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1、诹1 i t 工繁失凄硕士学位论文题目：基于机器视觉的啤酒瓶瓶口缺陷检测系统的研究英文题目R e s e a r c ho nt h eM a c h i n eV i s u a l-B a s e dD e f e c tI n s p e c l i o nS y s t e m f L、r t h e B e e r B o t t l e M o u l h擘住申请人姓2 陶跃珍申请学位学科专业：测试计量技术及仪器指导教师挂名：张业鹏g,2 C t湖北工业大学硕士学位论文摘要目前，我国啤酒行业仍以玻璃瓶装为主，啤酒厂从自身经济利益出发，通常都会重复使用回收的啤酒瓶。回收瓶在生产和流通
2、的过程中，瓶身不可避免地要受到摩擦、碰撞，其强度指标随着使用时间的延长而逐步降低，即使还在使用期限内同样存在安全隐患。传统的验瓶方式是人工灯光验瓶，工人通过荧光板照射在生产线上进行目测，分拣出有缺陷的啤酒瓶。这种方法速度和精度很难达到技术要求，不能适应现代化的生产方式。随着计算机技术和电子技术的飞速发展，图像处理技术在工业中的应用愈来愈广泛。利用机器视觉系统，在高速自动化的生产线上剔除不合格的啤酒瓶的检测方法，具有信息处理量大、速度快、精度高等优点，可以克服人工验瓶的不足，大大提高了生产效率和生产的自动化程度。由于啤酒瓶是一种特殊的玻璃制品，根据机器视觉的检测原理和研究现状，针对啤酒瓶瓶口缺陷
3、成像的特点，设计了一套合适的成像装置以获取较好的缺陷图像。该装置主要包括：L E D 环型光源、C C D 传感器、图像采集卡以及计算机。工作过程中，C C D 传感器将啤酒瓶瓶口的光学影像转换成视频信号输出到图像采集卡，图像采集卡再将视频信号转换成数字图像信息流，传输到计算机中进行处理，判断是否存在缺陷。在软件的算法方面，详细地介绍了图像处理技术图像滤波和图像分割，对各种图像滤波和分割技术迸行了分析和比较，从而得出适用于本系统的图像处理方法，为瓶口缺陷的提取和分析打下基础。论文还分析了各种模式识别方法，提出了瓶口缺陷识别的具体方案。啤酒瓶瓶口缺陷检测系统的软件部分是基于V i s u a l
4、C+开发的。利用大量的回收瓶作为样品迸行实验，结果表明：此方法简单易行，能有效地检测出瓶口存在缺陷的啤酒瓶。关键词：啤酒瓶，瓶口缺陷，机器视觉，图像分割，模式识别湖北工业大学硕士学位论文A b s t r a c tA tp r e s e n Ld o m e s t i cb e e rb u s i n e s si sf i l l e dw i t hg l a s sb o t t l e s F o rt h ee c o n o m i ci n t e r e s to w n e dt ob r e wh o u s e，t h eb e e rb o t t l e sh
5、 a v eb e e nr e u s e dm a n yt i m e s B e c a u s eo ft h ei n e v i t a b l ec o l l i s i o na n df r i c t i o ud u r i n gt h ec o u r s eo fc i r c u l a t i o n t h ei n t e n s i t yt a r g e tr e d u c e sg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h ep e r i o do fr e v o l u t i o ne x t e n s i
6、 o n E v e ni nt h ed e a d l i n e，t h eb e e rb o t t l eh a st h ep o s s i b i l i t yt oe x p l o d e T h et r a d i t i o n a ld e t e c t i o nm o d ei su s u a l l yh a n d w o r k,i nw h i c ht h ew o r k e r se l i m i n a t eu n q u a l i f i e db o a l e sb yu s i n gaf l u o r e s c e n
7、 tp l a t e T h i sw a yc o u l dn o ta d a p tm o d e r n i z a t i o np r o d u c t i o nm e t h o d b e c a u s ej t sp r e c i s i o na n ds p e e di sd i 伍c u l tt oo u rn e e d s W i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y,d i g i t a li m a g
