（机械电子工程专业论文）基于机器视觉的啤酒瓶检测研究.pdf

摘要 机器视觉技术以高速度、高精度而被广泛应用于汽车、机械加工、电子、包 装、食品等各个行业。本课题利用机器视觉技术设计了一套对空啤酒瓶进行检 测的系统。整个系统以机械、电子、软件、图像处理为基础，结合各种辅助器 件协调工作，完成检测有缺陷或异物等不合格的空啤酒瓶。本论文针对空啤酒 瓶检测系统涉及的几个关键技术进行了以下研究工作： 1 、根据机器视觉技术应用到工业检测上的特点，设计了一套空瓶检测的装 置。该装置的设计内容主要包括三个方面，一、采集设备的选择( 二r ：业相机、 图像采集卡、镜头) ：二、针列空啤酒瓶的光源和照明设计；三、机械装置设计。 该装置能采集较好质量的瓶口、瓶底、瓶身图像。解决了瓶口反射和瓶口光照 不均匀性的问题以及瓶底图像采集困难的问题；可对相机和光源调节进行影响 因素分析：元件采用滑动可调的固定方式使调试更容易。 2 、研究了针对啤酒空瓶检测( 瓶口、瓶底、瓶身) 的算法。瓶口缺陷检测 关键在圆心定位和边缘的检测。圆心定位使用h o u g h 变换并对其进行了改进， 比其它定位方法准确。边缘检测使用形态学，可得到连续的单像素边缘：瓶底 异物检测关键在分割，这罩用o s t u 法和灰度特征相结合的方法，可较好地检 测到细小异物；瓶身检测通过软件分析去除反射区域影响，并根据裂纹形状的 特点得到较好的结果。研究表明，采用上述方法能检测出不合格的空啤酒瓶。 3 、利用v c + + 开发环境丌发了一套空瓶检测可视化软件。检测软件的整体 规划采用模块化的思想，即把图像采集、系统调度、图像处理、通讯的功能划 分为模块进行实现和管理。每个模块拥有各自的进程。利用多线程技术、线程 通信技术实现模块间的数据共享。 4 、设计了啤酒空瓶检测的外围控制部分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、监测外围状态、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。 5 、分析了光源强弱、照明方式、物距、目标移动或震动等关键因素对机器 视觉系统的影响，并对这些因素进行了实验和数据分析。 关键词：机器视觉检测技术空瓶图像处理自动控制 北京川 人学1 学硕十等位论文 a b s t r a c t m a c h i n e v i s i o n t e c h n i q u e i su s e dt o a u t o m a t o n ，e l e c t r o n ，m a n n 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 sc h a r a c t e r i z e db yh i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c y i n t h i sp r o j e c tb e e ri n s p e c t i o n s y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nm a c h i n e v i s i o ns y s t e m r e l a t e st o o p t i c s ，e l e c t r o n i c s ，m e c h a n i c s ，s o f t w a r e ，a n di m a g ep r o c e s s i n g i tc a n i n s p e c tt h ed e f e c t i v ee m p t yb o t t l e w i t ho t h e ra u x i l i a r y e q u i p m e n t t h e s i sm a i n l y a i m sa tr e s e a r c ho np i v o t a l t e c h n i q u ec o n t a c t i n gc o m p a c t l y w i t h e m p t yb o t t l e i n s p e c t i o n ： 1 、a c c o r d i n gt o t h e a p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm a c h i n e - v i s i o n i ni n d u s t r y i n s p e c t i o n a na p p a r a t u sf o re m p t yb o t t l ei n s p e c t i o nj sd e s i g n e d a p p a r a t u si n c l u d e t h r e e p a r t s ，f i r s t ，a c q u i s i t i o ne q u i p m e n ts e l e c t i o n ( i n d u s t r yc a m e r a ，i m a g e a c q u i s i t i o nc a r d ，l