基于計算機(jī)視覺的玻璃瓶缺陷在線檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)碩士學(xué)位論文

1、基于計算機(jī)視覺的玻璃瓶缺陷在線檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)碩士學(xué)位論文 廣西師范大學(xué)碩士學(xué)位論文基于計算機(jī)視覺的玻璃瓶缺陷在線檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)姓名:陳常祥申請學(xué)位級別:碩士專業(yè):計算機(jī)軟件與理論指導(dǎo)教師:王強(qiáng)20070101摘要 基于計算機(jī)視覺的玻璃瓶缺陷在線檢測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) 姓名:陳常祥 導(dǎo)師:王強(qiáng) 專業(yè):計算機(jī)軟件與理論 方向:模式識別與圖像處理 年級:2004 摘要 玻璃瓶瓶口、瓶頸裂紋是玻璃瓶質(zhì)量檢測的重要方面。目前,國內(nèi)玻璃瓶生產(chǎn)廠家大多采用原始的人工燈光目測法。該方法不僅效率低、準(zhǔn)確性差,而且檢驗標(biāo)準(zhǔn)也很難達(dá)到一致;另有少部分廠家引進(jìn)了國外的驗瓶機(jī)。但國外驗瓶機(jī)大多存在造價高、靈活

2、性差等缺點。因此,開發(fā)一個性價比高、檢測范圍廣,而且具有良好的人機(jī)交互界面,升級方便的系統(tǒng)很有必要。開發(fā)系統(tǒng)的主要目的是適應(yīng)我國中小型玻璃生產(chǎn)企業(yè)的現(xiàn)狀,盡量降低他們的生產(chǎn)成本。 自從 2002年開始,廣西師大電子研究所與桂林晶盛玻璃合作,成功開發(fā)了“啤酒瓶裂紋在線實時檢測系統(tǒng)”。此系統(tǒng)在線運行三年多,效果較好,但形勢的發(fā)展提出了更高的要求。為了提高系統(tǒng)的性能,我們作了進(jìn)一步研發(fā),本論文對研發(fā)過程中采用的策略和技術(shù)方法進(jìn)行了論述。 因此,本文針對原系統(tǒng)已有檢測項目在性能上的不足和檢測速度的需要,對啤酒瓶瓶口裂紋檢測系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的完善和改進(jìn)工作,主要包括以下幾個方面: 1、針對原系統(tǒng)不能準(zhǔn)確

3、對啤酒瓶瓶口定位,而且也不能對廣口瓶、白色玻璃瓶定位。本文采用了八方向鏈碼搜索來跟蹤尋找瓶口邊緣點。改進(jìn)算法之后,能準(zhǔn)確地找到各種玻璃瓶的位置。使整個系統(tǒng)具備一定的通用性,同時提高了系統(tǒng)的可靠性和效率。 2、在裂紋判斷算法上,針對背景上光斑和外界光源的干擾,將原來對矩形感興趣區(qū)域的特征提取方法,改為橢圓擬合法糾正的特征提取方法。改進(jìn)之后,大大的降低了系統(tǒng)的誤判率。由原來的 0.4%降到 0.2%,提高了程序的可靠性。 3、為了更加完善系統(tǒng),同時滿足用戶的要求,在系統(tǒng)中增加了瓶頸裂紋檢測項目,使得整個裂紋檢測系統(tǒng)趨向于完善。摒棄了以前人工燈光檢測方法,使得產(chǎn)品的質(zhì)量更加可靠,從而提高了公司的產(chǎn)品

4、競爭力。 4、為了對軟件實行版權(quán)保護(hù),本文對軟件保護(hù)作了初步探討,同時將一些軟件的保護(hù)方法用到本文的裂紋檢測系統(tǒng)中去。本文采用機(jī)器指紋的防拷貝技術(shù),并用 MD5加密保存到參數(shù)文件中,防止用戶對軟件的重復(fù)使用。本方法只是對裂紋檢測系統(tǒng)的初步保護(hù),只是防止系統(tǒng)的一版多用。 5、為了解決產(chǎn)品在運輸過程中存儲介質(zhì)容易損壞,使用和攜帶的方便性,軟件執(zhí)行的可靠性等問題。本文采用了閃存卡?工業(yè) CF卡作為存儲介質(zhì)。用來提高系統(tǒng)運行的可靠性、易操作性、并增強(qiáng)了軟件的安全性。 裂紋檢測系統(tǒng)改進(jìn)后,裂紋檢測系統(tǒng)的速度提高了 3倍,處理一幀壞瓶子的時間從原I摘要 來的 30ms減少到 10ms,系統(tǒng)總的檢測速度從原

5、來的 120個玻璃瓶/分鐘,提高到現(xiàn)在的150個玻璃瓶/分鐘。誤判率漏檢率下降了 2倍,從以前的 0.4%下降到 0.2%。目前,本文修改之后的裂紋檢測系統(tǒng)已經(jīng)在桂林晶盛玻璃運行了半年多,用戶給予了較高的評價。并且,有一臺檢驗線出售給山東景耀玻璃,也受到了公司的好評,認(rèn)為可以和國外的產(chǎn)品相比,甚至瓶頸裂紋檢測項目的檢測結(jié)果可以超過國外的某些同類產(chǎn)品。目前,桂林晶盛玻璃又有 4條檢驗線投入運行,為公司節(jié)省了大量開支,創(chuàng)造了效益,提高了公司的品牌形象。關(guān)鍵字:瓶口定位 感興趣區(qū)域瓶頸裂紋檢測 動態(tài)閾值 防拷貝技術(shù)II摘要 The Research and Implement for Online

