（测试计量技术及仪器专业论文）基于机器视觉的啤酒瓶缺陷检测及控制系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 机器视觉技术以高速度、高精度等优点被广泛应用于汽车、机械加工、电子、 包装、食品等各个行业的检测。本文对机器视觉在啤酒瓶空瓶检测中的应用进行 了系统的研究。 对检测的啤酒瓶主要部位缺陷进行深入分析：啤酒瓶口的缺口，裂纹缺陷； 瓶底的缺口缺陷；瓶身的裂纹、气泡、结石缺陷。“b ”字符识别和生产年限识 别并判断。本文主要工作包括以下几个方面： 本文在对啤酒行业中我国啤酒瓶检测现状进行分析，然后设计了空啤酒瓶检 测平台，因为在图像采集时，瓶口和瓶底较易采集，瓶身比较困难，尤其是瓶身 上的字符一般在瓶底周边，采集图像更困难，从而需要设计了一套空瓶检测平台， 针对啤酒瓶不同部位从采集图像、光源、图像处理、自动识别、自动剔除形成一 体，特别是采集啤酒瓶身图像时采用的是旋转式线扫描相机，这样就把啤酒瓶身 展开成一平面数字图像处理，给数字图像的后续处理带来很大的方便，同时解决 了别的方法采集的瓶身图像不全和字符不全或半字符检测的问题。 利用图像处理技术对采集到的图像进行处理，处理时采用了滤波、定位、边 缘检测、分割等算法处理，最后根据缺陷点灰度值的差异进行图像识别。瓶口缺 陷检测的关键在圆心定位和边缘的检测；瓶身的缺陷关键在边缘检测上，本文采 用s u s a n 算子，设置不同的参数很好的提取缺陷的边缘，同时去除伪缺陷；字符 识别是在瓶身检测的基础上利用模板匹配，提取字符区域图像，然后进行字符识 别。研究表明，采用上述方法能检测出不合格的空瓶酒瓶。 本文把图像识别后不合格的啤酒瓶利用机械自动剔除装置进行剔除，机械自 动剔除控制是以可编程控制器作为外围控制的核心。控制部分完成的功能主要有 控制运动、监n # i - 围状态、与主机通讯把外围状态传送给主机、接收主机检测结 果并控制执行机构完成剔除操作。 人机界面利用v c + + 开发环境开发了一套空瓶检测可视化软件，检测软件可 以设置各个检测环节参数，记录各环节剔除瓶数。人机界面还能够和外围控制通 信，相互协调工作，从而形成个完整的系统。 关键词：机器视觉，检测技术，空啤酒瓶，图像处理，自动控制 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a c h i n ev i s i o nt e c h n i q u ei sw i d e l yu s e di nt h ea r e a so fa u t o m a t o n ，e l e c t r o n ， m a n u f a c t u r e ，p a c k a g i n g ，f o o da n do t h e rf i e l d st h a tc h a r a c t e r i z e db yh i g hs p e e da n dh i g h a c c u r a c y t h i sp a p e rm a k e su s eo f t h i st e c h n i q u et ot h ee m p t yb e e rb o t t l ei n s p e c t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i m a r yd e f e c t so fb e e rb o t t l e s ，i tc o n c l u d et h a tt h ed e f e c t sa r e m a i n l yo nt h eb o t t o m ，t h ej a w , t h ew a l lo ft h eb e e rb o t t l e ，a n dj u d g e i n g “b c h a r a c t e r a n di t sp r o d u c t i o nt i m e t h em a i nc o n t r i b u t i o n st ot h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ei n s p e c t i o nt e c h n i q u eo f b e e rb o t t l ei nc h i n a ，a n dd e s i g n s a ne m p t yb o t t l ei n s p e c t e ds y s t e m c a u s ei nt h ei m a g ec o l l e c t i o n ，i ti se a s yt og e tt h e i m a g e so ft h ed e f e c t so nt h ej a wo rt h eb o t t o mo fab o t t l e ，b u th a r dt ot h eb o t t l eb o d y , e s p e c i a l l yf o rt h ec h a r a c t e ro nt h ew a l l s ot h ep a p e rd e s i g n sa ne m p t yb o t t l ei n s p e c t e d s y s t e m ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hi