基于x射線成像系統(tǒng)的灌裝液位檢測設(shè)備的研究項目驗收工作

PAGE25PAGEii基于X射線成像系統(tǒng)的灌裝液位檢測設(shè)備的研究項目驗收工作總結(jié)報告項目編號20123A354中山職業(yè)技術(shù)學院目錄TOC\o"1-3"\h\u一、項目概述 31.1項目的基本信息，項目來源 31.2立項依據(jù)及承擔人狀況 31.2.1目的意義： 31.2.2.國內(nèi)外概況： 41.2.3市場預測與發(fā)展趨勢 51.2.4液位檢測技術(shù)和設(shè)備應用的現(xiàn)狀 61.2.5承擔人概況 91.3研究內(nèi)容，技術(shù)方案、方法和技術(shù)路線的選擇等 101.3.1具體研究開發(fā)內(nèi)容 101.3.2.采用的研究方法，技術(shù)路線的選擇 11二、項目研究進程與主要工作 122.1用于液位檢測的X射線成像系統(tǒng) 122.1.1X射線的特性 122.1.2X射線與物質(zhì)的相互作用 132.1.3X射線的衰減規(guī)律 142.2X射線實時成像器件 152.2.1X射線機 162.2.2圖像增強器 172.2.3CCD攝像機 182.2.4圖像采集卡 192.3X射線液位圖像獲取 202.3.1X射線液位圖像的特征分析 202.3.2管電壓與管電流的設(shè)定 212.4圖像液位檢測系統(tǒng)的原理及構(gòu)成 262.4.1嵌入式硬件設(shè)計 262.5.基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡的X射線圖像處理方法 292.5.1脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡 292.5.2基于PCNN的X射線圖像去噪濾波 302.6圖像邊緣檢測 352.6.1經(jīng)典的邊緣檢測算子 352.6.2Canny邊緣檢測方法 352.6.3檢測效果分析與比較 372.7X射線液位檢測算法 392.7.1基于Canny方法的液位檢測新算法 392.8X射線液位檢測系統(tǒng)試驗 432.8.1試驗系統(tǒng)與試驗方法 432.8.2平靜液位的檢測試驗 452.8.3起伏液位的檢測試驗 472.8.4試驗系統(tǒng)精度與液位檢測算法的關(guān)系 49三、合同指標的完成情況 49四、項目經(jīng)費使用情況 50五、項目人員組成及分工 51六、項目取得的成效 52七、對項目執(zhí)行情況的自我整體評價，對項目應用和轉(zhuǎn)化的設(shè)想、建議 52PAGE25PAGE52一、項目概述1.1項目的基本信息，項目來源基于X射線成像系統(tǒng)的灌裝液位檢測設(shè)備的研究項目是中山市2012科技計劃項目，該項目由中山職業(yè)技術(shù)學院承擔，本項目來源于中山市富田食品有限公司真實項目。1.2立項依據(jù)及承擔人狀況1.2.1目的意義：啤酒是人們?nèi)粘Ｉ钪械囊粋€重要組成部分，據(jù)俄羅斯《新消息報》報道，中國啤酒消費量為世界第一，美國、德國、巴西與俄羅斯緊隨其后。去年全國啤酒消費量約287億升，即574億瓶500ml的啤酒。如此大的需求量要求啤酒生產(chǎn)商必須采用高效優(yōu)質(zhì)的啤酒生產(chǎn)工藝。隨著科技的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平越來越高。啤酒灌裝也實現(xiàn)了全自動的流水線作業(yè)。其中包括洗瓶、灌裝、殺菌、貼標和裝箱等過程。整個流水作業(yè)中啤酒包裝的過程中實施檢測的有兩部分，一部分是對空瓶的檢測，包括檢測清洗是否干凈、有無碎瓶和異瓶等。另一部分就是對灌裝壓蓋后的成品啤酒進行檢測。在啤酒灌裝生產(chǎn)線上，由于灌裝機器的長時間運轉(zhuǎn)，經(jīng)常會出現(xiàn)灌裝嘴的堵塞或灌裝壓力不足等現(xiàn)象，導致一些“半瓶”的啤酒被灌裝壓蓋。由于啤酒的易氧化變質(zhì)的特點使得這些“半瓶”啤酒不能再重新開蓋灌裝，只能作為廢品被棄掉，同時由于啤酒瓶在驗瓶過程中是單排通過，所以這一工序的日工作量就是整條生產(chǎn)線的日產(chǎn)量，故一套高效、精確的驗瓶系統(tǒng)對于整條啤酒灌裝生產(chǎn)線就顯得尤為重要。而采用視覺傳感器對啤酒液位檢測具有非接觸、高精度、高效率的特點。同時由其構(gòu)成的檢測系統(tǒng)體積小巧，便于安裝，利于集成到生產(chǎn)線上的灌裝壓蓋機中，可提高該機器在同行業(yè)中的競爭力。因此，設(shè)計出符合我國國情的液位測試裝置對我國啤酒生產(chǎn)裝備國產(chǎn)化具有重要的社會效益和經(jīng)濟效益。1.2.2.國內(nèi)外概況：國外狀況國外的生產(chǎn)工藝比較發(fā)達,生產(chǎn)的傳感器能夠滿足速度和精度要求,無損檢測技術(shù)發(fā)展極為先進。對于現(xiàn)代精密液位檢測技術(shù)的研究較為成熟,產(chǎn)品包括了各種技術(shù),其中德國、美國已有多家公司推出了較為先進的產(chǎn)品和方案。德國HEUFT公司生產(chǎn)的HEUFTVX灌裝管理系統(tǒng)和HEUFTbasic滿瓶檢測系統(tǒng)，采用高頻、伽馬射線、紅外線、可見光以及X射線等技術(shù)進行液位檢測，可用于檢測液位不足或液位超高。除了檢測液位，也可對封蓋、標簽進行檢測。HEUFT開發(fā)的reflexx圖像處理軟件可以進行自動識別，與rejector剔除系統(tǒng)配合,可以實現(xiàn)將不合格產(chǎn)品剔除。