双基面补偿融合的板状工件表面三维缺陷检测方法及系统

本发明涉及工业表面缺陷检测与三维形貌测量，特别涉及一种双基面补偿融合的板状工件表面三维缺陷检测方法及系统。

背景技术：

1、板状工件在加工、输送及质量检测过程中，表面可能产生凹坑、裂缝、划伤、未抛光等缺陷。由于上述缺陷通常表现为局部高度或深度变化，仅通过二维图像难以准确获得缺陷的深度、面积等三维几何信息，因此，现有工业检测过程中通常采用线激光轮廓仪、结构光设备等三维测量装置获取板状工件表面的三维形貌数据，并基于所述三维形貌数据进行表面缺陷检测。

2、在实际检测过程中，板状工件通常由支撑辊、托辊、传送带、吸附台等支撑结构进行承载。板状工件自身可能存在整体弯曲、翘曲或厚度不均等宏观形变，同时支撑结构与板状工件接触时还会使局部区域产生向上的支撑抬升。因此，实际采集的三维形貌数据中除包含待检测的局部缺陷信息外，还叠加有板状工件的宏观形变以及支撑结构造成的局部高度变化；将宏观形变描述为低频、光滑且大尺度的变化，而支撑抬升则主要存在于支撑接触区域并具有局部、向上抬升的特征。

3、现有三维表面缺陷检测方法通常通过对三维形貌数据拟合基面，并计算三维形貌数据相对于所述基面的残差，以从残差中识别局部缺陷。然而，采用单一光滑基面对板状工件表面进行拟合时，所述基面需要同时反映板状工件的宏观形变和支撑结构造成的局部抬升。由于二者在空间尺度和物理成因上存在明显差异，单一基面难以同时准确表征两类高度变化。当支撑结构将板状工件局部托高时，拟合基面容易受到支撑接触区域高值数据的影响而发生局部偏移，使支撑接触区域内的缺陷相对于拟合基面的残差被压缩；当该偏移量接近缺陷本身的深度时，缺陷残差可能被明显削弱甚至无法有效保留，从而造成支撑接触区域的缺陷漏检。

4、此外，在基面拟合之后再通过形态学处理、基线校正或阈值调整等方式对残差进行后处理，虽然能够在一定程度上抑制噪声或局部异常，但由于支撑抬升对缺陷残差的影响已经在基面拟合及基面相减过程中产生，后续处理难以重新恢复被压缩的真实缺陷深度；同时，扫描过程中产生的缓变波纹、无效采样区域以及较大面积凹陷也可能进一步影响缺陷区域的稳定识别和深度统计。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中采用单一基面难以同时准确表征板状工件宏观形变和支撑结构局部抬升，导致支撑接触区域的缺陷残差被削弱甚至发生漏检的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种双基面补偿融合的板状工件表面三维缺陷检测方法，包括：

3、获取板状工件的待测表面的三维形貌数据；

4、对所述三维形貌数据进行形变拟合，得到表征所述板状工件宏观形变的第一基面；

5、基于所述三维形貌数据确定表征所述板状工件的支撑结构对所述板状工件的物理支撑上界的支撑面高度信息，基于所述支撑面高度信息进行曲面构建，得到表征所述物理支撑上界的第二基面；

6、对所述第一基面与所述第二基面进行差异分析，得到基面差值，基于所述基面差值确定所述第一基面相对于所述第二基面需要进行补偿的补偿区域，对所述补偿区域内的所述第一基面进行向下修正，得到修正后基面；

7、对所述三维形貌数据与所述修正后基面进行差值计算，得到残差图，对所述残差图中表征凹陷的残差进行缺陷检测处理，得到所述板状工件的表面缺陷检测结果。

8、在本发明的一个实施例中，基于所述三维形貌数据确定表征所述板状工件的支撑结构对所述板状工件的物理支撑上界的支撑面高度信息的方法为：

9、沿所述板状工件的进给方向按照预设步长对所述三维形貌数据进行分组，每组获取预设行数范围内的三维形貌数据，得到对应的行窗口；

10、根据各所述行窗口内不同位置与所述行窗口的中心位置之间的距离确定行间权重；

11、针对各所述行窗口中的每一列，对该列内的有效高度值按照高度大小进行排序并累加对应的所述行间权重，根据预设高位分位数从排序后的有效高度值中确定对应的加权上分位数，将所述加权上分位数作为对应位置的支撑面高度；

