一种基于Mueller矩阵的划痕检测装置及其工作方法与流程

本发明属于表面划痕检测，具体涉及一种基于mueller矩阵的划痕检测装置及其工作方法。

背景技术：

1、在物证勘查、工业质检等众多领域，对物体表面划痕的精确定位与深度评估具有至关重要的现实意义。尤其在公安物证搜查、玻璃裂痕鉴定或透明镀膜质量检测等场景中，划痕不仅是关键的物理证据或质量缺陷指标，其具体位置与深浅更直接关系到事件研判的准确性与产品可靠性的判断。传统划痕检测方法依赖环境光或强主动照明下的强度对比，在光线不足或面对玻璃等透明材质时，往往效率低下、易产生漏检，且难以量化划痕的微观深度信息，这严重制约了工作的精确性与效率。

2、当前研究中针对mueller矩阵来设计专用的划痕检测装置的研究相对较少，mueller矩阵能够全面表征材料表面的偏振特性，对表面微观形貌异常如划痕引起的偏振态变化极为敏感，理论上可实现对划痕位置乃至深度的非接触、高对比度探测与量化分析。但现有技术方案大多仍停留在传统强度成像层面，未能有效利用这一偏振信息维度，导致在低照度环境或透明目标检测中，既难以稳定凸显划痕与背景的对比，更无法获取其深度相关参数。这种技术缺失使得当前检测能力存在明显局限，不仅影响缺陷识别的完备性，也阻碍了检测工作向精细化、自动化方向的深入发展。因此，为了提高对划痕检测的准确性和高效性，亟需一种基于mueller矩阵的划痕检测装置及其工作方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于mueller矩阵的划痕检测装置及其工作方法，用以解决现有技术对偏振信息维度未能有效利用而导致的在低照度环境或透明目标检测中，既难以稳定凸显划痕与背景的对比，更无法获取其深度相关参数的问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于mueller矩阵的划痕检测装置，所述装置包括划痕检测装置控制界面1、拍照键2、照明光模式调节按钮3、正交目视探测镜头4、可变焦镜头5、可见光偏振成像系统6、led扩束灯7、旋转偏振片8；

4、所述划痕检测装置控制界面1用于控制划痕检测装置进行不同的操作，以实现划痕检测装置不同的功能；

5、所述拍照键2用于采集潜在的划痕图像以及后续的分析和图像处理；

6、所述照明光模式调节按钮3用来调整划痕检测装置的照明光模式；

7、所述正交目视探测镜头4内置可旋转偏振方向的偏振片，用于在自然光强较强或主动照明强度较大所导致的需要快速定位划痕的场景下提供目视辅助；

8、所述可变焦镜头5用于在不同的距离下对可见光偏振成像系统7要观测的划痕进行准确的对焦；

9、所述可见光偏振成像系统6用于对要观测的划痕进行图像采集工作；

10、所述led扩束灯7用于为划痕检测装置提供主动照明；

11、所述旋转偏振片8用于结合led扩束灯7来调整出射光的偏振方向，可调整的偏振方向在0-360°范围内自由调整。

12、进一步的，所述划痕检测装置控制界面1包括划痕检测装置开关11、画中画切换按钮12、mueller矩阵图像计算按钮13、退偏图像显示按钮14、图像处理后图像保存按钮15；

13、所述划痕检测装置开关11用于启动和关闭划痕检测装置；

14、所述画中画切换按钮12用于将划痕检测显示界面切换全屏模式和分图模式；

15、所述mueller矩阵图像计算按钮13用于记录一次偏振照明光下采集的偏振图像，并驱动划痕检测装置主控子系统66控制图像处理子系统67将单张偏振图像重新组合为0°、45°、90°和135°的4张偏振图像，并在点触4次mueller矩阵图像计算按钮13后，划痕检测装置主控子系统66控制图像处理子系统67进行mueller矩阵的图像计算，从而得到mueller矩阵图像中的

m22和

m33图像；

16、所述退偏图像显示按钮14用于显示经过mueller矩阵图像计算后的退偏图像；

17、所述图像处理后图像保存按钮15对图像处理子系统67计算后的mueller矩阵图像和最终计算得到的退偏图像进行保存。

18、进一步的，所述可见光偏振成像系统6包括主光学窗口61、反射镜组62、狭缝63、准直镜组64、可见光偏振相机65、划痕检测装置主控子系统66、图像处理子系统67、图像显示子系统68、图像记录子系统69、图像放大和缩小调节子系统610以及自动对焦子系统611；