e n s ) ；s e c o n d ，i l l u m i n a t i o na p p a r a t u si sd e s i g n e d ；t h i r d ，f i x a t i o n m a c h i n ei sd e s i g n e d i tc a na q u i r eg o o di m a g eb yt h ea p p a r a t u s a n di ts o l v e st h e r e f l e c t i o no fb o t t l e m o u t ha n dd i f f i c u l tw i t h a c q u i r i n g b o t t l e b o t t o m i m a g e i t i n c l u d e sa d j u s t m e n tf o rt h ec a m e r aa n dl a m p ，c o m p o n e n tf i x a t i o nw i t hs l i ps l o ta n d s oo n 2 、t h e s i se m p h a s i z e so na r i t h m e t i cr e s e a r c hf o re m p t yb e e rb o t t l e i m a g e p r o c e s s i n g b o t t l e m o u t hi n s p e c t i o na r i t h m e t i cf o u c u s e so nh o wt op l a c et h ec e n t e r o fc i r c l ea n dd e t e c te d g e c e n t e ri s p l a c e db yh o u g ht r a n s f o r ma n dp l a c e m e n ti s a c c u r a t e e d g ei s d e t e c t e db ym o r p h o l o g i ca n dg e tc o n t i n u o u ss i n g l e p i x e l e d g e ； b o t t l e b o r o mi n s p e c t i o na r i t h m e t i ce m p h a s i z e so ns e g m e n t a t i o na n dg r a y - i n t e n s i t y i no r d e rt o i n s p e c t l i t t l e d e f e c t ；t ob o t t l e b o d yi n s p e c t i o nb o t t l e - b o d y e f f e c to f r e f l e c t i o ni ss o l v e dt h r o u g hs o f t w r a r ea n a l y s i sa n dg e tg o o dr e s u l ta c c o r d i n gt oc r a c k c h a r a c t e r r e s e a r c hs h o w s ，u n q u a l i f i e db o t t l ec a nb ed e t e c t e db ya b o v em e t h o d s 3 、e 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 ei sd e v e l o p e dw i t hv c + + i n s p e c t i o n s o f t w a r ei sl a y o u ta c c o r d i n gt om o d u l et h i n k i n g s o f t w a r ef u n c t i o ni n c l u d ei m a g e a c q u i r i n g ，s y s t e mm a n a g e m e n t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n a n di sd i v i d e dt o m a n ym o d u l e s ，e a c hm o d u l eh a v es e l f - p r o c e s s i n g d a t ai ss h a r e db yt h et h r e a da n d p r o c e s st e c h n i q u e 4 、o u t e rc o n t r o la p p a r a t u si sd e s i g n e dp r o g r a m m i n gl o g i cc o n t r o l l e ra n do t h e r c o n t r o l l e ri su s e dt oc o n t r o lm o v e m e n ta n dt e s to