在大型工件表面检测局部小型缺陷是汽车[23]、飞机[13]、风力涡轮叶片[28]等制造业中的关键挑战。例如，纤维铺设（FP）是一种用于航空航天复合材料结构成型的增材制造工艺，其中纤维根据预定义的路径和方向逐层铺设在大模具表面上[19]、[31]、[32]。确保层压板边界和纤维方向的几何偏差在公差范围内非常重要。此外，在铺设每一层后，必须仔细检查并消除各种工艺引起的层缺陷，如气泡、间隙和重叠[29]。否则，复合材料结构内部的过度几何偏差和层缺陷会导致严重问题。这里的几何偏差和层缺陷（以下简称“多因素质量缺陷”）通常在厘米或毫米范围内，而模具的尺寸通常为几米甚至更大[25]。这是在大型工件表面发现小型质量缺陷的典型情况，在本文中称为跨尺度缺陷检测。
视觉检测在检测工件多因素表面缺陷方面具有优势，因为其成本低且方便[2]、[17]、[18]。显然，对于跨尺度缺陷检测来说，需要一种同时具有高空间分辨率和大视野（FOV）的成像设备。这里的空间分辨率指的是图像中一个像素对应的空间大小。大视野对于观察大型工件的整个表面是必要的，而高空间分辨率则是捕捉图像中丰富细节的先决条件。然而，大视野和高分辨率是两个相互矛盾的要求。对于具有给定像素数量的相机，通过调整镜头实现的大视野越大，图像的空间分辨率就越低。因此，传统的视觉设备必须在视野（FOV）和空间分辨率之间做出权衡，这不适合某些具有挑战性的跨尺度检测任务。
振镜扫描仪（以下简称“振镜”[14]、[20]、[27]）可用于拍摄大型工件的高空间分辨率图像。振镜通过两个相互垂直安装的镜子偏转入射光来改变相机的视角[7]。镜子的偏转角度由一对数字信号控制。在每个视角下，相机只能观察一个小区域。因此，可以同时确保高空间分辨率图像和大视野。
相机-振镜组合通常用于在大场景中跟踪动态目标[1]、[4]、[5]、[30]。这种应用侧重于图像处理和振镜的实时控制，不涉及三维关系。在我们之前的研究[11]、[12]中，我们开发了一种基于振镜的可变视场相机系统，并建立了三维点、振镜的控制信号对以及相应的二维像素坐标之间的定量关系。在本文中，我们利用基于振镜的可变视场相机系统作为跨尺度缺陷检测的成像设备。
在视觉检测系统中，从捕获的工件图像中检测缺陷。通常会在图像上标记出与提取的缺陷对应的像素，并显示在计算机屏幕上。然而，这些识别的缺陷需要从工件上物理消除。在许多情况下，屏幕上显示的检测结果对于工人来说并不直观，难以定位实际工件上的小型缺陷，尤其是在几米长的大型工件上。因此，直接在实际三维工件的表面上指示检测到的缺陷位置是非常理想的。
基于振镜的三维激光投影技术是一种有效的在物理对象上指示信息的方法[6]、[8]、[15]。两个振镜-镜子高速偏转激光束，在物理工件表面标记特定的轨迹。为了确保标记的准确性，三维激光投影系统必须建立振镜的输入控制信号对与出射激光束之间的关系。为此，[22]将激光投影模型视为针孔相机[26]。 [26]提出了一种数据驱动模型，利用单隐藏层前馈神经网络（SLFN）来表示激光-振镜模块的输入和输出参数之间的关系。这些有效的激光-振镜模块工作模型提供了将检测到的缺陷位置准确投影到实际工件上的可能性。
此外，在某些情况下，将特定的三维信息投影到工件上也有助于视觉检测。以纤维铺设过程为例，层压板边界的几何公差范围可以在工件的计算机辅助设计（CAD）模型中预先定义为三维曲线。通过使用激光-振镜设备将这些设计的曲线投影到工件表面，并用激光标记的曲线拍摄工件图像，我们可以直接验证提取的层压板边界是否落在二维图像中的激光标记公差范围内。这种方法将三维层压板边界的几何偏差检测简化为在有限区域内的二维图像分析任务，而不需要复杂的三维重建和评估过程。
考虑到跨尺度多因素质量检测的实际需求，我们开发了一种成像-投影协作系统，该系统集成了相机-振镜（C-G）模块和激光-振镜（L-G）模块。一方面，C-G模块拍摄大型工件表面的高空间分辨率图像，而L-G模块在实际表面上标记检测到的缺陷位置；另一方面，L-G模块可以将预定义的辅助曲线投影到工件上。然后C-G模块拍摄投影激光轨迹的图像，以评估被检测特征的几何公差合规性。需要注意的是，在本文中，我们专注于成像-投影系统的工作机制，详细说明了两个模块如何协作进行多因素质量检测。本文没有涵盖图像处理和缺陷检测的具体算法；然而，任何针对特定检测任务定制的有效缺陷提取算法都可以集成到成像-投影系统中。
本文的贡献如下：
(1)开发了一种用于跨尺度缺陷检测的成像-投影协作系统。结合相机-振镜和激光-振镜模块的协作机制代表了质量检测的一种新方法。据我们所知，迄今为止文献中尚未报道类似的研究。
(2)建立了成像-投影系统的工作模型，为两个模块的协作工作奠定了基础。采用的系统建模方法不对激光和相机相对于振镜的位置施加任何限制。此外，两个模块的相对姿态可以灵活调整，且不需要联合预校准。
(3)通过碳纤维层压板和蜂窝夹层结构的检测案例展示了成像-投影协作系统的应用范例。实验结果证实了所提出系统和协作机制的有效性。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了协作系统的配置和一般工作原理。第3节描述了系统的工作模型以及将两个模块与工件对齐的方法。第4节详细阐述了协作检测机制。第5节展示了实验和结果。最后，第6节对本文进行了总结。
