大型玻璃幕墻目前已廣泛應(yīng)用在城市建筑中，但由于玻璃生產(chǎn)加工中的問(wèn)題造成玻璃不平整均勻，安裝在建筑后導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)污染和安全性問(wèn)題，大大影響了城市形象。本文主要介紹為讀者介紹玻璃平整度實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，可在玻璃生產(chǎn)的流水線(xiàn)上自動(dòng)定量檢測(cè)每塊出廠(chǎng)玻璃的畸變類(lèi)型、位置和大小，并建立了一整套玻璃平整度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，保證國(guó)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)玻璃生產(chǎn)。

    國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大型玻璃幕墻廣泛應(yīng)用在城市建筑中。由于玻璃生產(chǎn)加工中的問(wèn)題造成玻璃不平整均勻，安裝在建筑后導(dǎo)致嚴(yán)重的光學(xué)污染和安全性問(wèn)題，大大影響了城市形象，此外國(guó)際上和國(guó)內(nèi)也沒(méi)有對(duì)玻璃平整度有規(guī)范的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，各種低質(zhì)玻璃已經(jīng)安裝在眾多的城市建筑上。

    本文介紹了應(yīng)用特殊光路設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制技術(shù)和視頻智能分析技術(shù)最新開(kāi)發(fā)的玻璃平整度實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，在玻璃生產(chǎn)的流水線(xiàn)上自動(dòng)定量檢測(cè)每塊出廠(chǎng)玻璃的畸變類(lèi)型、位置和大小，并建立了一整套玻璃平整度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，保證了國(guó)內(nèi)的優(yōu)質(zhì)玻璃生產(chǎn)。

    由于玻璃的平整度并沒(méi)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此已經(jīng)安裝在城市的建筑中的大量劣質(zhì)玻璃導(dǎo)致很多問(wèn)題：
1、劣質(zhì)玻璃導(dǎo)致光污染
    目前國(guó)內(nèi)專(zhuān)家對(duì)城市玻璃幕墻建筑存在光污染提出了問(wèn)題，其實(shí)大量光污染的原因來(lái)自低劣的玻璃，標(biāo)準(zhǔn)的玻璃光學(xué)特征均衡、柔和。因此光污染的主要來(lái)源是劣質(zhì)玻璃，圖1是在北京隨處拍攝的以及國(guó)內(nèi)安裝在建筑上的劣質(zhì)玻璃。

2、劣質(zhì)玻璃是懸在空中危險(xiǎn)物
    由于劣質(zhì)玻璃在平整度很差，鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力不均，在微小的外力（風(fēng)壓、落物、地震等）作用下容易導(dǎo)致破碎并高空落下，給城市居民帶來(lái)危險(xiǎn)。

3、劣質(zhì)玻璃導(dǎo)致建筑視覺(jué)效果不佳
    由于劣質(zhì)玻璃平整度的問(wèn)題，本來(lái)期望采用玻璃幕墻技術(shù)獲得高檔、明快的視覺(jué)效果變得玻璃反射光線(xiàn)扭曲變形，使得建筑視覺(jué)效果變差。

    根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，30%的玻璃幕墻大樓存在玻璃平整度問(wèn)題，隨著城市化建設(shè)和人口密度增加，如何解決玻璃平整度問(wèn)題越來(lái)越重要。

目前玻璃平整度的檢測(cè)方式
    目前少數(shù)玻璃生產(chǎn)廠(chǎng)家的玻璃表面平整度檢測(cè)采用人工方式，由黑白方塊相間的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板、數(shù)碼相機(jī)、玻璃托架組成。
測(cè)試時(shí)需要把玻璃人工放置到托架上，然后用數(shù)碼相機(jī)拍攝并在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行人工判讀（如圖2）。[nextpage]

目前玻璃平整度檢測(cè)存在的問(wèn)題
    按照一個(gè)中型玻璃生產(chǎn)廠(chǎng)的規(guī)模，每條生產(chǎn)線(xiàn)每小時(shí)的玻璃生產(chǎn)量為500 -800塊，每車(chē)間隔為5分鐘。而目前的每塊人工玻璃平整度判讀周期需要20分鐘以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足對(duì)每塊玻璃平整度的檢測(cè)要求。