19、所述反射镜组62、狭缝63、准直镜组64通过主光学窗口61获取目标表面划痕反射光信号，并将光信号传递到可见光偏振相机65，从而进行可见光偏振成像；

20、所述可见光偏振相机65用于采集可见光偏振图像，其中像素偏振片阵列对应的角度分别为0°、45°、90°和135°；

21、所述划痕检测装置主控子系统66用于控制图像处理子系统67、图像显示子系统68、图像记录子系统69、图像放大和缩小调节子系统610；

22、所述图像处理子系统67用于对不同偏振照明光下采集到的偏振图像进行mueller图像计算，并最终计算得到退偏图像；

23、所述图像显示子系统68用于实时显示当前可见光偏振成像系统6采集的画面以及显示图像处理子系统67计算得到的退偏图像；

24、所述图像记录子系统69用于对经过图像处理子系统67处理后的mueller图像和退偏图像进行保存，并将对应的时间戳进行同步记录；

25、所述图像放大和缩小调节子系统610用于调整可变焦镜头5图像放大和缩小的倍数；

26、所述自动对焦子系统611用于在图像放大和缩小调节子系统610调节图像放大和缩小的倍数后，自动对可见光偏振相机65进行对焦。

27、一种基于mueller矩阵的划痕检测装置的工作方法，所述工作方法如上述一种基于mueller矩阵的划痕检测装置，所述工作方法包括以下步骤：

28、步骤1：组装、固定并调试基于mueller矩阵的划痕检测装置；

29、步骤2：在观察目标表面划痕阶段，使用者通过划痕检测装置中的正交目视探测镜头4来确定目标表面划痕的大致位置；

30、步骤3：在确定目标表面划痕的大致位置后，首先打开划痕检测装置开关11，划痕检测装置控制界面1显示实时拍摄到的画面，其次控制图像放大和缩小调节子系统610来调整可变焦镜头5图像的倍数以调整目标表面划痕在视场中的大小，自动对焦子系统611控制可见光偏振相机65正确对焦在目标表面划痕上；

31、步骤4：通过照明光模式调节按钮3调整照明方式为闪光灯模式或持续照明模式，分别旋转偏振片8的偏振方向，结合led扩束灯7形成0°、45°、90°和135°的偏振照明光，相对应的每切换一种偏振方向的偏振照明光，点触一次拍照键2完成一次图像的采集，并点触一次mueller矩阵图像计算按钮13，当完成四次偏振照明光下的偏振图像采集后，相应的点触四次mueller矩阵图像计算按钮13后完成计算mueller矩阵图像的采集工作；

32、步骤5：点触退偏图像显示按钮14，划痕检测装置主控子系统66控制图像处理子系统67进行mueller矩阵的图像计算，从而得到mueller矩阵图像中的

m22和

m33图像，通过

m22图像和

m33图像计算得到退偏图像，再点击画中画切换按钮12，此时划痕检测装置控制界面1的左半边图像显示为目标的原始采集图像，划痕检测装置控制界面1的右半边图像显示为计算后的退偏图像，对比目标的原始采集图像和退偏图像的差别；

33、步骤6：若使用者需要保存mueller图像和退偏图像，则点触图像处理后图像保存按钮15，划痕检测装置主控子系统66驱动图像记录子系统69，对图像处理子系统67计算后的mueller图像和退偏图像进行保存。

34、进一步的，所述步骤3具体为，在确定目标表面划痕的大致位置后，首先打开划痕检测装置开关11，划痕检测装置主控子系统66控制划痕检测装置开机并驱动图像显示子系统68显示实时拍摄到的画面，其次通过划痕检测装置主控子系统66控制图像放大和缩小调节子系统610来调整可变焦镜头5的图像放大和缩小的倍数以调整目标在视场中的大小，最后通过划痕检测装置主控子系统66控制自动对焦子系统611使可见光偏振相机65正确对焦在目标表面划痕上。

35、进一步的，控制图像显示子系统68实时显示当前可见光偏振成像系统6采集的画面，其次控制图像放大和缩小调节子系统610将目标表面划痕放大或缩小到合适的尺寸，保证在视场中能够观察到完整的目标表面划痕，然后控制图像处理子系统67对不同偏振照明光下采集到的16张不同偏振角度的偏振图像进行mueller图像计算，计算得到退偏图像，并通过图像显示子系统68显示计算得到的退偏图像，最后通过图像记录子系统69对经过图像处理子系统67处理后的mueller图像和退偏图像进行保存，并将对应的时间戳进行同步记录。