6、DetectingSystem of Glass-Bottle Faultiness Based on Computer Vision Author: Changxiang Chen; Tutor: Qiang Wang; Specialty: Computer Software &Theory; Research direction: Image Processing and Pattern Recognition ; Grade:2004 Abstract The flaw detecting in glass-bottle mouth and bottle-neck is ver

7、y important in the course of production of glass-bottle. At present, many domestic factories adopt the artificial method to detect the quality of their productions, which not only is inefficient and inaccurate but also lacks of uniform inspection standard. Some domestic factories introduce into fore

8、ign machines which adopt mechanism-touched mode, but these machines are low agility and require high cost. Therefore, it is indispensable to develop a detecting system which has virtues of high cost performance and high applicability as well as convenient operation interface. The main purpose is a p

9、resent condition that adapts our country to produce glass in the small scaled enterprise, lowering their production cost as far as possibleEver since 2002 start, electronics graduate school of Guangxi Normal University and Guilin Jinsheng class bottle co.Ltd cooperated success to develop flaw detect

10、ing system in beer bottle mouth. This system has been running for more than three years on-line , the result is better, but the development of the situation put forward the higher request. Therefore, we made the further development for advance the performance. This thesis discusses the developing pr

11、ocess which adopts strategy and the technique methodSo, the work of this thesis is that it has improved the scarceness of the former flaw detecting system in beer bottle mouth and has met the speed of the output. The work mainly includes several aspects: 1.To be directed against the matter of confir

12、ming of the beer bottle mouth, as well as the jar and the white bottle. The paper uses the method of the eight directions rule of boundary chain code to improve the former algorithm. The result is that it can confirm the mouth of every kinds of bottle. So, it certainly makes the whole system had in

13、general use, raised the credibility and the efficiency of the system at the same time2.In the former crack judge algorithm, because of the interference of the background of the light spot and outside light source, it put forward a way that make a ellipse to III摘要 correct the feature exaction method,

14、 which improve its former method that make with several rectangles to simulate the curve. So the improvement lowers the miscarriage of justice rate of the system consumedly. Decline to 0.2% from original 0.4%, raise dependability of the procedure3.For the sake of the more perfect system, satisfy the

15、 request of the customer at the same time, increased the bottleneck crack examination item in the system, make the whole crack examination system incline toward perfect. Abandoned the past artificial light examination method, make the quantity of the product more of credibility, raised the competiti

16、on ability of the company product4.In order to protect the copyright of the software, this thesis makes the first step studying the software protection method ,and uses some methods of software protection in the detecting system of flaw. This thesis adopts the method is that use the fingerprint of c

17、omputer of Anti-copy Encryption Technology , which encrypt with MD5 to keep from copy. This method is just the initial protection of the detecting system of flaw, only is to prevent from a version of the system using much5.For resolving the problem is that the product of storage medium is easy damag

18、e in transport, in order to prove convenience of usage and software performance of dependability etc. This thesis uses the flash memory - industry CF card to save the software. In order to raise the credibility of the system and operability, strengthened the software of safetyAfter improving the det

19、ecting system of flaw, the speed of software detecting has been increased 3 times, the time of handling one picture of bad bottle raise to 10ms from the original 30ms, the general speed of detecting from 120 bottles every minute archives to 150 bottles every minute. The rate of error and judgments h

20、as been decreased 2 times, and reach 0.2%. At present , the system of detecting has been put to use at Guilin Jinsheng class bottle co.Ltd for more than half a year, the customers repercussion is very well. At the same time, the Jingyao class bottle co.Ltd of Shandong province bought this detecting

21、system, and the customers repercussion is very well. They evaluate that the system of bottle-neck detecting is as good as those foreign detecting system. At present, there are 4 product lines using the system detecting of bottle flaw in Guilin Jinsheng class bottle co.Ltd. Therefore, these have not

22、only increased economic efficiency ,but also heightened incorporeal property Keyword: bottle mouth of confirmingRegion Of Interest the detecting of bottle-neck dynamic thresholdAnti-copy Encryption TechnologyIV 論文獨創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:所提交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不含其他個人或其他機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對

23、本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人承擔(dān)本聲明的法律責(zé)任。研究生簽名: 日期: 論文使用授權(quán)聲明本人完全了解廣西師范大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。廣西師范大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、清華大學(xué)論文合作部,有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔,可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外,允許論文被查閱和借閱,可以公布(包括刊登)論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布(包括刊登)授權(quán)廣西師范大學(xué)學(xué)位辦辦理。研究生簽名: 日期:導(dǎo) 師簽名: 日期:50第一章 緒論 第一章 緒論 1.1本課題來源及研