8、 ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r eu s e di nm o r ea n dm o r eb r o a dr a n g eo fa p p l i c a t i o n s I ti sp r o v i d e dw i t ht h ea d v a n t a g eo fh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o nt oa u t o m a t i cd e t e c tt h ed e f e c t so nt h eb o t t l em o u t hw i t
9、hm a c h i n ev i s i o n M o r e o v e r,i tc a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo fh u m a n se y e sa n di m p r o v eg r e a t l yp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o nd e g r e e A c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dr e s e a r c ha c t u a l i t yo fm a c
10、 h i n ev i s i o n，as e to fa p p r o p r i a t ei m a g i n gd e v i c em u s tb ei n c l u d e di nt h es y s t e m，t og e th i g h-q u a l i t yp i c t u r e sa b o u tt h em o u t ho fb e e rb o u l e s w h i c hi sas p e c i a lg l a s s w o r k T h ed e v i c ei n c l o d e sar o u n dL E Dl
11、i g h t t h eC C Ds e n s o r t h ef l a m eg r a b b e ra n dt h ec o m p u t e r D u r i n gt h ec o u r s eo fw o r k，t h eC C Ds e n s o rp r o d u c e sa ne l e c t r i c a lo u t p u tp r o p o r t i o n a lt ol i g h ti n t e n s i t y T h ef r a m eg r a b b e rc o n v e r t st h e s eo u t
12、p u t st od j 舀t a ld a t a,w h i c hw i l lb ef e di n t oc o m p u t e rf o ri m a g ep r o c e s s I nt h ef i e l do fa l g o r i t h m，i m a g ep r o c e s st e c h n i q u e s，i m a g ee n h a n c e m e n ta n di m a g es e g m e n t a t i o n，a r ci n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e T h
13、r o u g ha n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs e v e r a lm e t h o d so fi m a g ee n h a n c e m e n ta n ds e g m e n t a t i o n，as u i t a b l ei m a g ep r o c e s si st a k e ni nt h es y s t e m A f t e rs e v e r a lp a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e d，ac
14、 o n c r e t ed e f e c ti n s p e c t i o nw a yi sp r e s e n t e d T h es o f t w a r ep a r to fd e f e c ti n s p e c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dw i t hV i s u a IC 4-4-W ep e r f o r m e de x p e r i m e n t sw i t hal a r g eo fr e c y c l eb e e rb o t t l e sa st h es a