成立于1977年的miho公司，現(xiàn)已成為世界上液位檢測領(lǐng)域的頂級公司之一。該公司生產(chǎn)的液位檢測機器包括NewtonHF\Optical\Infracon\X系列，產(chǎn)品被世界上許多公司采用。mihoInfracon紅外線液位檢測儀的檢測精度為1mm。X射線液位檢測機不僅具有較高的檢測精度，而且應用于生產(chǎn)線上,其軟件算法能夠較好的克服比如液面起伏帶來的影響。德國的BBULL公司、KRONES公司，美國的TAPTONE公司、Filtec公司等也推出了具有液位檢測功能的灌裝控制系統(tǒng)，所采用的技術(shù)包括高頻、光學、射線等。國外對于液位檢測的研究較為成熟,但由于保密原因,所用算法及技術(shù)細節(jié)無從知曉。國內(nèi)狀況我國在液位檢測方面的研究起步較晚,前期主要采用人工目測、機械式方法，近年來由于國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)需求，帶動了此領(lǐng)域研究工作一定程度的發(fā)展。在基于機器視覺(圖像處理)技術(shù)的液位檢測上，涌現(xiàn)出一些有代表性的思路和算法。潘俊民等在金屬熔液澆注過程中，使用機器視覺技術(shù)，動態(tài)測量澆口杯中金屬熔液的液位，控制澆注過程。他們在澆口杯上方傾斜安裝一攝像機，通過計算圖像中熔液區(qū)域面積的大小，換算得澆口杯內(nèi)液位高度。劉振安等將液位高度的提取應用于測量液體粘度的實驗中，他們使用圖像測量識別方法檢測出液體在細玻璃管中流動時不同時刻的液位高度，從而計算粘度。矯德強在啤酒瓶液位檢測中應用了基于CCD的圖像處理算法，使用圖像分割、邊緣檢測方法對一副靜態(tài)啤酒瓶圖像中的液位線實現(xiàn)了識別。但是該方法沒有實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)運行，在液位線的標定、實時性要求上也有待改進。實際應用上，生產(chǎn)企業(yè)多是從國外引進檢測設(shè)備，比如南京金陵啤酒廠引進的是德國HEUFT公司的系統(tǒng)，不僅價格昂貴，維修等售后服務也不方便。1.2.3市場預測與發(fā)展趨勢我國是世界上重要的啤酒和飲料生產(chǎn)和消費國家，資料顯示,2008年中國啤酒產(chǎn)量首次突破5000萬千升大關(guān)，達到5061萬千升,同比增長5.2%，產(chǎn)銷量已連續(xù)四年位居世界第一，2010年中國啤酒行業(yè)的總產(chǎn)銷量銷突破了6000萬噸，比2006年的總產(chǎn)銷量增長了16.3%。飲料方面，2008年我國規(guī)模飲料生產(chǎn)企業(yè)961家，飲料生產(chǎn)總產(chǎn)量2912.43萬噸。2008年我國人均飲料消費約32.4L。2010年，中國的軟飲料產(chǎn)量達到了6380萬噸，成為全球第三大軟飲料市場。隨著國內(nèi)經(jīng)濟形勢的良好發(fā)展，人民群眾收入水平的提高，啤酒和飲料的消費需求將會保持穩(wěn)步的發(fā)展態(tài)勢。相應的,我國的啤酒和飲料生產(chǎn)能力也將需要快速提高。雖然我國的啤酒或飲料產(chǎn)量驚人，但是生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模普遍不大，即使在國內(nèi)舉足輕重的企業(yè)，在生產(chǎn)實力和裝備水平上也難及一些著名的跨國公司。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，尤其是中國加入WTO以來，整個市場更趨國際化，一些大型的跨國企業(yè)紛紛涌入中國這個潛力巨大的消費市場，使得本來相對弱小的國內(nèi)本土企業(yè)面臨殘酷的競爭壓力。為此，中國企業(yè)一方面通過兼并等方式壯大自己的實力，一方面又必須努力提高自身的產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品凈含量是否達標是產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標，普通消費者總是以是否短斤少兩來衡量一個商家的誠信度，從生產(chǎn)企業(yè)考慮，為了維護自身形象，也為了長久地生存，必須重視產(chǎn)品的凈含量是否準確。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局在2005年10月9日頒布國家計量技術(shù)規(guī)范5和定量包裝商品凈含量計量檢驗規(guī)則6，對定量包裝商品(包括啤酒飲料產(chǎn)品)的凈含量和允許短缺量有著嚴格的要求。為了能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)速度，國內(nèi)很多大型生產(chǎn)企業(yè)紛紛引進國外先進的加工制造設(shè)備和自動化生產(chǎn)線，國內(nèi)的很多科研機構(gòu)也通過學習國外的先進技術(shù)研制出很多性能較好的生產(chǎn)設(shè)備。定量灌裝技術(shù)和液位檢測技術(shù)是這些自動化生產(chǎn)線上不可或缺的兩項技術(shù)，定量灌裝是采用精確流量計進行定量的灌裝控制，但實際上由于設(shè)備老化或偶然因素等原因，灌裝后的產(chǎn)品含量也可能發(fā)生偏差，液位檢測技術(shù)就可用于對灌裝后的產(chǎn)品進行凈含量檢測，更好的控制產(chǎn)品的計量。液位檢測，又稱液面檢測、填充度(FillLevel)檢測，是對容器盛裝液體液面位置的探測，實際上是對液體體積的檢測，液位自動檢測技術(shù)能夠在線檢測出產(chǎn)品容量的合格與否，剔除過量或缺量產(chǎn)品，保證產(chǎn)品的足量下線。