一种圆柱体透明瓶壁的图像采集处理方法和检测装置

1.一种圆柱体透明瓶壁的图像采集处理方法，包括图像采集和图像处理，其特征是：
图像采集：光源在瓶一侧进行背光照明，瓶另一侧构架一套光学采集系统，经过反射镜多级反射后实现瓶壁的多角度一次成像，相机通过反射镜取像，进瓶处和出瓶处各具有一组光学采集系统，分别进行进瓶处瓶壁的图像采集和出瓶处瓶壁的图像采集，瓶在进瓶处和出瓶处的光学采集系统之间转动90度；
图像处理：包括以下方法：①根据瓶颈位置边缘点成对出现的特点，线扫描得到直线方向上灰度梯度最大的一组点，利用对称分析结合概率统计方法，确定瓶壁所成图像的中心轴线位置，完成瓶壁检测区域的跟踪；②进行瓶壁图像灰度拉伸，将灰度动态范围在某一区域内的图像映射到最大的动态范围，增加图像的对比度和亮度；③将瓶壁图像依照瓶子的特征进行多分区处理。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱体透明瓶壁的图像采集处理方法，其特征是：每套光学采集系统具有三级反射镜，恰当安排第一级反射镜(7)组中各个镜子角度，采集到多组不同角度的瓶的图像，然后经过第二级反射镜(6)组反射第一级镜子的虚像，第三级反射镜(8)再把第二级反射的像反射进入同一个相机。

一种圆柱体透明瓶壁的图像采集处理方法和检测装置\n技术领域\n[0001] 本发明属于生产线自动检测技术领域，尤其是涉及一种圆柱体透明瓶壁的检测装置，适用于高速自动化包装生产线上的多种透明或半透明空瓶进行瓶壁质量、外观和清洁度的在线检测。\n背景技术\n[0002] 目前啤酒、饮料生产企业越来越重视产品的质量，然而目前啤酒、饮料生产线的瓶子的清洁度还远远达不到人们所期望的目标，特别是目前啤酒行业对于啤酒瓶进行重复洗涤再利用的回收瓶，更是千姿百态，五花八门，所以在洗瓶机洗涤以后，灌装前需要进行检测分拣出不合格的瓶子。瓶身瓶壁是否破损，是否有异物，磨损是否超标，是否洁净是一个重要的指标。\n[0003] 传统的生产线空瓶检验方式是人工完成，瓶子通过安装在输送链道旁边的灯光检验箱时，人力进行观察，发现不合格瓶子进行手工拿出。这种人工检测标准模糊，在相当程度上受人为因素的影响，不能保持恒定的标准，并且检测精度低，速度慢。随着现代高速灌装线的发展，人眼在检测环节中的劣势更加突出，比如：由于长时间的重复工作，眼睛容易疲劳及长时间工作会产生误差，就算这些差距都规避掉，一个极富有经验的检测员工也不可能超越一台性能普通的视觉检测设备。一个圆柱型瓶子(例如：啤酒瓶，高度是290mm，直径是75mm)如果直接采用拍照，要想把高度和宽度上的信息全部采集清楚，需要在瓶子的有一个适当的间隔，并且相机安装的空间要求比较大，这样很难实现高速的在线检测的需求。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是：提供一种结构紧凑、检测准确、检测效率高的圆柱体透明瓶壁的图像采集处理方法和检测装置。\n[0005] 本发明的技术方案是：一种圆柱体透明瓶壁的图像采集处理方法，包括图像采集和图像处理，图像采集为光源在瓶一侧进行背光照明，瓶另一侧构架一套光学采集系统，经过反射镜多级反射后实现瓶壁的多角度一次成像，相机通过反射镜取像，进瓶处瓶壁的图像采集和出瓶处瓶壁的图像采集各具有一组光学采集系统，瓶在进瓶处和出瓶处的光学采集系统之间转动90度；图像处理包括以下方法：①根据瓶颈位置边缘点成对出现的特点，线扫描得到直线方向上灰度梯度最大的一组点，利用对称分析结合概率统计方法，确定瓶壁四部分的中心轴线位置，完成瓶壁检测区域的跟踪；②进行瓶壁图像灰度拉伸，将灰度动态范围在某一区域内的图像映射到最大的动态范围，增加图像的对比度和亮度；③将瓶壁图像进行多分区处理。