15、m p l e。T h er e s u l ti si n d i c a t e dt h a tt h ew a yi ss a m p l ea n de a s yt ot a k eo u to ft h eb e e rb o t t l e sw i t hd e f e c t s K e yw o r d s：b e e rb o t t l e s，d e f e c t so nb o t t l em o u t h，m a c h i n ev i s i o n，i m a g es e g m e n t a t i o n，p a t t e r nr e c
16、 o g n i t i o n诹l j l 童工繁火港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已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。学位论文储签名：阳跋琦日期：扣绰，月5 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
17、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：甲幻莎灸鸡指导教师签名：删日期：炒7 年月，厂日日期：乒町年5 月，日湖北工业大学硕士学位论文1 1 课题的目的与意义第1 章绪论近年来，因啤酒瓶爆炸造成死伤的恶性事件时有发生，己成为消费者投诉的热点之一。既给消费者人身安全带来威胁，也对企业形象造成不良影响。究其根本原因是啤酒生产企业和啤酒瓶生产企业发展不平衡所致。随着人们生活水平的提高，啤酒销量也大幅增加。目前我国己成为继美国之后啤酒销量最多的国家，年产量达2 4 0 0 多万吨。可是与此相关的啤酒瓶生产企业却始终跟不上形势发展
18、的需要，所生产的啤酒瓶无论是从数量上还是质量上都不能满足市场需求。当前中小型的啤酒包装采用3 种材料：玻璃瓶、易拉罐、P E T 塑料瓶。其中玻璃瓶因其低价、可重复使用备受青睐。而啤酒厂从自身经济利益出发，通常都会重复使用回收的啤酒瓶，但回收瓶子的种类和质量都参差不齐。虽然1 9 9 6 年6 月2 5 日，国家质量技术监督局发布修订了强制性国家标准G B 4 5 4 4 1 9 9 6 啤酒瓶 l ip要求各地啤酒行业使用打了“B”字标志的专用啤酒瓶，以区别其它非啤酒瓶，并印有生产同期，控制使用期限，要求使用两年以后予以销毁。但人们发现即使这样也不能杜绝爆瓶事件的发生。因为反复使用的回收啤酒
19、瓶，在生产和流通的过程中，瓶身不可避免要受到摩擦、碰撞，其强度指标随着使用时间的延长而逐步降低。据统计，啤酒瓶重复使用5 次后，其综合安全指标就会下降5 0，因此即使还在使用期限内的回收瓶也有可能已经不满足安全要求了。这些有缺陷的啤酒瓶不易被人眼发现，还是会进入流通领域。正因为如此，啤酒瓶爆炸事件仍然时有发生。目前国外开始流行P E T 塑科啤酒瓶，不过由于成本高、不能回收、不能高温消毒及保质期短等原因，一段时日J 内还难以在我国普遍推广。而易拉罐也由于成本高、容量小也没有大面积使用。所以在中国，目的经济型啤酒仍以玻璃瓶装为主。为此，有必要加强啤酒瓶的质量检测，以防止不合格的啤酒瓶进入市场。传
20、统的验瓶方式是人工灯光验瓶，工人通过荧光板照射迸行目测，这种方法存在几个缺点：一是人眼易疲劳，长时问的简单劳动难以保证准确性；二是速度低，不能适应现代灌装线的发展要求，目前国内啤酒灌装速度大都已达到2 万瓶4,时以上，在这种速度下单纯依靠人工检测几乎是不可能的：三是人工采用的是小批量湖北工业大学硕士学位论文抽检的方式，难以避免劣质瓶混入灌装线，又进入流通领域，对消费者的人身安全造成威胁。随着计算机技术、机电工程应用技术与数字图像处理技术的不断完善和发展，产生了-1 7 新学科机器视觉。它主要是研究用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量
21、和控制。机器视觉的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，有着极为广阔的应用前景。啤酒瓶爆炸实际上就是当啤酒瓶受到碰撞或外界温度较高时，内部液体会释放出气体导致内压升高，啤酒瓶所受应力发生变化，当应力达到一定程度时就会产生裂纹或使裂纹扩大，啤酒瓶强度降低，最终导致爆炸“。玻璃在缺陷边缘处会发生光线的折射，使得在灰度图像中局部灰度值与其周围背景相比有较大变化，破损处边缘及内部各点的灰度值均低于背景扶度值。基于玻璃缺陷的以上图像特征，通过机器视觉系统对啤酒瓶外观的监测，从而控制啤酒瓶的质量是可行的。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
