一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法，包括照明系統(tǒng)照射在檢測臺上方，且為被檢測物體提供均勻的光照；光譜成像裝置：快速獲取被檢測物在400nm-1100nm波段范圍內(nèi)任意光譜通道內(nèi)的光譜圖像，其成像幀頻范圍1-1000幀/秒，空間分辨率10μm-1000μm，并將得到的光譜傳輸給計算機；計算機：接收光譜成像裝置輸出的光譜圖像，并將樣本光譜圖像與實測的光譜圖像進行對比，判斷出光譜差異點是否是異物。本發(fā)明不僅可獲得目標的圖像信息，還可獲得目標的光譜信息，利用背景與異物光譜信息的差異，可將異物從背景總分辨出來，對于背景與異物在形狀和顏色相近的情況，具有實時快速、識別率高的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于鎳泡沫的檢測線。
【專利說明】一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是指一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鎳泡沫可用作過濾器材料，處理流體中磁性粒子的磁流導(dǎo)體。其它應(yīng)用包括應(yīng)用于儲氫媒介、熱交換媒介。我國鎳泡沫行業(yè)運行目前發(fā)展形勢良好，該行業(yè)企業(yè)正逐步向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。鎳泡沫是一種性能優(yōu)良的吸聲材料，在高頻具有較高的吸聲系數(shù)；通過吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以提高其在低頻的吸聲性能。鎳泡沫也是制造鎘-鎳電池和氫-鎳電池的最佳電極材料之一。通過試驗研制成功了用電沉積技術(shù)制備鎳泡沫的工藝。所用基體材料為多孔的開孔泡沫塑料，采用化學(xué)鍍鎳、真空鍍鎳和浸導(dǎo)電膠三種方法均可制備導(dǎo)電層，經(jīng)預(yù)鍍鎳便可在通用的硫酸鹽鍍鎳電解液中電鍍厚鎳，后經(jīng)灼燒、還原、退火工序便可得到性能優(yōu)良的鎳泡沫材料。
[0003]鎳泡沫是一種新能源電池的生產(chǎn)材料，在新能源汽車領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，但在鎳泡沫的生產(chǎn)和加工過程中,會帶來少量的銅雜質(zhì),而這會帶來電池的短路弓I起爆炸事故。因此，在鎳泡沫的生產(chǎn)和加工過程中銅雜質(zhì)的數(shù)量是受到嚴格限制的，需要相應(yīng)的異物在線檢測裝置用于鎳泡沫生產(chǎn)過程中銅雜質(zhì)的在線檢測。目前常用的異物或雜質(zhì)檢測系統(tǒng)主要是通過雜質(zhì)的大小、形狀以及其亮度和對比度來從背景中識別和提取的，但當異物同背景的對比度較差或其大小和形狀難以識別時，會造成異物識別困難和漏檢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法，解決目前的鎳泡沫的檢測方法依賴于檢測人員的主觀判斷、異物同背景的對比度較差或其大小和形狀難以識別時容易出現(xiàn)識別困難和漏檢的問題，達到精確檢測、準確判斷雜質(zhì)的目的。
[0005]本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn):
一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)，包括一個:
照明系統(tǒng):照明系統(tǒng)照射在檢測臺上方，且為被檢測物體提供均勻的光照；
光譜成像裝置:快速獲取被檢測物在400nm-l IOOnm波段范圍內(nèi)任意光譜通道內(nèi)的光譜圖像，其成像幀頻范圍1-1000幀/秒，空間分辨率10 μ m-1000 μ m,并將得到的光譜傳輸給計算機；
計算機:接收光譜成像裝置輸出的光譜圖像，并將樣本光譜圖像與實測的光譜圖像進行對比，判斷出光譜差異點是否是異物。