u t e rs t a t ea c c o r d i n gt ot h es p e e da n d v e r a c i t y o fm a c h i n ev i s i o n ，f u n c t i o no fc o n t r o l s y s t e m i n c l u d e s c o n t r o l l i n g m o v e m e n t ，i n s p e c t i n gs t a t eo fs y s t e m ，a n dc o m m u n i c a t i n g w i t hh o s ta n ds e n do u t e r s t a t et ot h eh o s ta n dc o n t r o l l i n go p e r a t o r 5 、f i n a l l yg e n e r a l l ya n a l y z et h ec r i t i c a le f f e c ta s p e c t so f m a c h i n e 。v i s i o ns y s t e m s u c ha sl i g h tb r i g h t n e s s ，i l l u m i n a t i o n o b j e c td i s t a n c e ，o b j e c tm o v e m e n ta n ds oo n a l s om a n ) , e x p e r i m e n t si sd o n et oa n a l y s i sr e s u l t k e yw o r d s ：m a c h i n e v i s i o n ，e m p t yb o t t l e ，i n s p e c t i o nt e c h n i q u e ，d i g i t a li m a g e a u t o c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究1 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 豁她同期 关于论文使用授权的说明 瞻4 ：6 、寥 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 牡嗍丝! 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 对啤酒厂来蜕产品质量影u 向因素很多，例如原料质量、工艺、酿涵技术等， 这些都是在啤酒酿造过程中的质量保证。其中酒瓶缺陷和污块( 瓶口、瓶身和 瓶底) 也是影响啤酒质量的一个关键要索。 目前在我国啤酒厂i 中，6 ： o m l 玻璃瓶包装仍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标准的6 4 0 m l 玻璃瓶。全国有5 8 0 多家啤酒企 业，掘啤酒行业统计i ，1 9 9 5 年全国啤酒年产量1 5 6 8 8 2 万吨，1 9 9 7 年1 8 8 8 4 9 月吨，2 0 0 1 年已达2 2 7 3 8 万吨。国家质检局组织对生产领域的啤酒瓶质量进 行了国家级监督抽查，共抽查了6 l 家企业生产的6 l 神啤酒瓶，合格5 1 种，产 品抽样合格率为8 3 6 。 空啤酒瓶质量问题主要由如下三方面的原因引起，一、相当数量的国内啤 酒瓶生产企业没有在线检测设备，瓶子的出厂检测大多采取抽检方式。这样， 无法将1 i 合格品全部剔除，难免有大量不合格的瓶子出j 一；二、回收瓶质量失 控制约了新瓶质量的提高。我国啤酒生产每年需要 2 1 近3 2 0 7 亿只酒瓶子，其 中新瓶只占2 0 左右，8 0 左右为回收瓶。经济利益驱使啤酒厂首先选择使用回 收瓶，同时对新瓶压价，从而影响了瓶子质量。与此同时，不少啤酒生产企业 对回收瓶的进厂检测不严格，或是缺乏有效的检测手段，仅凭感官检查瓶子的 划伤和裂纹，使大量有质量隐患的旧瓶进入灌装线，进而流入市场。回收瓶在 没有严格质量保证控制的情况下反复使用，不仅可能危及消费者的安全，而且 会制约啤酒瓶质量的进一步提高和企业的发展；三、一些睥酒生产企业为降低 成本，使用塑料绳将啤酒瓶捆绑在一起出厂。这种包装方法在运输、销售和饮 用过程中极易造成瓶子划伤和碰撞。酒瓶表面轻微划伤后，其抗冲击、抗压力 性能下降6 0 ；严重划伤的则下降9 0 。 所以在啤酒灌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质量进行检测， 效率低下，速度慢，劳动强度：赶。所以，急需要开发一套啤酒空瓶检测装置实 现空瓶的自动化检测。 北京l 业入学1 。+ 学硕t 学位论文 啤酒空瓶的检测具有如下特点：一、材料是玻璃，这对很多传统检测技 术来既是个难题；二、啤酒空瓶检测强调实时、在线，确保剥过程实现全面控 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 瓶时，这是许多传统检测手段无法提供的；三、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。 