m a g ec o l l e c t i n g ，s o u r c e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，i d e n t i f y i n g a u t o m a t i c a l l ya n dk i c k i n ga u t o m a t i c a l l y p a r t i c u l a r l y , t h ei n s p e c t i o n u t i l i z e st h e r e v o l v i n gl i n e s c a nc a m e r at oc o l l e c tt h ei m a g eo ft h eb o t t l eb o d y a c c o r d i n gt ot h i s m e t h o d ，t h i ss y s t e mc a ns p r e a dt h ei m a g eo ft h eb o t t l eb o d yt oaz o n ep l a n ei m a g ew h i c h w i l lg i v eac o n v e n i e n c et ot h ef o l l o w i n gs t e p s i ta l s os o l v e st h ep r o b l e m so ft h ei m a g e ， c h a r a c t e rd e f a u l t e da n dt h et h eh a l fc h a r a c t e r si n s p e c t e d a c c o r d i n gt ot h et e c h n i q u eo fi m a g ep r o c e s s i n g ，t h i sp a p e rg i v e sa ne a s yw a y t o d i s p o s et h ei m a g e s ，u s i n gt h ef i l t e r , o r i e n t a t i o n ，e d g ed e t e c t i o n ，p a r t i t i o na l g o r i t h m so n t h ei m a g e s ，a n dt h e ni d e n t i f yt h ei m a g e sb yt h ev a l u e so fg r a ys c a l eo nd i s f i g u r e m e n t s t h ec r i t i c a li n s p e c t i o nt ot h ej a wo ft h eb o t t l eb o d yd e f e c ti so nt h ec e n t r a ll o c a t i o na n d t h ee d g ed e t e c t i o n ，w h i l et h ec r i t i c a li n s p e c t i o no nt h eb o t t l eb o d yd e f e c ti st h ee d g e d e t e c t i o n t h i sp a p e ra d o p t ss u s a no p e r a t o r , s e t sd i f f e r e n tp a r a m e t e r st op i c ku pt h e e d g ed e f e c t s ，a n dw i p e so f ft h ef a k ed e f e c t s c h a r a c t e r sr e c o g n i t i o nw h i c h i sb a s e do n t h ei n s p e c t i o no fb o t t l eb o d yu s e sm o d e lm a t c h ，p i c k su pc h a r a c t e ri m a g e s ，a n df i n a l l y r e c o g n i s e sc h a r a c t e r s a f t e ru s i n ga b o v em e t h o dt h er e s e a r c hc a ni n s p e c tu n q u a l i f i e d e m p t y b e e rb o t t l e se x a c t l ya n de f f e c t i v e l y b yu s i n gt h ep l d ，t h i sp a p e ra d o p t saw a yi nt h eo u t e rc o n t r o la p p a r a t u st o e l i m i n a t et h eu n q u a l i f i e db o t t l e sm e c h a n i c a l l ya n da u t o m a t i c a l l y t h em a i nf u n t i o no f t h i sc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e