12、基于各所述行窗口中各列对应的所述支撑面高度，得到所述支撑面高度信息。

13、在本发明的一个实施例中，基于所述支撑面高度信息进行曲面构建，得到表征所述物理支撑上界的第二基面的方法为：

14、沿所述三维形貌数据的列方向对所述支撑面高度信息进行分段，对各分段内的支撑面高度进行离群值剔除，对离群值剔除后的支撑面高度进行拟合，得到各分段对应的分段拟合结果；

15、对各所述分段拟合结果沿所述列方向进行插值，对相邻行窗口对应的分段拟合结果沿所述板状工件的进给方向进行插值，得到与所述三维形貌数据尺寸相对应的连续支撑曲面；

16、计算所述支撑面高度信息与所述连续支撑曲面对应位置的高度之间的拟合残差，基于所述拟合残差确定所述连续支撑曲面的高度偏移量，根据所述高度偏移量对所述连续支撑曲面进行高度方向精修；

17、对高度方向精修后的所述连续支撑曲面沿行方向和列方向进行平滑处理，得到所述第二基面。

18、在本发明的一个实施例中，基于所述拟合残差确定所述连续支撑曲面的高度偏移量，根据所述高度偏移量对所述连续支撑曲面进行高度方向精修的方法为：

19、基于所述拟合残差识别低于当前物理支撑上界的凹陷离群点，剔除所述凹陷离群点后重新对所述支撑面高度进行拟合，得到更新后的连续支撑曲面；

20、基于更新后的所述连续支撑曲面对应的拟合残差的预设上分位数确定全局偏移量，基于所述拟合残差的上部分位数据确定顶部锚点；

21、根据所述顶部锚点和预设容差限制所述连续支撑曲面的下移量，根据预设最大偏移量对所述全局偏移量进行限幅，得到目标高度偏移量；

22、根据所述目标高度偏移量对更新后的所述连续支撑曲面进行整体高度调整，得到高度方向精修后的所述连续支撑曲面。

23、在本发明的一个实施例中，基于所述基面差值确定所述第一基面相对于所述第二基面需要进行补偿的补偿区域，对所述补偿区域内的所述第一基面进行向下修正，得到修正后基面的方法为：

24、将所述第一基面记为，将所述第二基面记为，计算所述第一基面与所述第二基面之间的基面差值；

25、基于所述基面差值分布的四分位距确定稳健标准差，根据所述稳健标准差、门限系数和门限固定下限确定补偿门限；将满足且的区域确定为所述补偿区域，根据所述基面差值、所述补偿门限、混合系数和预设最大下修量确定所述补偿区域对应的下修量，表示为：

26、，

27、其中，表示取最小值；

28、根据所述下修量对所述补偿区域内的所述第一基面进行向下修正，得到候选修正基面；比较所述候选修正基面与所述第二基面，在所述候选修正基面低于所述第二基面时，将所述第二基面对应的高度作为修正结果，在所述候选修正基面不低于所述第二基面时，将所述候选修正基面对应的高度作为修正结果，得到所述修正后基面，表示为：

