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CN1922474A - 用于检测表面的方法及系统 - Google Patents

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CN1922474A CNA2005800052359A CN200580005235A CN1922474A CN 1922474 A CN1922474 A CN 1922474A CN A2005800052359 A CNA2005800052359 A CN A2005800052359A CN 200580005235 A CN200580005235 A CN 200580005235A CN 1922474 A CN1922474 A CN 1922474A
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Abstract

本发明涉及一种用于检测三维物体(2)的表面的方法，其中至少一个照相机及至少一个照明装置相对该表面运动，并且在照相机相对该表面相对运动期间拍摄该表面的待检测区域的图像，并传输到计算机(11)而在该处进行分析。本发明还涉及一种相应的系统。为了实现高质量的检测，在对表面的每个待检测区域进行检测期间，使照相机、照明装置及表面至少在拍摄的持续时间内彼此成至少一个限定的几何关系。

Description

用于检测表面的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于检测三维物体的表面的方法，其中至少一个照相机(摄像机)及至少一个照明装置可相对所述表面运动，并且在该照相机相对所述表面运动期间拍摄待检测的表面的图像并传递到计算机而在该处进行分析。本发明还涉及一种用于检测表面的相应系统。
背景技术
三维物体具体可以是车身或车身部分。在这种情况下，待检测的表面通常是涂漆的表面或裸露的金属板表面，该表面的质量应该被检验。在检测时，通过光学扫描来确定表面上的缺陷例如形貌缺陷或者缺陷位置。为此所使用的照相机可以是任意的光学拍摄装置，该拍摄装置符合当时的要求或者最优地适合于待检查的表面。
例如由US 5,142,648公开了一种类似的检测系统，其中沿着客车的生产线设置多个照明单元及照相机，它们的信号在计算单元中进行分析。但是，该系统中存在这样的问题，即，整个三维物体在表面的所有待检测区域中不能以相同的检测质量进行检查，因为对于不同区域拍摄条件太不同了。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于检测表面的可能性，其中可以以相同的质量检验表面的所有待检测区域。
该目的将在本文开头所述类型的具有权利要求1的特征的方法中基本上通过以下方式实现，即，在对表面的每个待检测区域进行检测期间至少在拍摄的时间间隔内使照相机、照明装置及表面彼此成至少一个限定的几何关系。以这种方式，对于这些待检测区域中的每个至少存在一次按照拍摄条件和拍摄质量与其它待检测区域的拍摄相同的拍摄。由此可保证高的检测质量。在此，对于每次检测需遵守的几何关系相应地预先给出当时的要求。控制计算机用于使具有照相机和照明装置的检测单元与例如车身上待检测的表面以合适的方式相对彼此运动。特别有利的是，例如通过一个共同的控制机算机以相互协调的方式控制一个或多个检测单元以及待检测的物体本身。然后，在物体的检测及运动期间也可以在物体上进行其它的工作。这特别节约空间并因此而特别适合于必须在尽可能短的路程上进行尽可能多工作的复杂的生产线或加工线。拍摄位置可具体通过一个角度——在该角度下进行拍摄——和/或通过拍摄的分辨率来确定。分辨率的控制可通过拍摄距离、通过选择照相机的物镜等的焦距来进行。
照相机、照明装置及待检测表面之间的相对运动可通过以下方式产生，即，使由三维物体构成的客体与由照相机及照明装置构成的光学系统无关地运动，测量该运动并且必要时使该光学系统的运动与物体的独立运动相适配。当本发明的检测系统必须与现有的生产线相适应时，该方案尤其有利。还可以将能结合成一个检测单元的照相机和照明装置构造成位置固定的，其中优选在不同的位置上设置多个不同的检测单元或者照相机和照明装置。此外，该相对运动也可通过以下方式产生，即，待检测物体是位置固定的并且使具有照明装置的照相机在三维物体的上方运动，其中也可考虑前述的可能的组合。在此，当所有运动装置彼此同步时，可特别简单地预先给定该相对运动。这也使得以简单的方式检测运动物体成为可能，因为照相机/照明装置与物体的相对运动彼此协调一致。