22、具有极大的经济效益和社会效益。本课题的目的就是应用机器视觉技术，用机器代替人，识别出瓶口部位存在缺陷的啤酒瓶。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 国内外的研究现状1 2 1 机器视觉的研究现状机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断，它是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别发展出来的的，当时的工作主要集中在二维图像分析和识别上，如光学字符识别、工件表面、显微图片和航空图片的分析和解释等。6 0 年代，R o b e r t通过计算机程序从数字图像中提取出诸如立方体、楔形体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空问关系进行描述o”。到了7
23、 0 年代，已经出现了一些视觉应用系统。7 0 年代中期，麻省理工学院(M I T)人工智能(A I)实验室J 下式丌设“机器视觉”(M a c h iF i eV i s i o n)课程。同时，M I TA I 实验室吸引了国际上许多知名学者参与机器视觉的理论、算法、系统设计的研究。可以说，对机器视觉的全球性研究热潮是从2 0 世纪8 0 年代丌始的。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。湖北工业大学硕士学位论文机器视觉系统足指通过机器视觉产品将被摄取的目标转换成图像信号，
24、传送给图像处理系统，图像系统对这些信号进行各种运算来抽耿目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备运作。典型的基于P c 的机器视觉系统通常由以下几部分组成：相机与镜头；光源；传感器(工件定位检测器)；图像采集卡；P c 平台；视觉处理软件；运动控制单元。机器视觉系统具有如下优点：1 精确性由于人眼又物理条件的限制，在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠放大镜或显微镜来检测产品，机器仍然会更加精确，因为它的精度能达到千分之一英寸。2 重复性机器可以以相同的方法一次次地完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反，人眼每次检测都会有细微的差别，即使产品是完全相同的。3 客观性人眼检测有一个致命的缺
25、点，即情绪带来的主观性检测结果会随工人心情的好坏发生变化，而机器的检测结果使非常客观可靠的。4 高速机器能更快地检测产品，特别是当检测高速运动的物体时。例如，在生产线上，机器视觉系统能够提高生产效率。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，也易于同设计信息和加工控制信息集成，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。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，常用机器视觉来代替人工视觉。到目前，几乎所有的行业，包括工业制造、电子半导体、包装、医药、造纸等领域
26、都依靠机器实际系统检测产品以提高产品的质量。1 2 2 啤酒瓶检测系统的研究现状在国外发达国家，对啤酒瓶检测研究的时日J 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，丌发研制了多种验瓶机。美国工业动力有限公司丌发了两种检测技术：采用传感器技术的窄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、检测微量残湖北工业大学硕士学位论文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
27、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。对于直径为9 5 m 的瓶子，可检测的异物面积大于等于3 5 3 5 m m 2，精确度可达9 8。检测6 4 咖的瓶子时，检测速度可达7 0 0 瓶分钟。随着计算机的发展，数字图像处理技术日益成熟，有越来越多的基于图像处理的空瓶验瓶机投放市场，例如：德国克朗斯K R O N E S、德国海富H E U F T、德国美豪M I H O 都生产空瓶验瓶机。这些国外产品由于价格昂贵且维修不便，目前国内只有少数大厂引进了此类设备。例如燕京投资1 0 0 0 万元从德国克朗斯公司引进九套空瓶检测系