st h em o v e m e n tc o n t r o l ，t h ei n s p e c t i n gs t a t eo fs y s t e m ，t h e u n i to fc o m m u n i c a t i n gw i t hh o s ta n dt h eu n i to fs e n d i n gt h ei n f o r m a t i o no fo u t e rs t a t e b a c kt ot h eh o s ti no r d e rt oo p e r a t et h em a n i p u l a t i o no fe l i m i n a t i n g h m id e v e l o p sa ne m p t yb e e rb o t t l ei n s p e c t i o ns o f t w a r ew i t hv c + + i n s p e c t i o n l l 湖北工业大学硕士学位论文 s o f t w a r ec a ns e tp a r a m e t e r so fe a c hi n s p e c tt a c h e ，a n dr e c o r dt h en u m b e ro ft h eb o t t l e s t h a tb e i n ge l i m i n a t e di ne a c hc i r c l e h m ic a na l s oc o m m u n i c a t ea n dw o r ki nl i n ew i t h o u t e rc o n t r o la p p a r a t u s e sb yw h i c hai n t e g r a t e ds y s t e mi so r g a n i z e d k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ，i n s p e c t i o nt e c h n o l o g y ，e m p t yb e e rb o t t l e s ，d i g i t a li m a g e , a u t o c o n t r o l i i i 溯彬j 堂大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：彦岛强日期：幻。苫年f 月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：蘼锯强指导教师签名：脚髟钟 日期：2 0 0 8 年f 月幻日 日期：肼f 月z7 日 ， 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的研究意义 中国啤酒产业的发展开始进入成熟时期，1 9 9 8 年我国啤酒的总产量已经达到 1 9 0 0 万吨，预计今明两年将超过2 0 0 0 万吨，我国将成为世界第一啤酒大国，世 界啤酒总产量也将接近1 5 亿吨。但就啤酒的包装来说，啤酒包装也形式多样， 例如：玻璃瓶装、易拉罐装、啤酒桶装、塑料瓶装等，基本上由玻璃和金属材料 瓜分。目前全球啤酒包装总量中，玻璃占7 1 ，其余是金属和塑料包装。我国是玻 璃用包装最高的国家，占我国啤酒包装总量的8 0 ，占全球瓶装啤酒的5 5 以上， 而发达国家仅占2 5 左右，并且有逐渐减少的趋势。玻璃瓶包装在啤酒行业长期处 于统治地位有其独特的优点，如气密性能好，特别是二氧化碳及氧气不易透过， 良好的透明性可以清楚地看到瓶内酒液的现状，刚性大不易变形，耐腐蚀，卫生 性好，易消毒处理，成本低。在长期的使用过程中，啤酒瓶的缺点也逐渐显露， 与其它材料相比显得笨重，不方便周转与携带，运输成本高，不耐冲击，易爆破， 影响人身安全。据不完全统计，每年因啤酒瓶爆破伤人造成的投诉达数百起之多。 因此，国家决定改进啤酒瓶的质量要求，国家技术监督局规定自1 9 9 9 年6 月1 日起，市场销售的所有瓶装啤酒必须使用符合新标准的打有“b 字的专用玻璃 瓶【1 1 。“b ”字瓶与传统用瓶的主要区别在于耐内压及抗击指数的增大，国家标准 规定“b ”字瓶耐内压不低于1 2 k g ，抗击指数不低于0 6 k g 。除此之外国家还规定 啤酒在运转过程中取消捆扎而使用塑料周转箱、瓦楞纸箱、木箱，确保啤酒在运 转及销售中的安全1 2 j 。 玻璃瓶包装以绿色玻璃瓶为例，规格则有6 4 0 m l 、5 7 0 m l 、5 0 0 m l 等不同类型。 回收使用的不合格旧啤酒瓶是引起爆炸事故主要原因，所以要加强监控，防止超 过2 年使用期限的旧啤酒瓶混入流进市场而带来安全隐患，6 4 0 m l 玻璃瓶包装任然 占啤酒包装形式的九成以上，所以本课题所研究的检测对象是绿色啤酒瓶的包装 中6 4 0 m l 啤酒瓶。 所以在啤酒罐装前必须对空啤酒瓶进行检测，把不合格品剔除，才能进行啤 酒的灌装。而目前我国大多数啤酒厂还是采用人工对空啤酒瓶进行质量检测，效 率低下，速度慢，劳动强度大。少数厂家采用进口设备检测，费用昂贵，而且有 些检测还不能满足生产需要。所以急需开发一套啤酒空瓶检测装置实现空瓶的自 湖北工业大学硕士学位论文 动化检测。