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本節首先介紹表面缺陷檢測的基本概念、重要意義和應用現狀，對概念、意義及現狀的充分了解能夠幫助讀者更清晰地理解表面缺陷檢測方法的發展歷程，從而掌握目前主流的視覺檢測方法。

表面缺陷檢測的意義

隨著新一代資訊科技與製造業的深入融合，引發製造業產生巨大變革，逐步從數量擴增向質量提升轉變。通過提升產品質量來生產高附加值、高利潤的產品，可以實現產品競爭力的躍升。提升產品質量的思路有加強品質檢驗、提升工藝技術水準和規範生產作業等，其中加強品質檢驗是製造業生產中最常用的方式。

影響產品品質的因素多種多樣，例如外觀品質、功能品質、效能品質等。使用者和生產企業對產品質量的要求越來越高，除了較高的功能品質和效能品質之外，對外觀品質的要求也在逐年提高，即良好的表面質量。特別在服裝、箱包等紡織輕工領域內，使用者對於產品外觀品質的重視程度甚至大於其功能品質，如果這類產品存在變形、髒汙、劃傷等表面缺陷，將導致產品的美觀度大打折扣，其價值也備受影響。

即便是嚴格把控制造的每一道流程，生產良品率也無法達到100%，這意味著總會有不合格品被生產出來。而表面缺陷檢測便是阻止不合格品流入市場的“門神”。表面缺陷檢測的意義主要體現在以下三個方面：

• 嚴格把控產品質量

表面缺陷不僅破壞產品的美感和舒適度，還可能對產品的效能造成嚴重損害。因此，產品的表面缺陷檢測必須覆蓋在生產的多個環節，既在出廠前的最後環節，也在生產的中間關節。以帶鋼檢測為例，帶鋼表面質量是評估產品等級的關鍵指標。對於中間環節來講，帶有孔洞和邊裂等表面缺陷的產品由軋機向下遊傳遞，可能造成連退機組斷帶、鋼板降級改判、產品判廢等嚴重生產事故；對於最後環節來說，出廠終檢是交付客戶前的最後一次把關。如果缺乏有效的缺陷檢測系統，會導致產品質量等級的錯誤分級。由於帶鋼是電機、發電機和變壓器鐵芯的主要製作材料，夾雜、斑塊、壓入氧化平等表面缺陷會嚴重損害帶鋼的抗腐蝕性、抗疲勞性和鐵損特性，直接影響電機、發電機等產品的效能。若品質不達標的帶鋼在出廠前未能被甄別出來，可能導致嚴重的安全事故。

隨著消費水平的不斷升級，大眾對產品的質量和外觀越來越關注，生產高質量、高可靠性的產品已是大勢所趨。在這種背景下，表面缺陷檢測對於減少生產成本、提高產品質量和生產效率有著至關重要的作用。

• 防止潛在的經濟損失和法律糾紛

表面缺陷檢測能夠有效杜絕或減少殘次品流入市場。在汽車、3C等領域內，由於該類產品由成千上萬的零部件組成，產品又大多屬於大批量生產，表面出現微小的劃痕、裂紋和凹坑等瑕疵難以避免。但是其中某些關鍵零部件的破損可能會給最終的使用者帶來安全風險。以汽車中的懸架彈簧和發動機為例：汽車懸架表面塗層需經過嚴格的出廠，若懸架的表面塗層不均勻或有剝離脫落，在持續衝擊和腐蝕下，容易萌生裂紋，甚至導致懸架彈簧疲勞斷裂，危及駕駛人的人身安全；發動機作為汽車的“心臟”，車輛生產製造過程中非常核心的環節，其質量把控非常嚴格。若發動機缸孔壁出現磨損、縮鬆等缺陷，會造成漏油、漏氣等問題，不但會影響發動機的工作效能，甚至引發安全事故。

如今，因所售產品存在缺陷或安全隱患，每年都有大量生產商將已經送到下游零售商或最終客戶的產品召回，導致沉重的經濟損失。嚴格的表面缺陷檢測能夠防止不合格品流入市場，杜絕潛在的經濟損失和法律糾紛，有利於提升企業的形象。

• 針對性的生產線維護和改造方案

表面缺陷檢測的另一重要作用是幫助企業及時發現問題並改進相應生產工藝，預判性地維護生產機器。準確地檢測出缺陷的類別是有效指導生產、檢修的前提。通過自動化、智慧化的表面缺陷檢測方法，分析缺陷產生的原因，使得生產線的維護工作更具有針對性，有效降低維護成本和檢修成本。同時，表面缺陷檢測能夠幫助企業更好地掌握產品質量分佈狀況，尋找質量薄弱環節，降低產品質量波動，形成生產和質量提升的閉環控制。

通過上述內容可以看出，在產品生產加工過程中，引入具有高精度和高效率的表面缺陷檢測系統尤為重要。

表面缺陷檢測的現狀

作為生產製造過程中必不可少的一步，表面缺陷檢測廣泛應用於各工業領域，包括3C、半導體及電子、汽車、化工、醫藥、輕工、軍工等行業，催生了眾多上下游企業。自20世紀開始，表面缺陷檢測大致經歷了三個階段，分別是人工目視法檢測、單一機電或光學技術檢測以及機器視覺檢測。