[0006]本發(fā)明采用在檢測臺的上方安裝一個照明系統(tǒng)，照明系統(tǒng)提供穩(wěn)定均勻的照明環(huán)境，光譜成像裝置將被檢測的材料的光譜轉(zhuǎn)換成反應(yīng)其特征的光譜圖像；然后由計算機對得到的被檢測物體的光譜圖像與樣本的光譜圖像進行對比，得出是否存在異物的結(jié)論，從而實現(xiàn)異物判斷的自動型，排除了人為的主觀意識，而且，利用光譜圖像在特定波段的特性來進行判斷，其可靠性很高；從光譜和空間多個維度對異物和背景進行區(qū)分和定位，可以實現(xiàn)異物的快速、準確檢測，有效提高異物的檢出率，在工業(yè)生產(chǎn)特定異物和異物的在線或離線檢測中具有廣泛的應(yīng)用。
[0007]所述的光譜成像裝置包括:
液晶可調(diào)濾光片:安裝在光學(xué)鏡頭上，用于透過光譜通帶內(nèi)的光，并抑制通帶外其他波長的光，在驅(qū)動控制器的控制下，其透過的光譜通帶波長是可調(diào)諧的；
圖像傳感器:圖像傳感器包括CCD相機，在CCD相機上安裝有光學(xué)鏡頭，其作用為對目標成像，并將圖像傳輸至圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備；
驅(qū)動控制器:驅(qū)動控制器與液晶可調(diào)濾光片之間用RS-232串口線相連接，驅(qū)動控制器向液晶可調(diào)濾光片發(fā)送指令，控制液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長，并按照由短波長到長波長的順序，使得通過液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長依次變化，從而實現(xiàn)光譜通帶連續(xù)調(diào)諧。
[0008]本發(fā)明采用液晶可調(diào)濾光片安裝在CCD相機的光學(xué)鏡頭上，其作用類似于普通的光學(xué)帶通濾光片，透過光譜通帶內(nèi)的光，并抑制通帶外其他波長的光，而與普通的光學(xué)帶通濾光片不同的是，液晶可調(diào)濾光片在驅(qū)動控制器的控制下，其透過的光譜通帶波長是可調(diào)諧的，例如工作波段范圍為400-1100nm的液晶可調(diào)濾光片，在驅(qū)動控制器的作用下，液晶可調(diào)濾光片透過的中心波長可以是400-1100nm中任意一個波長，而普通光學(xué)濾光片透過的光譜通帶是固定的；圖像傳感器包括光學(xué)鏡頭和CCD相機，其作用為對目標成像，并將圖像傳輸至計算機，光學(xué) 鏡頭的前端與液晶可調(diào)濾光片用螺紋連接，光學(xué)鏡頭的后端連接CCD相機，與普通光學(xué)成像不同的是景物目標先透過液晶可調(diào)濾光片，再進入光學(xué)鏡頭和CXD相機，成像后的圖像數(shù)據(jù)中，每一幅圖像只有景物目標在光譜通帶內(nèi)的圖像信息，形成光譜圖像，例如液晶可調(diào)濾光片的工作波段為400-1100nm，光譜通帶寬度為lOOnm，光譜通帶數(shù)為7，則需要對同一景物目標成像7次，獲得7幅光譜圖像，其對應(yīng)的光譜通帶范圍分別為400-500nm, 500-600nm,……1000-1 lOOnm，通過讀取7幅圖像中同一像素點的圖像強度值，即可得到目標的光譜曲線，橫坐標為波長，縱坐標為該波長下圖像強度值；而對于普通光學(xué)成像只有一副圖像，其圖像包含了 400-1100nm所有信息，無法提取到目標的光譜曲線；驅(qū)動控制器與液晶可調(diào)濾光片之間用RS-232串口線相連接，驅(qū)動控制器向液晶可調(diào)濾光片發(fā)送指令，控制液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長，并按照由短波長到長波長的順序，例如從400nm至I lOOnm，使得通過液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長依次變化，從而實現(xiàn)光譜通帶連續(xù)調(diào)諧；計算機通過驅(qū)動控制器控制液晶可調(diào)濾光片的圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸至計算機，并存儲在計算機內(nèi)。
[0009]一種基于光譜成像的異物檢測方法，包括以下步驟:
Ca)建立樣本光譜圖像；