对于其它的现代制造业，如电子产品生产流水线、药品生产流水线等来说， 也存在类似的难题。传统意义上的许多检测技术已不能满足现代制造业的要求， 需要研究新的产品检测技术。在已经研究的多种技术中，机器视觉检测技术具 有速度快、精度高、自动化程度高等突出的优点，能很好的满足现代制造业的 需求，在实际中显示出广阔的应用前景。机器视觉技术相对于传统检测技术在 检测领域中的优点。”表现在：一、非接触；二、检测速度快；三、精度高；四、 实时性强，能实现全自动检测；五、现场抗干扰能力强。 所以，根据机器视觉技术所具有的优点，本课题使用机器视觉技术实现啤 酒空瓶的检测。 1 2 机器视觉技术及其发展 1 2 1 机器视觉概念的引入 在现代工业自动化生产中，涉及到各种各样的检查、测量和零件识别应用， 例如，汽车零配件尺寸检查和自动装配的完整性检查，电子装配线的元件自动 定位，饮料瓶盖的印刷质量检查，产品包装上的条码和字符识别等。这类应用 的共同特点是连续大批量生产、对外观质量的要求非常高。通常这种带有高度 重复性和智能性的工作只能靠人工检测来完成，经常在一些工厂的现代化流水 线后面看到数以百计的检测工人来执行这道工序，在给工厂增加巨大的人工成 本和管理成本的同时，仍然不能保证1 0 0 的检验合格率( 即“零缺陷”) 。而 当今企业之问的竞争，已经不允许哪怕是0 1 的缺陷存在。有些时候，如微小 尺寸的精确快速测量，形状匹配，颜色辨识等，用人眼根本无法连续稳定地进 行，其它物理量传感器也难有用武之地。这时，人们开始考虑把计算机的快速 性、可靠性、结果的可重复性，与人类视觉的高度智能化和抽象能力相结合， 由此产生了机器视觉o ”的概念。 第一草绪论 1 2 2 机器视觉与普通计算机视觉的区别 从广义来说都是利用图像处理技术达到对目标的理解、识别等。但是从应 用上来说机器视觉具有独特的特点。”： 1 相比较而言，机器视觉更是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、 机械工程技术、控制技术、电，光源照明技术，光学成像技术、传感器技术、 模拟与数字视频技术，计算机软硬件技术，人机接1 ：3 技术等。这些技术在机器 视觉中是并列关系，相互协调应用才能构成一个成功的机器视觉应用系统。 2 ，机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要有合 理的性能价格比，要有通用的： 业接口，能够由普通工人来操作，有较高的容 错能力，有较高的安全性，不会破坏工业产品，还必须有较强的通用性和可移 植性。 3 对机器视觉工程师来说，不光要具有研究数学理论和编制计算机软件的 能力，更需要的是光、机、电体化的综合能力。 4 机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数字 图像处理理论中的许多技术目前还难以应用于机器视觉，它们的发展速度远远 超过其在工业生产中的实际应用速度。 1 2 3 机器视觉的原理 机器视觉”1 是用计算机来分析从摄像机获得的图像的一种方法。分析结果 被用来报告信息( 探测结果) 、控制工艺过程或移动物体。与一般意义上的图像 处理系统如多媒体系统相比，机器视觉强调的是精度和速度，以及工业现场环 境下的可靠性。 首先采用c c d 照相机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，如：面积、长度、数量、位黄等； 最后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个 数、合格不合格、有无等。机器视觉的特点是自动化、客观、非接触和高精 度，与一般意义上的图像处理系统相比，机器视觉强调的是精度和速度，咀及 工业现场环境下的可靠性。机器视觉极适用于大批量生产过程中的测量、检查 北京1 1 业火学i 学硕十学位论文 和辨识，如：零件装配完整性，装配尺寸精度，零件加工精度，位蜀角度测量， 零件识别，特性字符识别等。 1 2 4 机器视觉技术的发展 机器视觉理论是在2 0 世纪j o 年代”1 从统计模式识别开始的，当时的主要 工作集中在二维图像分析和识别上。通常认为r o b e r t s ”1 在1 9 6 5 年发表的论文 是计算机视觉研究中的开拓性工作。r o b e r t s ( 1 9 6 5 ) 通过计算机程序从数字图 像中提取出诸如立方体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的 空间关系进行描述。g u z m a n ”3 在图像理解中首先广泛利用启发式知识，他在1 9 6 8 年建立的“s e e ”程序能把线画图分割成三维的物体。f a l 在1 9 7 2 年建立的 i n t e r p r e t 程序利用模型来帮助对不完全线画图进行解释。1 9 7 7 年d a v i dm a r r 提出了不同于“积木世界”分析方法的计算视觉。j ( e o m p u t a t i o n a lv i s i o n ) 理论，该理论在8 0 年代成为机器视觉研究领域中的一个十分重要的理论框架。 