基于機(jī)器視覺技術(shù)的石英砣垂直狀態(tài)測量系統(tǒng)

鄧彬，于洪明，王明昱，李碩

(1.山東省黃河計(jì)量研究院，山東濟(jì)南250100;2.天津市開希機(jī)器視覺技術(shù)有限公司，天津300190)

0 引言

在生成石英玻璃管的眾多工藝?yán)镉幸环N是通過石英母體在石英爐里自然生長來形成的。在高溫環(huán)境下，為確保石英母體自然生長出的產(chǎn)品能達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，需讓石英母體自然垂直，依靠重力作用向下生長，為此，需要檢測生長中的石英母體是否處于垂直狀態(tài)。慣用的檢測方法是工作人員需通過人眼觀察，但在惡劣的高溫環(huán)境中，人工視覺容易產(chǎn)生疲勞，而且主觀性強(qiáng)，重復(fù)性差，難以滿足精確測量的要求。機(jī)器視覺能在惡劣的環(huán)境中代替人眼和大腦完成物體特征參數(shù)的測量和判斷，克服人工視覺測量效率低、精度不高等缺點(diǎn)，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動化程度。正是在這種需求下，我們和石英玻璃管生產(chǎn)廠家合作開發(fā)了石英母體垂直狀態(tài)自動檢測和控制系統(tǒng)。通過使用這套系統(tǒng)，生產(chǎn)人員可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地掌握石英母體的生長狀態(tài)并及時(shí)做出調(diào)整，使企業(yè)大大提高了玻璃管的成品率，并減少了人力投入，降低了生產(chǎn)成本。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

石英砣垂直狀態(tài)自動檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。由圖1 可以看出，本系統(tǒng)是集光、機(jī)、電、算等多種技術(shù)為一體的石英母體垂直狀態(tài)檢測、控制系統(tǒng)。檢測原理和過程描述為:石英砣生長過程中的圖像在均勻面光源的照射下通過光學(xué)系統(tǒng)成像到面陣CCD 的靶面［1］上;CCD 輸出的圖像模擬信號接入圖像采集卡進(jìn)行預(yù)處理和A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號［2］，轉(zhuǎn)換完的數(shù)字圖像通過PCI 接口送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集石英母體的圖像并進(jìn)行濾波、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，最后通過幾何計(jì)算等算法完成對石英砣垂直狀態(tài)的檢測、測量。根據(jù)測量的結(jié)果進(jìn)行報(bào)警，以通知生產(chǎn)人員調(diào)整石英砣的垂直狀態(tài)。

2 軟硬件組成

圖1 石英砣垂直狀態(tài)檢測系統(tǒng)原理框圖

本套系統(tǒng)由光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡、工控機(jī)及測量和控制軟件等組成。在硬件選型和設(shè)計(jì)方面考慮到檢測速度及現(xiàn)場的惡劣環(huán)境等因素，采集卡最終選用的是PCI 接口型號為OKMC10A 而不是USB 接口;考慮到系統(tǒng)的分辨力和測量精度，面陣相機(jī)選擇為768×576 分辨力的MINTRON220;光源為LED 面光源，可調(diào)節(jié)亮度;通過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)場的電源由于有電機(jī)等電磁干擾，采集的圖像噪聲非常大，所以在電源供電部分采用一款凈化電源來進(jìn)行過濾和保護(hù);另外為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，最終采用了工控機(jī)型號為EVOC1621 作為主機(jī);上位機(jī)軟件考慮到運(yùn)行效率采用C++語言利用廠家提供的SDK 進(jìn)行圖像采集，自己編寫圖像采集算法如濾波、二值化處理［3］等。