28、统，主要功能就是将瓶子分成多部分，分别进行检测。它包括瓶底检测、瓶壁检测、瓶口检测和矮瓶检测。每部分都有摄像镜头进行摄像，将图像上的异常情况转化成具体数据进行分析，最终将不合格的瓶子从灌装线上剔除出来。由于知识产权的保护、昂贵的人类资源以及缺乏与之抗争的产品等原因，进口设备价格昂贵，对于很多中小企业而言只能望而却步。而且我国啤酒瓶的质量尚未完全过关，瓶高、瓶底和瓶壁的厚度都有较大的差异，与国际标准相差较大，使国外的空瓶视觉检测设备的推广应用存在一定的阻力。目前国内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
29、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。1 3 论文研究的主要内容及组织安排啤酒瓶的缺陷主要包括：气泡、结石、裂纹和缺口“。检测系统通常分为三个模块：瓶口模块、瓶身模块和瓶底模块。根据国家标准G B 4 5 4 4 1 9 9 6 啤酒瓶，瓶口部分的缺陷主要有以下两种：一种是尖刺，另一种是在封合面上影响密封性的缺陷。其中，第二种是最常见的缺陷，本系统主要针对的就是第二种缺陷，即破口瓶。由于回收瓶在使用和流通的过程中，不可避免地会存在碰撞和磨损，当使用者在丌启瓶盖时，也可能会因为不币当的方法致使瓶口破碎，这些都会导致有大批啤酒瓶的瓶口不完整。而国
30、家标准是只要不影响到密封性，导致啤酒变质，该瓶还可继续使用。因此，在本系统中规定，只要缺陷的尺寸不超过密封环的宽度(2 m m)，就可认为该缺陷不会对啤酒瓶的密封性造成影响。4湖北工业大学硕士学位论文本文主要足针对啤酒瓶瓶口的缺陷(破口)，丌发了一个高效的检测系统，包括硬件和软件两部分：1 硬件部分即成像装置。由于啤酒瓶是一种玻璃制品，不仅具有折射、反射的性质，而且为了避免啤酒因只照而导致品质变差，通常都会做成深色。这些都给成像造成困难。所以需要设计一套合适的成像装置，以获取较好的缺陷图像。这部分主要包括光学成像和图像采集两部分内容。2 软件部分即图像处理。包括三个环节：图像预处理、图像分割、
31、图像识别。由于目前啤酒瓶罐装速度可达2 0 0 0 0 瓶h，按此计算每个瓶子的处理时间要控制在1 8 0 m s 以内。为了实现啤酒瓶的快速、准确检测，藏需要寻找合适的算法，包括缺陷检测算法和缺陷识别算法。围绕研究的主要内容，各章节的内容安排如下：第一章绪论介绍了课题来源、目的、现有检测技术的国内外发展状况以及本论文的主要研究内容。第二章啤酒瓶成像装置的总体设计图像的获取一般采用摄像机，它能实时地摄取到运动的图像，把客观的光学影像变成二维信息的电信号，然后通过具有A D 转换功能的图像采集卡转换成数字图像。本章主要介绍了图像采集的过程以及各硬件选取的方法。第三章图像预处理图像的预处理是指针对
32、获取的图像本身的缺陷和具体的研究目的而采取的一些图像增强、复原等运算。例如噪声抑制有邻域平均法滤波和中值滤波等方法。本章主要介绍了图像增强的方法，特别是几种滤波方法的比较。第四章图像分割图像分割是把数字图像分成互不相交(不重叠)的若干区域，检测出图像的各个物体或同一物体的各个部分，并把它们的图像和其余景物分离。本章介绍了目前常用的几种分割方法，并对其进行分析比较，针对本课题得到的具体图像，选择合适的方法。第五章模式识别利用模式识别技术提取图像的特征。特征抽取是在图像分割的基础上对物体的一些重要特征的每个部分所具有的特征向量进行定量估计。把抽取的一组特征组合在一起，就形成了特征向量，可作为后续决
33、策和判断的主要依据。判断决策是对物体进行分类和识别，将每个物体和物体对每个部分所具有的特征向量与已知物体的特征向量进行对比，确定其应该归属的类别。本章主要介绍了模式识别湖北工业大学硕士学位论文的原理以及分类器的设计方法。第六章软件集成及实验结果分析描述了软件的流程图，分析了实验结果，并列举了几个样本的图像处理过程。第七章总结与展望对本论文进行了总结，提出了不足之处和进一步改进的思路。湖北工业大学硕士学位论文第2 章啤酒瓶瓶口成像装置的总体设计要对图像进行处理，第一步就是需要通过合适的成像系统，获得尽可能好的图像。图像质量的好坏直接关系到图像处理系统的稳定性，决定了图像处理是否会成功。一幅好的图
34、像可以简化图像处理的过程，相反，一幅差的图像也会增加图像处理的难度，甚至无法做出正确的判断。图像获取是图像处理的基础和关键，它实际上是将被测物体的可视化图像和内在特征转换成能被计算机处理的一系列数据，主要由四部分组成：照明、图像聚焦、图像确定和数字化输出单元。本课题所研究的啤酒瓶瓶口缺陷检测的成像装置是整个啤酒瓶检测系统成像装置的一部分。2 1 成像装置的结构啤酒瓶作为一种特殊的玻璃制品，在成像方面具有以下几个特点叫：一、啤酒瓶既是由玻璃制成，则会具有反射和折射的性质，为此要采用合适的打光方式以尽量消除强烈反光，此处使用了偏振片以减少反光，；二、为了防止啤酒因光照变质，啤酒瓶通常做成深色，不利
