紙張平整度視覺精密測(cè)量系統(tǒng)①

閆龍,王安,夏營(yíng)威,王澍,張文,高震宇,張龍,(中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,合肥 3003)(中國(guó)科學(xué)院 皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心,銅陵 44000)

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紙張平整度視覺精密測(cè)量系統(tǒng)①

閆龍1,王安1,夏營(yíng)威1,王澍1,張文1,高震宇1,張龍1,2
1(中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,合肥 230031)
2(中國(guó)科學(xué)院 皖江新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展中心,銅陵 244000)

摘 要:針對(duì)紙張平整度測(cè)量,研究和提出了基于四步相移法的面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量方法.首先,DLP投射正弦條紋圖像到待測(cè)紙張表面,光柵條紋以1/4周期為步長(zhǎng)平移掃描.然后由相機(jī)采集經(jīng)待測(cè)紙張表面形貌調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光分布信息,并利用四步相移法獲取結(jié)構(gòu)光圖像的相位主值.最后采用多頻外差原理實(shí)現(xiàn)解調(diào),獲得絕對(duì)圖像相位的解調(diào)信息,經(jīng)相位與高度之間的映射關(guān)系得到紙張高度信息并重建出紙張表面形貌.采用紙張表面點(diǎn)云高度坐標(biāo)的極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)其平整度進(jìn)行定量評(píng)價(jià).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測(cè)量精度達(dá)到0.1mm,測(cè)量時(shí)間小于2秒,其穩(wěn)定性和測(cè)量精度能夠滿足紙張平整度的測(cè)量要求.

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)視覺; 數(shù)字相移法; 紙張平整度; 四步相移法; 多頻外差原理

視覺檢測(cè)技術(shù)通過成像的方法獲取目標(biāo)信息,由于其快速、非接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn)[1],廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制和質(zhì)量檢驗(yàn)[2].在煙草行業(yè)中,卷煙產(chǎn)品的外觀檢測(cè)和煙葉分撿識(shí)別等都采用了視覺方法[3,4].

由于卷煙條盒外包裝紙的印刷工藝和環(huán)境條件影響,常出現(xiàn)彎曲或翹邊現(xiàn)象,該缺陷可能導(dǎo)致包裝機(jī)“卡紙”等故障,嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率.因此,紙張平整度是卷煙輔料的一項(xiàng)重要考核指標(biāo),通常采用人工方法進(jìn)行測(cè)量.由于其質(zhì)地柔軟,接觸法測(cè)量時(shí)容易導(dǎo)致紙張變形,測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,使得測(cè)量結(jié)果參考價(jià)值具有局限性,難以指導(dǎo)生產(chǎn).為準(zhǔn)確測(cè)量紙張的平整度信息,本文提出了3D表面重建的非接觸測(cè)量方法.

基于3D表面重建的非接觸測(cè)量方法根據(jù)光學(xué)投射器所投光束的不同,可分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面結(jié)構(gòu)光等方法.利用點(diǎn)結(jié)構(gòu)光或線結(jié)構(gòu)光重建出的物體表面由點(diǎn)或線拼接而成,不能夠?qū)Υ郎y(cè)物體表面局部細(xì)節(jié)完全重建,且測(cè)量精度低,速度慢.使用面結(jié)構(gòu)光可以對(duì)物體表面進(jìn)行整體重建,精度高,速度快.

同時(shí)該方法避免了人工接觸測(cè)量造成的紙張形變,可以對(duì)紙張表面空間分布進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析,為卷煙企業(yè)評(píng)估卷煙條盒外紙的上機(jī)適應(yīng)性提供一種有效的測(cè)量方法.

1　系統(tǒng)組成

紙張平整度檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示,主要包括: 成像系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、載物平臺(tái)、投影系統(tǒng)等.成像系統(tǒng)用于采集條紋圖像,包括相機(jī)、圖像采集卡、鏡頭等部分.圖像處理系統(tǒng)用于處理獲取的條紋圖像,給出紙張的表面參數(shù).載物平臺(tái)用于放置待測(cè)紙張,配合投影系統(tǒng)呈現(xiàn)放置待測(cè)紙張前后不同的條紋圖像.投影系統(tǒng)用于投射不同周期的正弦結(jié)構(gòu)光條紋圖像.