24、究意義 論文研究的課題來源于與桂林玻璃廠橫向聯(lián)合開發(fā)的項目?基于計算機(jī)視覺的玻璃制品在線實時檢測系統(tǒng)。旨在探討和研究計算機(jī)視覺在玻璃制品裂紋檢測中的方法和技術(shù),同時使本系統(tǒng)達(dá)到客戶的生產(chǎn)要求,以求形成產(chǎn)品推上市場。 玻璃制品裂紋的檢測方法可以分為三種:第一種是傳統(tǒng)的人工燈光檢測方法,由于它易受人眼分辨能力和容易疲勞等主觀因素的影響,又無法保質(zhì)保量地完成生產(chǎn)任務(wù),而且增加了生產(chǎn)廠家巨大的人工成本和管理成本,對檢測者的身心健康有損;第二種是利用機(jī)械裝置與工業(yè)品進(jìn)行接觸的檢測方法,這種方法雖然在質(zhì)量和速度上能滿足生產(chǎn)的需要,但它存在檢測設(shè)備的成本代價高,靈活性差等缺點;第三種就是本課題所采用的方法,

25、即利用計算機(jī)視覺進(jìn)行檢測的方法。隨著計算機(jī)軟件和硬件的發(fā)展,對圖像處理速度的提高以及各種相關(guān)理論的完善,這一方法變得切實可行。并且按此方法制造的檢測設(shè)備具有代價低,靈活性高,易于調(diào)試和工作環(huán)境要求低等優(yōu)點。因此本課題的研究對于玻璃制品裂紋的檢測具有重要的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)意義。 1.2 工業(yè)視覺系統(tǒng)的特點與組成 1.2.1工業(yè)視覺系統(tǒng)的發(fā)展工業(yè)視覺系統(tǒng)可分為工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。視覺檢測系統(tǒng)是利用視覺手段獲取被測物體圖像與預(yù)先已知標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,從而確定被測物體的質(zhì)量狀況,機(jī)器人是一種基于視覺測量并進(jìn)行制導(dǎo)和控制的系統(tǒng)。相比較而言,視覺檢測系統(tǒng)的約束條件更強(qiáng),其應(yīng)用較機(jī)器人更廣。據(jù)統(tǒng)計,在美

26、國每三套視覺系統(tǒng)中,有兩套是工業(yè)視覺檢測系統(tǒng),而到上個世紀(jì)末在需要視覺檢測的生產(chǎn)系統(tǒng)中,已至少有 90%被工業(yè)視覺檢測系統(tǒng)所取代。 工業(yè)視覺系統(tǒng)的最初發(fā)展,大約始于上個世紀(jì) 70年代。在美國最初的工業(yè)視覺系統(tǒng),采用了有 32K字節(jié)存儲器的 DECL工(?)5-11計算機(jī)和有 128 X 128像素的 CCD攝像機(jī)。1973年,美國自然科學(xué)基金會NFS制定了 1973-1982發(fā)展視覺系統(tǒng)和機(jī)器人的計劃,在斯坦福、普度等大學(xué)率先展開研究。在日本,同期也展開了研究,并成功地將計算機(jī)視覺系統(tǒng)用于印刷電路板的質(zhì)量檢測。據(jù)統(tǒng)計:在 1982年,美國共安裝 6301套工業(yè)視覺系統(tǒng),日本則更多。到 1990

27、年,美國安裝數(shù)超過 10萬套,日本超過了 55. 7萬套。在市場1第一章 緒論 售銷金額方面,美國 1984年達(dá) 6億美元,到 1994年達(dá) 12億美元?？傊?在工業(yè)發(fā)達(dá)國家工業(yè)視覺系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展,但在我國發(fā)展相對較晚,所以工業(yè)視覺檢測技術(shù)也落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國家。所幸的是,隨著改革的發(fā)展,政府加大了對科學(xué)技術(shù)的投資力度,特別是入世后,這一措施得以加強(qiáng),相信在未來的發(fā)展中我國的工業(yè)視覺檢測技術(shù)會趕上國外水平,甚至超過國外。 工業(yè)視覺系統(tǒng)的飛速發(fā)展,很大程度上得益于計算機(jī)技術(shù)進(jìn)步,特別是集成電路技術(shù)的發(fā)展。如今普通的微型計算機(jī),在計算性能上已勝過 70年代的小型機(jī)。具有 1024 X 1024

28、分辨能力的 CCD攝像機(jī)和實時圖像處理系統(tǒng)早已商品化,用于實時圖像處理的專用芯片也有了很大發(fā)展,其處理速度每秒超過 10億次。圖像處理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有了很大的進(jìn)步,不僅有可變流水線的實時處理系統(tǒng),更有以交換開關(guān)為中心和以存儲器為中心的實時圖像處理系統(tǒng),各種通用圖像處理算法都形成積木化模塊,可以選配納入上述并行圖像處理系統(tǒng)中。 工業(yè)視覺系統(tǒng)的廣泛使用,使之成為工業(yè)集成制造系統(tǒng)最重要組成部分,這樣的系統(tǒng)在美國許多大公司處處可見,如:ATBLT公司,通用汽車公司,德州儀器公司,3M公司等。 1.2.2工業(yè)視覺系統(tǒng)特點 一、工業(yè)視覺系統(tǒng)以圖像處理理論為基礎(chǔ)。工業(yè)視覺系統(tǒng)區(qū)別于普通視覺系統(tǒng),不在于圖像處理