啤酒瓶的检测具有一下特点：1 材料是玻璃，这对很多传统检测技术 来说是个难题；2 啤酒空瓶检测强调实时、在线、确保对过程实现全面控制，提 高生产效率和产品的合格率。比如现在很多啤酒生产线生产速度是3 6 0 0 0 瓶d , 时， 这在许多传统检测手段是无法提供的；3 空瓶形状复杂，不利于实现接触方式检 测，而非接触方式是传统检测技术所不能解决的。 机器视觉技术相对与传统检测技术在检测领域中的优点表现在：1 非接触； 2 检测速度快；3 精度高；4 实时性强，能实现全自动检测；5 现场抗干扰能力强。 综上所述，研究啤酒瓶自动分拣技术，从而在生产线上用机器来分拣识别有 缺陷的啤酒瓶，将具有极大的经济效益和社会效益。根据机器视觉技术所具有的 优点，本课题采用机器视觉技术实现空啤酒瓶的检测。 本课题得到湖北工业大学科学技术基金项目“啤酒瓶自动分拣装置的研制 支持。 1 2 课题研究现状及其发展 1 2 1 机器视觉的概念及发展概况 机器视觉【3 】就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉( m a c h i n ev i s i o n ) 理论是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别发展开始的，到了8 0 年代中期，机 器视觉获得了蓬勃发展，新概念、新方法、新理论不断涌现，比如，基于感知特 征群的物体识别理论框架、主动视觉理论框架、视觉集成理论框架等。 机器视觉系统是指通过机器视觉产品【4 j ( 即图像摄取装置，分c m o s 和c c d 两种) 将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分 布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算 来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工 作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工 视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不 高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器 视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。 正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于 同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机 器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。在中国，这种应 用也在逐渐被认知，且带来最直接的反应就是国内对于机器视觉的需求将越来越多。 2 湖北工业大学硕士学位论文 在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概 4 0 - 5 0 都集中在半导体行业。机器视觉系统在质量检测的各个方面已经得到了广 泛的应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还 用于其他各个领域。 而在中国，机器视觉产品技术的普及不够，在许多行业的应用几乎空白，即 便是有，也只是低端方面的应用。目前国内有关大专院校、研究所和企业近两年 在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐步开始了工业现场 的应用。 在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但 制造业的需求是决定性的。需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存的空间， 这是不变的规律。机器视觉也是如此【5 】。未来，中国机器视觉发展主要表现为以下 一些特性： 1 随着产业化的发展对机器视觉的需求将呈上升趋势 机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业，国家加大对集成电路产业 这一战略领域的规划力度，“信息化带动工业化”，走“新兴工业化道路”为集成 电路产业带来了巨大的发展机遇，传统产业类应用领域成为集成电路产业未来几 年的重点投资领域。 2 统一开放的标准是机器视觉发展的原动力 目前国内有近数家机器视觉产品厂商，与国外机器视觉产品相比，国内产品最 大的差距并不单纯是在技术上。另一现状是目前国内的机器视觉产品逐渐朝着自 主研发产品的路线靠近，起步较晚。未来，机器视觉产品的好坏不能够通过单一 因素来衡量，应该逐渐按照国际化的统一标准判定，随着中国自动化的逐渐开放， 将带领与其相关的产品技术也逐渐开放。 3 基于嵌入式的产品将取代板卡式产品 从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠p c 技术，并且与数据采集等其他 控制和测量的集成会更紧密。且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品，这是 一个不断增长的趋势。 