因此，液位檢測是現(xiàn)代化生產(chǎn)線所必需的，它不僅決定一個企業(yè)的生產(chǎn)效率，也將影響一個企業(yè)的未來成敗。本項目完成后，灌裝飲料生產(chǎn)速度快，能極大提高企業(yè)的工作效率，效率能提高4倍，節(jié)約人工，降低成本。該設(shè)備的推出，必將受到這些企業(yè)的關(guān)注和歡迎。同時也使這些企業(yè)由勞動密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)向技術(shù)和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變，市場前景廣。1.2.4液位檢測技術(shù)和設(shè)備應用的現(xiàn)狀一、可見光檢測法可見光檢測屬于機器視覺檢測法，它是指對能夠反映液位情況的視覺圖像進行分析處理,得出液位信息的方法。從目前國內(nèi)外研究來看,使用可見光檢測液位的系統(tǒng)一般由四部分組成:可見光源、CCD攝像頭、圖像處理芯片以及相應的圖像處理軟件,如圖1-1所示。圖1-1可見光檢測法示意圖由LED發(fā)光二極管組成的閃光系統(tǒng)提供高質(zhì)量的閃光源,對透明或半透明的液體閃光源使用透射光,對不透明的液體使用反射光,配以特殊的光學鏡頭系統(tǒng),CCD就能夠采集到具有明顯分界面的液位圖像，CCD攝像機把從生產(chǎn)線上拍攝的瓶體通過光學成像和數(shù)字化轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像；由圖像處理芯片或工業(yè)計算機對此數(shù)字圖像進行處理,比如可能經(jīng)過預處理、圖像分析、特征提取、圖像識別等過程，最終得到與液位相關(guān)的結(jié)果。這種方法理論上思路清晰，能夠準確獲知液位值并進行判別。研究的熱點和難點在于圖像處理和液位識別的算法。目前相關(guān)的公開論文，大多對固定位置的瓶體進行檢測，且處理算法多用傳統(tǒng)的經(jīng)典理論，這種使用可見光源的檢測方法不能用于透明度較低或不透明的瓶體。二、紅外線檢測法利用液體對紅外線的吸收能力，可以精確地檢測液位。這種方法一般需要兩組紅外光電檢測器(對射式紅外光電管)來檢測過高和過低液位的瓶子并把它們剔除出來,如圖1-2所示。a.檢測過高液位的傳感器b.檢測過低液位的傳感器圖1-2紅外光電檢測器兩組檢測器的位置確定了液位測量的范圍，圖a上方的那組傳感器確定了高液位的限度，當瓶子中液體的高度高于這個限度時，傳感器發(fā)出的紅外線被吸收，相應的紅外接收管輸出一高電平信號，通知控制電路檢測到一個高液位瓶；同理，圖b下方的那組傳感器確定了低液位的限度，當瓶子中液體的高度低于這個限度時，傳感器發(fā)出的紅外線就不會被吸收，相應紅外接收管輸出低電平，通知控制電路檢測到一個低液位瓶。紅外線傳感器檢測方法安裝簡便，容易實現(xiàn),生產(chǎn)效率高"但是，這種方法只能被動地對液位是否合格進行判斷,無法準確得知液位數(shù)值。另外，由于紅外線的波長比可見光還長，因而這種對射式檢測不能用于金屬瓶體。三、紅外熱成像檢測法任何溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線，物體的溫度與其所發(fā)出的紅外輻射能量強度成比例，利用紅外熱像儀將物體輻射的功率信號轉(zhuǎn)換成與物體表面熱分布相應的熱像圖。如果對灌裝好的易拉罐短時間加熱，罐頭壁的溫度將有兩個不同的區(qū)域：罐頭壁的下部分由于盛放飲料,熱量被飲料吸收,溫度變化較??；罐頭壁的上部分由于沒有飲料,溫度上升較多。這樣，罐頭壁下部分的溫度低于上部分的溫度，兩部分溫度的分界線就是液位。紅外成像器把罐頭的熱成像圖照下來,得到一張灰度圖像。由于灰度與溫度之間存在著確定的對應關(guān)系，因而通過對灰度圖像進行處理，得到圖像中灰度變化的分界線,從而得到液位。這種方法理論上對包裝材料沒有要求"但是對環(huán)境溫度的影響苛刻,并且在目前技術(shù)條件下，紅外成像的精度有待提高。四、高頻電磁波檢測法這種方法也是利用物質(zhì)對電磁波的吸收原理。當電磁波通過介質(zhì)時,由于吸收導致的能量減少服從朗伯-貝爾定律。即式中N-介質(zhì)的分子數(shù)；L-介質(zhì)的吸收系數(shù)；-電磁波入射波強；-電磁波出射波；采用這種方法,在瓶體的兩側(cè)設(shè)置一對高頻傳感器,電磁波從一端發(fā)出,經(jīng)過空氣、瓶體(玻璃或PET塑料)和液體這些介質(zhì)后到達另一檢測端。由于檢測的是液體的體積，所以灌注后瓶子中產(chǎn)生的氣泡不會對檢測精度產(chǎn)生影響，但是由于金屬包裝對電磁波的屏蔽作用，此方法不能應用于金屬罐裝飲料的檢測。五、超聲波檢測法超聲波與聲波本質(zhì)相同，都是物體的機械振動在彈性介質(zhì)中傳播所形成的機械振動波。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz~20000Hz。超聲波是指頻率在、不能引起正常人聽覺反應的機械振動波。超聲波的反射和折射遵守幾何光學規(guī)律,液位檢測正是利用這一性質(zhì)。超聲波液位檢測方法有很多,其中應用較廣的是脈沖回波法。