29、的理論方法,而在于圖像處理實現(xiàn)技術(shù),在于工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的特殊要求。典型的工業(yè)視覺系統(tǒng),在線工作時,生產(chǎn)流水線中被測物體是運動的,因而圖像獲取必須與之同步,被測物體處于雜亂背景中,必須將其提取出來:檢測結(jié)果必須及時報告或通訊給其它執(zhí)行系統(tǒng),這就決定了工業(yè)視覺系統(tǒng)包括有更多的子系統(tǒng): 1光源和光學(xué)成像 2攝像與圖像處理 3用于控制攝像、圖像處理、圖像分析的計算機(jī) 4與生產(chǎn)線的同步通訊,如:測距、測速等 5輸出檢測結(jié)果,如:標(biāo)記、報警或通訊 工業(yè)視覺系統(tǒng)的各子系統(tǒng),隨應(yīng)用的問題不同而有很大的不同。通常,根據(jù)求解的問題不同,系統(tǒng)設(shè)計必須分別優(yōu)選購買,甚至定制不同的子系統(tǒng),最后集成為一個完整的系統(tǒng)。 二、

30、不同的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境和被測物體大小、精度差別對工業(yè)視覺系統(tǒng)采樣分辨率提出了要求,在空間方面,必須滿足采樣定理,保證獲取圖像空間的分辨率足以表征被測物的最小缺陷尺寸;在灰度方面,光源必須有足夠的照度。攝像機(jī)必須有足夠的靈敏度和動態(tài)范圍。在大多數(shù)應(yīng)用中,采用普通 512 X 512 X 8面陣 CCD攝像機(jī)或者線陣 1024CCD攝2第一章 緒論 像機(jī)就能滿足需要。在一些情況下,被測物體對攝像機(jī)分辨率要求極高,在這種情況下必須仔細(xì)研制光學(xué)成像系統(tǒng)或增加多套攝像系統(tǒng)?？傊?在工業(yè)視覺系統(tǒng)中,分辨率的問題是一個重要的問題。廣泛的掌握和了解多種光學(xué)傳感器非常重要。 三、工業(yè)視覺系統(tǒng)另一個最重要的問題是圖像

31、的處理能力和速度。在典型的工業(yè)視覺系統(tǒng)中,圖像處理應(yīng)當(dāng)完成如下任務(wù): 1精確的進(jìn)行維數(shù)(?)測量 2抑制無用信號,增強(qiáng)有用信號 3檢測特征的尺寸、位置和形狀 4識別物體特征、標(biāo)號或缺陷等 5確定位置、方向定決策 顯然,完成上述任務(wù)需要巨大的計算量,對于小型的工業(yè)檢測系統(tǒng),現(xiàn)在的高性能通用計算機(jī)已經(jīng)能完成這些計算,但是對于超出了通用計算機(jī)計算能力的大型的檢測系統(tǒng)來說,就需要借助專用的實時圖像處理系統(tǒng)了。所幸的是,許多商用實時圖像系統(tǒng)已將許多通用算法制成積木化的硬件模塊,可以組合選用。這些實時圖像處理系統(tǒng)還提供了許多附加功能,如感興趣區(qū)處理、隔行掃描圖像輸入與逐行圖像處理實時雙緩沖同步等。實時圖像

32、處理系統(tǒng)提供的常規(guī)算法有:(根據(jù)?) a.算術(shù)邏輯運算兩圖相減去背景 b.鄰域或中值濾波可作最大或最小值濾波 c.數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波腐蝕和擴(kuò)張 d.直方圖可求平均、最大、最小值 e.二值相關(guān)濾波二值模板匹配 f.特征提取獲取圖像特征坐標(biāo)信息 g.感興趣區(qū)處理在幀存中開矩形窗步并進(jìn)行實時小圖像處理 實時圖像處理子系統(tǒng)提供的算法是有限的,但每個算法都保證在 30msNTSC 制或40msPAL制時間處理一幅圖像,如果這些算法和它們的組合不能圓滿解決實際問題的需要,那么只能借助于專門圖像處理加速模塊。圖像處理加速模塊實際是用高速信號處理器,對其編程可實現(xiàn)更靈活多變的算法,但它的運算能力有限,當(dāng)算法較復(fù)雜

33、時,它不能保證實時處理一幅圖像。 由上可知,實時圖像處理子系統(tǒng)只能進(jìn)行數(shù)字圖像的低級處理。即噪聲濾波和特征提取。而特征數(shù)據(jù)的分析只能由通用計算機(jī)來完成,這樣通用計算機(jī)必須同時完成以下工作: 1特征數(shù)據(jù)分析、識別和判決即上述所列 3、4、5三項任務(wù) 2控制圖像處理系統(tǒng)的工作流程 3與生產(chǎn)線同步通訊 4檢測結(jié)果實時向外輸送報告 通常來自圖像處理系統(tǒng)的特征數(shù)據(jù)是關(guān)于缺陷、形狀、邊緣以及物體的位置等數(shù)據(jù),3第一章 緒論 且要求通用計算機(jī)必須實時讀出。特征數(shù)據(jù)分析,是較高級處理、需要特定知識的支持,但在工業(yè)視覺系統(tǒng)中,圖像分析的時間很有限的。因此,研究簡單有效的算法非常重要,否則,普通通用計算機(jī)是難以承

