摘要：随着工业自动化发展，机器视觉在外观缺陷检测中的高效精准需求日益凸显。光度立体成像技术作为计算成像技术的重要分支，基于多角度照明与图像采集原理，通过光源模块、相机模块、图像处理与分析模块等组件构成的系统，可提取物体表面 2.5D 特征，实现微小缺陷检测。该技术具备高效性、精确性、适应性与灵活性优势，光源类型包括线阵光度光源（如线形光度光控光源）和面阵光度光源（如光度圆顶光源、光度环形无影光源等）。文中列举了烟盒表面、手机泡棉片、电池防爆阀、软包电池、汽车缓冲垫、手表表带、蓝膜电池等多领域的缺陷检测案例，验证了其在不同材质产品表面缺陷检测中的有效性，为智能制造中的表面缺陷检测提供了先进解决方案。

Abstract：The development of industrial automation highlights the growing importance of efficient and precise appearance defect detection from machine vision industry. Photometric stereo imaging technology, as an important branch of computational imaging, is based on the principles of multi-angle illumination and image acquisition. Through a system composed of light modules, camera modules, image processing and analysis modules, it can extract 2.5D features from object surface and detect tiny defects. This technology has the advantages of efficiency, accuracy, adaptability and flexibility. The light include line-scan photometric lights and area-scan photometric lights (such as photometric dome lights, photometric ring diffused lights, etc.). The following article presents defect detection cases in multiple fields such as cigarette box surfaces, mobile phone foam sheets, battery explosion-proof valves, pouch batteries, car cushion pads, watch straps, and blue film batteries. These examples verify the product's effectiveness in surface defect detection of different material products, and it provides an advanced solution for surface defect detection in intelligent manufacturing.

关键词：光度立体成像技术；2.5D 缺陷检测；机器视觉光源；光源模块；工业自动化；工业光源；2.5D光源

Key words：Photometric Stereo Imaging Technology; 2.5D Defect Detection; Machine Vision Light; Light Module; Industrial Automation; Industrial Light; 2.5D Light

一、引言

随着工业自动化的迅猛发展，机器视觉已成为智能制造领域不可或缺的关键技术。在当今现代工业生产中，机器视觉技术被广泛应用于物体识别、定位、尺寸测量以及外观缺陷检测等多个方面，大大提高了生产效率和产品质量。尤其是在外观缺陷检测领域，如何高效、精准地识别微小瑕疵一直是企业关注的焦点和难点所在。

近年来，计算成像技术的不断进步为这一难题提供了全新的解决方案。光度立体成像技术作为其中的佼佼者，凭借其独特优势，为表面缺陷检测开辟了新的途径。该技术能够高效捕捉物体表面微小特征，实现2.5D缺陷检测，为智能制造注入新动力。

二、光度立体成像原理

光度立体成像技术基于从不同角度对物体进行照明并捕捉反射光图像的原理，推断物体表面的形状和特征。该技术利用光的反射特性，当光线照射到物体表面时，反射光的强度与入射光角度、表面法线方向及表面材质特性紧密相关。通过多角度照明和图像采集，光度立体成像技术能够获取物体表面在不同光照条件下的反射光强度变化，从而提取物体表面的2.5D特征。

图1 成像流程

一个完整的光度立体成像系统包含光源模块、相机模块、图像处理与分析模块、数据处理模块以及用户界面等组件。光源模块提供多角度、多强度的照明，确保物体表面被均匀照亮。相机模块用于采集被测物体在不同光照条件下的图像，其分辨率、动态范围和帧率对系统性能有重要影响。图像处理与分析模块负责对采集到的图像进行预处理和特征提取，包括去噪、增强对比度、特征点检测等操作。数据处理模块则对提取的特征进行分析和计算，通过数学模型重建物体的三维形态。用户界面用于显示结果和操作控制，使用户能够直观地查看和操作整个系统。

图2 光度成像系统组成单元

光度立体成像技术在测量过程中展现出高效性和精确性。通过多角度照明和图像采集，能够一次性获取物体表面的多种特征信息，实现高效的表面缺陷检测与特征分析。该技术对复杂表面具有良好的适应性，可以精准识别磨砂、非光滑物体表面的微小缺陷。此外，光度立体成像技术支持光源波段及发光形式的定制化，能够根据不同检测需求进行灵活调整，以达到最佳检测效果。

图3 膜下异物检测

三、光度立体光源类型

· 线阵光度光源

线形光度光控光源

圆顶光度光控光源

图4 线阵光度光源

· 面阵光度光源

条形组合光源

光度圆顶光源

光度平顶光源

光度环形无影光源

图5 面阵光度光源

在具体实现过程中，光度立体成像技术通过光源模块输出特定的光照信号给相机，图像数据直接传至图像预处理器。预处理后可获得多张不同角度原图和预处理效果图。这些预处理效果图能够提取物体表面的 2.5D 凹凸特征、细小划伤、脏污异物等，实现全面的表面检测。光源模块的设计和控制至关重要，光源需要能够精确地从多个方向照亮物体表面，以确保采集到的图像能够提供足够的信息用于提取2.5D特征。光源的强度、波长和方向等参数都可以通过精心设计和调整，以适应不同材质和形状的物体。

四、成像案例

· 烟盒表面缺陷检测

图6 烟盒效果

· 手机泡棉片缺陷检测

图7 手机泡沫片效果

· 电池防爆阀缺陷检测

图8 电池防爆阀效果

· 软包电池缺陷检测

图9 软包电池效果

· 汽车缓冲垫缺陷检测

图10 汽车缓冲垫效果

· 手表表带破损检测

图11 手表表带效果

· 蓝膜电池缺陷

图12 蓝膜电池效果

通过改变不同的发光形式以兼容不同材质的产品，光度圆顶光源也可以成像反光度较高的蓝膜电池。

五、总结

光度立体成像技术具有以下显著优势：高效性，能够一次性获取物体表面的多种特征信息，实现高效的表面缺陷检测与特征分析；精确性，通过多角度照明和图像采集，能够精确地重建物体的2.5D形态，检测出微小的表面缺陷；适应性，对复杂表面具有良好的适应性，可精准识别磨砂、非光滑物体表面的微小缺陷；灵活性，支持光源波段及成像参数的定制化，能够根据不同检测需求进行灵活调整。凭借这些优势，光度立体成像技术在多个领域具有广阔的应用前景，为物体表面的2.5D缺陷检测和微小缺陷提供了一种先进的解决方案。

（东莞市沃德普自动化科技有限公司 叶家俊）