在此，有利的是，将至少一个照相机与至少一个照明装置结合成一个检测单元并且使它们共同地运动。通过照相机与照明装置之间相对固定的给定定向，对于每个照相机定向实现相同的照相条件。受控地根据测量的物体运动而使检测单元运动。在此，一个检测单元可具有多个照相机和/或多个光源。
根据一个优选的实施例，在对每个待检测区域进行检测期间至少在每次拍摄中使照相机、照明装置及表面彼此成多个不同的限定的几何关系。因为有些表面缺陷仅能在确定的拍摄位置中被识别，该拍摄位置可能与用于其它缺陷类型的拍摄位置不同，所以可以以这种方式可靠地识别不同的缺陷。
根据本发明，该限定的几何关系可通过待检测区域的表面、照明装置及照相机之间的角度，以及/或者待检测区域的表面与照明装置和/或照相机之间的距离来确定。基于三维物体、照明装置及照相机的已知位置，控制计算机可确定出用于每个待检测区域的关系，并由此对于表面的每个待检测区域确保在整个检测期间至少实现一次所限定的几何关系。
根据本发明的方法，可根据表面的曲率而选择大小不同的待检测区域。当所述曲率构造成使得由于该曲率而无法进行单义的缺陷识别时，上述措施尤其有利。然而在多数实际的情况中，整个图像可以被分析。
为了简单地调节每个待检测区域的几何关系，根据本发明提出：照相机、照明装置和/或具有待检测表面的物体可分别以一个或多个自由度运动。优选为此设置至少一个运动装置，照相机、照明装置和/或物体安装在该运动装置上。作为运动装置可以使用例如操纵器或操纵装置或者具有线性的移动轴和/或旋转轴的多轴移动单元。
取决于待检测表面的结构，照明装置的照明可以散射地、定向地、结构化地作为持久照明和/或作为闪光照明进行。在此，该照明可以是交替的暗场照明和/或明场照明，以及/或者优选定向的平面照明。还可以投射合适的图案。
为了也能够发现各种表面缺陷，根据本发明有利的是多次在不同的照明条件下和/或以不同的照相机设置来拍摄所述表面的待检测区域。在此，照相机设置不仅涉及照相机的定向，而且涉及拍摄参数例如光圈、快门时间等。这些参数优选可以自动适应不同的表面特性，例如颜色、反射率。相应地，对于照明类型也是这种情况。在此情况下，通过图像分析获知表面特性。参数适应优选自动地以自学习的方式进行。
根据本发明方法的一个特别有利的实施例，将多个照相机和多个照明装置合成为可分别相对待检测表面运动的至少两个分系统，其中这些分系统通过通信接口相互连接并且通过分析多个或所有分系统的图像来产生检测结果。在此，一个分系统至少由一个照相机和一个照明装置组成。通过分配到多个分系统中，可在总体上更快地检测三维物体，因为可同时拍摄不同的区域和/或对于一个待检测区域同时满足不同的几何关系。
例如对大表面和小表面的表面区域的同时监测构成一个有利的应用。为此，由照相机和照明装置组成的分系统分别适用于特定的监测目的。对于小表面的区域，该系统例如可以具有一个照明装置和一个照相机。对于大表面的区域，可以将多个相继布置的照相机和照明装置结合在一个分系统中，使得通过该分系统可一次性地覆盖一个特别大的待检测区域。在此，所述分系统可部分地具有用于使分系统运动的运动装置或者也可静止地设置在运动物体旁边。此外，分系统与分系统之间可具有不同形式的照相机和照明装置。
本发明的方法提出，在拍摄之后优选借助设置在计算机系统上的图像分析算法分析所拍摄的图像。理论上该图像分析是公知的。然而根据本发明提出，在检测期间，给定结构不被识别为缺陷。在上漆时，例如由于上漆期间所述表面上的污物颗粒或由于所述表面的润湿问题而导致缺陷。根据检测时识别出的结构，这些缺陷被相应地分类，由此可以在检测期间使得某种缺陷不被识别为缺陷或识别为与给定不同的缺陷级。通过图像分析，可分析出尺寸、对比度、尺寸与对比度之间的关系、几何形状及轮廓(例如某个对比度范围的环绕边缘的确定)、和/或在明场/暗场照明时所述缺陷在明场或暗场中的分布。在此，图像分析算法例如通过合适地选择算法或参数化来适应不同的表面特性。