而机器视觉系统的发展始于7 0 年代”3 ，美国最初的机器视觉系统，采用了 3 2 k 字节存贮器的d e cl i s 一1 l 计算机和有1 2 8 1 2 8 象素的c c d 摄像机。1 9 7 3 年，美国自然科学基金会( n f s ) 制定了1 9 7 31 9 8 2 ，发展视觉系统和机器人的 计划，并在斯坦福、普度等大学率先展丌研究在日本，同期也展开了研究， 并成功的将计算机视觉系统用于印刷电路板的质量检测。1 9 8 2 年，在美国共安 装6 3 0 1 套机器视觉系统，在同本则更多。到1 9 9 0 美国安装数超过1 0 万套，而 日本超过了5 5 7 万套在市场售销金额方面，在美国1 9 8 4 年达6 亿美元。 同时，与机器视觉密切相关的其它技术也迅速发展。图像处理是机器视觉 的基础。而边缘提取和阂值分割又是机器视觉应用在检测领域中的重点研究内 容。边缘检测“”概念在1 9 5 9 年文献中被首次提出，文献【3 中提到的c a n n y 最 早提出了边缘检测的连续原则。d e m i g n y 在理论分析和实验的基础上给出了边 缘检测的离散准则，并证明在离散准则中c a n n y 提出的第三个准则可以被闽值 操作所取代。同时，每年都有许多边缘检测算法出现，如基于梯度”1 的r o b e r t s 、 s o b e l 和p r e w i t t 算子，基于二：阶导数的l a p l a c i a n 算子，基于形态学的边缘 检测“”3 ，基于小波变换的边缘算子”。1 等。闽值分割”】的大部分研究在阈值的 确定上，到现在尚无通用的理论。现在应用得比较广泛的有迭代法、o s t u 法“、 小波阈值分割等。所有阂值方法都是根据具体应用来选取使用a 第一章绪论 在光学照明方面有著名的l a n d ”“关于照明的计算；视觉成像有j u l e s z “” 关于立体视觉的实验： 电子技术和自动化技术的发展也极大地推动着机器视觉技术的发展。如集 成电路的发展使现在的机器视觉系统越来越小，很多视觉系统已经设计成一个 小型的视觉传感器“就可完成识别、测量等功能。各种稳定性好、扩展能力强 的控制器如p l c ! 。7 。”3 、i 0 控制昔等的发展，也使机器视觉系统的运动和视觉协 调更一致。c c d 。”和c m o s 芯片技术的性能增加相应地提高了图像采集的速度和 质量。同时机器视觉系统的大脑一软件理论技术如多线程技术“2 ”、a c t i v e x 、 动态链接库等的完善，使机器视觉系统智能化程度更高。 1 2 5 机器视觉系统的结构和分类 典型的视觉系统。“一般包括如下部分：光源，镜头，c c d 照相机，图像处 理单元( 或图像捕获卡) ，图像处理软件，监视器，通讯输入输出单元等。视 觉系统的输出并非图像视频信号，而是经过运算处理之后的检测结果，如尺寸 数据。上位机如p c 和视觉传感器实时获得检测结果后，指挥运动系统或i o 系 统执行相应的控制动作，如定位和分选。 从视觉系统的运行环境，可分为基于p c 机的系统和视觉传感器系统”。 一、基于p c 机的系统：如图i - i ，这类系统利用其开放性，高度的编程灵 活性和良好的w i n d o w s 界面，同时系统总体成本较低。以美国d a t at r a n s l a t i o n 公司为例，系统内含高性能图像捕获卡，般可按多个镜头，配套软件方面，从 低到高有几个层次，如w i n d o w s 9 5 9 8 n t 环境下c c + + 编程用d l l ，可视化控件 a c t i v e x 提供v b 和v c 下的图形化编程环境，包括w i n d o w s 下的面向对象的机 器视慌组态软件。 图l 一1p c b a s e d 结构剀 二、视觉传感器系统：就是将全部的视觉系统所需要的硬件，如，c c d 、内 存、处理器以及通讯口压缩在一个“黑箱”式的模块里。系统硬件一般利用高 速专用集成芯片或嵌入式计算机进行图像处理，系统软件固化在图像处理器中， 北京i 业人学1 i 学硕十学位论文 通过类似于游戏键盘的简单装置对显示在监视器中的菜单进行配置。优点是价 格便宜，使用方便等。这一类广品是机器视觉发展的趋势。但是以目前的水平 来说，这类产品功能仍然有限，对外传输的信息量少等。 代表厂商如【”1 c o g n e x 的“s m a r tc a m e r a ”系列，西门子v s 系列( 如下图 卜2 ，l 一3 ) ，d v t ，松下，b a n n i r 公司的p l u s 系列( 如图卜4 ) 等等。 