其基本工作原理是：脈沖信號激勵超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲波，超聲波通過介質(zhì)傳到兩種不同介質(zhì)的分界面,由于兩種介質(zhì)(比如液體與空氣)的密度相差懸殊，超聲波幾乎全部被反射形成反射波,反射波再經(jīng)介質(zhì)傳回超聲波接收器,接收器將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后根據(jù)超聲波從發(fā)射到接收所需的時間及超聲波在介質(zhì)中傳播速度來計算出液位的高度。由于超聲波在液面附近可能產(chǎn)生多重反射和干涉現(xiàn)象，并且超聲波傳播速度受空氣溫度的影響很大，因此此方法需要復雜的數(shù)據(jù)處理算法,并且造價較高。六、X射線檢測法X射線能夠穿透包括金屬在內(nèi)的物體。強度均勻的射線照射被檢物體時,由于發(fā)生吸收等相互作用而使能量產(chǎn)生衰減。當射線通過被檢物體時,物體中不同結(jié)構(gòu)特征的部位(如瓶子中的飲料部分與空氣部分)對射線的吸收能力不同,因此，可以通過檢測透過被檢物體后的射線強度的差異,來判斷被檢測物體的結(jié)構(gòu)特征,這是X射線檢測的基本原理。射線被接收以后的處理有兩種方式。一種是進行電路分析，利用射線激發(fā)閃爍物質(zhì)發(fā)出光電子，經(jīng)光電倍增后輸出脈沖電流,經(jīng)過對脈沖進行電路分析獲得射線能量信息，這種方式較為復雜。另一種是將射線強度轉(zhuǎn)化成灰度圖像進行顯示分析，直觀的反映物體信息，這一種方式又叫X射線成像技術(shù)。嚴格的說，X射線成像技術(shù)也是機器視覺技術(shù)的一種。使用X射線成像技術(shù)進行無損檢測,對環(huán)境要求低,檢測精度較高,是當前研究的熱點。由于X射線對金屬的穿透性，在金屬包裝檢測上具有獨到的優(yōu)勢，目前在安全檢測、食品檢測、工業(yè)探傷等領(lǐng)域應用廣泛。不同的方法其特性各異，適用于不同的場合。光學檢測，基于圖像處理技術(shù)，理論上思路清晰，但僅適用于透明或半透明的瓶體。紅外線檢測，不能準確獲得液位數(shù)值，且不能適用于金屬瓶體。紅外熱成像法，測試條件較為苛刻，易受環(huán)境溫度影響。高頻法也不能用于金屬瓶體檢測。超聲波法算法復雜，造價較高。射線檢測(以X射線成像技術(shù)為基礎(chǔ))可以檢測金屬包裝，但需要設(shè)計合適的圖像處理算法。1.2.5承擔人概況中山職業(yè)技術(shù)學院是一所省市共管、以市為主，面向社會，面向市場，培養(yǎng)高端技能型人才的公辦全日制普通高等學校?；I建于2005年，2006年6月正式掛牌成立，2010年6月順利通過教育部人才培養(yǎng)工作評估。學院占地面積620畝，建筑面積19.2萬平方米。校園環(huán)境幽雅、文風濃郁、設(shè)施齊全，擁有各類圖書共計86.9萬冊。學院設(shè)有機電工程系、電子信息工程系、計算機工程系、經(jīng)濟管理系、藝術(shù)設(shè)計系、化學工程系、基礎(chǔ)教學部和思想政治理論課教學部，實施“一鎮(zhèn)一品一專業(yè)”專業(yè)布局，建成了與當?shù)禺a(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的33個專業(yè)。擁有中央財政支持的重點建設(shè)專業(yè)2個，省重點專業(yè)2個，省重點培育專業(yè)2個，電梯維護與管理、燈具設(shè)計與工藝、創(chuàng)業(yè)管理是全國高職高專首開專業(yè)。學院現(xiàn)有全日制學生7000余人，成人教育在籍學生近5600人，畢業(yè)生就業(yè)率連續(xù)五年超過98%，居省內(nèi)高校前列。2008至2010年學院師生專利授權(quán)量均居廣東高職院校第一名。堅持學歷教育與技能培訓并重思路辦學，為中山市經(jīng)濟社會發(fā)展提供人才支撐；積極開展對外合作辦學，先后和英國、澳大利亞、德國等多個國家知名大學建立合作關(guān)系。學院大力實施高級人才引進工程、教授+技師培養(yǎng)工程、專任教師工學結(jié)合工程、骨干教師國際化培訓工程和能工巧匠落戶工程，擁有330余名專任教師，和以世界級手模大師馬樂山、明陽風電集團董事長張傳衛(wèi)等為代表的逾百名客座教授。學院積極探索“政校企合作”人才培養(yǎng)模式，是省教育綜合改革試點。與200余家企業(yè)深度合作，引進30家市內(nèi)行業(yè)協(xié)會入校辦公，與多個鎮(zhèn)區(qū)共建產(chǎn)業(yè)學院。大力推進產(chǎn)學研一體化，服務地方經(jīng)濟與社會發(fā)展，組建了7個市級應用技術(shù)研究所，80多名教師成為省、市級科技特派員，首期投資1.3億元的工業(yè)中心項目已啟動建設(shè)。學院自覺踐行科學發(fā)展觀要求，按照強化內(nèi)涵建設(shè)、深化教育教學改革、建設(shè)和諧校園的整體思路，遵循質(zhì)量立校、人才強校、創(chuàng)新名校的治校方略，為建設(shè)“特色鮮明、國內(nèi)一流”的現(xiàn)代化高職院校而努力。1.3研究內(nèi)容，技術(shù)方案、方法和技術(shù)路線的選擇等1.3.1具體研究開發(fā)內(nèi)容本項目具體研究開發(fā)的內(nèi)容如下：一、用于液位檢測的X射線成像系統(tǒng)本文闡述了X射線成像設(shè)備的工作原理,分析了X射線下金屬罐裝飲料液位圖像特點,試驗研究了圖像灰度與管電壓、管電流的關(guān)系,選取了合理的X射線成像系統(tǒng)參數(shù)。在分析X射線圖像噪聲來源的基礎(chǔ)上,論文提出基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡的降噪濾波方法,試驗表明該方法較好地彌補了經(jīng)典濾波方法的不足。