自聚焦透镜端面图像处理及缺陷特征提取

柳国栋，王江，宁若冰，赖柯，吴松林

（西京学院机械工程学院，陕西西安，710123）

0 引言

自聚焦透镜（GRIN lens）是基础性光学器件[1]，在通讯、自动化生产及军事装备制造等领域应用广泛。随着科技进步及其应用领域的不断扩展，其需求量不断增加，大规模生产时，其质量检测及监控问题逐步暴露出来。一般，自聚焦透镜生产质量检测方法主要是依赖简单的工具显微镜及技术人员的经验，在较强的光照条件下用肉眼观察，并大致确定其生产质量。效率低，劳动强度大，且检测错误概率大。因此，应用图像处理技术，研究自聚焦透镜端面缺陷的特征提取方法，进而开发出一种适用于自聚焦透镜端面质量自动检测的机器视觉系统有较好的应用价值，对保证生产质量、提高生产效率有重要的现实意义。

近年来，已有文献[2]报道了应用计算机图像处理技术检测自聚焦透镜端面缺陷的案例，同时给出了自聚焦透镜端面图像的信息层次结构[3]；为降低获取透镜端面图像过程所产生的光晕现象对图像处理结果的影响，又提出了新的检测方法，并应用改进中值滤波方法较理想地实现了缺陷图像的区域分割[4]。为进一步实现自聚焦透镜端面缺陷的特征提取，本文详细描述了最近设计的图像采集实验装置及相关的特征提取算法，并给出了缺陷图像特征较为精确的数字结果，如崩边、麻点及划痕等主要的缺陷，为实现透镜生产质量的自动化检测奠定了较为坚实的基础。

1 图像采集及图像处理系统

为精确地完成透镜端面图像采集，并实现图像特征提取，设计了如图1所示的图像采集实验装置。其中，包括工业相机位置及高度的控制组件（图中1、2、3级14），光源位置的控制机构（10、11、12、6），工业相机、远心镜头、光源和被测物（透镜）的同轴度调整机构。

图1 自聚焦透镜端面图像采集实验装置

在实际图像采集的过程中自聚焦透镜、光源、CCD工业相机和远心镜头形成了如图1所示的位置关系，CCD相机4和远心镜头5在左侧，自聚焦透镜8位于右侧，光源6位于镜头和自聚焦透镜的中间位置，将光照射在自聚焦透镜端面上，CCD工业相机和远心镜头共同完成图像采集。

由气动机械手7吸附透镜，使其被测端面对正光源聚焦区域，同时可绕其轴心旋转180°，以实现另外一个端面的图像采集。

透镜端面缺陷检测系统如图2所示，由图像采集系统，图像存储和管理系统，预处理及分类系统，特征提取及相关信息集成及控制系统构成。最终的结果由输出装置输出，并作为控制图像采集装置相关运动机构的输入信息。其中，图像采集系统与图1所示实验采集装置配合完成透镜端面图像的输入及其控制；图像管理系统负责图像储存及相应的管理，如为下一阶段图像处理准备图像等；图像分类完成后，进行图像特征提取及信息集成，完成透镜端面质量信息的输出。

图2 透镜端面缺陷检测系统

一般，自聚焦透镜端面图像共有四种典型的缺陷类型。如图3(a)、(b)、(c)及(d)所示，分别是不规则缺陷（相对较大的独立缺陷区域）、崩边、麻点（随机分布在端面区域）及划痕。

图3 四种典型的缺陷图像

2 缺陷特征提取方法

如图5所示，系统采用的图像处理方法包括图像缩放及调整，目的是截取原始图像中的有用区域，即透镜端面区域；为获得正确的图像区域分割、边缘检测及平滑处理等过程的参数，进行的灰度值的直方图统计；改进的中值滤波方法的目的是用以降低图像光晕现象的影响，产生光晕的主要原因是照明光源与透镜端面结构的干涉现象。随后是边缘检测、填充、平滑处理及不相关区域去除等，在确定最佳外接圆（透镜端面有效外轮廓）后，进行有效的区域分割，再进行特征参数的统计及输出。

如图4 (a)、(b)所示，为崩边缺陷图像及较大不规则缺陷图像经中值滤波处理的输出图像；图4 (c)和 (d)则表示两种图像最佳外接圆的估计结果。可以看出，基本包含了透镜实际端面区域。

图4 图像中值滤波的结果

图5 图像处理流程

图6所示为四种不同缺陷图像的处理及特征提取结果，其中(1)、 (5)、 (9)及(13)是四种典型缺陷的原始图像，分别是较大不规则缺陷、崩边、随机分布的麻点及划痕。标记为(2)、 (5)、(10) 和 (14)的分布为上述图像经过中值滤波后进行最佳外接圆估计的输出结果。可以看出，此时图像中特征区域明显得到了加强，光晕的影响基本被消除掉了。图6中，(3)、 (7)、(11) 及(15)表示经图像处理后，四种典型特征图像最佳外接圆内，即透镜端面有效区域缺陷特征的处理结果。以划痕为例，从图6（15）、（16）中，可以看出分成明确的划痕区域。

图6中最右侧一列，即图(4)、(8)、(12)及(16)为对应四种典型缺陷类型图像的最后输出结果，图中可以明显看到特征区域的重心坐标及其区域大小。实际重心坐标值及对应的最大特征区域面积如表1所示。

表1 图像特征提取的数值结果

图6 不同缺陷特征的图像处理结果

划痕，是自聚焦透镜较为典型的缺陷，系统将进行更为详尽的分析及描述。如图7所示，根据图中的信息可以计算出划痕的最大宽度为11（像素单位），平均宽度为6.5163，而划痕的长度为192.9089。

图7 划痕缺陷特征提取

3 总结

本文详细分析了自聚焦透镜端面图像的特点，提出了一系列有针对性性的图像处理方法，并设计了端面图像采集的实验装置。针对四种不同缺陷类型的实验结果表明，所提出的图像预处理方法、图像分类及特征提取的方法是有效的，能够正确地给出缺陷范围（面积）大小、重心位置等参数，为结合企业生产，开展自聚焦透镜端面生产质量的在线检测奠定了坚实的技术基础。