圖1　測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

2　測(cè)量方法

2.1檢測(cè)基本流程

結(jié)合紙張表面信息的測(cè)量要求,提出了基于3D重建的平整度定量方法,基本流程如下圖2所示.計(jì)算機(jī)控制DLP投影儀輸出正弦條紋圖像,投射于待測(cè)紙張表面; CCD相機(jī)采集紙張表面調(diào)制后的條紋圖像,并且通過圖像采集卡將所采集的條紋圖像傳送至計(jì)算機(jī); 利用高斯濾波和圖像分析等預(yù)處理算法對(duì)條紋圖像進(jìn)行數(shù)值濾波和數(shù)值拉伸; 利用多頻外差原理獲取高頻條紋圖像的絕對(duì)相位值,再結(jié)合相位—高度映射關(guān)系,得到待測(cè)紙張表面信息; 最后再根據(jù)紙張平整度評(píng)定參數(shù)評(píng)價(jià)紙張表面特征.大致分析流程如圖3所示.

圖2　紙張測(cè)量系統(tǒng)的流程圖

圖3　紙張平整度分析流程圖

2.2圖像預(yù)處理

獲取的結(jié)構(gòu)光圖像及樣品調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像如圖4所示,相機(jī)視野覆蓋完整待測(cè)區(qū)域.

圖4　條紋圖像及待測(cè)紙張調(diào)制后的條紋圖像

由于周圍環(huán)境光線的影響,導(dǎo)致獲取的條紋圖像中產(chǎn)生微小的畸變,相位信息出現(xiàn)被“削頂”或“削底”的現(xiàn)象,如圖5(a)所示,由同一列所計(jì)算出的相位信息呈非正弦型.圖5(c)是所采集到被“削頂”的條紋圖像.針對(duì)這種現(xiàn)象本文提出首先對(duì)獲取的條紋圖像進(jìn)行預(yù)處理,利用一系列的圖像算法濾除其中的高頻噪聲信號(hào); 其次,對(duì)條紋圖像進(jìn)行歸一化和灰度值拉伸等處理,使其相位值均勻分布在(-p ,)p之間[5-7],呈現(xiàn)為正弦型分布,如圖5(b)所示,對(duì)應(yīng)的條紋圖像如圖5(d)所示.

圖5　條紋圖像預(yù)處理前后的相位信息

2.3多頻外差原理

本文對(duì)獲取的條紋圖像預(yù)處理后,通過四步相移法計(jì)算出條紋圖像中每個(gè)像素的相位值ψ(x ,y),再使用多頻外差技術(shù)對(duì)條紋圖像進(jìn)行解包裹,獲取高頻光柵投影對(duì)應(yīng)條紋圖像的條紋等級(jí)n( x ,y),計(jì)算過程如圖6所示.

圖6　經(jīng)多頻外差技術(shù)解包裹前后的相位圖

假設(shè)低頻光柵所對(duì)應(yīng)的條紋圖像頻率為λ1、相對(duì)相位值為ψ1(x ,y),則其對(duì)應(yīng)的絕對(duì)相位值為:

如圖6(b)所示; 高頻光柵投影對(duì)應(yīng)的條紋圖像的頻率為λ2,圖6(a)為其截?cái)嘞辔恢郸?(x ,y),條紋等級(jí)n2(x ,y)計(jì)算公式如下:

結(jié)果如圖6(c)所示,結(jié)合截?cái)嘞辔恢郸?(x ,y)計(jì)算出高頻光柵投影對(duì)應(yīng)條紋圖像的絕對(duì)相位值:

如圖6(d).

由以上計(jì)算出高頻光柵的絕對(duì)相位值與其相應(yīng)基準(zhǔn)平面的絕對(duì)相位值,獲取二者之間的相位差值,再結(jié)合相位差值與高度的映射關(guān)系計(jì)算出紙張的高度信息h( x,y),計(jì)算公式如下:

其中,L是相機(jī)與基準(zhǔn)平面之間的距離,d是投影裝置與相機(jī)之間的距離,p是基準(zhǔn)平面上相隔兩條光柵之間的距離,Δψ(x,y)是待測(cè)紙張調(diào)制前后條紋圖像絕對(duì)相位之間的差值.