4 标准化、一体化解决方案也将是机器视觉的必经之路 由于机器视觉是自动化的一部分，没有自动化就不会有机器视觉，机器视觉软 硬件产品f 逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是 硬件供应商都将机器视觉产品作为生产线上信息收集的工具，这就要求机器视觉 产品大量采用“标准化技术”，直观的说就是要随着自动化的开放而逐渐开放，可 以根据用户的需求进行二次开发，逐渐向体化解决方案的系统集成商迈进。 3 湖北3 - 业大学硕士学位论文 在未来的几年内，随着中崮加工制造业的发展，对于机器视觉的需求也逐渐增 多；随着机器视觉产品的增多，技术的提高，国内机器视觉的应用状况将由初期 的低端转向高端。由于机器视觉的介入，自动化将朝着更智能、更快速的方向发 展。另外，由于用户的需求是多样化的，且要求程度也不相同。那么，个性化方 案和服务在竞争中将日益重要，即用特殊定制的产品来代替标准化的产品也是机 器视觉未来发展的一个取向。 1 2 2 啤酒瓶检测系统的研究现状 国外较早的开展了基于机器视觉方面的产品检测研究，目前机器视觉检测产 品在国外的生产线上应用得非常广泛【6 】。同样基于视觉的空瓶检测系统很早就已经 投入现场使用。在发达国家，利用机器视觉对空啤酒瓶检测研究的时间较长，技 术也比较成熟，一些大型厂家凭借其雄厚的经济实力，开发研制了多种验瓶机。 美国工业动力有限公司开发了两种检测技术【7 】：采用传感器技术的空瓶验瓶机和采 用摄像技术的全方位空瓶验瓶机。传感器技术空瓶验瓶机采用高分辨率的双基座 扫描系统，包括圆周扫描和左右扫描，以检测瓶底的异物。此外还配合颜色自动 补偿系统、检测微量残余液体的红外线检测技术、瓶口破损检测器、高瓶检测器 等，对空瓶瓶底的厚度、密度、颜色变化、瓶口及残余液体等进行精确检测。采 用摄像技术的空瓶验瓶机利用光学系统、高分辨率摄像部件和自动变焦镜头，可 检测瓶口缺陷，瓶壁内外，瓶底裂纹、污垢异物，瓶内胶膜透明物等。目前的检 测速度每小时可检测瓶口、瓶底7 2 万个、瓶身4 5 万个瞵j 。 国内的啤酒厂在技术含量上一直与国外有一定差距。近一两年来国内比较有 实力的啤酒厂家向国外购买了此检测系统，但是价格非常昂贵，达一百万人民币 左右。国外在这方面做得比较好的是德国，我国规模较大的厂家如青啤集团、华 润集团、燕京啤酒集团等购买的基本上是德国k r o n e s 公司的产品。国内在视觉 方面的研究也已经多年，不过以前主要是做一些算法方面的研究。都是针对特定 的检测目标设计来具体解决问题的算法。如今国内一些公司和研究单位开始转向 实用型机器视觉系统的开发和研究。已经涌现了好几家机器视觉公司如北京大恒、 深圳视觉龙等公司，和国外同类产品相比，国内厂家在技术上还是有很大差距， 开发产品往往在精度和稳定性上不如国外同类产品，但产品价格上会少很多。目 前只有广州大元实业与北京四通电机共同研究开发的d s 系列验瓶机，以及普陀轻 工的y p g d - - i 型空瓶光电验瓶机。和国外同类产品相比，国内厂家在技术和算法 方面还是有很大差距，开发的产品往往在精度和稳定性方面不如国外产品。 空瓶检测系统上，已经有多家公司和研究单位投入了开发。如湖南大学开发 4 湖北工业大学硕士学位论文 了一套基于视觉的空瓶检测系统，并在实验室进行了模拟。 1 3 论文研究的主要内容 本课题得到湖北工业大学科学技术基金项目“啤酒瓶自动分拣装置的研制 支持。目的是为了完成一套基于机器视觉的空啤酒瓶检测平台，能够实现空啤酒 瓶表面缺陷检测，本文对啤酒瓶的要求，主要针对以下几个方面进行检测： 1 瓶口检测 瓶口裂纹，破损缺陷检测 2 瓶身检测 瓶身裂纹，气泡、结石、字符，赃物检测 3 瓶底检测 瓶底裂纹，破损、赃物检测 4 字符检测 瓶底字符“b ”和生产日期检测 空啤酒瓶在高温高压冲洗过程中，缺陷很大的啤酒瓶经受不住高压高温就会 破碎，不会进入检测机，如果上述4 项检测都合格则顺利进入生产线的下一个环 节，如果不合格将由剔除装置来剔除。如果瓶子破损则被剔除到垃圾箱，直接销 毁；负责剔除到另外一条传送带，经过传送带送到洗瓶环节。 开发的软件对未来产品的进一步开发或者扩展建立在现有的软件基础上，例 如灌装检测，液位检测，标签检测，包装检测系统及远程控制可以在验瓶机软件 上扩展。 5 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章啤酒瓶检测系统的总体设计方案 空啤酒瓶检测系统是由图像采集、图像处理、自动分拣等组成，首先能采集 到高质量的图像是关键，图像采集装置就显得非常重要，因为高质量的图像为后 续图像处理工作打下基础，所以本文在研究很多啤酒瓶检测方案中，结合实际情 况设计出啤酒瓶检测平台。 啤酒瓶检测平台作为一个高精度、高速度、非接触性的测量方案，在视觉方 面涉及到光学设计和图像采集，系统装置需要辅之精密机械以减少测量误差，控 制系统要求能及时地配合处理系统完成进给、分选或剔除以及对位置的校正，处 理系统要求处理软件和硬件能完成对各种图像的处理。因此，系统应该是集光电、 机械、软件于一体的复杂体系。本文研究的对象是啤酒瓶，所以应该对啤酒瓶的 国家标准进行了解。如图2 1 誓廿 戚蚪径 毫 图2 1 啤酒瓶图 中国啤酒瓶标准( g b 4 5 4 4 1 9 9 6 ) 【研该标准规定了啤酒瓶的产品分类、技术要 求、试验方法及标志、包装要求。这里只介绍有关视觉检测的部分。