在本发明的方法中，探测待检测区域与照相机和/或照明装置之间的相对位置，并且具体根据所述相对位置而通过分辨率、位置和/或时间来受控地进行图像的拍摄。通过此例如借助控制计算机给定的控制可特别简单地确保，每个待检测区域在正确的时刻进行拍摄，即在物体、照相机及照明装置之间的相对位置符合给定关系时进行拍摄。
根据本发明的一个优选实施例，通过用传感器拍摄来探测照相机与物体和/或照明装置之间的相对位置。该拍摄图像将由图像分析装置进行分析。由此绝对和/或相对地确定出相应的坐标和位置。根据这些自动求得的位置，照相机、物体和/或照明装置可自动地定向。为了识别物体，可以对该图像分析装置给定例如所述表面的几何特征或者外观以作为定向特征。附加地或替代地，这些位置的探测也可借助其它的传感器来进行。
最后，可能的是，如果例如在不同的区域中应识别不同的缺陷，则以在几何关系、照明条件和/或图像处理参数上的不同设置来检测物体的不同的给定待检测区域。由此可例如确定不同的质量区域。
此外，本发明的目的通过一种用于检测三维物体的表面的系统来解决，该系统具体可用于实施前述的方法。该系统具有一个用于拍摄所述表面的待检测区域的图像的照相机和至少一个照明装置、至少一个使照相机、照明装置及所述物体彼此相对运动的运动装置以及一个用于分析所拍摄的图像的分析装置。根据本发明，该系统的控制装置成在对表面的每个待检测区域进行检测期间，使该照相机、照明装置及所述表面至少在拍摄的持续时间内彼此处于和/或成至少一个限定的几何关系。由此对于每个待检测区域可实现相同的拍摄质量并且对于缺陷可实现高的识别率。
优选至少一个照相机和至少一个照明装置被设置在一个共同的检测单元中，使得该检测单元内照相机与照明装置之间的几何关系总是固定地给定。特别有利的是，也可对每个检测单元设置多个照相机，这些照相机的光轴可能不同地定向，以便使待检测区域可在各个闪光角度下被拍摄。
此外，根据本发明，多个照相机及照明装置或检测装置分别构成分离的分系统，这些分系统分别与分析装置和控制装置相连接。通过同时检测不同的表面区域，可大大减少检测时间。在此，这些分系统也特别适合于不同大小的检测区域。
在本发明系统的一个具体实施例中，设置了至少一个静止的分系统和一个运动的分系统。
为了限定给定的几何关系，特别有利的是，所使用的照相机被三维地校准，从而也可以由照相机图像和已知物体的已知位置求得照相机与物体之间的相对定向。在此，优选相对照明装置、物体及运动装置对所述照相机进行校准，从而在任何时刻都精确地获知这些相对位置。
附图说明
下面根据实施例及附图详细说明本发明。在此所有说明和/或图示地描述的特征都是本发明的组成部分，而与它们在权利要求或回引中的措词无关。
图中示出：
图1以俯视图示意性示出用于检测三维物体的表面的本发明的系统；
图2以侧视图示出图1中的系统的一部分；及
图3示出表面缺陷的典型结构。
具体实施方式
图1所示用于检测三维物体2的表面的系统1设计成检查车身的上漆的表面。但该系统不限于该应用，而可以一般性地在检查任意表面时使用。
该系统具有多个照相机和多个照明装置，它们分布在多个分散布置的检测单元3和4中。在此，静止的检测单元3构成用于检查车身2的侧面的第一分系统6，检测单元4构成一个用于检查其余表面区域的第二分系统7。还可以设置另外的分系统并使这些检测单元的尺寸适合于相应的情况。这些分系统6、7相继地沿着构造成输送带且用于车身2的运动装置9布置，使得车身2可相对静止的检测单元3以及例如小表面或大表面的检测单元4运动。此外，检测单元4被安装在配置给检测单元4的运动装置10上，该运动装置使得检测单元4在空间中的任意定向成为可能。在此，运动装置10被构造成操纵器或操纵装置，它允许检测单元4以多个自由度绕着各个旋转轴运动。
通过在输送带9上运动的车身2及通过具有检测单元4的运动装置10，在检测单元3、4的照相机及照明装置与车身2之间产生相对运动，其中在不同的时刻利用检测单元3、4的照相机拍摄三维物体2表面的待检测区域的图像。拍摄到的图像在分析装置11中借助图像分析算法来进行分析。
为了协调三维物体2与检测单元3、4的照相机及照明装置之间的相对运动，设置了控制装置12，该控制装置被设置成使得在对物体2的表面上的每个待检测区域进行检测期间，该照相机、照明装置及所述表面至少在拍摄的持续时间内彼此成至少一个限定的几何关系。为此控制装置12例如通过利用传感器8进行测量而获知在输送带9上运动的物体2以及检测单元3、4的位置。安装在运动装置10上的检测单元4也可通过控制装置12而相对物体2的位置到达给定的位置上，在该位置上，实现物体2的表面与检测单元4的照相机及照明装置之间的限定的几何关系。如果实现了该关系，则进行待检测区域的拍摄并且通过分析装置11分析该拍摄图像。