(b)對樣本光譜圖像中背景和異物的光譜特征曲線進行提?。?br> (C)利用步驟(b)得到的結(jié)果構(gòu)建線性判別函數(shù)；
Cd)對被測物體進行光譜圖像成像操作；
Ce)對步驟(d)得到的光譜特征進行提?。?br> (f)將步驟(e)得到的特征帶入步驟(C)得到的線性判別函數(shù)進行計算，利用計算的結(jié)構(gòu)判斷出被測樣品中是否有異物。[0010]相比普通彩色成像的檢測方法，基于光譜成像的異物檢測方法，不僅可以獲取目標的圖像信息，還可以獲取目標的光譜信息，對于異物與背景在形狀、顏色接近的情況，普通彩色成像的方法很難將異物從背景中分辨出來，而基于光譜成像的異物檢測方法，利用異物與背景的光譜差異，將異物分辨出來，可大大提高檢測的準確率。
[0011]所述步驟(b)對樣本光譜圖像中背景和異物的光譜特征曲線進行提取是這樣做的:將包含背景和異物的樣本光譜圖像中，分別提取10個背景像素點的光譜值和和10個異物的光譜值，假設(shè)光譜通道數(shù)為Π，背景的光譜值為(bl [X1, Xf.xn]，b2 [X1, Xf.xn]，….MOlix1, X2…xJ )，異物的光譜值為(zl [X1, x2....xn], z2[xlr x2....xn],....ζ10[χ1； x2....xn])。通過測定背景與異物的光譜反射曲線，找到背景與異物光譜反射率曲線差異較大的波段范圍，以及所需要光譜通道數(shù)，光譜通道數(shù)越多，識別準確率越高，但是光譜通道數(shù)多會使掃描速度降低，從而使得檢測速度降低，因此在滿足識別率要求的情況下，光譜通道數(shù)越少越好，在考慮這些因素后，選擇光譜通道數(shù)為10較好。提取樣本背景點與異物點的光譜值的作用是用于步驟(C)，求解線性判別函數(shù)中的系數(shù)。
[0012]步驟(C)利用步驟(b)得到的結(jié)果構(gòu)建線性判別函數(shù)為:d(X)= X1+ W2X2+ w3x3+...+ wnxn+ wn+1，將樣本中背景和異物的光譜值都輸入到線性判別函數(shù)d(X)，將其中的系數(shù)值(W1，W2，WfWn+1)求解出來，確定該樣品線性判別函數(shù)的系數(shù)。確定完線性判別函數(shù)形式與系數(shù)后，將未知光譜信息輸入至線性判別函數(shù)，通過計算線性判別函數(shù)中d(x)的值，就知道該光譜信息代表背景還是異物。
[0013]步驟(f)利用 計算的結(jié)構(gòu)判斷出被測樣品中是否有異物是:d(X)>0時，被檢測點X是異物，d(X) 時，被檢測點X是背景。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果:
I本發(fā)明一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法，不僅可獲得目標的圖像信息，還可獲得目標的光譜信息，利用背景與異物光譜信息的差異，可將異物從背景總分辨出來，對于背景與異物在形狀和顏色相近的情況，本方法相比現(xiàn)有的彩色成像檢測方法，具有一定優(yōu)勢；
2本發(fā)明一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)及檢測方法，具有實時快速、識別率高的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于鎳泡沫的檢測線。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實施例的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實施例的限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明檢測系統(tǒng)原理框圖；
圖2為本發(fā)明檢測方法的流程框圖；
圖3為本發(fā)明待測雜質(zhì)銅屑和背景鎳泡沫的光譜反射曲線；
圖4為本發(fā)明實施例中鎳泡沫中顯微鏡下的銅雜質(zhì)實物圖；
圖5為本發(fā)明實施例中為異物銅雜質(zhì)光譜檢測結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。
實施例