各部位名称 见表2 1 ，外观质量应符合表2 1 规定，瓶底支撑面上应有点状或者条状滚花。 表2 1 国标中对于啤酒瓶的几点要求 6 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 机器视觉系统分类 机器视觉系统根据其硬件平台，可以大致分成两类，p c 式或称板卡式机器视 觉系统( p c b a s e dv i s i o ns y s t e m ) ，以及嵌入式机器视觉系统，亦称“智能相机”( s m a r t c a m e r a ) 或“视觉传感器”( v i s i o ns e n s o r ) 。 1 基于p c 的机器视觉系统采用通用p c 机加图像采集卡的硬件平台，由图像 采集卡进行视频捕捉，采集到的图像不加任何处理的传送到p c 机，在p c 机上通 过软件对捕捉到的图像或视频片断进行处理，从而得到图像处理结果。 2 基于嵌入式处理器的机器视觉系统，可以完全脱离通用p c 机工作，采用专 用或自行设计的视频捕捉电路，通过嵌入式处理器完成图像处理的功能。 2 机器视党系统的选择 1 基于p c 的机器视觉系统，具有以下两个优点： ( 1 ) 最大限度的利用了通用计算机的主板、内存、硬盘等硬件资源，硬件平 台比较成熟。 ( 2 ) 针对通用计算机的软件及操作系统也较为成熟，且p c 的内存及硬盘容 量非常大。 p c b a s e d 视觉系统配置灵活，开发周期短，开发成本较低。p c b a s e d 视觉应 用软件系统选用什么样的视觉软件s d k 是很重要的，它将直接影响到系统的工作 速度和稳定性。选择一款适合项目需要的机器视觉二次开发包时，应从视觉软件 能达到的精度、速度、鲁棒性、硬件的要求。 2 嵌入式机器视觉系统，可以很好的解决实时性问题，这表现在： ( 1 ) 使用专用的处理器，其数字信号处理能力优越。 ( 2 ) 图像在采集后被实时的处理，基本不存在图像传输的带宽限制。 ( 3 ) 针对嵌入式处理器的软件是实时性的。 通过对多家啤酒厂与设备厂家的调研，最终确定本课题的设计使用c c d 相机 系统来解决实时性问题，并将p c 机的灵活性、i o 的可靠性、分布式网络技术结 合在一起。 2 3 光源的选择 光源是指能够产生光辐射的辐射源， 光源是自然界中存在的辐射源，如太阳、 7 一般分为自然光源和人工光源【1 0 】。自然 天空、恒星等。这些光源的发光特性无 湖北工业大学硕士学位论文 法控制，一般不适合用作图像采集系统的照明光源。在工业检测中，常常使用人 工光源。人工光源是人为将各种形式的能量( 热能、电能、化学能) 转化成光辐 射能的器件。按照发光机理，人工光源一般可以分为热辐射光源、气体放电光源、 固体发光光源和激光器。常用光源有：钨丝白炽灯、卤素灯( 作为定向光源) 、荧 光灯( 作为低成本的漫射光源) 、l e d 光源、激光( 作为定向照明且具有特定光束 形状的光源) 等。各种光源的特性如表2 2 所示，选用时一般根据环境状况来定。 表2 2 各种光源比较 白炽灯一般发光效率低，光线不是很均匀，一般在图像处理中很少采用。卤 素灯、气体放电灯亮度较大，但寿命较低( 一般只有数千小时) ，开关速度也比较 慢( 一般在数秒) ，无法满足验瓶机每小时数万瓶的检测要求。 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e 发光二极管) i ll 】是目前工业检测中比较常用的光 源。发光二极管作为照明光源始于2 0 世纪7 0 年代末，由于它具有体积小、重量 轻、光源单色性好、发光亮度高、亮度便于集中调整等优点，目前正广泛应用于 数字仪表显示和c c d 应用技术中。发光二极管作为半导体光源，它的光谱分布与 半导体光电接收器的光谱响应相匹配。这既能节省能量，又能减少多余能量而造 成的热稳定性差以及杂光过大等不利影响。 l e d 光源凭借其诸多的优点在现代机器视觉应用系统中得到越来越多的应 用： ( 1 ) 设计形状的多样性 一个l e d 光源是由许多单个l e d 发光管组合而成的，因而比其他光源可做 成更多的形状，更容易针对实际应用需要，设计光源的形状和尺寸。 ( 2 ) 寿命长，发热少，效率高 为了使图像处理单元得到精确的，重复性好的测量结果，照明系统在相当长 的时间内必须保证即使外部条件不断变化，也能够提供稳定的图像输入。甚至用 湖北工业大学硕士学位论文 控制系统使其问断工作，可抑制发光管发热，寿命将延长倍。l e d 光源稳定工 作寿命达到1 0 0 0 0 至3 0 0 0 0 小时，其发热少，效率较高。 ( 3 ) 响应快速 l e d 发光管动态响应时间很短，能保证多个光源之间或一个光源不同区域之 间的高速切换。 ( 4 ) 多种颜色的光源可供选择 除了光源的形状以外，欲得到稳定图像输入的另一方面就是选择光源的颜色。 目前l e d 光源的颜色有红、黄、绿、蓝甚至可以得到白色光。另外还有橙色、红 外、紫外等，其中红色最常用。红色l e d 的发光波长接近c c d 的灵敏度峰值，寿 命长，比较稳定，所以如果使用黑白摄像机，且对被测物体的颜色选择没有特殊 的要求，红色l e d 是最合适的选择。 ( 5 ) 运行成本低 其他光源不仅耗电是l e d 光源的2 1 0 倍，而且经常需要更换，投入使用的 光源越多，在器件更换和人工方面的花费就越大，因此选用寿命长的l e d 光源从 长远看是很经济的。 