管制瓶视觉检测技术若干问题的研究

1、合肥工业大学硕士学位论文管制瓶视觉检测技术若干问题的研究姓名：邓小康申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：鲁昌华20090401管制瓶视觉检测技术若干问题的研究摘要机器视觉技术目前广泛应用于人工视觉难以满足的相关行业，具有广阔的市场前景。本课题的研究目的是针对医用管制玻璃瓶可能存在缺陷问题设计一个基于该系统的、成规模的、高效的、实时的检测系统。本文针对医用管制玻璃瓶检测的特点，实现了对管制瓶的尺寸和缺陷的自动检测，并重点对以下问题开展了深入的研究工作：、硬件设计问题。制定了检测系统的总体设计方案，提出了暗室力：环形照明方法，并且论证了该方案的可行性和实用性。其中包括照明系统的设计、采

2、集系统的设计以及设备的选型，描述了该设计平台的搭建；、符合检测标准的边缘图像提取问题。设计了图像预处理算法，设计了小波变换和数学形态学相结合的图像去噪和边缘提取算法。其中，试验多套算法并且结合管制瓶的特点加以改进创新。详细介绍了预处理中关键步骤的新算法，包括小波分解重构和数字形态学多结构法提取边缘；并且将结果与一些经典算法做比较，从而论证了本文算法的优越性：、根据项目要求进行相关检测的算法设计问题。依据图像矩阵元素开展计算，根据提取的缺陷特征集合统计其对应的几何参数，从而实现对缺陷的检测。文中详细介绍了算法如何实现和编译环境中的编程和执行步骤，估计了可能存在误差的各个原因，提出并试验了基于人工

3、神经网络的缺陷再分类的方法。最后，简单介绍了程序界面。关键词：机器视觉；图像处理；管制瓶检测：数学形态学；几何参数，：，西，（）：；插图清单图本课题管制瓶图示图系统硬件示意图图图像采集设计框架图采集试验设备组成图镜头成像原理图暗箱内设计图图实验室采集装置实拍图点运算图局部运算图直方图图幂次变换的压缩曲线和实效（）图小波变换的时频特性图图算法的数字信号处理框图表示刀图小波分解图解图管制瓶级小波分解图图阈值处理：图大律法分割和比较图一结构元素集合雳图算子模板、图算子梯度图边缘提取比较图边缘提取比较图一边缘提取比较图型，型医用管制瓶外形标准图典型缺陷特征图尺寸检测图瓶身检测结果图变换图解图检测圆原理

4、图算法示意图图双隐层的神经网络图登陆界面图软件主窗口图一运行截图图检测算法窗口图一检测算法实例表格清单表几种常用光源的性能比较表摄像机特征参数列表表信噪比比较表型医用管制瓶规格尺寸表细化算子规定表表一领域规定表表内定标计算参数表表缺陷检测结果统计（单位：只）表型管制瓶尺寸检测的实例统计结果独创性声明本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标忐和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒日曼工些态堂或其他教育机构的学位或证体而使用过的材料。与我作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表

5、示谢意。学位论文作者签字唧哺签字眺埘年争月纠日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些太兰可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：卿、私签字日纠年归刁日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：翮签名鲁局孑签字日期少绎“月，日电话：邮编：致谢衷心感谢我的指导老师鲁昌华教授！谓谫他这两年多的无微不至的关怀。在研究课题的选择上，鲁老

6、师坚持以兴趣和强项为本让学生选择课题，无形中，学生极大的提高了知识水平和工作效率；在相关的课题研究中，鲁导苦心的指引大家去掌握如何做科研的方法和更正做科研的态度，给予线索和思考方向，循循善诱，本论文自始至终都是在鲁老师的关心和指导下顺利完成的；在日常生活，鲁导与我们打成一片，教导我们做人的道理。在此，我对鲁老师对我的培养、教育、关心和爱护表示诚挚地感谢！感谢所有教导过我的老师，帮助我打下扎实的专业基础。感调合肥工业大学智能检测实验室的各位同学，他们给了我很多帮助和集体的温暖，我们始终在一个团结、融洽的团队中工作和学习。此外，特别致谢实验室的图像团队的所有成员，互相帮助和指导，共同探讨和研究，是