34、受的。 由于通用計算機(jī)完成的工作是多方面的,采用多中斷、多任務(wù)方式是必然的。仔細(xì)設(shè)計這一軟件,構(gòu)造多級數(shù)據(jù)緩沖區(qū),才能解決整個系統(tǒng)的實時處理、同步和負(fù)載均衡。 四、如前所述,工業(yè)視覺系統(tǒng)是一個集成系統(tǒng),是一個面向特定問題的系統(tǒng)。它有兩個重要的約束:分辨率和圖像處理速度。在滿足這兩者條件下,應(yīng)對每一個子系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和平衡,以求得最好的性能價格比。光學(xué)成像系統(tǒng)的改進(jìn),將大大減輕對圖像處理要求,從而大大降低整個系統(tǒng)的費用。圖像處理子系統(tǒng)具有實時特征提取能力,是保證能實時進(jìn)行圖像分析的前提。 五、在工業(yè)視覺的許多應(yīng)用場合中,譬如印刷電路板缺陷檢測、玻璃瓶口裂紋檢測以及輪胎氣泡檢測等等,往往是對某一特定

35、類型的產(chǎn)品進(jìn)行流水檢測,這類產(chǎn)品中的每個個體之間存在著許多相似的外在特征,加之所采集的圖像一般是大小固定的,因此這些外在特征參數(shù)會相對不變或在某一固定范圍內(nèi)波動,這為我們利用這些不變性所形成的先驗知識來簡化問題的研究帶來了方便。玻璃瓶瓶口和瓶頸裂紋檢測集中體現(xiàn)了這一特性。 工業(yè)視覺系統(tǒng)建立,首先估計圖像處理的運算量是重要的,辦法只有先模擬光學(xué)成像系統(tǒng),并獲得被測物圖像,進(jìn)行初步圖像處理和分析。注意,選用復(fù)雜算法,特別是沒有商品化的硬件實現(xiàn)算法是沒有意義的,重要是在有限算法空間中,組合構(gòu)造出最優(yōu)解決方案。 在此基礎(chǔ)上,一個現(xiàn)實可行的工業(yè)視覺系統(tǒng)才能建立。在尋求實時圖像處理和圖像分析的方案時,尋求

36、“技巧”極為重要。 1.2.3工業(yè)視覺系統(tǒng)組成 工業(yè)視覺系統(tǒng)一般有以下幾個部分組成:1、照明系統(tǒng)提供必要的照明系統(tǒng)使目標(biāo)物體與背景有較大區(qū)分度,使圖像采集系統(tǒng)盡可能采集高質(zhì)量的圖像。2、圖像采集系統(tǒng)主要由工業(yè)攝像頭或 CCD像機(jī)和圖像采集卡組成,由于后者成像質(zhì)量較高,易于和微機(jī)通信,在實際工業(yè)應(yīng)用中多被采用。3、圖像處理系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分根據(jù)實際處理的需要不同,有不同的選擇方案,可選用微型計算機(jī),小型機(jī),巨型機(jī),甚至組成分布式計算來滿足要求。近年來隨著計算機(jī)硬件技術(shù)的日益發(fā)展,微型機(jī)的性能得到很大的提高,由于其較高的性4第一章 緒論 價比和豐富的軟件支持,在實

37、際解決方案中應(yīng)用較多。軟件部分則主要針對具體的需要來開發(fā)軟件系統(tǒng)。軟件和硬件彼此聯(lián)系緊密,軟件是針對具體的硬件開發(fā)的,而且為了達(dá)到實時處理的目的,往往將軟件固化在硬件中實現(xiàn)。4、動作執(zhí)行單元圖像處理的最終結(jié)果是產(chǎn)生某一動作,例如檢測產(chǎn)品有質(zhì)量問題要將產(chǎn)品自動剔除或只是簡單的報警。這一部分主要是由機(jī)械電子設(shè)備組成。 1.3目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外在九十年代初就開始研制計算機(jī)視覺在線檢測設(shè)備,他們憑借其雄厚的經(jīng)濟(jì)實力和不斷成熟的技術(shù)為基礎(chǔ),至現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多種玻璃瓶罐的在線檢測機(jī)器。例如由丹麥制造的“結(jié)石及節(jié)點檢測器”、“管端檢測器”,法國 SGCC公司制造的 M1型全自動多功能玻璃瓶罐在線檢測機(jī)