35、于发现细微破损点，提高了对光源的要求；三、啤酒瓶内压较大，对玻璃质量要求较高，为了发现细微缺陷，图像传感器应有足够高的分辨率。叫刘l1 传输带2 L E D 光源3 偏振片4 C C D 摄像头5 图像采集卡6 计算机图2 1 成像装置考虑到以上因素，啤酒瓶的检测需设计一套合适的成像装置，以获取较好的缺湖北工业大学硕士学位论文陷图像，为后续的图像处理做好准备。对瓶口的检测，采用L E D 环型光源，从瓶口正上方垂直向下照射，光线反射，通过镜头，聚焦至C C D 传感器，将光信号转换为电信号，再经图像采集卡，转换为数字信号，传给计算机进行处理。瓶口的成像装置如图2 1 所示。2 2 光学照明照明
36、是机器视觉系统重要的组成部分，它的选择往往会决定整个系统的成败。好的光源和照明方式可以极大地突出物体和背景之间的差异，从而大大简化图像处理的算法。提高系统的测量精度”1。设计不当的照明会导致以下结果：(1)使整个图像的光照不均匀，给图像分割带来困难；(2)产生阴影或曝光过度，丢失图像的重要细节：(3)增加图像传感器采集数据的噪声，加大图像处理的难度并降低测量的精度。所以对机器视觉系统的照明进行精心的设计是极其重要的。照明设计主要包括光源和照明方式的选择。2 2 1 光源种类光源是指能够产生光辐射的辐射源，一般分为自然光源和人工光源伽。自然光源是自然界中存在的辐射源，如太阳、天空、恒星等。这些光
37、源的发光特性无法控制，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 1 所示，选用时一般根据环境状况来定。表2 1 各种光源比较光源是机器视觉系统输入的蘑要因素，它影响到输入数据的质黾和至少3 0 的应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每
38、个特定的应用实例，湖北工业大学硕士学位论文要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。机器视觉系统大致可分为成像和检测两种类型，不同类型对照明光源的要求不同：(1)若目的是为了成像，则只要真实地记录了景物的结构、状态和颜色即可，由于人们一般是在日光照明下对景物进行观察，所以成像应在日光或近似日光照明下进行，此时可采用大功率氙灯作为照明光源。(2)若目的是为了检测，根据成像原理不同可进一步细分。检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的图像来测量被检测物体的某些特征参数，对于此类检测系统，应选用白炽灯、卤钨灯等作为照明光源；另一种是通过测量被检测物体的空闻频谱分布来确定被检测物体的某些特征参数，此
39、类检测系统，应选用激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求。许多工业用的机器视觉系统用可见光作为光源，主要是因为可见光容易获得、价格低及便于操作。常用的可见光源有白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯。但是，这些光源的一个最大缺点是光能不能保持稳定“”。以日光灯为例，在使用的第一个1 0 0 小时之内，光能将下降l 鼹，随着使用时间的延长，光能将不断下降。因此，如何使光能在较长时白J 内保持稳定，是使用过程中亟待解决的问题。另一方面，环境光将改变这些光源照射到物体上的总光能，使输出的图像数据存在噪声，一般采用加防护屏的方法，减少环境光的影响。L E D(L i g h tE m
40、i t t i n gD i o d e 发光二极管)“”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锝到越来越多的应用，其主要特点如下：(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
41、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日J 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。甚至用控制系统使其间断工作，可抑制发光管发热，寿命将延长一倍。湖北工业大学硕士学位论文(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
42、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 至l O 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缺陷检测系统选用了环型的L E D 光源作为照明光源。2 2