7、工作学习成功的关键所在。尤其要感谢符能同学，为这次课题研究提供了大量具有创新性的新思路。衷心的感谢我的父母，父母在我身上倾注了大量的心血，这种含辛茹苦的爱、望子成龙的期盼、远离身边的牵挂一直是我前行的强大动力！在论文撰写期间给我的照顾和支持，使我能快乐、顺利地完成论文。最后，谓谢所有关心和支持我的人！是你们在论文撰写期间给我的照顾和支持，使我能快乐、顺利地完成论文。作者：邓小康年月第一章。绪论机器视觉技术综述美国制造工程师协会（￥）机器视觉分会和美国机器人工业协会（）自动化视觉分会关于机器视觉的定义是：“机器视觉是使用光学器件进行非接触感知，自动获取和解释一个真实场景的图像，以获取信息和控制机

8、器或过程”。机器视觉技术的原理和特点【胴采用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、位置等：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。机器视觉强调实用性，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，要有通用的工业接口，能够由普通工人来操

9、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。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、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、人机接口技术等。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。研究机器视觉，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、电一体化的综合能力。因此，综上所叙，机器视觉技术与传统方法比较有以下几方面的优点：首先它是非接触检测，通过对目标图像的抽象分析和判断得出检测的结果；其次，检测效果方面，机器视觉技术具有

10、高精度的特点；再次，机器视觉检测技术的速度快，并且它的实时性强，能够实现全面的自动的检测，对每个检测要点进行独立的算法分析，但是又能按照流程的设计进行全面步骤的检测；最后是在工业现场上机器视觉检测算法的可靠性更高。机器视觉技术的发展和现状机器视觉理论是在世纪年代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。通常认为在年发表的论文是计算机视觉研究中的丌拓性工作。年提出了不同于“积木世界”分析方法的计算视觉（）理论，该理论在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。在机器视觉发展的历程中，最先的应用来自“机器人”的研制，也就是说，机器视觉首先是在机器人的研究中发展起来的

11、；其次世纪年代图像传感器的出现，摄像机代替硅靶摄像是机器视觉发展历程中的一个重要转折点；世纪年代、等图像处理硬件技术的飞速进步，为机器视觉飞速发展提供了基础条件。近年来，计算机视觉技术发展迅速，在各个方面得到了广泛的应用，从医学图像到遥感图像，从工业检测到文件处理，从纳米技术到多媒体数据库，可以说，需要人类视觉的场合几乎都需要计算机视觉。并且，在许多人类视觉无法感知的场合，如精确定量感知、危险场景感知、不可见物体感知等，计算机视觉也得到了广泛地应用且更突显其优越性。计算机视觉典型应用包括零件识别与定位、产品检验、移动机器人导航、遥感图像分析、医学图像分析、安全鉴别监视与跟踪、国防系统等各个领域

12、川。例如基于计算机视觉的钢板表面缺陷的在线检测，可以实现对钢板表面的在线无损检测，基于计算机视觉的交通参数检测，可以实现对车流量、车流密度、车速、排队长度等交通参数检测，从而可以提高道路通行能力、减少交通事故未来机器视觉的发展将呈现下列趋势：技术方面的趋势是数字化，实时化和智能化图像采集与传输的数字化是机器视觉在技术方面发展的必然趋势。更多的数字摄像机，更宽的图像数据传送带宽，更高的图像处理速度，以及更先进的图像处理算法将会推出，将会得到更广泛的应用。这样的技术发展趋势将使机器视觉系统向着实时性更好和智能程度更高的方向不断发展。智能摄像机将会成为越来越重要的视觉产品智能摄像机具有体积小，价格低

13、，使用安装方便，用户二次开发周期短的优点，非常适合生产线安装使用，越来越受到用户的青睐，智能摄像机所采用的许多部件与技术都来自行业，其价格会不断降低，逐渐会为最终用户所接受。因此，在众多的机器视觉产品中，预计智能摄像机在未来会占据主要地位。另外，机器视觉传感器会逐渐发展成为光电传感器中的重要产品。机器视觉的市场份额迅速扩大一方面已经采用机器视觉产品的应用领域，对机器视觉产品的依赖性将更强，另一方面机器视觉产品将应用到其他更广的领域。在工业，科学研究，军事和民用四大领域的应用将进一步扩展。国内机器视觉相关现状】对于国内机器视觉技术，由于研究时间不长，虽然有一些成功的研究软件，但与之配套的硬件设施

