利用视觉图像技术检测曲面特征零件的表面缺陷时,受曲面成像一致性差的影响,形成包含缺陷区域的复杂曲面图像。针对复杂曲面图像中表面缺陷提取这一难题,研究了非朗伯曲面成像理论和曲面表面缺陷的检测方法。首先,针对定向入射、半球形出射的表面反射几何光学模型,采用了便于调控及建模分析的平行光源。基于表面反射光分解的思想将双向反射分布函数分解成四个基函数的线性组合,得到了平面反射模型的一般表达式。然后,重点分析了属于该通用组合模型的三种具有代表性的表面反射模型,包括Lambert反射模型、Oren-Nayar反射模型、Ward反射模型。采用数值计算方法获得了这三种反射模型的反射图。最后,将平面反射模型与曲面方程结合获得曲面反射的光强在空间内的分布。依次采用上述三种反射模型计算出了O形曲面在不同光照方位与不同观测方位下的理论辐射强度图像。选择O形橡胶密封圈作为被测样品,进行了密封圈局部平面与完整的上表面的辐射测量实验,实验结果表明,橡胶密封圈表面符合Ward反射模型。利用曲面上高亮度区域的形状特征参数作为比较参考依据,定量描述了实测图像与仿真图像的差异,并依据差异最小化的思想对Ward反射模型中的参数进行了估算。结合实测图像与仿真图像中高亮度区域的轮廓形状变化对O形圈局部表面的朝向进行了分析。带有表面缺陷的曲面图像中高亮度区域的数量与不带表面缺陷的曲面仿真图像中高辐射强度区域的数量是不相等的。根据由仿真图像确定出的灰度阈值提取出曲面图像中的所有高亮度区域,再结合正常曲面的高亮度区域像素面积约束对其进行筛选,获得曲面上的缺陷区域。检测实验结果表明,提出的基于曲面上高亮度区域提取与分析的方法能够提取出O形圈表面上的凹痕、飞边等缺陷,并给出其占据的像素面积。从单一图像中检测出曲面上所有表面缺陷是难以实现的,但通过选择光源照明方位与相机观测方位,能够减少图像的采集次数,同时不丢失表面缺陷信息。