[0017]如圖1所示，一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)，包括照明系統(tǒng):照明系統(tǒng)照射在檢測臺上方，且為被檢測物體提供均勻的光照；光譜成像裝置:快速獲取被檢測物在400nm-1100nm波段范圍內(nèi)任意光譜通道內(nèi)的光譜圖像，其成像幀頻范圍1_1000幀/秒，空間分辨率?ο μ m-1000 μ m，并將得到的光譜傳輸給計算機；計算機接收光譜成像裝置輸出的光譜圖像，并將樣本光譜圖像與實測的光譜圖像進行對比，判斷出光譜差異點是否是異物；其中:光譜成像裝置包括:液晶可調(diào)濾光片安裝在光學(xué)鏡頭上，用于透過光譜通帶內(nèi)的光，并抑制通帶外其他波長的光，在驅(qū)動控制器的控制下，其透過的光譜通帶波長是可調(diào)諧的；圖像傳感器包括CCD相機，在CCD相機上安裝有光學(xué)鏡頭，其作用為對目標成像，并將圖像傳輸至圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備；驅(qū)動控制器與液晶可調(diào)濾光片之間用RS-232串口線相連接，驅(qū)動控制器向液晶可調(diào)濾光片發(fā)送指令，控制液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長，并按照由短波長到長波長的順序，使得通過液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長依次變化，從而實現(xiàn)光譜通帶連續(xù)調(diào)諧。
[0018]如圖2所示，本發(fā)明一種基于光譜成像的異物檢測方法，按照以下步驟進行:
(a)用光譜儀測試銅雜質(zhì)和鎳泡沫的光譜曲線，確定光譜成像裝置的工作波長范圍以及光譜通道數(shù)，圖3是銅雜質(zhì)和鎳泡沫的光譜反射曲線圖，通過測定鎳泡沫與銅雜質(zhì)的光譜反射曲線，找到鎳泡沫與銅雜質(zhì)光譜反射率曲線差異最大的波段范圍，以及所需要光譜通道數(shù)。光譜通道數(shù)越多，識別準確率越高，但是光譜通道數(shù)多會使掃描速度降低，從而使得檢測速度降低，因此在滿足識別率要求的情況下，光譜通道數(shù)越少越好，從圖中可以看出，鎳泡沫與銅雜質(zhì)在400nm-800nm波段內(nèi)的光譜反射曲線具有較大的差異，光譜通道數(shù)需要10個左右；
(b)建立樣本光譜圖像；樣本即為鎳泡沫實物，由于鎳泡沫中含銅雜質(zhì)極少，為了獲取更多銅雜質(zhì)的光譜特征曲線，需要在同一張鎳泡沫中放置幾十顆銅雜質(zhì)，銅雜質(zhì)的大小與實際情況相近。然后利用光譜成像裝置對該樣本光譜成像，獲得樣本的光譜圖像；
(c)對樣本光譜圖像中鎳泡沫和銅雜質(zhì)的光譜特征曲線進行提取，將包含鎳泡沫和銅雜質(zhì)的樣本光譜圖像中，分別提取10個鎳泡沫像素點的光譜值和和10個銅雜質(zhì)的光譜值，假設(shè)光譜通道數(shù)為η,鎳泡沫的光譜值為(bl [X1, X2***.xn], b2[x1； x2....xn],....blOtx^ xfxn])，銅雜質(zhì)的光譜值為(Zllix1, x2....xn]，z2[x1； x2....xn],....ζ10[χ1； X2***.xn]);
(d)利用步驟(c)得到的結(jié)果構(gòu)建線性判別函數(shù)，d(X)=X1+ W2X2+ W3X3+***+ wnxn+ wn+1,將樣本中鎳泡沫和銅雜質(zhì)的光譜值都輸入到線性判別函數(shù)d(X)，將其中的系數(shù)值(Wi，W2，w^wn+1)求解出來，確定該樣品線性判別函數(shù)的系數(shù)；
(d)對被測物體進行光譜圖像成像操作:圖4為鎳泡沫實物，該鎳泡沫中含有一顆銅雜質(zhì)，并以作標記。利用光譜成像裝置對該鎳泡沫進行光譜成像，得到一組(共10幅)光譜圖像。
[0019](e)光譜特征提取 及計算:從上述光譜圖像中依次提取每個像素點對應(yīng)的光譜曲線，代入步驟d中的線性判別函數(shù)中，并計算，若d (X) >0，則該像素點為銅雜質(zhì)，并令該像素點強度值為255 (即為亮點)；若d(X) ( O,則該像素點為鎳泡沫,并令該像素點強度值為O(即為黑點)。將每個像素點計算完成后，得到圖5結(jié)果，從圖5可以看到圖像中有一亮點，即代表該位置有一顆銅雜質(zhì)。