14、还没有得到大力开发和试制，更谈不上大规模推广应用。因此还存在许多需继续解决的问题，如国内研究的对象大多为静态的，不易受损的产品个体，对快速运动的易受损的产品的无损检测分级及相关硬件设备还正在研究试制之中，另外以前对产品研究最多的是单渠道单指标的分级，对产品品质进行全量检测多渠道同时并行还是国内学者正在研究与攻克的难题之一。所以当前我们的任务是跟踪国际最新动态，在充分利用国外已取得研究成果的基础上探索新的理论和方法，并大力发展新型视觉处理硬件，大幅度提高处理速度，使机器视觉技术能够满足实时处理需求，为我国现代化服务。管制瓶视觉检测技术管制瓶视觉检测技术发展【现代工业自动化生产涉及到各种各样的检查

15、、测量和零件识别等应用，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，仍然不能保证的检验合格率（即“零缺陷”）。现今的管制瓶生产速度可以达到瓶秒，这种速度是人工检测根本无法适应的。利用计算机视觉、模式识别及人工智能技术代替人工进行产品质量检测能与自动生产线的生产速度很好配合；能避免人工检测中由于疲劳造成的误检和漏检现象；能克服人的主观因素对于产品标准掌握的不良影响；能有效地解放劳动力，因此管制品行业的产品自动检

16、测势在必行。在机器视觉理论基础上发展起来的机器自动视觉检测（，）技术，以其非接触性，较高的精度和能够快速获得被测物体信息等优点，满足了现代工业生产对检测的需求，医用管制玻璃瓶视觉检测技术属于在工业产品生产中的一种基于玻璃材质的技术。发达国家的玻璃制品行业目前应用了计算机在线自动检测设备。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，北京微视新技元等公司。管制瓶视觉检测技术问题【】国内的管制瓶视觉检测行业属于

17、新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，与国外同类产品相比较，国内厂家在管制瓶视觉检测技术上还是有很大差距，开发的产品往往在精度和稳定性上不如国外同类产品，但价格上会优惠很多。国内玻璃瓶视觉检测技术面临问题简述如下：（）规格不一，通用性差我国管制瓶除少数几种有国家统一标准外，大多数规格干差万别，如瓶高、瓶底和瓶壁的厚度，以及玻璃瓶的垂直度等参数指标都有较大的差异，管制瓶生产厂家通常根据厂家的要求进行生产，这样就使得开发出的每一套测试设备通用性能差；（）引进设备，价格昂贵例如沧州四星玻璃公司引进意大利的一管制瓶标准自动检测线投资万美元。在检测功能上仅有对管制瓶的瓶口残缺进行检测和对管制瓶内

18、异物进行检测。若在目前拥有的十条生产线上都安装进口检测线需投资万美元左右。工厂不可能有如此多的资金投在检测设备上；（）精度和速度，难达到需求从检测系统的硬件实现，到软件的设计，到光源，采集，图像处理，机械控制，各个部分都直接影响着测量的精度和速度。目前国内的管制瓶检测技术，大多集中在图像处理部分，对光源的设计，采集系统的规划，机械设备的控制等都需要进一步的研究开发，我们需要不断的学习国外的先进技术，开发出高精度，快速度的检测系统；（）电子业的发展，制约着检测技术国产化由于国内的电子业主体还在制造加工上发展，核心设计多数在国外。这就影响到国内检测技术研究人员只能选择国外的现有产品来设计系统，检测

19、技术全面国产化成为一个漫长又挑战的过程。在未来的几年内，国内管制瓶视觉检测的应用状况将由初期的低端转向高端，工厂生产自动化将朝着更智能、更快速的方向发展，对机器视觉的需求也逐渐增多，管制瓶视觉检测技术的应用也将进一步促进自动化技术向智能化发展。另外，由于用户的需求是多样化的，且要求程度也不相同，个性化与通用性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管制瓶视觉检测技术未来发展的一个取向。本文的研究背景本课题涉及到的药用玻璃瓶机器视觉检测系统，为安徽省年科技攻关项目，编号：。检测产品系列有安瓿瓶，型管制抗生素玻璃瓶，型管制抗生素玻璃瓶等（统称药用管制玻璃瓶，简称管制瓶