二、基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡的X射線圖像處理方法鑒于圖像法液位測量中傳統(tǒng)標定方式的不足,根據(jù)研究對象的形體特征,論文提出一種依據(jù)實際距離比例對應像素距離比例關(guān)系的標定方法。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于Canny方法的X射線液位檢測新算法,即在改進Canny邊緣檢測過程的基礎(chǔ)上,進行基于曲線擬合的液位邊緣連接,利用統(tǒng)計方法提取液位信息"論文還提出一種基于Hough變換的瓶體傾斜輪廓自動校正方法,提高了液位檢測算法的抗干擾性。三、X射線液位檢測算法設(shè)計了一種基于Canny方法的X射線液位檢測新算法。該算法在Canny邊緣檢測的基礎(chǔ)上,進行基于曲線擬合的液位邊緣連接,利用統(tǒng)計方法提取瓶體直徑和液頂距離,依據(jù)比例標定法進行比例運算,得到液位檢測結(jié)果。四、建立了X射線液位檢測系統(tǒng)試驗利用實驗室的試驗系統(tǒng),對X射線液位檢測算法進行準確性試驗,結(jié)果表明該液位檢測算法能夠適應生產(chǎn)線的在線檢測環(huán)境,具有一定的抗干擾性,基本滿足當前生產(chǎn)線的檢測需求"通過算法的優(yōu)化和硬件設(shè)備技術(shù)的改進,系統(tǒng)性能將會更加完善。在瓶體隨著勻速行進的傳送帶流動過程中,可能出現(xiàn)多種狀態(tài)。本項目針對下列幾種主要情形進行試驗:液位平靜狀態(tài)：這是處于勻速運動中最常見的液面狀態(tài)。當瓶體所在傳送帶位置為非水平區(qū)域時,可能出現(xiàn)瓶體傾斜現(xiàn)象。(2)液位起伏狀態(tài)：當流動中的瓶體勻速運動狀態(tài)發(fā)生改變,或存在瞬間的非零加速度時,液位會發(fā)生起伏現(xiàn)象,也可能同時發(fā)生瓶體傾斜。1.3.2.采用的研究方法，技術(shù)路線的選擇1、本項目采用研究方法為保證課題能沿著正確的研究方向進行。擬采取的研究方法從整體看，本著“提出問題→分析問題→解決問題”的邏輯順序，運用實證分析和理論分析相結(jié)合、實證分析和比較分析相結(jié)合、靜態(tài)分析和動態(tài)分析相結(jié)合以及定量分析和定性分析相結(jié)合等研究方法。具體的研究方法如下：①調(diào)研法對廣東省，特別是對珠三角地區(qū)飲料、啤酒行業(yè)進行廣泛、細致的實地調(diào)查。了解當?shù)仫嬃瞎扪b生產(chǎn)方式。與合作企業(yè)積極溝通了解他們對灌裝液位檢測設(shè)備的要求。②文獻研究法通過中山職業(yè)技術(shù)學院圖書館搜索中國期刊網(wǎng)和維普網(wǎng)相關(guān)科技文獻，了解國內(nèi)關(guān)于該項技術(shù)最新研究成果，在課題研究過程中，可將最新技術(shù)借鑒或應用與該設(shè)備的研制③討論法課題組成員與合作方技術(shù)人員定期召開小型討論會分享和交流近期工作成果。通過與合作廠方代表定期交流可及時了解客戶的訴求，可保證課題的研究一直按照學校和企業(yè)的共同目標進行。④實驗法對于新的方案設(shè)計，在采納之前盡量進行相關(guān)實驗了解新方案的工作效果，以確保方案的可行性。二、項目研究進程與主要工作2.1用于液位檢測的X射線成像系統(tǒng)自20世紀70年代以后，X射線成像檢測技術(shù)得到了快速發(fā)展，X射線實時成像檢驗技術(shù)開始廣泛應用于工業(yè)探傷、管道檢測、焊縫檢測、醫(yī)學透視、印刷電路等方面。在X射線液位檢測系統(tǒng)中，X射線成像系統(tǒng)是液位圖像的采集裝置，它完成用X射線對待檢測產(chǎn)品的實時透射成像，繼而輸出至工業(yè)計算機進行數(shù)據(jù)處理和液位檢測。2.1.1X射線的特性X射線是在1895年由德國物理學家倫琴.威廉.康拉德(W.K.Rontgen)發(fā)現(xiàn)的，因此又叫倫琴射線。X射線是由高速運動的電子撞擊金屬靶時急劇減速，動能轉(zhuǎn)換為電磁輻射而產(chǎn)生，所以X射線和可見光、無線電和射線一樣，也是一種電磁波，其在電磁波譜中的位置如圖2-1所示。圖2-1電磁波譜圖電磁波在空間傳播時滿足：（2-1）其中為波長，為頻率，C為電磁波在真空中的傳播速度，為。X射線對人眼不可見，但它能穿透一般可見光不能穿透的物質(zhì)。X射線的特性可以用量和質(zhì)來體現(xiàn)。射線的量往往用射線強度來表示，而射線的質(zhì)則用射線的硬度表示。射線強度指單位時間內(nèi)在垂直于射線傳播的方向的單位面積上所通過射線的能量。它取決于單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向上單位面積的光子數(shù)與每個光子能量兩個因素。對于由相同能量光子組成的單色譜,其強度為：(2-2)其中：N為每秒鐘通過單位面積的光子數(shù)，為光子能量。射線硬度衡量光子能量及穿透性的大小。由式(2-1)、(2-2)可知，波長較短的X射線，其光子能量大，穿透物體的能力強，稱為硬X射線。相對的，波長較長的X射線光子能量小，穿透能力相對較弱，稱為軟X射線。X射線劃分只是相對而言，沒有嚴格的科學區(qū)分。通常按照產(chǎn)生的管電壓的不同將X射線分為軟X射線(10~50KV)和硬X射線(大約在50~300KV)。應用X射線對物質(zhì)進行檢測時需要根據(jù)具體的檢測對象選擇X射線的能量，若被檢測物質(zhì)密度、厚度較大時,應選用能量較大、穿透能力較強的硬射線；當被檢測物質(zhì)為輕質(zhì)金屬或非金屬物質(zhì)時,應選用較軟的射線。