    此外，玻璃平整度檢測(cè)采用人工方式的工作量大，判讀效率低、在實(shí)際中使用可操作性較差，而且大大增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)和成本。

玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)需求
    針對(duì)自動(dòng)檢測(cè)需要建立一套完整的玻璃平整度在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)（Glass Planeness Measuring System 簡(jiǎn)稱(chēng)GPMS），以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)連續(xù)檢測(cè)要求：

·玻璃出爐后在鋼化爐下片臺(tái)上完成檢測(cè)，GPMS對(duì)每塊玻璃檢測(cè)周期要小于給定時(shí)間間隔；

·自動(dòng)拍照，統(tǒng)計(jì)并標(biāo)注每塊玻璃發(fā)生最大畸變的方塊位置、依據(jù)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)給出每一塊玻璃的變形度級(jí)別；

·依據(jù)每塊玻璃的ID號(hào)將測(cè)試結(jié)果記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)，并打印出測(cè)試結(jié)果標(biāo)簽，并可以隨時(shí)查詢(xún)；

·每塊玻璃的信息包括ID號(hào)、拍照?qǐng)D片，檢測(cè)時(shí)間、日期、測(cè)試結(jié)果。

玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)需要解決的問(wèn)題
特殊的光路設(shè)計(jì)問(wèn)題
    由于要完成玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)需要攝像機(jī)清晰的獲取反射的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板圖像，過(guò)濾掉來(lái)自環(huán)境的各種反射光線(xiàn)的干擾（見(jiàn)圖3）。

    但由于信噪比較低，常規(guī)的視頻圖像獲取非常不清楚，后續(xù)無(wú)法進(jìn)行視頻圖像處理。

視頻圖像識(shí)別問(wèn)題
    視頻智能分析技術(shù)是目前國(guó)際剛剛蓬勃興起的最新技術(shù)，廣泛的應(yīng)用在銀行、交通、安全等很多領(lǐng)域。但是在玻璃平整度上使用還是第一次，而且需要在流水線(xiàn)上完成在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，難度極大。

攝像機(jī)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題
    由于玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)需要高分辨率（無(wú)插值）數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，而這類(lèi)攝像機(jī)往往是CMOS電路攝像機(jī)，這樣就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，CCD攝像機(jī)比CMOS電路攝像機(jī)在低照度下信噪比更好，但是CCD攝像機(jī)分辨率不符合玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的定級(jí)要求。CMOS電路攝像機(jī)在低照度下噪聲大容易出現(xiàn)雜點(diǎn)，這主要是因?yàn)镃MOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過(guò)于頻繁而產(chǎn)生熱噪聲，在高分辨率下尤其對(duì)雜點(diǎn)更為敏感，因此需要對(duì)攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

 玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)原理
    根據(jù)制定了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，這里分析一下檢測(cè)原理。

已知：[nextpage]
L：攝像機(jī)到被測(cè)玻璃的距離；

a：被測(cè)玻璃平面被測(cè)點(diǎn)的傾角；

b：偏差距離。

這樣就可以得到被測(cè)玻璃平面被測(cè)點(diǎn)的傾角a：

tg(2a) = b/L，

簡(jiǎn)化得到：
a = b/2L（如圖5）。
當(dāng)L=300cm時(shí)有表1的計(jì)算結(jié)果。

特殊的光路設(shè)計(jì)
    玻璃平整度在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是保證攝像機(jī)獲取的圖像，因此過(guò)濾調(diào)不必要的光干擾，提高便準(zhǔn)測(cè)試板反射光增益非常重要。