20、），玻璃瓶具体形状如下图：本文的研究内容本文按照机器检测系统的设计顺序开始介绍。其中，重点涉及到的内容首先是图像如何采集的问题，其中包括设计照明系统和选择采集设备，构架完整的采集图像的平台；其次，对采集的图像进行计算机预处理工作，通过大量实验对比，寻找合适的图像预处理算法，按照后期的不同需要生成出具有不同特征的较好的、较高质量的图像，为下一步的检测算法提供较好的处理图像保证；再次，进行图像分析，判断出缺陷，并在运行界面中给予明确显示，从采集到成功缺陷检测，构造一套完整的机器视觉检测系统。第章绪论主要对机器视觉进行介绍，从机器视觉的概念、发展趋势，应用，实现到面临的问题进行分析，然后提出了与本文

21、相关的管制瓶视觉检测技术，概述了该技术的发展例程和面临的问题。第章中，将主要讨论系统的总体设计框架，然后重点提出光源的设计方案。本文作者在项目的准备中，曾与各视觉厂家沟通交流，通过研究、分析、试验各个设备的规格标准，制定了采集方案，并提出了自己的照明方案，文中会详细介绍各硬件设备（包括图像采集设备，照明设备）的选择原则以及设备参数配置，重点是照明方案的分析设计。第章中，我们主要讨论针对所拍摄图像的预处理算法，对这些算法展开研究，包括图像的差影、滤波、增强等算法，随后继续讨论图像分割、边缘检测的算法，通过大量的理论分析和对比试验，选择最合适本检测系统的算法。第章中，主要对图像进行特征提取，缺陷判

22、断，误差分析，界面设计。特征提取部分分瓶身和瓶口特征两部分进行，分别计算出瓶高，瓶底直径，瓶口内径，瓶口外径，并判断是否符合规格。在缺陷判断部分，采用模板匹配法，分别就瓶身瓶口的杂质，气泡，缺口，划痕等进行计算判断。误差分析部分，分别就仪器和算法的精度，从定性和定量两方面进行分析。界面设计部分采用了模块设计法，分块有层次的把整个系统综合起来。第章将总结全文的工作，并对今后应进一步完善的工作提出了一点建议。由于在校时间有限，本文所作的研究是整个项目的前期工作，包括采集部分照明系统的设计，图像处理算法的设计，以及检测算法的完成。在硬件方面，作者只在实验室现有条件下验证了检测算法的可行性，并且在此基

23、础上证明了理论硬件的可行性。软件方面的算法已经得到完善，机械联动装置部分还需要深入研究，希望通过本文的研究能够为下一步完善系统的组建和实际应用提供一定的借鉴作用。第二章管制瓶在线视觉检测系统的设计本章主要介绍管制瓶在线自动检测系统的总体设计框架，其核心就是采集方法的选择和采集设施的构架。工业优皂检测系统设计应当满足以下技术要求”：实时性好，系统必须达到指定的检测速度瓶秒；参数测量设定要求，可以根据不同类型瓶体设置不同参数，设定检测指标精度；系统扩展要求通过扩展的，检测信号和控制执行结构。根据以上技术要求，系统设计时需遵循以下原则：完整性原则，最大限度的满足管制瓶生产中的检测要求：可靠性原则，整

24、个系统必须具备一定的稳定性；经济原则，系统实用成本低；扩展性原则，考虑生产工艺的改进，系统要能改进升级。在线检测系统总体设计框架整体的在线检测系统可以分为以下几个部分：数字图像采集部分、数字图像处理部分、存储和控制部分以及显示和业务要求部分。（）数字图像采集部分：由照明单元、摄像采集单元和转换单元组成；（）数字图像处理部分：由单元运行图像预处理程序；（）存储和控制部分：由机和步进电机组成，完成数据显示、打印、存储、报表的生成、统计分析和需求响应，同时机向图像处理单元发送各种检测参数，并控制步进电动机完成现场设备的分类传送：（）显示和业务响应部分：结果输出部分。因此，其检测系统的硬件组成如下图所