光源的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度，发光的光谱特性 也必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的使用寿命、成本价格。因此，本课 题的啤酒瓶瓶口、瓶底缺陷检测系统选用了环型的l e d 光源作为照明光源，瓶身 采用平板白色光源。 本次设计采用l e d 光源。综合考虑现实需要以及性能价格比，最终我们采用 了深圳市视觉龙科技有限公司的v d k 系列l e d 环形和阵列面背光照明平板光源。 就l e d 光源的用法而言，有常亮与频闪两种照明方式。由于验瓶机中对光源亮度 要求较高，这时光源如果持续添加高电流，就会使光源寿命大大降低【1 2 】。因此， 为了延长l e d 光源的使用寿命，本设计中采用频闪方式，且利用瓶子到来的触发 信号作为l e d 的触发信号。此外，采用频闪方式也有利于消除空瓶快速移动时的 拖尾现象。 2 4 镜头 在机器视觉系统中，镜头的作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。 镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理选择并安装光学镜头，是 机器视觉系统设计的重要环节。 一般情况下，机器视觉系统中的镜头可进行如下分类： 9 湖北工业大学硕士学位论文 1 按焦距可分为：标准镜头、广角镜头、长焦镜头、远心镜头等。 2 按调焦方式可分为：手动调焦和自动调焦。镜头的变焦倍数又可分为2 倍 变焦、6 倍变焦、1 0 倍变焦、2 0 倍变焦等。 3 按光圈可分为：手动光圈和自动光圈。 4 按镜头接口可分为：c 型接口和c s 型接口。 2 4 1 镜头的光学成像特性 光学镜头主要有以下几个性能指标： ( 1 ) 焦距 焦距是光学镜头的重要参数，通常用厂7 来表示。镜头的焦距决定了成像目标 在图像传感器上图像的大小。当采用不同焦距的光学镜头对同一位髯目标成像时， 镜头的焦距越大，所得到的像也就越大；另一方面，焦距直接与镜头的视场角相 关。一般短焦距镜头具有较大的视场角，长焦距镜头的视场角较小，例如广角镜 头的焦距就很小。 ， n 彦 ：b 、1a ? 歹歹h 一虹j jf ? ，辛 u l 刀 一 f 一 r 一 一 一 一 一 一 图2 2 理想光学系统的成像 如图2 2 所示，成像目标与图像之问关系可由下式表示： y = y ( 2 1 ) 其中，b 为所对应共轭平面的垂轴放大率，且存在以下关系： 口：上：一x ( 2 2 ) 。 x f 7 为了满足各种成像要求，镜头焦距的大小相差很大。短的只有几米，长的可达 数米。当采用变焦距镜头时，可通过改变焦距获得不同放大倍数的像。 ( 2 ) 相对孑l 径 镜头入瞳的直径与焦距之比称为镜头的相对孔径，用d f 来表示，其中d 为 镜头中光线能通过的圆孔直径，f 为焦距。d 越大，能收集和通过的光线越多。在 l o 湖北工业大学硕士学位论文 光学镜头的外镜筒上，一般刻有f 数或光圈数，即相对孔径的倒数。镜头的相对 孔径对c c d 相机的分辨率和像面照度构成直接的影响。 a 分辨率 镜头的分辨率一般用镜头对黑白相间的线条密度的分辨极限来描述，即：以 单位长度内可以分辨的线条数n 来表示。若镜头在像方焦平面上能分辨的两线条 之间的最小距离为万，则镜头在焦平面上l m m 内所能分辨的线条数为： ：三：j 【_ 垒( 2 3 ) 万 1 2 2 兄f 由上式可知：光学镜头的理论分辨率完全由相对孔径决定。相对孔径越大， 镜头的分辨率越高。应当指出，上式所表示的分辨率是针对视场中心而言的，在 视场边缘，其分辨率将有所下降。 b 像面照度 对于小视场大孔径或者大视场大孔径的光学镜头，其视场中心的像面照度可 用以下公式表示： ：r 堡1 2 k 龙s i n 2u ， ( 2 4 ) 式中n 、n 分别表示物像方介质的折射率；k 表示系统的透射率；l 表示光亮 度；u 表示像方孔径角。设物镜位于空气中( n = n7 = 1 ) ，并引入镜头入瞳的直 径d 和光瞳处的放大率。，则上式可写成如下形式： 7 一x k 4 ll ( d 厂j ) 2 南 ( 2 5 ) 由上式可以看出：像面的照度与相对孔径的平方成f 比。镜头的相对孔径越 大，图像传感器的像面照度也越大。 相对孔径越大，镜头入瞳的直径就越大，通过的光线越多，曝光的时间就越 短，相机的速度也就越快，适合高速相机。好的高速相机能形成高分辨率的图像。 但景深很小。相对孔径越小，速度越慢( 不适合高速应用场合) 。因为光圈小，需 要更多的时间收集光源。但有较大的景深。如果镜头非常慢，它的分辨率通常有 限，因为会有衍射效应，这时，即使对焦再精确，图像也会变得模糊。 ( 3 ) 视场角 镜头的视场角决定了图像传感器成像的空间范围，它与镜头的焦距有关，用 2 来表示： 2 c o = 2 a r c t g 去 ( 2 6 ) 湖北工业大学硕士学位论文 当镜头的焦距一定时，视场角2 ( o 越大，目标图像就越大。而当c c d 器件尺 寸一定时，焦距越长，其视场角越小。 2 4 2 镜头的选择 镜头的选择主要取决于焦距，其过程可以按以下的步骤进行： 1 获得镜头到物体的距离，如果可能，是一个距离范围，取其中间值； 2 计算图像的放大倍数； 3 根据计算所需的焦距； 4 选择最接近计算值的镜头规范焦距； 5 根据规范焦距重新核算镜头到物体的距离。 