\n[0006] 每套光学采集系统具有三级反射镜，恰当安排第一级反射镜组中各个镜子角度，采集到多组不同角度的瓶的图像，然后经过第二级反射镜组反射第一级镜子的虚像，第三级反射镜再把第二级的像反射进入同一个相机。\n[0007] 一种圆柱体透明瓶壁的检测装置，包括机架、输瓶轨道、瓶剔除装置、动力装置、图像采集装置、图像处理装置、运动控制系统和工控机，图像采集装置包括进瓶处瓶壁检测装置和出瓶处瓶壁检测装置，进瓶处瓶壁检测装置和出瓶处瓶壁检测装置之间设置速差传送机构，进瓶处瓶壁检测装置和出瓶处瓶壁检测装置分别包括相机、反射镜和频闪光源，频闪光源在瓶一侧进行背光照明，瓶另一侧设置相机和多角度反射镜，相机与图像处理装置、运动控制系统和工控机及瓶剔除装置连接，瓶在速差传送机构旋转90度。\n[0008] 本发明的有益效果是：本发明的方法光源在瓶一侧进行背光照明，瓶子另一侧构架一套光学采集系统，经过反射镜多级反射后实现瓶壁的多角度一次成像，通过恰当安排第一级反射镜组中各个镜子角度，采集到多组不同角度的瓶的图像，然后经过第二级反射镜组，反射第一组镜子的虚像，第三级反射镜再把第二级反射的像反射进入同一个相机，由此实现了由一个相机采集瓶壁圆周240度的清晰且近无失真图像，通过第三级反射镜的设计减少了采集系统占用的空间，使整个系统结构更加紧凑，增强了系统的集成性。由于一组光学采集系统能够完成瓶壁圆周240度左右的检测，在平行于背光源方向上的瓶壁两侧仍然各存在60度左右的盲区。本发明的装置设计了两组瓶壁检测装置，分别为进瓶处瓶壁检测装置和出瓶处瓶壁检测装置，在两组装置之间采用了速差传送机构，瓶经过速差传送机构过程中旋转了90度，这样进瓶处瓶壁检测的盲区就完全处于出瓶处瓶壁检测的可检测区域中了，从而完成了瓶壁的全方位360度精确检测，并且还有1/3的重复检测，提高检测精度。本发明针对回收的啤酒瓶和饮料瓶进行侧壁检测，实现高速的在线检测的需求，从而代替传统的人工检测方式，使检测标准更加稳定可靠，杜绝了不清洁瓶子的使用，提高了食品的安全质量，检测准确，检测效率高，成本低，节省人力、物力，工作环境好，且结构简单，容易实施。\n附图说明\n[0009] 图1为本发明的图像采集装置的示意图；\n[0010] 图2本发明的瓶壁多级反射一次成像示意图。\n具体实施方式\n[0011] 本发明的装置包括机架、输瓶轨道、瓶剔除装置、动力装置、图像采集装置、图像处理装置、运动控制系统和工控机。从图1所示本发明的图像采集装置的示意图可以看出，图像采集装置包括进瓶处瓶壁检测装置1和出瓶处瓶壁检测装置4，进瓶处瓶壁检测装置1和出瓶处瓶壁检测装置4之间设置速差传送机构3，进瓶处瓶壁检测装置1和出瓶处瓶壁检测装置4分别包括相机、反射镜和频闪光源，相机与图像处理装置、运动控制系统和工控机及瓶剔除装置连接。在瓶壁检测中采用频闪LED光源，瓶2的一侧是光源5，采用背光进行打光方式，把瓶子全部照亮，把在不同角度瓶子瓶壁的图像通过反射镜汇集到一个镜子，然后相机通过反射镜取像。瓶2另一侧设置CCD相机和多角度反射镜，构架一套复杂的光学采集系统，经过多角度反射镜多级反射后实现瓶壁的多角度一次成像。通过恰当安排第一级反射镜7组中各个镜子(镜子可以是2片或4片或6片)角度，采集到多组不同角度的瓶的图像，然后经过第二级反射镜6、第三级反射镜8两级反射进入同一个相机，系统由此实现了由一个相机采集瓶壁圆周240度的清晰且近无失真图像，三级反射镜的设计减少了采集系统占用的空间，使整个系统结构更加紧凑，增强了系统的集成性。\n[0012] 图2为本发明的瓶壁多级反射一次成像示意图，一组多级反射一次成像检测装置能够完成瓶壁圆周240度左右的检测，在平行于背光源方向上的瓶壁两侧仍然各存在60度左右的盲区，设计了两组多级反射一次瓶壁检测装置，分别为进瓶处瓶壁检测装置1和出瓶处瓶壁检测装置4，在两组装置之间采用了速差传送机构3。