25、示：国系统硬件示意图数字图像采集部分设计框架数字图像采集部分是整个课题中最简单、同时也是最重要的一部分，采集到一副质量很高的图像能大大降低后期图像处理工作的复杂度，并且提高整个在线检测系统的工作效率和精度。如下图所示，采集部分的设计主要是合理的对各个部分进行选型。通过现有的条件构架出最佳组合的采集装置，如下图所示：图图像采集设计框架本课题中试验设备组成如下图所示：图采集试验设备组成针对采集对象是生产线上的管制瓶这一特点，本论文提出照明单元由三部分组成，由暗室负责隔绝外界光的干扰，背光源主要负责对瓶身光照，环光源负责对瓶口光照。暗室的设计和光源的选择将在本章的后几节中详细介绍。采集单元中，本论文

26、选用了采集卡和两台摄像机组合的采集方案，分别对管制瓶的瓶口和瓶身进行拍摄，基于对项目精度和速度的考虑，采集设备的选择标准将会在后几节中详细分析。图像处理单元属于检测算法类，算法优化和执行都在计算机上进行，分为采集图像处理和图像特征检测两部分，分别在第三章和第四章中会详细阐述。照明系统设计照明系统是机器视觉系统的一个重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和最后处理结果的精确度。由于没有通用的视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例场合，选择相应的照明装置，以达到最佳效果。本节会从提出问题，分析问题，解决问题的角度，提出合适本项目的照明设计。光源的选择目前的机器视觉检测技术中常用的光源有以下四：荧

27、光灯，白炽灯，卤素灯光纤导管和光源。荧光灯既为同常生活所用的光源，亮度差，稳定性差，使用寿命短。因此不能很好的适应高精度检测项目的要求。卤素灯光纤导管是由一个卤素灯泡在一个灯箱中发出强光，在由光纤导管将这束强光转向所要照明的物体，其不利特点是成本高，温度影响高，寿命短。光源是由多个二极管组合成某种特定的形状对被测物体进行照明。其成本和亮度适中，而且使用寿命，稳定性，温度影响等参数都能满足本课题的要求。表几种常用光源的性能比较专卤素灯荧光灯光源使用寿命时、时小时亮度亮暗使用多个达到高亮度开关速度慢慢快形状自由度不大自由度小自由度大、容易配线几乎没有光亮度和扩散性好、寿命长、波长可以根据用途选特性

28、色温的变化，众多适合大面积择、制作方便、运行成本低、耗场合使用光纤均匀照射电小因此，光源是本课题最理想的选择。照明方式和选型传统的照明按照光源相对于摄像机和被测物的位置可分为背向照明、前向照明、环形照明等。（）背向照明背向照明也叫逆光照明，是被测物放在光源和摄像机之间，光照使背景变为白色而显现出物体的轮廓，其优点是能获得高对比度的图像，但是对于透明或半透明的物体，逆光效果并不好。正面逆光照明时，由于光照过强而无法成像，改变背景也无效，产生这样结果是由于光照太强而且分布不均匀所致，丽太弱的光照强度又使成像不清，不能突出缺陷。所以要产生清晰的缺陷图像必须使光源分布均匀，且要达到一定的光照强度。另外

29、成像效果还要受光源形状光照面积等多方面因素的影响。（）前向照明前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种方式优点是便于安装，但是拍摄中，由于光照不均，会造成很明显的阴影，或者局部亮点亮线太多，直接影响后期的边缘检测。（）环形照明环形光源可以提供充足的无阴影的照明，对于圆形瓶口的照明非常有效。环形光源、偏振器和滤光片一起使用，可以进一步消除光泽表面的镜面反射。光源阵列成圆锥状以斜角照射在被测物体表面，通过漫反射方式照亮一小片区域，工作距离在特定理想数值时，该光源可以突出显示被测物体边缘和高度的变化，突出原本难以看清的部分，是边缘检测、金属表面的刻字和损伤检测的理想选择。此外环形光源通常是通过光