36、进一步的，所述步骤4具体包括以下步骤：

37、步骤4.1：当自然光较弱时，深按照明光模式调节按钮3将照明方式调整为持续照明模式，并顺时针旋转照明光模式调节按钮3增加led扩束灯7光的强度；

38、若自然光较强时，浅按照明光模式调节按钮3将照明方式调整为闪光灯模式，并逆时针旋转照明光模式调节按钮3减小led扩束灯7光的强度；

39、步骤4.2：确定划痕检测装置位置固定以及照明光模式和照明光强度不变后，旋转偏振片8的偏振方向为0°，结合led扩束灯7形成0°偏振照明光，点触一次拍照键2完成一次图像的采集，并点触一次mueller矩阵图像计算按钮13，划痕检测装置主控子系统66控制图像处理子系统67进行偏振图像的解算，偏振图像是2*2像素排列的偏振马赛克图像，图像处理子系统67分别提取出每个像素偏振片阵列角度相对应的像素将偏振马赛克图像重新组合为0°、45°、90°和135°四个不同偏振角度的图像，将可见光偏振相机65拍摄的偏振图像分解为0°、45°、90°和135°四张不同偏振角度的偏振图像，图像处理子系统67临时储存这四张不同偏振角度的偏振图像；

40、步骤4.3：旋转偏振片8的偏振方向分别为45°、90°和135°，结合led扩束灯7形成45°、90°和135°偏振照明光，重复步骤4.2的操作，共计点触4次拍照键2完成四次图像的采集，以及共点触四次mueller矩阵图像计算按钮13，图像处理子系统67共分解得到4组不同偏振照明光下16张不同偏振角度的偏振图像。

41、进一步的，所述步骤5具体包括以下步骤：

42、步骤5.1：点触退偏图像显示按钮14，划痕检测装置主控子系统66控制图像处理子系统67进行mueller矩阵的图像计算，从而得到mueller矩阵图像中的

m22和

m33图像；

43、步骤5.2：点击画中画切换按钮12，划痕检测装置控制界面1驱动图像显示子系统68在划痕检测装置控制界面1左半边图像显示为采集到的实时目标图像，划痕检测装置控制界面1右半边图像显示为计算后的退偏图像，可以方便的对比图像处理前后原始图像和处理后图像的差别。

44、进一步的，所述mueller矩阵图像的计算公式为：

45、（1）

46、其中，、、、、、、、、、、、、、、和为mueller矩阵的16个元素，角标中的第一个字母为mueller矩阵所对应的行，角标中的第二个字母为mueller矩阵所对应的列；、、、、、、、、、、、、、、、为采集到的偏振图像，角标中的第一个字母为偏振照明光的起偏方向，角标中的第二个字母为可见光偏振相机65采集到的偏振图像通过图像处理子系统67分解得到的偏振图像对应的偏振方向，其中偏振方向为0°和90°的偏振光用1和2表示，45°和135°的偏振光用3和4表示。

47、进一步的，所述退偏图像的计算公式为：

48、（2）

49、通过上式计算得到的退偏图像，可理解为通过数值来量化退偏振程度的大小，退偏数值越大代表退偏程度越大，退偏数值越小代表退偏程度越小，大量实验结果表明在目标表面裂痕中，当退偏大于0.75时则说明该部分像素区域为目标表面划痕，当退偏小于0.75时则说明该部分像素区域为非划痕的目标表面，从退偏图像中就可以可视化观察并分析划痕种类、深度和长度。

50、本发明的有益效果是：

51、本发明提出的方法不仅可以解决传统光电成像记录系统在复杂光照环境下无法快速准确的发现目标表面划痕的问题，而且还可以对物体表面划痕的深度进行正确的量化评估，它将mueller矩阵能够全面表征材料表面的偏振特性的能力，结合裂痕处与非裂痕处具有明显的偏振特性差异，实现了在复杂场景下凸显目标表面划痕的目的，从而规避了在低照度环境或透明目标检测中难以稳定凸显划痕与背景的问题，同时解决无法从视觉上获取其深度相关参数的技术难题，并进一步创新性地解决了现有划痕检测装置多依赖于分离设备组合的问题，形成了一体化的划痕检测装置，为公安物证搜查、玻璃裂痕鉴定或透明镀膜质量检测等场景提供了有效的技术支持和可实现的划痕检测装置方案。