图1 2s i m e n s ev s1 l o图13 s m e n s ev s7 1 0 图i 一4 美国b a n n e r 公司的视 觉检测传感器p l u sp r o 1 3 机器视觉在工业检测领域中应用 机器视觉已经在工业制造、电子半导体、包装、农业、医药等领域的检测 应用非常广泛，而且精度和速度也越来越高，下面给出了一些应用领域： 汽车及零部件工业： 焊接点的位置检测 车体车侧焊接线上焊点的检测 轴的位置检测 里程表上的数字检测 真空阀的焊接点检测 冷却线路的完全检测 气缸盖装配的完全检测 铸件边缘的位置检测和类型识丹 刹车钳测量的完整性检测 塑料零件浇铸模型的完全检测 齿轮轨道的装配检测 汽车保险丝盒的完全检测 同步环的位置检测等 电子及半导体产业： 晶片的高精度位置检测 印刷电路板( p c b ) 自动检测 s m d 放置的位置校正和组件检测 在电路板上检测元件是否存在 在完整的电路板上检测印刷体 接线板的完全检测 i c 芯片封装测试 确定底座机械的光柱位置 键盘外壳浇铸模型的完全检测 检钡t l # , t l 量工具的指示器 检测有摺边的连接器 冲压时接触点的位置测量等 柔板印刷机定位检测 第一章绪论 包装行业检测： 在啤酒装箱时检测排列的瓶子 瓶体上的标签位置检测 饮料罐的形状和质量检测 饮料装箱时的条码识别 药品塑料瓶和药囊封装检测 产品有效期检测 化妆品包装检测 一次性针剂包装的完整性检测 印刷业 人民币水印检测 瓶盖印刷检测 防伪标志的检测 纸张的质量检测 烟草印刷质量检测 金属加工： 计算轴承座圈中的球形轴承 精确工程中的直径测量 无序铸件的位置检测 装载磨削机械时的零件识别 冲压成型的几何测量 在阀杆安装过程中计算管子的真 径和离心度 弹簧的位置检查和类型识别等 玻璃制品 在浮动的浸槽中检测玻璃边缘的 位置 在绝热的玻璃格中测量焊缝 试剂容器的缺陷检测 测量玻璃纤维垫的厚度 1 4 空啤酒瓶检测的研究现状 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 产品在圈外的生产线上应用得非常广泛1 。同样基于视觉的空瓶检测系统很早 就已经投入现场使用。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1 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 【4 1 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束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玎发和研究1 。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，丌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。 在空瓶检测系统上，已经有多家公司和研究单位投入了开发。如湖南大学”1 开发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 - 5 本论文研究的主要内容 北京1 业人学l 学硕i 学位论文 本课题来源于北京工业大学2 1l 工程教学建设，目的是为了完成一套基于 机器视觉的空啤酒瓶检测实验室教学平台，能够通过平台实现空啤酒瓶或其它 目标的表面缺陷检测，开展实验室机器视觉技术教学。课题是基于实验室的现 有条件完成的。 课题要研究的内容主要包丰舌入下几个方面： 1 、图像采集、处理和运算硬件方案的确定 2 、系统平台的搭建( 包括机械装置设计、电气系统的设计等) 3 、啤酒空瓶图像处理、缺陷或异物检测算法的研究 4 、机器视觉软件的开发 5 、外围自动化控制模块的开发 第一。章啤酒空瓶检测系统平台的设计 第二章空啤酒瓶检测平台的设计 空啤酒瓶检测系统作为一个高精度、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小测量误 差，控制系统要求能及日寸地配合处理系统完成进给、分选或剔除以及对位置的 矫正，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 该是集光学、机械、电子、软件于一体，协同工作的复杂体系。要设计一个能 达到用户要求的系统，以上几方面必须综合考虑。不管哪个方面匹配出现问题， 测量将无法完成。 本课题设计了一套模拟字瓶检测现场的实验系统，整个系统涉及到光学， 机械，图像处理算法，软件和自动化控制系统设计。 2 1 空啤酒瓶检测系统的设计要求 1 、采集高质量图像，能满足空啤酒瓶检测的精度要求。这个要综合考虑相机、 采集卡、镜头、装置、环境等各种因素； 2 、机械装置能方便调节，因为设计目标主要针对实验室，应该满足实验室的模 拟实验研究条件； 3 、装置应该能尽量减小外界环境的影响，这种影响包括目标或相机倾斜、环境 光、照明方式等； 4 、在软件中能检测出瓶口、瓶身、瓶底具有缺陷或异物的不合格空瓶，并得出 结果： 5 、报告检测结果和对系统错误报警。错误报警分为软件和硬件两方面。比如， 软件进行通讯时，如果串口打不丌或重复打玎要进行报错。 6 、采集设备具有外部触发功能，能和外部控制装置结合提高速度；同时能软件 控制实现静态采集和动态采集，便于静态图像实验分析和在流水线上动态拍摄： 7 、处理系统能接收控制系统“准备就绪”的信息，控制采集模块拍照；检 9 3 l l 完 后能把结果发送给控制系统，驱动执行机构； 2 2 空啤酒瓶检测平台的结构 检测系统的总体设计见图2 一l 。主要由图像处理软件和p c 机、图像采集 设备、光源照明部分、控制电气和机械装置血大部分组成。 