2. 光源类型选择与打光方案设计

为什么金属划痕检测对打光如此敏感

金属表面的划痕通常不是靠“颜色差异”被发现的，而是靠局部几何形貌对光线的散射方向改变被发现的。抛光金属表面接近镜面反射，相机能否看到划痕，取决于划痕微斜面把光反射到哪个方向、相机是否正好位于该方向上。因此同一道划痕，换一种光源几何，可能从“几乎不可见”变成“高对比黑线”或“高亮白线”。

本例以一块拉丝铝合金平板（约 80 mm × 60 mm）为对象，表面含三类目标：① 宽约 0.05–0.1 mm 的细划痕；② 宽约 0.3 mm 的深划痕；③ 拉丝纹理本身（需尽量抑制）。相机与镜头沿用前例选型结果：500 万像素、2/3″ 传感器、35 mm 焦距、工作距离约 300 mm、视野约 60 mm × 45 mm，像素当量约 0.02 mm/px。目标是让 0.05 mm 划痕至少占据 2–3 个像素并具备足够灰度对比。

三类候选光源的成像机理对比

先明确三种光源在金属表面的反射路径差异，这是后续方案设计的依据：

• 环形光（低角度/高角度）：多颗 LED 围成圆环，以一定倾角照射。高角度环形光接近垂直照明，镜面区易过曝；低角度环形光掠射表面，对划痕、凹坑等微小起伏敏感，是金属表面缺陷检测的常用起点。
• 条形光：可单条、对打或四边布置，方向性强。对拉丝、切削纹等有方向性的纹理，用与纹理垂直的方向打光可压暗纹理、突出横向划痕；用与纹理平行打光则纹理被强化。
• 同轴光：经半透半反镜使光线沿镜头光轴垂直入射，只有平整镜面区能把光原路反射回相机，因此平整面亮、划痕/凹凸暗，对镜面工件上的浅划痕和字符非常有效，但对漫反射强的粗糙面效果下降。

打光方案设计与验证流程

不能只凭经验选一种光源就下结论，需要按“候选方案 → 成像采集 → 量化对比 → 择优固化”的路径验证。以下给出可直接执行的方案设计表与验证方法。

量化对比与判据

对每个方案采集同一视场图像，用以下指标量化对比，避免“看起来差不多”的主观判断：

• 划痕对比度 C = (I_背景 − I_划痕) / (I_背景 + I_划痕)，其中 I 为灰度均值。C 越大越好，建议目标 C ≥ 0.3。
• 纹理残留度 R = 拉丝纹理区域的灰度标准差 / 全图灰度标准差。R 越小说明纹理被抑制得越好，建议 R ≤ 0.5。
• 过曝像素占比 = 灰度 ≥ 250 的像素数 / 总像素数。建议 ≤ 2%，否则划痕可能被淹没。
• 划痕像素宽度：0.05 mm 划痕在 0.02 mm/px 下应占 2–3 px，若不足 2 px 需重新评估镜头或工作距离。

最终方案固化与验证

选定方案 D 后，需固定以下参数并做重复性验证：

1. 环形光倾角 18°，条形光入射角 30°，条形光方向与拉丝纹理垂直。
2. 环形光亮度 40%，条形光亮度 50%，曝光时间 800 μs，增益 0 dB。
3. 连续采集 20 帧，检查划痕对比度波动范围应 ≤ ±0.05，过曝占比波动 ≤ ±0.3%。
4. 用标准划痕试块（含 0.05 mm、0.1 mm、0.3 mm 三条已知宽度划痕）验证检出率，要求 0.1 mm 及以上划痕检出率 100%，0.05 mm 划痕检出率 ≥ 80%。