[0020]以上所述的【具體實施方式】，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括一個: 照明系統(tǒng):照明系統(tǒng)照射在檢測臺上方，且為被檢測物體提供均勻的光照； 光譜成像裝置:快速獲取被檢測物在400nm-l IOOnm波段范圍內(nèi)任意光譜通道內(nèi)的光譜圖像，其成像幀頻范圍1-1000幀/秒，空間分辨率10 μ m-1000 μ m,并將得到的光譜傳輸給計算機； 計算機:接收光譜成像裝置輸出的光譜圖像，并將樣本光譜圖像與實測的光譜圖像進行對比，判斷出光譜差異點是否是異物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光譜成像的異物檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的光譜成像裝置包括: 液晶可調(diào)濾光片:安裝在光學(xué)鏡頭上，用于透過光譜通帶內(nèi)的光，并抑制通帶外其他波長的光，在驅(qū)動控制器的控制下，其透過的光譜通帶波長是可調(diào)諧的； 圖像傳感器:圖像傳感器包括CCD相機，在CCD相機上安裝有光學(xué)鏡頭，其作用為對目標成像，并將圖像傳輸至圖像數(shù)據(jù)采集設(shè)備； 驅(qū)動控制器:驅(qū)動控制器與液晶可調(diào)濾光片之間用RS-232串口線相連接，驅(qū)動控制器向液晶可調(diào)濾光片發(fā)送指令，控制液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長，并按照由短波長到長波長的順序，使得通過液晶可調(diào)濾光片的光譜通帶波長依次變化，從而實現(xiàn)光譜通帶連續(xù)調(diào)諧。
3.一種基于光譜成像的異物檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: Ca)建立樣本光譜圖像； (b)對樣本光譜圖像中背景和異物的光譜特征曲線進行提?。? (C)利用步驟(b)得到的結(jié)果構(gòu)建線性判別函數(shù)； Cd)對被測物體進行光譜圖像成像操作； Ce)對步驟(d)得到的光譜特征進行提??； (f)將步驟(e)得到的特征帶入步驟(C)得到的線性判別函數(shù)進行計算，利用計算的結(jié)構(gòu)判斷出被測樣品中是否有異物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于光譜成像的異物檢測方法，其特征在于:所述步驟(b)對樣本光譜圖像中背景和異物的光譜特征曲線進行提取是這樣做的:將包含背景和異物的樣本光譜圖像中，分別提取10個背景像素點的光譜值和和10個異物的光譜值，假設(shè)光譜通道數(shù)為η,背景的光譜值為(bl [X1, Xf.xn], b2[x1； Xf.xn],….MOlix1, …xJ )，異物的光譜值為(zl [X1, x2....xn], z2[x1； x2....xn],....ζ10[χ1； χ2....χη])。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于光譜成像的異物檢測方法，其特征在于:步驟(c)利用步驟(b)得到的結(jié)果構(gòu)建線性判別函數(shù)為:d(X)= X1+ W2X2+ W3X3+***+ wnxn+ wn+1,將樣本中背景和異物的光譜值都輸入到線性判別函數(shù)d(X)，將其中的系數(shù)值(W1，W2，w3-wn+1)求解出來，確定該樣品線性判別函數(shù)的系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于光譜成像的異物檢測方法，其特征在于:步驟(f)利用計算的結(jié)構(gòu)判斷出被測樣品中是否有異物是:d(x)>0時，被檢測點X是異物，d(X)時，被檢測點X是背景。
【文檔編號】G01N21/27GK103983649SQ201410227529
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】駱永全, 黃立賢, 劉倉理, 沈志學(xué), 張大勇, 王海峰, 儲松南, 黃智蒙, 趙祥杰 申請人:中國工程物理研究院流體物理研究所