在液位檢測中一般使用軟X射線。2.1.2X射線與物質(zhì)的相互作用X射線和其它電磁波一樣，能產(chǎn)生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等現(xiàn)象，當X射線穿透物質(zhì)時，與原子中的電子、原子核、帶電粒子的電場以及原子核的介子場發(fā)生相互作用，由于這種相互作用而導致強度減弱。在與物質(zhì)相互作用過程中引起強度減弱主要有兩種原因:吸收與散射。吸收是一種能量轉(zhuǎn)換過程，X射線穿透物質(zhì)時都會被部分吸收，其強度將逐漸衰減；吸收的程度與物質(zhì)的組成!密度和厚度有關(guān)。射線的能量被物質(zhì)吸收后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿绕渌问降哪芰俊＿@種能量轉(zhuǎn)化主要包括光電效應、俄歇效應和電子對效應。散射過程則僅使射線的傳播方向改變，射線的能量形式和本質(zhì)不發(fā)生變化。X射線散射的過程又可分為兩種，只引起X射線方向的改變，不引起能量變化，這種散射稱為相干散射，這是X射線衍射的物理基礎(chǔ)；既引起X射線光子方向改變，也引起其能量改變的散射，稱為不相干散射或康普頓散射或康普頓效應，此過程同時產(chǎn)生反沖電子(光電子)。2.1.3X射線的衰減規(guī)律1、距離引起的衰減X射線屬于電磁波，它服從電磁波在空間的衰減規(guī)律。設(shè)X射線源為點0，在以0點為中心而半徑不同的各球面上的X射線強度與距離(半徑)的平方成反比，此即平方反比定律。嚴格的說，平方反比定律只有在真空傳播中才能成立。實際中由于空氣引起的衰減甚微，在一般射線檢測中可以按照真空環(huán)境對待。2、物質(zhì)引起的衰減當X射線穿透物質(zhì)時，由于射線和構(gòu)成物質(zhì)的原子相互作用而產(chǎn)生吸收和散射的衰減，稱為物質(zhì)引起的衰減，如圖2-2所示。圖2-2X射線的衰減X射線檢測正是基于了物質(zhì)對射線的衰減特性。強度均勻的射線照射被檢物體時，由于發(fā)生吸收等相互作用而使能量產(chǎn)生衰減，衰減程度與射線的能量(波長)以及被穿透物體的厚度和密度等結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。當特定強度的射線通過被檢物體時，物體中不同結(jié)構(gòu)特征的部位(如瓶子中的飲料部分與空氣部分)對射線的衰減不同，因此通過檢測透過被檢物體后的射線強度的差異，來判斷被檢測物體的結(jié)構(gòu)特征，這就是X射線透視檢測的基本原理。2.2X射線實時成像器件X射線實時成像系統(tǒng)能實時地檢測被檢測物件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大小和位置分布等方面的信息，實時、快速、動態(tài)的評價被測物件的質(zhì)量，是當前無損檢測自動化技術(shù)中較為成功的一種技術(shù)。目前，X射線實時成像系統(tǒng)一般是利用X射線源透射被檢物件，在熒光屏或圖像增強器上成像，通過工業(yè)攝像機進行攝像，將圖像視頻輸入到計算機顯示到屏幕上，以便后續(xù)根據(jù)圖像信息進行物件質(zhì)量信息判定。這種系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，主要包括X射線機(X射線源)、圖像增強器、攝像機和圖像顯示系統(tǒng)。圖2-3典型X射線實時成像系統(tǒng)的組成器件2.2.1X射線機X射線機是產(chǎn)生射線的部件，它的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的成像效果。目前工業(yè)檢測中的X射線機大多采用高壓電激發(fā)射線管產(chǎn)生射線的方式，從結(jié)構(gòu)上看X射線機由X射線管、高壓發(fā)生器、冷卻器等部分組成。其中，X射線管是核心部件，如圖2-4所示，它由陰極、陽極、高真空玻璃管和防護外殼組成。圖2-4X射線管結(jié)構(gòu)示意圖陰極是一加熱燈絲，耐高溫的靶是陽極，X射線管工作時，陰極接負高壓，陽極帶正電壓或接地，燈絲在電流加熱下發(fā)出熱電子，這些熱電子在管電壓形成電場的作用下聚焦并高速轟擊到陽極靶面上，X射線光子發(fā)出，從射線管的窗口發(fā)射出去，形成X射線。管電壓和管電流是衡量X射線機性能的主要技術(shù)指標，決定了產(chǎn)生射線的硬度(穿透性)和強度。課題中的X射線機是丹東萬全無損檢測儀器廠的XGF-604型X射線機，其主要參數(shù)見下表2-1。表2-1X射線發(fā)生器參數(shù)表技術(shù)指標性能參數(shù)技術(shù)指標性能參數(shù)外部尺寸X射線管管電壓15~60kv連續(xù)可調(diào)輸入220V50HZX射線管管電流0.1~4mA連續(xù)可調(diào)最大消耗功率280WX射線出射角60°2.2.2圖像增強器X射線圖像增強器(ImageIntensifier)能將低密度的X射線圖像轉(zhuǎn)化為可見光圖像輸出，并使其輸出面的亮度大幅提高。如圖2-3所示,它主要由射線窗口、輸入屏(包括熒光面和光電面)、聚焦電極和輸出屏構(gòu)成。在圖像增強器中完成X射線)可見光-電子-可見光的轉(zhuǎn)換過程。入射的X射線影像由輸入屏的熒光面轉(zhuǎn)換成可見光影像，再由光電面上的光電陰極物質(zhì)轉(zhuǎn)換成電子影像；光電子在光電陰極、聚焦電極共同形成的靜電透鏡作用下加速、聚焦，在輸出屏上高能電子轉(zhuǎn)換成可見光影像。