至极坐标空间，在侧边裙齿径向分布区间提取一维曲率序列，计算局域周期能量方差掩码隔离受损裙齿区间，对有效裙齿区间采用离散傅里叶变换提取主频谐波相位角，比对基准相位角获得刚体旋转偏差角，依据偏差角对表面微分曲率特征图与待检反照率图施加旋转插值生成对齐待检图谱；

6、步骤s5，差分比对对齐待检图谱与基准模具图谱，输出连通域形变几何参数与色差参数。

7、优选的，步骤s2包括以下子步骤：步骤s21，依据像素点在各个有效通道的灰度响应值相对中间灰度基准值的绝对离散偏差，计算加权最小二乘回归方程中的对角权重矩阵；步骤s22，通过加权最小二乘回归计算得到三维梯度耦合向量；步骤s23，计算三维梯度耦合向量的二范数模长作为漫反射反照率标量；步骤s24，将三维梯度耦合向量除以漫反射反照率标量，得到单位表面法向量。

8、优选的，步骤s2解算漫反射反照率标量与表面单位法向量场之后还包括以下子步骤：步骤s25，计算漫反射反照率标量在以目标像素点为中心的局部邻域内的空间方差；步骤s26，在空间方差低于预设物性均匀阈值的区域，采用双边滤波平滑表面单位法向量场中的高频噪声；在空间方差大于或等于预设物性均匀阈值的突变边缘，停止跨越边缘的滤波平滑，以保持几何边缘的法向截断陡峭度。

9、优选的，步骤s4中提取一维曲率序列包括以下子步骤：步骤s41，通过最小外接圆拟合算法获取待测月饼的外边缘轮廓；步骤s42，依据外边缘轮廓计算得到外轮廓几何中心；步骤s43，以外轮廓几何中心为原点建立极坐标系，将表面微分曲率特征图中的直角坐标映射为极径与极角；步骤s44，截取极径处于月饼名义半径的92%至99%之间的环形区域作为侧边裙齿径向分布区间；步骤s45，沿极角方向对侧边裙齿径向分布区间内的平均曲率值进行径向平均积分，生成对应圆周角的一维曲率序列。

10、优选的，步骤s4中掩码隔离受损裙齿区间包括以下子步骤：步骤s46，将一维曲率序列划分为多个覆盖单齿周期角度的局部滑动窗口；步骤s47，计算各局部滑动窗口内曲率信号的局域周期能量方差；步骤s48，当某局部滑动窗口内的局域周期能量方差超出预设基准方差区间上限时，将该局部滑动窗口对应的圆周角度区间标记为受损裙齿区间并基于零权重掩码；步骤s49，在离散傅里叶变换过程中，仅对未被零权重掩码覆盖的有效裙齿区间的曲率信号开展傅里叶级数分解，提取能量主峰对应的基波频率相位角作为主频谐波相位角。

11、优选的，步骤s5中差分比对包括以下子步骤：步骤s51，将对齐后的待检曲率图与标准模具基准曲率图作绝对值差分，生成几何形变显著图；步骤s52，将对齐后的待检反照率图与标准烘烤反照率模板作绝对值差分，生成光学色差显著图；构建由几何形变显著图与光学色差显著图组成的双通道并行拓扑分析流程。

12、优选的，步骤s5中的双通道并行拓扑分析流程包括以下判定准则：当几何形变显著图中的差分值大于预设曲率异常阈值，且提取的连通域骨架长宽比大于5:1时，判定该连通域为表面物理裂纹缺陷；当几何形变显著图中的差分值大于预设曲率异常阈值，且连通域呈面状聚集伴随平均曲率积分衰减时，判定该连通域为花纹模糊缺陷；当几何形变显著图中的高斯曲率在连通域内出现正向或负向极值突变时，判定该连通域为表面凹陷或起泡缺陷；当光学色差显著图中的差分值大于预设反照率异常阈值，伴随反照率阶跃下降且几何形变显著图未出现异常时，判定该连通域为漏馅或焦糊缺陷。

13、优选的，步骤s1中光源为4个环形对称布置的单色白光窄带发光二极管光源，各光源的光轴中心对称汇聚于待测工位表面，各光源的俯仰角均固定为45°，各光源的空间方位角按90°间隔正交分布；在待测月饼匀速通过工位时，按微秒级时序分时点亮4个光源，相机同步曝光获取4帧多向光度图像序列。

14、优选的，步骤s5之后还包括以下子步骤：步骤s53，计算缺陷连通域的像素物理面积、几何形心物理坐标以及缺陷严重程度等级；步骤s54，当缺陷严重程度等级超出预设放行门限时，生成分选剔除控制信号，将分选剔除控制信号传输至下游分选机构以剔除缺陷月饼。

15、相对于现有技术，本发明月饼外观表面成型缺陷的视觉检测方法，具有以下优势：

16、1、在月饼外观表面成型缺陷的视觉检测中，利用多向光度图像对表面反射特性与几何形貌进行区分，并在计算过程中避开高光饱和和阴影区域对结果的干扰，可减少油膜反光对表面形貌判断的影响，同时，根据漫反射反照率的局部变化对表面单位法向量场进行平滑处理，在表面性质较均匀的区域抑制噪声，同时保留真实的几何边缘，从而降低油膜亮斑造成的裂纹误判，并保留微细裂纹等缺陷的边缘特征。

17、2、根据表面单位法向量场计算平均曲率和高斯曲率，使几何缺陷的判断依据表面的实际起伏变化，这样，在月饼表面因烘烤不均而出现较大范围色泽渐变时，几何特征仍能保持较好的稳定性，减少颜色变化对缺陷检测的干扰，有利于识别物理裂纹、局部塌陷等表面成型缺陷。

18、3、利用侧边裙齿本身具有的周期性，在局部裙齿受损时先排除异常区间，再利用其余完整裙齿确定月饼的旋转位置，可以避免局部缺损直接影响整体位姿判断，该方式提升了局部齿形破损工况下的定位稳定性，可减小旋转位置计算发生偏移的情况，使待检图像与基准图谱在存在局部裙齿缺损时仍能保持较稳定的对齐。