北京f ：业大学f 学硕士学位论文 剀21 空瓶检0 1 0 系统的平台结构 i 、软件和p c 机部分：这一部分主要是采用c + + 语言在p c 机上编写机器视觉软 件。软件不仅要求处理图像，完成缺陷识别和检测：而且需要控制采集设备 进行图像采集，与下位机控制设备通讯，传送消息，调度系统资源等任务。 2 、图像采集设备；主要负责获取待检测目标的图像，是与目标物体直接接触的 部分。设备的硬件性能影响到后续的处理和识别结果。所以选择的设备性能应 符合实际要求。 3 、光源和照明装置：给摄像头感光芯片提供合适的光源。对图像质量的好坏影 响极大。设计一个好的光源系统可以提高系统处理的准确性。否则，将带入 很多噪声，或图像与实际目标有偏差，使系统产生误识别。 4 、外围控制部分：负责完成系统的自动化控制和接收系统的检测结果。同时 要求监测当前系统外围的状态，软件通过当前状态来决定采集设备是否拍 照：控制系统运行的速度和目标的位置，结台气动剔除器把不合格品剔除。 5 、机械装置：利用装置调节摄像头和光源，便于重复试验调整摄像头、镜头、 光源、目标物体等。使系统采集到的图像质量最佳：适合不同光源的固定装 置，使系统受环境光影响到最小；固定控制元件和执行元件，对控制系统有 很大影响。 2 2 空瓶检测系统采集设备的选择 第二章啤酒空瓶检测系统平台的设计 2 2 1 空瓶检测系统中工业相机的选择和分析 正确选择相机是设计整个机器视觉系统关键的第一步。要开发一个高速度 和精度的机器视觉系统，在相机的选择| 二应经过严格计算。 1 、根据相机的分类初步确定类型 ( 1 ) 按图像传感器分为c c d 和c m o $ 相机：由于生产工艺上的差距，现在 c m o s 在去除噪声及灵敏度方面仍差于c c d 相机，使得c m o s 相机现在尚无法达 到工业应用领域的要求。根据课题实际要求选用c c d 传感器相机： ( 2 ) 按扫描方式分为线扫描和面扫描：线扫描相机一次拍出的图像，只是 一条线。为了得到整个二维图像，通常需要移动被测物或相机本身，同时间断 地拍照。对机械装置的要求比较高。所以在这罩选用一次采集目标整体图像的 面扫描相机： ( 3 ) 按颜色分为彩色和单色相机：彩色相机一般分辨率低于单色相机，主 要用于识别领域：而工业测量领域使用单色图像不仅精度高而且处理速度快。 故选用单色相机符合系统要求。 2 、通过系统的精度要求与相机分辨率来选择 因为相机的分辨率会直接影响到整个视觉系统的计算精度。而衡量系统精 度的标准，就是像素值c c d 感光芯片上像素所对应的实际长度。对于一个 有具体精度要求的项目，可以通过公式来计算，采用多大分辨率的相机符合系 统要求，相机分辨率的计算公式如下： x 方向分辨率= x 方向视野范围x 方向理论像素值 y 方向分辨率= y 方向视野范围y 方向理论像素值 理论像素值：指的是根掘某个项目精度的要求，通过推算得出的像素值在 理论上所应该达到的数值。即像素值只有达到这一数值，才能确保系统的计算 精度在理论上符合要求。 经过测量已知瓶口视野大小为要求是3 5 m m 3 5 r a m ，瓶底视野范围要求是8 0 8 0 咖。对于空瓶来说，瓶底区域范围较大，所以视野范围的确定按照瓶底的 成像大小来确定。对于瓶底要求能检测出o 5 m m 大小的异物或瑕疵。 计算步骤如下： 根据以上条件，可以将o5 r a m 假定为理论像素值。也就是说，只要像素值 北京1 、【k 人学l 学硕十学位论文 能达到o 5 m m ，就可以满足测量精度方面要求。根据上面计算相机分辨率的公 式： 8 0 ( x 方向视野范围) o 5 ( x 方向理论像素值) = 1 6 0 ( x 方向分辨率) 8 0 ( y 方向视野范围) o 5 ( y 方向理论像素值) = 1 6 0 ( y 方向分辨率) 可知，只要相机的分辨率高丁1 6 0 1 6 0 ，就是适合此系统的相机。 3 、系统检测速度要求与相机成像速度及快门速度 系统除了精度要求以外，速度：的要求也是个主要的问题。 ( 1 ) 系统运行时间：检测的快慢取决于整个视觉系统运行的时间，包括三个 部分：成像时间、运算时问、控制系统时间。成像时间，是指从系统收到外来 触发信号起，到图像到达计算机内存为止；运算时i 司，指从图像到达计算机内 存起，到系统输出运算结果为止；控制系统时l 刨是外围控制系统获取结果后执 行相应动作的时间。 ( 2 ) 空瓶检测系统时间要求：系统初步确定的是6 瓶秒，也就是每个瓶检 测的时间分配给1 6 7 m s 。p l ，c 和气动控制部分大概占用3 6 m s ( p l c 响应l o m s 阀 门l o m s + 气缸1 6 m s ) 。p i 。c 调度生产线时问( 接收空瓶到达信号并通知上位机进 行采集) 需要大概2 0 m s 。最后分配给采集和处理的时f 自是1 6 7 6 6 = 1 l i m s 左右。 普通的c c d 相机的拍照速度为2 0 6 0 毫秒，平均为4 0 毫秒。这相当于家 用相机的快门速度，厂家工业用的c c d 相机的快门速度一般是固定不变的。就 是说，要得到清晰的图像，当相机在拍照的4 0 m s 时间罩，被拍物体应该是静止 不动的。如果物体运动，图像就会有不同程度的模糊。 