38、等。這些檢測設(shè)備,大部分都是采用了接收入射光源的反射光強(qiáng)弱來確定照射點是否存在裂紋。這些系統(tǒng)存在幾個問題,一是由于利用反射光的信息來判斷是否存在裂紋,容易受到外界光的干擾,還有裂紋的形狀各不相同,需要多條入射光和接受裝置,調(diào)整比較麻煩。二是由于國外設(shè)備的售價在 150萬人民幣左右,一般中小生產(chǎn)廠家沒有能力投資。所以,目前國內(nèi)只有少數(shù)生產(chǎn)廠家購買國外的檢測系統(tǒng)。 目前,國內(nèi)也有少數(shù)幾個廠家在進(jìn)行玻璃制品在線檢測設(shè)備的研制,主要有北京賽騰動力研制生產(chǎn)的 Saturn驗瓶機(jī)以及廣州大元與北京四通電機(jī)聯(lián)合開發(fā)的 DS空瓶驗瓶機(jī),前者的檢驗速度可達(dá) 3000-4000瓶/小時,主要檢測項目有瓶底、瓶口、

39、瓶身和殘液,而后者主要檢測項目為:瓶口缺陷、瓶底異物等,適用于直徑為 50-100mm、高度為150-350mm的玻璃瓶。它們均采用了諸如計算機(jī)視覺、模式識別、DSP等先進(jìn)技術(shù)。但是這些都未能滿足目前國內(nèi)大部分廠家的生產(chǎn)需要,比如速度就不能滿足要求,目前大部分生產(chǎn)線的速度在 130只玻璃瓶/分鐘。 為了滿足目前的需求,本文檢測系統(tǒng)的速度已經(jīng)達(dá)到 150只玻璃瓶/分鐘,檢驗項目包括:瓶口各種裂紋以及部分氣泡、瓶頸各種裂紋及部分氣泡、瓶口大小等檢驗項目,并且本文系統(tǒng)適應(yīng)各種型號的瓶子,口徑大小、瓶子高度、瓶子顏色等都不會影響檢測結(jié)果,價格也很適合各個中小型企業(yè)。 1.4本文主要工作 本課題經(jīng)歷幾年

40、的研究,玻璃瓶瓶口裂紋檢測系統(tǒng)已經(jīng)可以在生產(chǎn)線上運行,但只能檢測啤酒瓶,不能檢測廣口瓶和白色的玻璃瓶。但是隨著產(chǎn)量的提高以及玻璃瓶行業(yè)的競爭日趨激烈,相應(yīng)的對檢測系統(tǒng)的速度和精度提出了更高的要求,以前的系統(tǒng)已很難滿足要求。為了解決這個問題,本文對此做了一下工作,可以概括為以下幾個方面: 5第一章 緒論 一、進(jìn)一步優(yōu)化了算法,使軟件的運行速度提高了 3到 4倍,同時使檢測速度提高了近 2倍,達(dá)到 150只玻璃瓶/分鐘,誤判率下降到 0.2%; 二、與此同時,還增加了瓶頸的裂紋檢測項目,同樣誤判率也下降到 0.2%,經(jīng)過實際驗證,可以與國外那些同類產(chǎn)品的檢測效果相比; 三、本軟件經(jīng)過修改已經(jīng)能夠滿

41、足目前生產(chǎn)的需要,并且達(dá)到產(chǎn)品化的要求。所以為了保護(hù)軟件,對軟件采用了相對比較安全的加密方法?MD5,實行了加密保護(hù),同時在硬件上,利用電子盤加以存儲保護(hù),從而大大提高了軟件的安全性。 本系統(tǒng)所作的以上工作中,所編寫的代碼量在一萬行以上,在系統(tǒng)中做了詳細(xì)的注釋,并整理了代碼,提高了代碼的重用性,為課題組的進(jìn)一步工作打下了基礎(chǔ)。 1.5 本文章節(jié)的安排 第二章裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成,介紹了圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)的組成,以及圖像采集設(shè)備和圖像處理技術(shù)的相關(guān)介紹;第三章啤酒瓶瓶口裂紋檢測的改進(jìn)以及瓶頸裂紋檢測功能的實現(xiàn),具體詳細(xì)的介紹了對啤酒瓶裂紋檢測系統(tǒng)的改進(jìn)方案,包括檢測速度、精度,分別從算法和

42、硬件支持方面進(jìn)行了改進(jìn),并在原系統(tǒng)地基礎(chǔ)上實現(xiàn)了瓶頸裂紋檢測功能,還介紹了工業(yè) CF卡優(yōu)于硬盤的性能;第四章 安全性與方便性 簡單介紹了軟件安全方面的知識,并且介紹了本文系統(tǒng)采用的防拷貝技術(shù),還介紹了裂紋檢測系統(tǒng)的方便性;第五章全文總結(jié)和展望,對全文作了一個簡單的總結(jié),以及對裂紋監(jiān)測系統(tǒng)的下一步工作做了簡單的展望。 6第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 2.1 裂紋檢測的研究意義 瓶口和瓶頸裂紋檢測一直是人工最不容易檢測出來的質(zhì)量問題之一。因為瓶口和瓶頸裂紋的反光是固定在一定的角度范圍內(nèi)的,只有將玻璃瓶旋轉(zhuǎn)一周才可能準(zhǔn)確地判斷有無裂紋的存在。在過去的人工檢測中,由于受到人的