29、，

30、其中，表示取最大值；

31、对所述补偿区域以外的所述第一基面保持不变。

32、在本发明的一个实施例中，对所述残差图中表征凹陷的残差进行缺陷检测处理，得到所述板状工件的表面缺陷检测结果的方法为：

33、基于所述残差图中表征凹陷的残差确定缺陷特征信息，对所述缺陷特征信息进行融合处理，得到缺陷评分图；

34、基于所述缺陷评分图确定检测阈值，根据所述检测阈值和所述残差图中表征凹陷的残差确定缺陷候选像素，基于所述缺陷候选像素生成检测掩膜；

35、对所述检测掩膜进行形态学清洗和连通域分析，得到缺陷区域，基于所述缺陷区域得到所述板状工件的表面缺陷检测结果。

36、在本发明的一个实施例中，基于所述残差图中表征凹陷的残差确定缺陷特征信息，对所述缺陷特征信息进行融合处理，得到缺陷评分图的方法为：

37、基于所述残差图中表征凹陷的残差分别计算多尺度局部标准差特征、梯度幅值特征和绝对曲率特征，得到所述缺陷特征信息；

38、分别对所述多尺度局部标准差特征、所述梯度幅值特征和所述绝对曲率特征进行分位数线性归一化，对归一化后的各特征进行融合，得到原始融合评分；

39、分别确定所述多尺度局部标准差特征、所述梯度幅值特征和所述绝对曲率特征对应的显著性阈值，针对每个像素统计达到对应的所述显著性阈值的特征通道数量；

40、保留至少两个特征通道达到对应的所述显著性阈值的像素，对保留的像素对应的所述原始融合评分进行共识增强，得到所述缺陷评分图。

41、在本发明的一个实施例中，基于所述缺陷评分图确定检测阈值，根据所述检测阈值和所述残差图中表征凹陷的残差确定缺陷候选像素，基于所述缺陷候选像素生成检测掩膜；对所述检测掩膜进行形态学清洗和连通域分析，得到缺陷区域的方法为：

42、基于所述缺陷评分图的预设高位分位数确定候选检测阈值，根据所述候选检测阈值和预设绝对阈值下限确定所述检测阈值；

43、将所述缺陷评分图中评分值达到所述检测阈值、且所述残差图中对应残差的绝对值达到预设最小深度约束值的像素确定为所述缺陷候选像素，基于所述缺陷候选像素生成所述检测掩膜；

44、对所述检测掩膜进行形态学清洗，得到主残差检测掩膜；

45、对所述第二基面与所述三维形貌数据进行差值计算，得到支撑残差，基于所述支撑残差确定残差深度达到预设深度阈值且对应区域面积达到预设面积阈值的区域，得到大瑕疵先验掩膜；

46、基于所述三维形貌数据中的无效像素区域进行横向和纵向支撑孔洞填充，得到扫描间隙掩膜；

47、对所述主残差检测掩膜、所述大瑕疵先验掩膜和所述扫描间隙掩膜进行并集处理，对并集处理结果进行连通域分析，得到所述缺陷区域。

48、在本发明的一个实施例中，得到所述第一基面后，还包括：

49、对所述三维形貌数据与所述第一基面进行差值计算，得到第一基面残差；

50、对所述第一基面残差进行低通滤波，得到所述第一基面残差中的低频成分；

51、按照预设固定混合比例将所述低频成分线性叠加至所述第一基面，得到更新后的第一基面；

52、将所述更新后的第一基面作为与所述第二基面进行差异分析的所述第一基面。

53、基于同一发明构思，本发明还提供了一种双基面补偿融合的板状工件表面三维缺陷检测系统，包括：

54、数据获取模块，用于获取板状工件的待测表面的三维形貌数据；

55、基面确定模块，用于对所述三维形貌数据进行形变拟合，得到表征所述板状工件宏观形变的第一基面；

56、基于所述三维形貌数据确定表征所述板状工件的支撑结构对所述板状工件的物理支撑上界的支撑面高度信息，基于所述支撑面高度信息进行曲面构建，得到表征所述物理支撑上界的第二基面；

57、基面补偿模块，用于对所述第一基面与所述第二基面进行差异分析，得到基面差值，基于所述基面差值确定所述第一基面相对于所述第二基面需要进行补偿的补偿区域，对所述补偿区域内的所述第一基面进行向下修正，得到修正后基面；

58、缺陷检测模块，用于对所述三维形貌数据与所述修正后基面进行差值计算，得到残差图，对所述残差图中表征凹陷的残差进行缺陷检测处理，得到所述板状工件的表面缺陷检测结果。

59、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

60、本发明通过分别构建表征板状工件宏观形变的第一基面和表征支撑结构物理支撑上界的第二基面，并根据两基面之间的差异对第一基面进行向下补偿修正，使修正后基面能够兼顾板状工件自身形变和支撑结构局部抬升，减小支撑接触区域对缺陷残差的削弱，从而降低缺陷漏检的可能性。

61、同时，本发明基于残差图进行多特征融合和阈值检测，并结合支撑残差对大面积凹陷进行补充识别，有利于提高不同形态表面缺陷检测结果的完整性和稳定性。