由于光電子在靜電場獲取能量，電子速度和動能大大增加，且輸入屏面積大于輸出屏，光密度增加，從而使其輸出影像亮度比普通熒光亮度大大提高。影像增強器與CCD攝像機相配合，將射線圖像采集方式從傳統(tǒng)的熒光屏式底片成像中解放出來，實現(xiàn)了透視亮度自動調(diào)節(jié)，降低了X線劑量，并可使圖像通過圖像采集卡傳送至計算機中實時觀察、顯示，擴展了X射線在工業(yè)上的應用范圍。本試驗中使用的是法國泰雷茲電子器件公司6英寸屏TH9466HP型圖像增強器，技術(shù)參數(shù)和性能指標如表2-2所示。表2-2TH9466HP型圖像增強器光電特性參數(shù)表技術(shù)指標性能參數(shù)技術(shù)指標性能參數(shù)外部直徑（外徑）極限分辨率48Lp/cm輸出圖像直徑15mm對比度17:1入射野尺寸36mm2.2.3CCD攝像機CCD攝像機是工業(yè)圖像采集領(lǐng)域的常用器件，其主要由光學鏡頭、CCD傳感器以及輸出電路組成。其中CCD傳感器是核心部件。電荷藕合器件圖像傳感器CCD(ChargeCoupledDevice)由一種高感光度的半導體材料制成的光電轉(zhuǎn)換器件，CCD由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等部分組成,其突出特點是以電荷作為信號載體，當入射光照射到CCD光敏單元上時，光敏單元中將產(chǎn)生光生電荷，所有的光敏單元所產(chǎn)生的電信號組合在一起，就構(gòu)成了一幅/以電荷為像素內(nèi)容的圖像。CCD傳感器分為線陣式CCD和面陣式CCD。線陣式CCD用于高分辨率的靜態(tài)照相機，它每次只拍攝圖像的一條線，這與平板掃描儀掃描照片的方法相同，這種CCD精度高，速度慢，無法用來拍攝移動的物體，也無法使用閃光燈。面陣式CCD，它的每一個光敏元件代表圖像中的一個像素，當快門打開時，整個圖像一次同時曝光，適合于動態(tài)攝像。本研究選用敏通公司的1/2英寸面陣CCD攝像器件MS-2821E黑白攝像機，配置日本COMPUTAR生產(chǎn)的H620812M電動三可變光學鏡頭，接收射線增強器的可見光圖像，轉(zhuǎn)變成模擬視頻信號輸出。該視頻信號可以在模擬顯像管中直接顯示，也可以經(jīng)過數(shù)字化以后輸入計算機進行處理。MS-2821E攝像機性能參數(shù)如表2-3所示。技術(shù)指標性能參數(shù)技術(shù)指標性能參數(shù)外形尺寸伽瑪修正0.45影像傳感器1/2英寸視頻輸出1.0Vp-p75有效像素信噪比0~20dB總像素電源12伏信號系統(tǒng)CCIR直流210mA掃描系統(tǒng)625線，60場/秒視頻接口BNC芯片大小2.2.4圖像采集卡由CCD攝像機輸出的模擬視頻信號需要經(jīng)過圖像采集卡完成數(shù)字化過程，才能進入計算機。視頻信號首先經(jīng)抗混疊濾波；然后根據(jù)應用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，用采樣/保持電路對此模擬信號在時域/空域進行間隔采樣；再由A/D轉(zhuǎn)換器進行量化編碼成數(shù)字序列，這些數(shù)字序列通過PCI接口傳送至計算機的先入先出(FIFO)存儲器，程序從FIFO中讀取數(shù)字序列,按照采集時的行列規(guī)則重新組合，形成二維數(shù)字圖像。本研究中采用加拿大Matrox公司的的標準型MeteorIIStandard圖像采集卡，此采集卡支持NTSC/PAL/RS-170/CCIR輸入模式，彩色/黑白PCI采集，7路視頻輸入，4MB視頻傳輸緩存，可選MJPEG實時壓縮模塊，并具有觸發(fā)功能。通過采集卡上的VIA(VideoInterfaceASIC)可實現(xiàn)攝像機圖像到計算機內(nèi)存的可靠實時傳送,最高傳輸速率可達到132Mb/s。在采集過程中，由于采集卡傳送數(shù)據(jù)采用PCIMasterBurst方式，圖像傳送幾乎不占用CPU時間，留給CPU更多的時間用于圖像的運算與處理。為了能獲得清晰圖像，本研究對圖像采集卡進行了如下設(shè)置：設(shè)置輸入信號模式為：PAL制；設(shè)置輸入信道觸發(fā)模式為：外部觸發(fā)；設(shè)置圖像掃描方式：隔行掃描；設(shè)置圖像顯示方式：按幀顯示；設(shè)置圖像保存格式：BMP格式；設(shè)置采集窗口的范圍：760×500(pixel)。2.3X射線液位圖像獲取2.3.1X射線液位圖像的特征分析一瓶355ml聽裝飲料(易拉罐)經(jīng)過X射線照射，圖像增強器將其投影轉(zhuǎn)換為可視光信號，再由CCD攝像機獲取圖像進入計算機。在計算機屏幕上觀察到的數(shù)字圖像如圖2-5(以液位線為中心進行了截取)?？梢姡渚€透射下的液位圖像灰度較暗，對比度不高，而且噪聲干擾嚴重，圖像比較模糊，有黑或白的閃點。噪聲主要是在圖像采集過程中由圖像增強器和CCD攝像機產(chǎn)生或引入的，這在射線成像的過程中不可避免。圖2-5X射線液位圖像在圖像的內(nèi)容上，呈現(xiàn)灰度差異的幾個部分分別是背景、瓶體邊緣、瓶中空部、瓶中液體，各個部分影像的灰度差別是由于它們材質(zhì)或數(shù)量的差異。液體部分對射線的衰減較大；空氣部分，吸收X射線的材料僅是瓶子的兩層鋁壁，對射線的衰減相對較小，此部分的灰度與背景接近;瓶子的兩側(cè)邊緣與射線方向相切，瓶子頂蓋與射線方向平行，在這些部位射線透射的鋁材較厚，衰減較大，因而灰度較暗。對于液位檢測來說，圖像的邊緣信息是分析處理的重要依據(jù)。