結(jié)合光柵圖像預(yù)處理和多頻外差原理,濾除環(huán)境干擾,即可重建待測(cè)紙張的表面數(shù)據(jù)信息,計(jì)算紙張表面高度的特征參數(shù).

2.4平整度參數(shù)

針對(duì)紙張平整度本文提出利用紙張表面高度的最大值、最小值、高度均值以及標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)進(jìn)行表征.其中最大值、最小值和均值用于表征紙張的翹邊程度,標(biāo)準(zhǔn)偏差、極差表征紙張凹凸不平的離散程度.為紙張的上機(jī)適應(yīng)性提供有效而全面的評(píng)價(jià)指標(biāo).紙張表面高度的最大值、最小值、高度均值、標(biāo)準(zhǔn)差、極差等參數(shù)通過分析計(jì)算出的紙張高度信息h( x,y)得到.

3　實(shí)驗(yàn)分析

本文算法在Visual Studio 2008平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),采用工業(yè)相機(jī)DFK 23GP031進(jìn)行圖像采集.為驗(yàn)證本文方法的精密度參數(shù),開展了準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)和重復(fù)性實(shí)驗(yàn).

3.1方法準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用一個(gè)梯形的標(biāo)準(zhǔn)塊工件作為測(cè)量樣品,樣品標(biāo)測(cè)尺寸和本文方法的測(cè)試結(jié)果如表1所示.

圖7　標(biāo)準(zhǔn)塊三維效果圖及實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文方法的測(cè)量誤差低于0.1mm,能夠滿足卷煙生產(chǎn)企業(yè)對(duì)包裝用紙平整度測(cè)量的精度要求.

表1　標(biāo)準(zhǔn)塊的標(biāo)稱值和測(cè)試結(jié)果

3.2方法重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用卷煙條盒包裝紙作為實(shí)驗(yàn)樣品,對(duì)同一個(gè)樣品進(jìn)行10次重復(fù)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果如表2所示.

表2　重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

表中四種紙張平整度描述指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.1,表明本文方法具有較好的重復(fù)性,可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用需求.

此外,為比較本文方法與人工方法的測(cè)量效率,開展了以下對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表3所示.

表3　測(cè)量效率對(duì)比

上表數(shù)據(jù)表明本文方法耗時(shí)約為人工方法的1/50,極大地縮短測(cè)試所用時(shí)間,提高了紙張平整度的測(cè)量效率.

在實(shí)際應(yīng)用過程中,投影儀所投射的光柵條紋易受環(huán)境中自然光的干擾,使相機(jī)采集的光柵圖像出現(xiàn)畸變,利用多頻外差原理疊加出的低頻光柵將攜帶高次諧波,最終導(dǎo)致重建結(jié)果表面出現(xiàn)波紋.因此,在采集到光柵圖像后,使用數(shù)字圖像處理算法對(duì)其進(jìn)行灰度值拉伸和高頻濾波等處理,去除環(huán)境光和高次諧波的干擾,準(zhǔn)確地對(duì)紙張表面進(jìn)行三維重建,獲取紙張表面信息.

4　結(jié)語

本文針對(duì)紙張平整度的測(cè)量需求,提出了基于3D表面重建的平整度測(cè)量方法.該方法采用四步相移和多頻外差原理實(shí)現(xiàn)了正弦結(jié)構(gòu)光的空間信息解調(diào),實(shí)現(xiàn)了紙張表面的快速3D重建.開展地準(zhǔn)確性和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)表明,本文方法可以滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)包裝紙張的平整度測(cè)量要求,為紙張的上機(jī)適應(yīng)性提供了有效的評(píng)價(jià)依據(jù).

參考文獻(xiàn)

1葉聲華,邾繼貴,王仲,楊學(xué)友.視覺檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用.中國(guó)工程科學(xué),1999,1(1):49–52.