43、 2 照明方式在目前的图像应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键所在，起着非常重要的作用，并不是简单的照明而已。光源与照明方案的配合应该尽可能的突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应该尽可能的产生明显的区别，尽量的增大背景与物体边缘的灰度反差，增加其对比度。同时，还应该尽可能的保证系统足够的整体亮度。在图像应用系统中一般使用透射光和反射光，对于透射光而言，只对透明或者半透明物体适用；对于反射光而言，应该充分考虑到光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理，物体的几何形状、背景板的选择等要素。与此相应，光源的照明方式可分为透射式照明和反射式照明两大类“”，如图2
44、 2 所示。各自性能比较如下：(1)透射式照明光源放在物体的后面，被测物体放在光源和摄像机之间，见图2 2 中(a)。它的优点是能获得高对比度的图像，产生比较清晰、明确的边缘，只对一些透明或半透明的物体j 有效，但容易受其他光线的干扰，因此常需要增加防护罩，减少干扰光。湖北工业大学硕士学位论文(2)反射式照明来自光源的光线经物体反射，被透镜接受，称为反射式照明。从摄像机的角度看，光源放在物体前面，光源和摄像机位于被测物体的同侧面，见图2 2 中(b)。这种方式便于安装，但当用它照在光亮或反射的材料上时，会引起像镜面的反光，此时，可采用同轴光照明或漫射照明；(a)(b)图2 2 照明方式按照光线
45、与镜头的视线的光系，还可分为亮场照明和暗场照明两种。在亮场照明中，光线近似垂直于物体的表面，整个物体显得明亮。在暗场照明中，光源沿着近似平行于物体表面的方向进行照明，纹理等特征显得明亮，而物体的大部分显得黑暗。在使用中，究竟选用何种方式，设计者可根据现场实际情况决定。本系统考虑到安装的方便，采用了反射式照明方式。用这种照明方式获得的图像，在瓶口密封面上会形成反光。对于一个完好的瓶口，其图像应为完整且光滑的圆环，若有破损，则说明瓶口不合格。2 2 3 偏振片由于啤酒瓶反光严重，在本系统中采用了偏振片以消除小面积反光，效果如图2 3 所示。(a)图是没有采用偏振片的图像，(b)图是采用了偏振片后得
46、到的图像，从图中可以看出，使用偏振片后，可以消除一些杂光，并且图像的边缘更光滑、更清晰。湖北工业大学硕士学位论文2 3 镜头(a)图2 3 采用偏振片前后的图像(b)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：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。
47、4 按镜头接口可分为：C 型接口和c s 型接口。2 3 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f 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置目标成像时，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。湖北工业大学硕士学位论文，、一nz i、3 一7 jA 妻，f 夕飞HR、：挺。一frU L；、7f一z 一一：r一一一一一Z 一图2 4 理想光学系统的成像如图2 2 所示，成像目
48、标与图像之间关系可由下式表示：Y-口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：，_，卢-上一每(2 2)z-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)相对孔径镜头入瞳的直径与焦距之比称为镜头的相对孔径，用o 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 O 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般用镜头对黑白相间的线条
49、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自J 的最小距离为6，则镜头在焦平面上h m 内所能分辨的线条数为：。!。上旦(2，3)61 2 2 A 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 像面照度湖北工业大学硕士学位论文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：。旧K M s i n 2U，(2 4)H，式中n、r l 分别表示物像方介质的折射率；K 表示系统的透射
50、率；L 表示光亮度；u 表示像方孔径角。设物镜位于空气中(n=n=1)，并引入镜头入瞳的直径D 和光瞳处的放大率卢，则上式可写成如下形式；乓一警(手)南旺s，由上式可以看出：像面的照度与相对孔径的平方成正比。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。(