在此，该分析装置11和控制装置12可作为分开的计算机来实现或组合在一个计算机系统中。
图2以从前方观察的侧视图示出在用于检测表面的整个系统1的第二分系统7中安装在运动装置10特别是操纵器或操纵装置上的检测单元4。在此，该检测单元4可绕着运动装置10的各个旋转轴自由地在空间中定位，使得对于车身2上的某个表面区域不仅可调节给定的间距，而且可调节该检测单元相对待检测区域的表面法线的角关系。由此实现所限定的几何关系。
理论上也可仅用一个在空间中可自由运动的检测单元来检查表面。但分为多个设置在待检测的物体2的输送带9上的分系统6、7可实现时间优化的工作，因为检测单元3、4可至少部分同时工作以便同时扫描物体2上的各个待检测区域。在此，物体2与这些检测单元3、4之间的相对运动通过控制装置12来协调，使得运动的物体2和所有的运动装置9、10同步。在此，分系统6、7不限于两个，并且每个分系统6、7可具有多个不同的检测单元。
代替其中总共设置了一个照相机和一个照明装置的所述检测单元3、4，也可使各个照明装置和各个照相机围绕可运动的物体运动地或静止地设置，使得在对表面上的每个待检测区域进行检测期间，该照相机、照明装置及所述表面至少在拍摄的持续时间内彼此成至少一个限定的几何关系。在这种情况下，将简化控制装置12的任务，但降低了系统1的灵活性。
检测单元3、4例如由一些用于照明且平行布置的电子管及设置在这些电子管之间的照相机构成，借助所述照相机可监测在明场及暗场中由这些电子管照亮的区域。但是，作为照相机的合适的拍摄装置以及合适的照明装置的所有其它组合也是可能的。
下面再次详细地说明用于检测三维物体2的表面的方法。
在三维物体2在输送带9上向前运动期间，由检测单元3、4的这些照相机及照明装置分别覆盖各个待检测区域。在此，检测单元4也可被置于所希望的位置上。控制单元12不仅获知物体2在空间中的位置而且获知这些检测单元3、4中的每个在空间中的位置。控制装置12根据这些已知位置确定照相机、照明装置与所述表面的待检测区域之间的给定几何关系是否刚好实现。在这种情况下，控制装置12发出用于拍摄的控制指令，接着拍摄到的图像在分析装置11中借助图像分析算法进行分析。在此可考虑对比度、尺寸、尺寸与对比度之间的关系、几何结构及轮廓、以及在明场/暗场照明时明场及暗场中的布置。由此可以探测车身2上的上漆表面中的重要的、形貌上的表面缺陷13。如作为示例在图3中示出的，这些形貌缺陷13是目标表面上的凸出和/或凹入的形变。这些表面缺陷13可能由污染、凹陷、袋坑、针孔、湿压痕、刮痕等或者上漆时的润湿问题引起。
根据图像分析时获知的数据对缺陷13进行分类。根据各个缺陷的分类可以尤其是来判断该缺陷是否是关系重大的缺陷13，或者是否不必进一步留意该缺陷13。因此通常可忽略例如轻微的不平度，例如轻微不平的橙皮(Orangenhaut)表面。为此，例如该缺陷区域中的表面法线与包围该缺陷的周围区域的最小偏差可作为标准。在此，该分类是可调节的、可参数化的和/或特别构造成自学习的。此外，该分类也可区分不同的缺陷或者缺陷类型。所以该分类不限于缺陷与非缺陷之间的区分。
利用本发明的方法和相应的系统1——该系统具体用于实施该检测三维物体表面的方法——可以基于物体2的表面与照相机及配置给该照相机的照明装置之间的单值给定的限定几何关系而对表面上的缺陷识别一直提供最优的条件。
参考标号表
1    系统
2    三维物体，车身
3    检测单元
4    检测单元
6    第一分系统
7    第二分系统
8    传感器
9    运动装置，输送带
10   运动装置，操纵器或操纵装置
11   分析装置，计算机
12   控制装置，计算机
13   表面缺陷

Claims (19)