2邊紹輝,蔡晉輝,周澤魁,張光新.基于DSP和USB接口的視覺檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)工程,2004,30(20):189–191.

3劉朝營(yíng),許自成,閆鐵軍.機(jī)器視覺技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用狀況.中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2011,13(4):79–84.

4夏營(yíng)威.基于計(jì)算機(jī)視覺的煙草檢測(cè)方法與系統(tǒng)研究[學(xué)位論文].合肥:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,2012.

5祝榮壯.CV-751視覺系統(tǒng)在ZB25包裝機(jī)小盒外觀缺陷檢測(cè)上的應(yīng)用.合肥:中國(guó)煙草學(xué)會(huì)2010年學(xué)術(shù)年會(huì),2010.

6方雋,張樂年,鄭啟旺.機(jī)器視覺在煙條外包裝檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用.機(jī)械制造與自動(dòng)化,2009,38(5):138–140.

7Kim EH,Hahn J,Kim H,et al.Profilometry without phase unwrapping using multi-frequency and four-step phase-shift sinusoidal fringe projection.Optics Express,2009,17(10): 7818–7830.

8金觀昌.計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)測(cè)量.北京:清華大學(xué)出版社,2007.

9黃燕鈞,李中偉,史玉升,王從軍.基于多頻外差原理的三維測(cè)量技術(shù).新技術(shù)新工藝,2008,(12):37–40.

10宋雷,岳曉峰,王樂.多頻外差相移三維測(cè)量關(guān)鍵技術(shù).長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,33(4): 391–396.

11梁晉,肖振中,臧順來,梁新合.外差式多頻相移技術(shù)的三維光學(xué)點(diǎn)云測(cè)量研究.鍛壓技術(shù),2008,33(1):143–147.

12秦大輝,毛婷,劉建軍.基于相移原理的便攜式巖石三維形貌測(cè)量系統(tǒng).遼寧工程技術(shù).大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,31(4):504–507.

13梁晉,肖振中,臧順來,梁新合.模具與塑性加工中外差式多頻相移三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)研究.第十屆全國(guó)塑性工程學(xué)術(shù)年會(huì)、第三屆國(guó)際塑性加工先進(jìn)技術(shù)研討會(huì)論文集.南昌.2007.

14Zhao H ,Chen W ,Tan Y.Phase-unwrapping algorithm for the measurement of three-dimensional object shapes.Applied Optics,1994,33(20): 4497–4500.

15Li JL ,Su HJ ,Su XY.Two-frequency grating used in phase-measuring profilometry.Applied Optics,1997,36(1): 277–280.

Visual Precision Measurement System for Paper Flatness

YAN Long1,WANG An1,XIA Ying-Wei1,WANG Shu1,ZHANG Wen1,GAO Zhen-Yu1,ZHANG Long1,2
1(Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China)
2(Wanjiang Center for Development of Emerging Industrial Technology,Chinese Academy of Sciences,Tongling 244000,China)

Abstract:Aiming at the paper flatness measurement,a method based on four-step phase-shifting algorithm has been studied and proposed for the structured light measurement.The sine light that projected to the paper surface by DLP is scanned in steps of 1/4 period.After modulated by the surface topography of the paper to be measured,the structured light distribution information is acquired by the camera along with the phase main value of the structured light obtained through four-step phase-shifting algorithm.Finally,the absolute phase demodulation can be achieved through the multi-frequency heterodyne principle and the paper surface topography can be reconstructed through the height information after mapping the relationship between the phase and height.Using paper surface coordinate point cloud height range and standard deviation for quantitative evaluation of its flatness,the experimental results show that the measurement accuracy and stability meet the requirement of paper flatness measurement with the accuracy of 0.1mm and the measurement time of less than two seconds.

Key words:computer vision; digital phase shift method; paper flatness; four-step phase shift method; multi-frequency heterodyne principle

基金項(xiàng)目:①中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院院長(zhǎng)基金(Y23J321121)

收稿時(shí)間:2015-08-03;收到修改稿時(shí)間:2015-09-21