43、眼睛長時間的注視同一個位置,很容易疲勞。所以人工檢測極容易出現(xiàn)漏檢,尤其是對瓶口和瓶頸的那些小裂紋,人的肉眼是很難發(fā)現(xiàn)的。同時,瓶口和瓶頸裂紋又是酒類、瓶裝飲料和食品等產(chǎn)品質(zhì)量問題中最需要解決的質(zhì)量問題之一,比如在運輸過程中,酒類、瓶裝飲料和食品等出現(xiàn)變質(zhì)。瓶口和瓶頸的氣泡也是影響人身安全的重要因素,尤其是啤酒瓶。所以國家對瓶口裂紋檢測的標(biāo)準(zhǔn)非常嚴(yán)格,規(guī)定從任何角度觀察都不允許有反光存在。 因此,開發(fā)出準(zhǔn)確率高、效率高并且價格便宜的檢測系統(tǒng),對于中國目前中小型玻璃生產(chǎn)企業(yè)很有必要。本文就是針對這些問題,對原有不完善的裂紋檢測系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn),在此基礎(chǔ)上又增加了瓶頸裂紋檢測項目。 2.2裂紋檢測系

44、統(tǒng)的構(gòu)成 本文裂紋檢測系統(tǒng)同一般的工業(yè)視覺系統(tǒng)一樣,主要有以下 4個部分組成: 1、照明系統(tǒng)。負(fù)責(zé)給圖像采集系統(tǒng)提供輔助光,主要有一個背景光源和照明光組成。其中背景光用二級管光版,提供均勻穩(wěn)定的背景光;照明光是照射瓶口,還有一個照射瓶頸; 2、圖像采集系統(tǒng)。負(fù)責(zé)把玻璃瓶圖像采集到計算機(jī)的內(nèi)存,為后續(xù)圖像處理提供了圖像數(shù)據(jù); 3、圖像處理系統(tǒng)。負(fù)責(zé)處理從內(nèi)存中讀取的玻璃瓶圖像數(shù)據(jù),判斷玻璃瓶圖像中的玻璃瓶瓶口是否有裂紋,來確定玻璃瓶的好壞,是壞瓶就發(fā)一個打玻璃瓶信號給一個剔瓶機(jī)械設(shè)備,剔除壞瓶; 4、動作執(zhí)行部分。這一部分是在上面完成之后的最后執(zhí)行的,只要上面將玻璃瓶判斷為壞瓶,這一部分就將壞瓶

45、剔除。本文采用的動作執(zhí)行部分是高壓氣體將瓶子打掉。由于是機(jī)械部分,在本文中將不再作詳細(xì)地論述。 2.2.1圖像采集系統(tǒng) 圖像采集系統(tǒng)在整個圖像處理系統(tǒng)中具有重要的作用。它負(fù)責(zé)將現(xiàn)實中的物體圖像通7第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 過輸入設(shè)備采集下來,并進(jìn)行一系列的處理,比如在采集卡中,對圖像壓縮、濾波等,將圖像的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,最終輸入計算機(jī)以備后續(xù)對圖像作進(jìn)一步的處理。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2-1所示: 玻璃瓶 CCD攝像機(jī) 圖像采集卡 計算機(jī)圖 2-1圖像采集系統(tǒng)2.2.1.1 CCD攝像機(jī) 1、CCD攝像機(jī)原理圖 CCD Charge Coupled Device電耦合器件是 70年代發(fā)展起

46、來的新型半導(dǎo)體器件,它是在 MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是半導(dǎo)體技術(shù)的重大突破。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和延時等功能,而且集成度高,功耗小,故在固體圖像傳感、信息存儲和處理等方面得到了廣泛的應(yīng)用。其基本結(jié)構(gòu)原理如圖 2-2所示。圖2-2CCD器件的基本原理 在 P型硅襯底上通過氧化在表面形成一個二氧化硅層,然后在二氧化硅上蒸 發(fā)一層金屬膜,并用光刻的方法制成柵電極條。如果是三相驅(qū)動,那么,首先在 所有金屬柵極上都加上正偏壓U , U要大于相應(yīng)的絕緣柵場效應(yīng)管的導(dǎo)通電壓。 1 1這樣就使電極下面是空穴遠(yuǎn)離二氧化硅表面,從而形成表面耗盡層,通常稱為表 面勢阱。勢阱的深度于所加的電壓近似

47、線性關(guān)系。如果在某一相加入比 U1更高的 正電壓U ,則在該金屬電極下面就會形成更深的勢阱。 22、JAI CV-M40攝像機(jī) 8第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 為了提高整個系統(tǒng)的檢測效果,本文系統(tǒng)采用的攝像機(jī)是 JAI CV-M40面陣攝像機(jī),分辨率最高為 659 h x 494 v,本文為了提高圖像處理的速度,采用了 160 h x 320 v。這款工業(yè)攝像機(jī)是逐行掃描的,可以提供高質(zhì)量的圖像,并且可以調(diào)整曝光的時間,最高可以設(shè)置到 1/12000秒,最少可以設(shè)置成 1/125秒。并且 CV-M40攝像機(jī)的設(shè)置很方便,4在攝像機(jī)的背后有一排設(shè)置開關(guān) 。如下圖所示:圖 2-3 CV-M40攝像機(jī)