3 系統(tǒng)方案

3.1 初步判斷是否傾斜

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)先對石英母體垂直狀態(tài)進(jìn)行初步的判斷以確定其是否垂直，如果垂直再進(jìn)行精確的測量。在程序運(yùn)行前，需要對本系統(tǒng)的各部分硬件進(jìn)行正確的安裝，以保證采集圖像的質(zhì)量，方便對后續(xù)的圖像進(jìn)行處理和分析。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為將攝像頭1 和2 安裝在同一水平面內(nèi)，并相互成直角排列，在離石英母體幾何中心的等距處安裝，這樣的設(shè)計(jì)可以保證在水平和垂直兩個(gè)方向上都能檢測到石英母體的垂直狀態(tài)。在正式測量之前需要調(diào)節(jié)相機(jī)的參數(shù)使采集圖像的背景色彩與待檢測的石英母體相差較大，以提高檢測的精度。圖2 給出了石英母體垂直判斷的流程圖。

圖2 石英母體垂直判斷流程圖

從程序流程圖2 可以看出，程序運(yùn)行時(shí)，首先對同一時(shí)刻從攝像頭1 和2 中采集到的石英母體圖像進(jìn)行背景去除、噪音消除和邊界點(diǎn)特征提?。?］，然后判斷每幅圖像中的石英母體的兩條邊界線是否垂直。具體算法為根據(jù)閾值進(jìn)行邊界提取得到上下兩個(gè)紅色“十”字的符號，分別代表找到的上下邊界像素位置N1和N2，如果兩個(gè)像素位置的差值在設(shè)定的范圍之外就確定該石英母體在某一垂直面上不垂直否則就垂直。當(dāng)判斷出兩幅圖像中的石英母體均處于垂直狀態(tài)時(shí)，即認(rèn)定此刻石英母體處于垂直狀態(tài)，否則為非垂直狀態(tài)。在非垂直狀態(tài)下還需要精確計(jì)算石英母體的傾斜角度，根據(jù)三角公式tanα=|(N1-N2)| /576，即可得出傾斜的角度，其中576 代表相機(jī)垂直方向的像素個(gè)數(shù)。

圖3 為相機(jī)調(diào)節(jié)控制軟件界面，測量前需要將相機(jī)的串口和計(jì)算機(jī)的串口相連，通過該軟件調(diào)節(jié)圖像的翻轉(zhuǎn)、圖像的色彩(原色/反色)、鏡頭的焦距等參數(shù)，使采集的圖像清晰、對比度［5］強(qiáng)烈，為后續(xù)的圖像處理提供質(zhì)量良好的視頻源，這樣可以提高測量精度，減少誤差。

圖3 相機(jī)調(diào)節(jié)控制軟件界面

圖4 為傾斜測量軟件界面，界面由左右兩部分組成。左部分為采集的石英砣的圖像，分別采集并顯示左右和前后兩個(gè)方向的圖像;右部分為圖像采集、算法參數(shù)設(shè)置和結(jié)果輸出報(bào)警等功能。通過軟件可以控制采集圖像和保存當(dāng)前的圖像到計(jì)算機(jī)硬盤;可以設(shè)置左右和前后鉛垂線的位置以控制傾斜角度的允許范圍;可以設(shè)置是否進(jìn)行背景去除以及設(shè)置中值濾波的參數(shù)、是否進(jìn)行計(jì)算邊界線和設(shè)置誤差范圍等;在軟件界面的右下部分實(shí)時(shí)顯示石英砣的垂直狀態(tài)。

圖4 傾斜測量軟件界面

3.2 石英母體位置精確測量

3.2.1 石英母體傾斜角測量

在判斷出石英母體存在傾斜后，可以利用公式tanα=|(N1-N2)| /576 計(jì)算出每幅圖像上石英母體兩條邊界線的傾斜角度，工作人員便可直觀地觀測出石英母體的傾斜程度。