因此，最后留给软件运算的时间是l l l m s 一4 0 m s = 7 1 m s 。再根据算法的实现 时间来确定选型是否正确。 ( 3 ) 缩短相机拍照时间：如果普通标准相机的成像时间，不能达到系统速度要 求，可考虑选用特殊功能相机来缩短拍照时间。主要有两种方法： 选用具有“异步拍照”功能的相机一随时能够终止当前扫描，并将指针重 置到c c d 起始位置。 提高相机的快门速度。一般相机快门速度的缺省值为自动模式，如有特殊 需要，可在相机里手动设置快门速度。最高可达万分之一秒。不过这要求以 加强光源的亮度为代价。 第二章啤滔空瓶检测系统平台的设计 这样对系统速度的估算，要将整个系统的条件( 包括视觉系统所在机器设备 的运行条件) 以及工作环境都一起考虑进去。 最后根据实际要求所购买摄像头型号是j a ic v m 4 ：帧速一2 4 帧秒c c d 感光：占片一2 3 ”有效像素数一1 2 7 2 ( h ) 1 0 2 4 ( v ) 视频a d 转换一1 0 位快 门一1 2 4 ，i 1 0 0 0 0 等共l o 个等级特殊功能一带异步拍照功能 所选取相机在本课题中可检测的精度要结合镜头和其他参数进行计算( 见 镜头计算) ，加上特殊功能速度可达2 0 m s 获取一帧图像。 2 2 2 视觉板卡的选择和分析 1 、视觉板卡类型 视觉采集卡：用得比较广泛的f r a m eg r a b b e r 。它最主要的功能就是将相机 中输出的模拟图像信号，转换成数字信号，最终传至p c 的内存中； 具有显示功能的视觉卡：在采集卡的基础之上，另加入了图像显示功能； 自带处理器的板卡。板卡本身就带有处理器和进行图像处理的固化程序，不 必在p c 中运行。 2 、板卡硬件功能的对比 板卡选择应以满足功能为d0 _ 提，而非功能多、价格高为最佳。这里，选择 时需要综合考虑以下因素。 ( 1 ) 相机支持：选用的相机与视觉卡匹配。通常考虑如下几个方面： 不同视频信号的匹配：不同相机其输出的视频信号都是固定制式，如c c i r 、 r s l 7 0 等等。某些板卡，只能支持一种或几种制式。目前基本上都可以支持所 有制式的视频信号。即全制式。 不同分辨率的匹配：普通标准相机，所采用的c c d 芯片是标准格式，即长 宽比4 ：3 ：分辨率如7 6 8 5 7 6 ，6 4 0 4 8 0 。有些视觉卡不能够支持非标准格式 的高分辨率c c d ，如i k i k ，】_ 3 0 0 1 3 0 0 等。 异步信号。异步信号可以节省拍照时削。不过在选用具有异步信号功能的 相机之前，首先要确定板卡也有此功能。对于运行速度要求极高的系统来说， 这至关重要。以r s l 7 0 为例，如果没有这一功能，系统等待拍照的时间为o 4 0 毫秒； 逐行扫描：越来越多的系统会使用到逐行扫描相机，因此要首先知道板卡 北京i 业人学i 。学硕十学位论文 是否支持这种相机。 多频道：多数板卡都可以同时控制二个以上的相机。 ( 2 ) 激发灯源：相当多的板卡带有灯源激发功能。这不仅缩短了系统总体运行 的时间，简化编程人员工作。更重要的是这功能可以更加有效地使灯源与相机 同步工作。 ( 3 ) 图像存储：相机拍照的时侧最多为4 0 毫秒，而系统对于图像进行分析、测 量的时间则要长得多。在实际操作中，经常会出现相机“等待”p c 的情况。因此， 一些板卡便另设有一些内存，作为图像的缓冲区。即在前一幅图像尚未分析完之 问，接着所采集的图像，暂存到缓冲区中后再以原来顺序，逐一送至p c 内存。 最后根掘实际要求所购买采集卡型号是v i p e r d i g i t a l ：制式支持一可以 支持大多数的制式分辨率支持一支持高分辨率的相机，立1 2 k 2 k 转换精度 1 0 位, n 8 位可选频道一只能支持一个相机图像存储一在板卡上可以同时丌辟 存储四幅图像的内存区域。和主机接口一p c i 接口( 图像传输速度达1 3 3 m h z ) 异步拍照一可在采集卡上用硬件控制相机拍照速度； 按相机最高采集速度计算每秒获取5 0 1 2 7 2 1 0 2 4 = 6 5 m 1 3 3 m ，满足采集速 度，分辨率支持相机的1 0 2 4 1 2 7 2 。 2 2 3 镜头的选择和分析 1 、镜头的几个主要技术参数有：成像面c c d 感光片尺寸焦距视野物 距景深视角。 2 、镜头选取的考虑因素： 镜头的成像面与所用的c c d 相机是否匹配。 成像面与镜头本身的设计及生产有关。成像应该是越大越好。可是有些厂 家的镜头由于设计或生产上达不到技术要求，成像面会较小。 确定镜头的焦距、物距和视野( 这个主要是依据实际的工作或安装环境来 确定) 这几个参数关系是：焦距越小；视角越大；最小物距越短：视野越大。 以最常用的- - s e e 镜头( 5 0 m m ，2 5 l t i f f i ，1 6 m m ) 为例：5 0 m m 的镜头焦距是最大的，所 以5 0 m m 镜头的视角就最小，而视野就最小，最小物距却是最远的：2 5 m m 的镜 第二章“卑滔空瓶检测系统平台的设计 头焦距次之： 1 6 m m 的镜头焦7 p - n 是最小的，所以1 6 m m 镜头的视角就最大，而 视野电就最大，最小物距是最近的。 3 、镜头选择和计算 因为最小物距