人工目視法起源最早，應用最廣，雖然人工智慧及機器視覺等先進檢測技術逐漸成熟，但依靠肉眼進行缺陷檢測仍然佔據較大的比重，並廣泛存在於中小企業中。據統計，當前80%以上的工業表面缺陷檢測仍依賴於人工檢測法，每天產品線上進行人工檢測的工人數量超350萬人。以富士康，伯恩光學等為代表的製造企業招聘大量的質檢工人，採取流水線的形式進行檢測。然而，隨著人口紅利的消失，以及工作枯燥、自由度低、薪酬較少，願意從事質檢的越來越少，用工難問題愈發凸顯。

從當前的發展趨勢來看，機器視覺等先進檢測系統將逐漸取代人工，這主要是因為人工檢測法具有以下缺點：

• 勞動強度大、檢測穩定性及一致性差

人工檢測法需要工人處於固定工位上，用肉眼觀察產品來判斷有無缺陷。長時間的檢測工作容易對人眼造成傷害，特別是在檢測玻璃、金屬等強烈反光的物體表面時。冶金、軌道交通、機械製造等行業內的缺陷檢測場景噪聲大、煙塵重、危險性高，長期處於惡劣的工作環境對工人的身心健康造成惡劣影響。受工人的情緒浮動、技術水平、判斷標準、個體差異等因素影響，甚至無法保障同一批次產品的檢測穩定性和一致性，使得產品質量上下浮動，參差不齊。

• 自動化程度低、生產效率低

由於工人的質檢效率上限較低，同時人工成本又越來越高，企業為保障生產效率，一般採取抽樣檢測的策略。一批產品中隨機抽取少量產品來評估整批產品的質量，其嚴格程度遠遠低於全面檢測。因此人工進行缺陷檢測時容易陷入一種矛盾： 質量控制和生產效率二者不可兼得。這種矛盾在面料、帶鋼、薄膜等產品的表面缺陷檢測中尤為突出。這一類產品多為高速連續性生產，當生產速度高於3m/s時，人眼便難以分辨出其中的缺陷。

• 難以形成精益化生產

質量是製造出來的，而不是檢測出來的。檢測只是一種事後補救，不但成本高而且無法保證不出差錯。許多檢測不僅需要判斷產品的外觀質量，還要記錄並統計缺陷的位置、尺寸和數量等資料。傳統的人工檢測使用紙筆記錄質檢結果，檢測資料不全且分散，無法形成具有價值的反饋資訊來指導精益化生產。

• 招工難、用工難、培訓難、成本高

工作待遇低、工作時間長、勞動強度大等因此直接影響了招工的穩定性。越來越多年輕人寧願去送外賣也不願進入工廠工作，使得缺陷檢測這種傳統的勞動密集型崗位很難招聘到工人，培訓後的熟練工又存在人才流失嚴重等問題。人口紅利消失的趨勢不可逆轉，用人成本不斷攀升，上線自動化缺陷檢測系統已從“可選”轉向“必選”。

為了在不斷變化和競爭愈發激烈的市場中佔據優勢，企業既要不斷提高產品質量標準以滿足客戶需求，又要不斷提升生產線的效率以適應市場的快節奏。採用自動化、智慧化的表面缺陷檢測方法是兼顧質量與效率的重要手段。實現自動化的表面缺陷檢測系統存在以下技術難點：

• 缺陷本身帶來的技術難點

不同缺陷的種類複雜以及同類缺陷的差異較大，給檢測帶來了較大的難度。

不同缺陷的種類複雜主要體現在三個方面。首先，類間差異大，工業品的外觀缺陷複雜多樣，不同類別的缺陷之間形態特徵可能差異極大，這種差異導致檢測演算法的普適性不強，許多缺陷需單獨開發檢測演算法，開發複雜度極高。其次，類間模糊性大，類間模糊是類間差異大的另一極端，即不同類別的缺陷的表觀特徵具有一定的相似性，難以區分缺陷的種類，也就無法準確判斷缺陷產生的原因，無法給產品準確定級。第三，背景複雜，在生產場景中難以將缺陷和背景完全分離，缺陷特徵不明顯。

如下圖中的鐵軌表面缺陷和帶鋼表面缺陷，同類缺陷的差異較大是指標對同一類別的缺陷而言，通常由於生產過程中光照條件、生產批次不同、裝置狀態等因素的影響，同類缺陷的大小、對比度和灰度值等表觀特徵呈現較大的變化，缺陷特徵並不服從同一分佈。

• 檢測系統帶來的技術難點

表面缺陷檢測系統一般由機械運動、電氣控制、視覺等各式感測器組成，且系統傾向於定製化，難以跨領域批量複製。在設計檢測系統時，設計者除了要了解檢測系統本身以外，還需充分熟悉被檢測產品的特性以及產品的加工工藝，在此前提下才能夠提出可行、可靠的實施方案。

系統最終的檢測效果可能受到系統每一個環節的影響。以基於機器視覺技術的檢測系統為例，工件位置的一致性、打光的穩定性、相機及鏡頭的匹配度、檢測演算法的有效性等都會直接影響影象採集的質量和檢測系統的應用效能，這需要機器、電氣、視覺、感測等多套系統的配合。僅最基礎的打光就存在諸多難點，如哪些場景需要漫射光、散射光、直接照射、低角度照射或背光照射，如何在球面、弧面、內腔等不可展曲面的打光等等。

同時，高溫、高溼、粉塵等複雜惡劣外部環境也為檢測系統的整合和防護能力提出了較高的技術要求。系統開發企業需研究表面缺陷檢測裝置的系統整合技術，探索克服現場環境高溫、高溼的資料採集系統和具有抗外部干擾的系統防護技術。