3.2.2 石英母體幾何中心測量

對同一時(shí)刻采集到的兩幅圖像上的石英母體分別做邊界線分析，將每幅圖像中的左右兩條邊界線分別求中心線，該中心線的中心即為該幅圖像上的石英母體的幾何中心。使用程序測量之前，需對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，確定每幅圖像上的石英母體的中心位置和放大倍率。通過連續(xù)對圖像上石英母體幾何中心的測量、比較，可精確判斷出石英母體在生長過程中產(chǎn)生的垂直平移量。當(dāng)該垂直平移量超過允許范圍時(shí)，即發(fā)出警報(bào)信號通知操作人員。操作人員可通過觀察同一時(shí)刻兩幅圖像上石英母體的垂直偏移量來手動調(diào)整石英母體的位置，直到滿足要求為止。設(shè)計(jì)程序時(shí)，在圖2 “石英母體垂直判斷流程圖”中增加了如圖5所示的算法流程。

3.3 石英母體幾何中心自動調(diào)整

3.3.1 人工手動調(diào)整中心

圖5 石英母體位置測量算法流程圖

在精確計(jì)算出每幅圖像上石英母體的幾何中心后，如果該幾何中心超出許可范圍時(shí)，操作人員需手動進(jìn)行調(diào)整，這種手動調(diào)整方法非常不方便。為此，我們設(shè)計(jì)了一套機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)，操縱石英母體在兩幅圖像所示的垂直面中做相應(yīng)的水平運(yùn)動，直到石英母體的幾何中心位置達(dá)到要求為止。

3.3.2 石英母體機(jī)架位置自動調(diào)整

在進(jìn)行石英母體生長之前，必須保證懸掛石英母體的機(jī)架中心和砣中心在垂直方向上相一致。為此，每個(gè)月在更換懸掛機(jī)架后，必須對其進(jìn)行調(diào)整。首先，在垂直方向上調(diào)整機(jī)架，保證機(jī)架完全垂直;再將攝像頭3 垂直懸掛在機(jī)架末端，使其視野中心和機(jī)架中心相一致，機(jī)架與相機(jī)安裝示意圖如圖6所示;最后，在水平方向上調(diào)整懸掛機(jī)架，使攝像頭采集到的圖像的砣中心和攝像頭視野中心相一致，如圖7 機(jī)架調(diào)整示意圖所示。

圖6 機(jī)架與相機(jī)安裝示意圖

圖7 機(jī)架調(diào)整示意圖

圖8 為通過機(jī)架從石英砣頂端采集的圖像，圖中兩條黑色的豎線為設(shè)置的石英砣左右兩個(gè)鉛垂線，通過這兩條線可以計(jì)算出石英砣水平方向的中心，水平的黃線為一條激光線用以標(biāo)志石英砣的垂直中線。調(diào)整機(jī)架過程中這些線需要?jiǎng)討B(tài)的改變，用以表示此時(shí)石英砣的位置信息。

4 結(jié)論

本套石英砣垂直狀態(tài)自動檢測系統(tǒng)在某石英玻璃管廠家試運(yùn)行3 個(gè)月，客戶反映系統(tǒng)運(yùn)行良好，檢測精度比人眼判斷高，而且程序能自動控制電機(jī)調(diào)整石英砣的水平位置，使石英砣始終保持垂直狀態(tài)，使成品率提高了10%。表1 為兩種檢測方式對比。

圖8 通過機(jī)架采集的圖像

表1 檢測方式對比表

實(shí)際應(yīng)用證明，基于面陣CCD 的石英砣垂直狀態(tài)自動檢測系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)和自動控制技術(shù)代替了人眼檢測和手動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了檢測的智能化、自動化，大大提高了玻璃管的成品率，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

此外，這種基于圖像傳感器技術(shù)的檢測系統(tǒng)還可以用于檢測其他棒材的垂直狀態(tài)，給相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的自動化檢測提供了一種新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］劉文耀.光電圖像處理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］何斌，馬天予，王運(yùn)堅(jiān)，等.Visual C++ 數(shù)字圖像處理［M］.北京:人民郵電出版社，2002.

［3］ZHEN Feng.The Present and Future of PS Plates［J］.J.of Image Technology，2002，1:25-32.

［4］王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［5］王慶有.CCD 應(yīng)用技術(shù)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2000.