30、的漫射进行照明，利用半透明磨砂玻璃罩、乳白罩或特制的格栅，使光线形成多方向的漫射，其光线柔和可以消除阴影减少镜面反射，使一个区域得到均匀照明，还可以扩大照明光线的覆盖范围。此外，照明环境又分为两种，一种是明室照明，一种是暗室照明。明室照明即是在自然条件背景下照明。暗室照明则是在一个封闭的空间中照明，有效的阻挡外来光和杂散光的干扰。在暗室的不同位置开孔或者放置光源，可以有针对性质的照明被拍摄物体，尤其对于透明半透明的玻璃状物体，暗室可以有效的减小外界光形成的透射，反射成像。暗室照明适用于透明物体的缺陷检测，如刮痕、缺陷、折印等。本课题照明方式的选型【】：照明系统的选择将会很大程度的影响后期的图像

31、预处理的复杂度。首先需要使被测管制瓶的结构特征十分清楚的与周围的背景区分开。从数字图像的灰度值考虑，使被测物体与背景的灰度值的差尽可能加大，尽可能增强被测瓶的边缘对比度。这样，就可以极大的减少随后的图像预处理工作，降低预处理的复杂度，这意味着减少图像预处理的运算时间和算法的迭代复杂性。其次，要减少光源产生的发射和环境光线的影响，这样就减少了给图像带来的额外的噪声，使瓶子尽量以不失真的面貌成像。因此，理想的，实际工业中，应该采用扁平环状光源，并采用环形光照明方式，利用瓶口的反射光成像。扁平环状光源不会让管制瓶产生影响检测的背景。瓶身检测则采用透射照明光源，背景光线穿透瓶身玻璃层成像于芯片靶面。当

32、瓶身有缺陷时候，缺陷部位透光率不同于正常瓶身玻璃，将会形成灰度不同于正常部位的区域，这样的照明能凸现瓶身的细小缺陷。但是，在实验室的环境下，由于设备条件问题，未能使用光源进行照明，所以采集到的图像偏暗。并且强光分布不均匀，部分管制瓶图像会产生反光的效果。采集设备选择】【采集要求精度需求：根据（中华人民共和国医药包装行业标准）要求，对管制瓶的测量具体要求归纳如下：结石和透明结点：结石或者透明结点的面积不能大于；瓶身气泡线裂纹划伤：不应有宽度大于的气泡线，不应有宽度大于的划伤；瓶口瓶底气泡，破口：瓶口瓶底部位不应有大于的气泡；检测的管制瓶尺寸规格：对于型玻璃管制注射剂瓶，规格从一不等，瓶高在间变化

33、，瓶宽在间变化；对于型玻璃管制口服液瓶，规格从不等，瓶高在一间变化，瓶宽在间变化。根据以上的测试要求，选用采集设备的最低精度要求为，视角范围最小要求为×，这些都直接影响到摄像机，镜头和采集卡的选择。镜头分析选择【】镜头就是照相机、摄像机用以生成影像的光学不见，现代镜头一般是有许多透镜的组合，对目标物体反射光并将其聚焦于上，其投影至上之图像是倒立，摄像机电路具有将其反转功能，其成像原理与人眼相同，原理如下图所示：。尺，镜头，一歹一糍钱、一、物距。弦湖一视野图镜头成像原理镜头的主要技术参数：（）分辨率：镜头清晰分辨被摄物体细节的能力，单位为“线对毫米”，方向分辨率彳方向视野范围方向实际要

34、求精度和，方向分辨率，方向视野范围，方向实际要求精度；（）焦距：焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜中心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或等成像平面的距离。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳聚集光的能力。简单的说焦距是焦点到面镜的顶点之间的距离：（）最大相对孔径与光圈系数：相对孔径是指该镜头的入射光孔直径例与焦距例之比，相对孔径力仁（）光圈系数：相对孔径的倒数。镜头的光圈系数一般是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在镜头上。拍摄现场光线较暗时，需要选择光圈系数较小的镜头；（）景深：在空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够具