瓶2经过速差传送机构3过程中旋转了90度，这样进瓶处瓶壁检测的盲区就完全处于出瓶处瓶壁检测的可检测区域中了，从而完成了瓶壁的全方位360度精确检测。\n[0013] 光源的照明方式有常亮和频闪两种，采用频闪LED光源照明是指当被测对象进入视野时开启光源，离开视野时关闭，供电电源设计由脉冲代替了持续供电。为解决提高快门速度使得图像亮度变小的问题，本发明采用频闪LED光源照明方式，当空瓶各部分进入相应相机视野时，光电触发装置同时触发频闪LED光源点亮和相机获取图像。由于光源开启时间短，大部分时间处于关闭状态，系统可以采用超电流的方法，控制通过的电流为标定电流的一倍，提高了光源亮度。系统的频闪照明方式解决了光源功耗和发热的问题，光源开启时间短使得发出热量少而有时间散去，由于光源寿命和工作时间、工作温度成反比，延长了光源的使用寿命。此时再提高快门速度并且保证频闪光源开启时间大大超过快门时间，使得瓶的图像在相机拍摄瞬间被“冻结”，可以在保证图像亮度满足要求的情况下，有效解决高速运动状态下空瓶图像拖尾模糊问题，频闪光源照明并协调快门速度的方法能得到清晰的图像拍摄效果。系统运行状态为48000瓶/小时，检测对象在高速的运动过程中完成图像的拍取采集，在静止状态下调整好快门速度等参数，用来拍摄高速运动状态下空瓶容易出现图像拖尾模糊现象。减小模糊拖尾的程度需要减少曝光时间，提高快门速度。本发明采用了亮度均匀的高频闪LED背光源和具有高速电子快门和异步外触发功能的新型CCD相机来实现高速图象的采集，成功解决了采集高速运动物体的图象存在的拖影问题。\n[0014] 本发明的方法包括图像采集和图像处理，图像处理由图像处理装置实现，包括以下方法：\n[0015] 1、根据瓶颈位置边缘点成对出现的特点，线扫描得到直线方向上灰度梯度最大的一组点，提出了利用对称分析结合概率统计的方法，准确快速的确定瓶壁四部分的中心轴线位置，从而完成瓶壁检测区域的跟踪。具体步骤如下：(1)瓶颈边缘在图像中正常情况下成对出现，在确定瓶颈部分的中轴线时，进行横向的线扫描，扫描瓶颈两侧沿直线方向上灰度梯度最大的点，从而可以在图像同一行左右两侧各找到一个边缘点，鉴于图像背景和目标区域对比度大，扫描到的边缘点准确度较高；(2)得到边缘点后，可求出中轴线的坐标，这个坐标就是标记区域中心的坐标的一个参考值；(3)统计中心点坐标参考值在出现的次数，得到瓶颈中心值的分布情况，然后利用分布情况给定范围大小，计算出某一范围内中心点参考值出现的次数；(4)在该区域内通过求平均值的方法得到中心点的最终计算值。\n[0016] 2、瓶壁图像灰度拉伸，同种型号的回收瓶，由于生产批次和制作工艺的不同，存在厚度和颜色深浅的差别。故对瓶壁来说，有些瓶由于颜色较深图像较暗，有些瓶则由于颜色较浅而曝光过度，图像的动态范围太窄，以至对比度太低。一般来说，直方图均衡虽然可以改善图像的视觉效果，但是当图像的灰度范围只集中在某一区域时，则无法有效增强图像。\n当希望能够突显出某一特定灰度范围的分布时，灰度拉伸法则为一个有效的方法。将灰度动态范围在某一区域内的图像映射到最大的动态范围，来增加图像的对比度和亮度，改变图像局部的灰度值，控制直方图的分布，改善图像的输出效果。\n[0017] 3、瓶壁多分区检测，瓶壁检测主要是检测留在瓶壁上未洗去的污渍和裂纹，缺陷在图像中表现为灰度低的暗区。由于空瓶本身光学性能的差异，采集图像即便没有缺陷存在，图像灰度也不是平滑一致的。在瓶壁这种图像处理区域较大的情况下，灰度不平滑带来的灰度梯度会给缺陷区域的确定带来噪声的影响，影响最后的判别结果。为了减少灰度不平滑造成的图像灰度梯度对缺陷判别带来的影响，将瓶壁图像进行多分区处理，分区减小后单分区内灰度梯度影响减小，有助于提高缺陷检测的准确性。\n[0018] 本发明采用了针对国内玻璃瓶特色的独特的图象处理算法的组合，拥有适应性强、处理速度快的特点，非常适合高速生产流水线上的玻璃瓶的在线检测。