    光在玻璃上的入射面和出射面射是平行的時(shí)候，那么不論光線(xiàn)如何入射，出射光都與入射光平行，但兩束光有錯(cuò)位，位移大小取決于玻璃的厚度；

任意形狀的玻璃，要通過(guò)計(jì)算求解：
sin a x 1 =sin b×n；

sin c×n=sin d×l。

這里，a表示入射角；b表示第一次折射的折射角；n為1.46，玻璃折射率。

c表示第二次折射的入射角；d表示第二次折射的出射角。

    全反射現(xiàn)象光從光密媒質(zhì)射入光疏媒質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角。由此可以知道，當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射角將等于90°，入射角再增大，就不再有折射光線(xiàn)。

    臨界角折射角等于90°時(shí)的入射角叫做臨界角。光線(xiàn)從光密媒質(zhì)射入光疏媒質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，就發(fā)生全反射現(xiàn)象。

    利用光的折射定律，可以求出各種媒質(zhì)對(duì)空氣（或真空）的臨界角．如果用C表示臨界角，n表示媒質(zhì)的折射率，那么，由于空氣對(duì)該媒質(zhì)的折射率等于1/n ，所以 sinC/sin90°=1/n， 由此可得sinC=1/n。

    光從光密媒質(zhì)射到光疏媒質(zhì)的界面時(shí)，折射角大于入射角。當(dāng)折射角為90°時(shí)，折射光線(xiàn)沿媒質(zhì)界面進(jìn)行，這時(shí)的入射角稱(chēng)為“臨界角”。當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，折射定律就無(wú)法適用了，而只會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。從玻璃進(jìn)入空氣的臨界角，隨玻璃的成分不同而異，約在30°-42°之間。利用光的折射定律可以求出其臨界角。[nextpage]

光干擾的處理
    如何在視頻圖像中提高信噪比減少光干擾，最大的光干擾來(lái)自透過(guò)玻璃下面物體表面反射的光干擾，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用對(duì)玻璃下面物體表面敷設(shè)吸波材料，使得照射在玻璃下面物體表面的光線(xiàn)大部分被吸波材料吸收掉，可見(jiàn)光的范圍在38 -78μm，因此選擇對(duì)38-78μm光譜范圍內(nèi)的吸波材料可以減少光干擾。

視頻圖像智能識(shí)別
    當(dāng)獲得了較為清晰的圖像后，軟件對(duì)每個(gè)像素的顏色、坐標(biāo)、相關(guān)性建立數(shù)學(xué)模型，同時(shí)建立邊界模型，基于參考的標(biāo)準(zhǔn)圖像與采集的視頻圖像實(shí)時(shí)對(duì)比，從而得到采集玻璃的平整度級(jí)別。

    進(jìn)行玻璃平整度的自動(dòng)檢測(cè)，軟件必須有標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)塊做為基準(zhǔn)。從攝像機(jī)獲得的圖像，中心標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)塊和邊緣的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)塊在大小上是不一樣的。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)塊的校正將采用三角測(cè)量方法進(jìn)行校正。

    表3為視頻圖像智能識(shí)別軟件的函數(shù)調(diào)用流程。

玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)
    玻璃平整度在線(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)由高清晰度攝像系統(tǒng)、視頻智能識(shí)別模塊、打印模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)和管理模塊組成（如圖5）。

視頻智能識(shí)別模塊具有如下功能：

·自動(dòng)對(duì)多塊玻璃尺寸識(shí)別；

·依據(jù)企業(yè)制定的玻璃平整度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被檢測(cè)玻璃每個(gè)方塊區(qū)域測(cè)量并確定平整度級(jí)別；

·對(duì)被檢測(cè)玻璃每個(gè)方塊進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定；

·將每塊玻璃的檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)保存在硬盤(pán)里

·依據(jù)每塊玻璃的ID號(hào)、日期、時(shí)間可隨時(shí)調(diào)看被測(cè)玻璃的檢測(cè)結(jié)果；

·留有多路檢測(cè)圖像接口。（本文作者黃小菲現(xiàn)為北京康斯環(huán)迅計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程有限公司總工程師，李仁俠為北京秦潤(rùn)玻璃有限公司總經(jīng)理）