35、有相对清晰的影像。所以，景深位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物件的纵深距离；（）对比度：图像中最亮和最暗部分的对比度；（）还有感光片尺寸、焦距、视野、物距、视角等一些硬性和软性的技术参数。不同的材质，加工精度和镜片结构的不同将会影响镜头的技术参数，此外，像差是影响图像质量的重要方面，它包括球差，慧差，色差，畸变，场曲等。除了畸变只会影响成相的几何形状，其它的各种典型像差都会影响图像的清晰度。镜头主要的技术参数对成像的影响：（）焦距：焦距越小，景深越大：焦距越小，畸变越大；焦距变小，渐晕现象越严重，使相差边缘的照度降低。只要焦距选择的合适，即使是距离很远的物体也可以看得清楚。由于焦距和

36、视场角是一一对应的，一个确定的焦距就意味着一个确定的视场角，所以在选择镜头焦距时，应该充分考虑是观测细节重要，还是有一个大的观测整体重要；（）光圈：光圈越大，图像亮度越高；光圈越大，景深越小；光圈越大，分辨率越高；光圈越大，球差和慧差越严重；光圈越大，渐晕现象越严重，光场照度越不均匀；（）像场中央与边缘：一般像场中心边缘分辨率高；像场中心较边缘光场照度高；（）光波长度影响：在相同以及镜头参数条件下，光源的光波波长越长，得到的图像分辨率越低，相反，则越高。摄像机的镜头是（电荷耦合器件）的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。被摄物体的图像经

37、过镜头聚焦至芯片上，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。本课题采用北京嘉恒的系列摄像机，其特征参数见表。表摄像机特征参数列表传感器”扫描类型黑白逐行扫描尺寸（）×帧频（）帧秒像元大小（）×灵敏度（）有效视频像元数×镜头接口“”安装采集卡分析和选择采集卡的选择依据：采集卡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，最终传至的内存中。在采集卡的最基本功能之上，一些采集卡加入了图像显示功能。此外还有自带处理器的采集卡，卡本身就带有处理器和进行图像处理的程序，脱离了必须用计算

38、机做图像处理。视觉板卡选择应以满足功能为前提，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：（）相机匹配。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，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，所采用的芯片是标准格式，即长宽：分辨率如，有些视觉卡不能够支持非标准格式的高分辨率，如，等；（）异步信号。异步信号可以节省拍照时间，不过在选用有异步信号功能的相机之前，首先要确定板卡的一些功能。对运行速度要求极高的系统来说，这至关重要：（）多频道。多

39、数板卡都可以同时控制二个以上的相机；（）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。更主要的是这一功能可以更加有效地使灯源与相机同步工作；（）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是否支持这种相机；（）图像存储。相机拍照的时间最多为毫秒，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计算机的情况。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前，对所采集的图像暂存到缓冲区中后再以原来顺序，逐一送至计算机内存中。采集卡的选择最后根据实际需求和实验条件决定采用合众达的开

40、发板作为图象采集和处理单元。开发板上集成了高性能的定点，因此，该开发板可以作为图像采集卡使用，同时又可以作为图像处理单元的硬件仿真器使用，节省了开发的成本。开发板的技术特点如下：（）采用，专用于数字媒体应用的高性能一位定点，工作主频最高达，处理性能可达；（）位工：通路；（）外扩，容量为×位；（）外扩，容量为位；（）路标准模拟视频输入（或可选），路标准模拟视频输出（）；（）路立体声音频输入输出（输入或可选）；（）路数字量输入，路数字量输出，用于状态和报警信号的输入输出；（）路接口，接标准可配置实时时钟×一位；（）此外，还有位、支持主从模式的标准；标准以太网接口；标准的硬盘接口

41、；硬件加密模块，支持密钥算法，一位加密保护的，可存放密钥、设备序列号、或其他重要的代码或数据；构架采集装置】实验布局采用半封闭暗室一个，由×的纸箱组成架构。其中内部装有本课题设计的照明单元。如下图所示，为理想的暗箱内设计图：图暗箱内设计图如下图所示，为实验室采集装置效果图：（）不同角度的系统构架图争睡囊蠹一簇（）近图目实验室采集装置实拍本章小节本章对试验系统进行了设计。分析和选择了适合本系统的摄像机、镜头、图像采集卡，并设计了合适的照明环境，采集得到质量较好的管制瓶图像，为下面的图像处理环节提供了良好的基础。第三章图像预处理算法的研究视觉是人类最重要的感觉器官，外部世界丰富多彩的信息