48、開關(guān)設(shè)置圖解2.2.1.2 圖像采集卡 31、D 技術(shù) 3D 是英文 Digital Domain Decoding的縮寫,是“數(shù)字領(lǐng)域解碼”的意思。 傳統(tǒng)的模擬圖像采集卡采用了很多復(fù)雜的模擬電路(濾波器、鎖相環(huán)等)對輸入視頻進(jìn)行處理和解碼,如抽取場同步,行同步信號,像素時鐘等,而模擬電路本身精度和穩(wěn)定性都比較差,這就造成了圖像的質(zhì)量問題。同時模擬電路的參數(shù)需要調(diào)節(jié),使每塊卡的參數(shù)3都不一致。另外,溫度、濕度和長時間的使用都會降低采集卡的性能。D 數(shù)字解碼技術(shù)完全不用模擬電路解碼輸入的視頻信號,它是直接將視頻信號以極高的頻率(40MHZ)和精度 (10bit)量化為原始數(shù)字信息,其中包括了各種

49、同步、黑屏、載波等,之后再利用卡3上的 FPGA對這些原始的數(shù)字信息進(jìn)行分析處理并合成圖像。D 的卡只有極少的模擬電3路。其結(jié)果是極強(qiáng)的抗噪能力和清晰無比的圖像。D 技術(shù)所帶來的優(yōu)點包括: 極低的圖像噪音9第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 極小的像素抖動0.32ns極高的抗干擾能力工業(yè)現(xiàn)場的各種噪音極好的板卡一致性和穩(wěn)定性 3D 技術(shù)對直接數(shù)字化的信號作了如下的處理:黑屏信號恢復(fù)同步信號恢復(fù):垂直和水平信號采樣時鐘的再生低通濾波增益和亮度偏差控制彩色控制彩色載波去除視照表和 GAMMA校正垂直和水平像素數(shù)目控制 2、DOMINO Melody采集卡的性能 本文所采用的圖像采集卡是 Euresys公司

50、生產(chǎn)的 DOMINO Melody,其的特點如下: 高品質(zhì),低價格的用于工業(yè)黑白模擬攝像機(jī)的圖像采集卡 3 采用了 D 技術(shù),可為對價格敏感的機(jī)器視覺應(yīng)用而采用模擬攝像機(jī)的用戶提供清晰的數(shù)字圖像。 采用了高精度 10-bit的 A/D轉(zhuǎn)換器,采樣頻率達(dá)到 40MHz。Melody內(nèi)含一 10-bit的視照表和可編程輸入濾波器。增益及亮度偏移也可編程控制。 它還有另一個特點是 Domino Melody完全不需要跳線,75-ohms的終端接頭方式可在軟件里選擇。 16-Mbyte圖像緩存 PCI bus 32 bits, 33 MHz, 3V或 5V信號觸發(fā),閃光控制 I/O及二個加強(qiáng) I/O線

51、 因此,DOMINO Melody采集卡特別適用于使用黑白攝像機(jī)對快速運動的物體進(jìn)行檢驗的應(yīng)用。 DOMINO Melody采集卡所支持的像機(jī)除了標(biāo)準(zhǔn)的 CCIR和 R S170攝像機(jī),Domino Melody還可用于任何一種面陣,單頭的模擬攝像機(jī)包括倍速和百萬像素的像機(jī),支持逐行,隔行掃瞄,同步或異步復(fù)位采集,異步快門控制。用戶只需為 MultiCam選用合適的攝像機(jī)配置文件,Domino Melody就能自動配置其控制線和攝像機(jī)控制接口,完成用戶所想要,1-3 12的采集方式和采集圖像。MultiCam含有幾乎所有常用的工業(yè)攝像機(jī)配置文件 。 DOMINO Melody采集卡的結(jié)構(gòu)原理圖

52、如圖 2-4所示:10第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成圖 2-4DOMINO Melody采集卡的結(jié)構(gòu)原理圖2.2.2圖像處理系統(tǒng) 圖像處理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心部分,主要負(fù)責(zé)對采集進(jìn)來的圖像采用圖像處理算法進(jìn)行處理,得到圖像相關(guān)信息,再利用設(shè)置好的判據(jù),最終生成判斷玻璃瓶的好壞決策,并做出相應(yīng)的處理。大體的流程如下圖所示:讀取圖像 圖像分割 提取特征 判斷決策圖 2-5圖像處理系統(tǒng)過程 2.2.2.1讀取圖像 由圖像采集系統(tǒng)采集到圖像之后,先暫時保存在圖像采集卡的緩存中(DOMINO Melody 采集卡有一個 16MB 的緩存),然后再利用采集卡自帶的函數(shù) MCSTATUS McSetParamIntMCHANDLE Instance,MCPARAMID Param,INT32 ValueInt 讀取圖像數(shù)據(jù)。接下來就可以對數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理。 11第二章 裂紋檢測系統(tǒng)的構(gòu)成 2.2.2.2圖像分割 圖像分割是一種重要的圖像處理技