在本系统中，啤酒瓶瓶口的直径为2 6 m m ，c c d 的尺寸为6 4 m m 4 8 m m ，要使瓶 口成像在c c d 光敏面的中间，约占7 0 ，以避免图像畸变，则镜头的放大倍数为 p = 4 8 宰7 0 2 6 = 0 1 2 9 啤酒瓶到镜头的距离设定为1 0 0 m m 至3 0 0 m m 范围内，取l = 2 0 0 m m ，则焦距为： 厂：垒旦：2 0 0 0 1 2 9 ：2 2 8 5 2 所m t一_-一一-_-_，玎 。 1 + l + 0 1 2 9 镜头的规范焦距有：8 m m 、1 2 5 m m 、1 6 m m 、2 5 m m 和5 0 m m 五档。其中，2 5 m m 最接近计算结果，使用该值核算镜头到啤酒瓶的距离： ，：兰! ! 鱼：2 5 x ( 1 + o 1 2 9 ) ：2 1 8 8 脚聊 9 0 1 2 9 在本系统中选择了c o m p u t a rm 2 5 1 4 一m p 镜头，该镜头参数如下：焦距是2 5 m m ， 光圈f 1 4 - f 1 6 c ，图像最大尺寸8 8 m m 6 6 m m ，手动调节光圈、焦距。 2 5c c d 摄像机的选择 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机是机器视觉系统获取图像的关键部件， 它将被处理目标物体的光信号转换成视频的电信号，再将该信号经过a d 转换并 送到处理器后即可处理、分析、识别该目标物体。 c c d 又称电荷藕合器件，是7 0 年代发展起来的新型半导体集成光电器件， 由美国贝尔电话实验室首先提出的，它是在集成电路技术基础上发展起来的，是 半导体技术的重大突破。它由分布于各个像元的光敏二极管的线性阵列或矩形阵 列构成，被摄物体的图像经过镜头聚焦到c c d 芯片上，c c d 根据光的强弱积累 相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、 放大处理后，形成视频信号输出。 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 近3 0 年来，c c d 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，作为光电传 感器由于具有灵敏度高、动态范围广、像素精度高、抗强光、畸变小、体积小、 寿命长、抗震动等优点。配以合适的光学系统可以获得很高的空间分辨率，因而 越来越多的应用于高精度非接触测量中，特别是在图像传感和非接触测量领域的 发展更为迅速。 从c c d 摄像机工作方式来看，c c d 摄像机特性当中，最为关键的指标是像 素、分辨率及照度( 灵敏度) 。c c d 像素是c c d 的主要性能指标。它决定了显 示图像的清晰程度。分辨率越高，图像细节的表现越好。c c d 是由感光元素组成， 每一个元素称为像素，像素越多，图像越清晰。 评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为水平电视线( t v l i n e ) ，即成 像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为3 8 0 到4 8 0 ， 其数值越大成像越清晰。一般的场合，用4 0 0 线左右的黑白摄像机就可以满足要 求。而对于特殊要求场合，用6 0 0 线的摄像机能得到更清晰的图像。 照度也称为灵敏度，是c c d 对环境光线的敏感程度，即c c d 摄像机正常成 像时所需要的最暗光线。摄像机照度的单位是勒克斯( l u x ) ，数值越小，摄像机也 越灵敏。通常黑白摄像机的灵敏度大多是0 0 2 0 5 l u x ，普通照度的彩色摄像机多 为1 l u x 。 c c d 摄像机按照其使用的c c d 器件可以分为线阵式和面阵式两大类。线阵式 c c d 摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线形式从摄像 机前移过，才能获得完整的图像。与面扫描相机一次成像相比，线扫描相机需要 多次成像后，将所成的“线”拼成一幅完整的图像。同时还需要大口径镜头、强亮度 光源以及光圈，以适应其非常高的成像速度。因此，线阵式c c d 摄像机更多地 被用于分辨率要求极高的项目里，主要用于检测那些条状、筒状的产品，例如布 皮、钢板、纸张等。 从使用性能和经济效应上考虑在啤酒瓶口和瓶底采用的c c d 相机是c o s t a r 公 司的s i m 3 5 0 相机，其性能参数如下：1 2 ”的c c d 传感器，有效像元密度为 7 5 2 5 8 2 ，高信噪e l 5 6 d b ，灵敏度为0 0 5 l u x 。经计算发现在调试好的系统中，l m m 对应2 0 个像素，即最小可检测到0 0 5 m m 的物体，满足缺陷检测的精度要求。 由于瓶身的特殊性和检测要求采用d a l s a 公司线扫描相机，与同类产品相比， d a l s a 公司脱颖而出的速度、响应性、及动态范围无与伦比的性能组合。具有8 位、l o 位和1 2 位输出、c a m e r al i n k 和g i g e 接口，可编程序性，内置式可配 置的平场校j 下和在线相机诊断，d a l s a 相机己成为业界的性能标准。d a l s a 制