42、有百分之七十是通过视觉感知的。因此，用计算机来处理与分析图像的研究和应用一直受到人们的高度重视，并取得了丰硕的成果。数字图像处理，即用计算机图像进行处理，它的主要目的是在机器上实现生物特别是人类所具有的视觉信息处理和加工功能。与人类对视觉机理研究的历史相比，数字图像处理是一门相对年轻的学科，但在其短短的历史中，它却极大的应用到所有与成像有关的领域。目前，数字图像处理技术己被广泛应用于办公自动化、工业机器人、地理数据处理、医学数据处理、地球资源遥感、交互式计算机辅助设计等领域，尤其在机器视觉应用系统中成为关键技术之一叫。数字图像的概念通过机器视觉检测系统采集到内存中的图像都是数字图像，我们需要对

43、这些图像进行与之相对应的处理时，称该图像为数字图像。这些图像可定义为二维函数，伍，这里和是空间坐标，而在任何一对空间坐标伍）的幅值伍称为该点图像的强度或灰度。当、用幅值，为有限的、离散的数值是模拟图像，一般的图像都是模拟图像，对于模拟图像只能采用模拟处理方式进行处理，计算机不能接受和处理模拟信号，只有将连续的模拟信号变换为离散的数字信号，或者说将模拟图像变换为数字图像才能接受。这就涉及到了数字图像处理的概念。数字图像处理的概念数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图像，值得提及的是数字图像是由有限的元素组成的，每一个元素都有一个特定的位置和幅值，这些元素称为像素。像素是广泛用于表示数字图像元素

44、的词汇。图像处理和计算机视觉是紧密相关的，但是仍然存在三种典型的计算处理分别称为低级，中级和高级处理。低级处理涉及到数字图像的初级操作包括降低噪声的图像预处理，对比度增强和图像尖锐化。低级处理是以输入和输出都是图像为特点的处理。中级处理涉及分割，把图像分为不同区域或者目标物，缩减对目标物的描述，使其更适合计算机处理和分类处理。中级图像处理是以输入为图像，但是输出是图像中提取的特征包括边缘，轮廓，区别物体的标识等。最后是高级处理，分析和识别目标物以及随便的视觉处理。数字图像处理的功能模块数字图像处理系统一般包括以下几个功能模块】：（）图像变换：指图像的二维变换，是数字图像处理中的一个重要的数学基

45、础和有效的工具，在数字图像复原和增强处理及对图像特征的数字测度的许多算法都要涉及到数字图像变换的理论。数字图像变换方法包括傅立叶变换、余弦变换、主分量变换等；（）图像复原：对一个退化的图像进行处理，使它恢复到原始目标的状态。图像复原方法包括将图像去噪音、辐射度纠正、几何纠正等；（）图像增强：有目的地增强图像中的有用信息，改善图像的视觉效果，将图像转变为一种更适于人或机器分析的形式。图像增强方法包括对比度增强、图像平滑、边缘提取、多图像增强等；（）图像分割：根据选定的特征将图像划分成几个有意义的部分，从而使图像在内容上表达上更为简单明了；（）图像分析：研究图像的特征提取、测量、判断等；（）图像数

46、据压缩与编码：减少图像数据量，以利于传输和储存。图像处理的算法分类（）点运算点运算只对图像的每一个像元点操作，然后产生一幅新图像。典型的例子如二值化操作，如图所示。各种灰度校正也是这种运算，所不同的是二值化产生了二值图像，而校正产生的仍为灰度图像；（，功（，）（，）（，）图一点运算（）局部运算局部运算的输出仍为一幅图像，输出图像的每一个像元值取决于输入图像相对应的像元以及它周围的邻近像元。在局部运算中，它的输入图像可以是灰度图像，也可以是二值图像：它可以做平滑、锐化、去噪、细化、边缘检测等运算，局部像元的取法可以有多种方法：十字形、方形、蜂窝形等。局部算法的计算量比点运算的计算量要大得多；（，痧（，）图局部运算（）全局运算全局性算法是基于整个输入图像而获得的，它的输出可以是一幅图像，也可以是符号输出。图像中直方图、小波变换、广义变换等都是全局性算法。全局算法的运算量也很大，本文大量