1.一种用于检测三维物体(2)的表面的方法，其中至少一个照相机和至少一个照明装置相对该表面运动并且在所述照相机相对该表面相对运动期间，拍摄该表面的待检测区域的图像并传输到计算机(11)而在该计算机处进行分析，其特征在于，在对表面的每个待检测区域进行检测期间，使所述照相机、照明装置及表面至少在拍摄的持续时间内彼此成至少一个限定的几何关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对表面的每个待检测区域进行检测期间，使所述照相机、照明装置及所述表面至少在每次拍摄的持续时间内彼此成多个不同的限定的几何关系。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述限定的几何关系通过待检测区域的表面法线、照明装置及照相机之间的角度以及/或者通过待检测区域的表面与照明装置和/或照相机之间的距离来确定。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，根据表面的曲率来选择不同大小的待检测区域。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述照相机、照明装置和/或具有待检测表面的物体(2)能以一个或多个自由度运动。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述照明散射地、定向地或者结构化地作为持久照明和/或作为闪光照明进行。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述照明是交替的暗场照明和/或明场照明，并且/或者是优选定向的平面照明。
8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述表面的一个待检测区域在不同照明条件下和/或以不同的照相机设置多次进行拍摄。
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，将多个照相机和多个照明装置组合形成能分别相对待检测表面运动的至少两个分系统(6，7)，其中这些分系统(6，7)通过通信接口相互连接并且通过分析多个或所有分系统(6，7)的图像来产生检测结果。
10.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，对拍摄到的图像的分析借助设置在计算机系统上的图像分析算法进行。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在检测期间，给定结构不被识别为缺陷。
12.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，探测待检测表面与照相机和/或照明装置之间的相对位置，并且根据所述相对位置的分辨率、位置和/或时间而受控地进行图像的拍摄。
13.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，以几何关系、照明条件和/或图像分析参数上的不同设置来检测所述表面的给定待检测区域。
14.一种用于检测三维物体的表面的系统，具体用于实施根据权利要求1-13之一所述的方法，该系统具有至少一个用于拍摄所述表面的待检测区域的照相机及至少一个照明装置，具有至少一个使照相机、照明装置及物体(2)彼此相对运动的运动装置(9，10)，并且具有用于分析拍摄到的图像的分析装置(11)，其特征在于，该系统具有控制装置(12)，该控制装置设置成在对表面的每个待检测区域进行检测期间，使所述照相机、照明装置及表面至少在拍摄的持续时间内彼此成至少一个限定的几何关系。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，至少一个照相机及至少一个照明装置设置在一个共同的检测单元(3，4)中。
16.根据权利要求14或15所述的系统，其特征在于，多个照相机及照明装置或者检测单元(3，4)分别构成分开的分系统(6，7)。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，设置了至少一个静止的分系统(6)及一个运动的分系统(7)。
18.根据权利要求14-17之一所述的系统，其特征在于，所述照相机被三维地校准。
19.根据权利要求14-18之一所述的系统，其特征在于，相对照明装置、物体和/或运动装置对所述照相机进行校准。
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