在液位圖像中，視覺上可以分辨的邊緣包括瓶體(包括側(cè)邊和頂蓋)與背景的邊緣、液體與空氣的邊緣(即液位線)、頂蓋的下邊界等。經(jīng)過觀察不難發(fā)現(xiàn)，這些邊緣主要呈現(xiàn)水平或豎直方向，這一點與實際情況相符。不過，這些邊緣都受到噪聲的干擾，總體上比較模糊，尤其是液位線，噪聲干擾較為突出。值得注意的是，從射線液位圖像中也可發(fā)現(xiàn)，除了由于實際物體的邊界產(chǎn)生的邊緣，以及可以辨別的噪聲以外，不存在其他明顯的紋理信息，背景和液體影像內(nèi)部的灰度分布較為均勻。2.3.2管電壓與管電流的設(shè)定X射線管的管電壓和管電流直接決定了所產(chǎn)生射線的硬度和強度，因而不同的管電壓和管電流也就會導致背景圖像灰度的差別。為了達到液位檢測的目的，需要利用圖像中各個部分的灰度特征，提取相關(guān)邊緣信息。若能通過設(shè)置合理的成像系統(tǒng)參數(shù)，如X射線管的管電壓、管電流等，可以使各部分的灰度差異最大化，或最大限度呈現(xiàn)出其有利于液位檢測的特征，就可以減少后期分析處理時間，提高系統(tǒng)的檢測效率。需要說明的是管電壓和管電流并非相互獨立的參數(shù)。根據(jù)X射線管的燈絲發(fā)射特性曲線和陽極特性曲線，管電流除了與燈絲加熱電流有關(guān)，也與管電壓相關(guān)。對于一定的燈絲加熱電流，較低的管電壓只能得到較低范圍的管電流。根據(jù)檢測對象的材質(zhì)特征，射線管的發(fā)生電壓控制在0~30KV，管電流控制在0~2mA范圍內(nèi)。在調(diào)節(jié)管電壓和管電流時，既要盡量增大圖像對比度，又應防止因管電流或管電壓過大，使檢測產(chǎn)品發(fā)生“穿透”損失邊緣信息?，F(xiàn)分別在14KV、16KV、18KV、20KV管電壓，0.6mA、1.0mA、1.4mA、1.8mA管電流下獲取易拉罐圖像,如圖2-6所示(為便于觀察,均為4幀平均結(jié)果)。(a)14kV0.6mA(b)14kV1.0mA(c)14kV1.4mA(d)14kV1.8mA(e)16kV0.6mA(f)16kV1.0mA(g)16kV1.4mA(h)16kV1.8mA(i)18kV0.6mA(j)18kV1.0mA(k)18kV1.4mA(l)18kV1.8mA(m)20kV0.6mA(n)20kV1.0mA圖2-6不同管電壓和管電流下的液位圖像從圖2-6可以看出，管電壓和管電流都是引起圖像灰度變化的因素。管電壓影響射線的硬度，反映射線的穿透能力，在圖像上由最高灰度值(通常位于透射區(qū)域中心)體現(xiàn)。管電流體現(xiàn)射線的密度，在圖像上表現(xiàn)為灰度分布的均勻程度，同樣的管電壓下，管電流越大,相似區(qū)域灰度分布越均勻，有效透射區(qū)域越大。1.管電壓的選取管電壓反映了射線的穿透能力。在較低的電壓區(qū)間，圖像的灰度隨著電壓的增加而增加。在選擇管電壓時，應在滿足穿透要求的前提下盡量選擇低電壓值。但是，如果管電壓過低(12KV及以下)，圖像位于低灰度區(qū)，對比度低，并且對隨機噪聲非常敏感，不利于后續(xù)分析處理。雖然增加管電流能夠使圖像灰度提高，但較大的管電流產(chǎn)生密集的X射線離子，也會使圖像的弱邊緣區(qū)域產(chǎn)生失真。當管電壓增大至20KV及以上時，射線已經(jīng)完全穿透罐體的金屬壁層(圖2-6(m)、(n))，液位圖像的部分邊緣信息產(chǎn)生失真。綜合以上因素考慮，本項目對16kV管電壓、0.6-1.8mA管電流下的圖像進行分析。2.管電流的分析設(shè)定管電壓16KV，以管電流0.6mA、0.8mA、1.0mA、1.2mA、1.4mA、1.6mA、1.8mA獲取圖像，分別統(tǒng)計圖像中各部分的灰度分布，如表2-4所示。表2-416KV管電壓下圖像灰度管電流mA1.8背景118-157139-172148-189159-200166-204173-206174-206空氣111-140142-159147-171152-178156-183158-187160-188瓶邊84-11186-11992-12399-135101-144109-149118-151液體63-8973-9386-9787-10391-11191-11893-120在一定的管電壓下，當電流較低時，隨著電流的增加，圖像灰度逐漸加大；當電流較大時，圖像灰度隨電流增加的幅度逐漸趨緩。例如16KV下當電流大于1.2mA時，隨著電流增加，圖像灰度緩慢增長，背景灰度約為206。圖2-7分別表示了既定管電壓下管電流改變時圖像灰度變化情況，圖中灰度值取表2-4中灰度范圍的較大值。圖2-716kV管電壓下管電流變化的圖像灰度變化圖對圖2-7中各部分灰度作回歸分析。定義背景、空氣、瓶邊、液體的灰度變化曲線分別為f背景、f空氣、f瓶邊、f液體,管電流變化區(qū)間設(shè)定為mA,使用MATLABCurveFittingTool進行曲線擬合。選取三次多項式曲線方程為：（2-3）經(jīng)擬合得擬合的R-Square分別為0.9953、0.9989、0.9930和0.9958，擬合結(jié)果如圖2-8所示"2-816kV管電壓下圖像灰度回歸曲線由圖2-8可以觀察出圖像各部分灰度隨著管電流變化而變化的關(guān)系。為了有利于液位檢測，使|f背景-f瓶邊|和|f空氣-f液體|同時達到極大的管電流為最佳電流。觀察上圖，在管電流變化區(qū)間,|f背景-f瓶邊|和|f空氣-f液體|取得極大值的點位于[1.00.4]區(qū)間。事實上,由式(2-3)通過對多項式的導數(shù)求零值點可知，f背景-f瓶邊極大值點為x=1.1352，f空氣-f液體極大值點為x=1.1391。另外,當管電流高于1.4mA時，隨著管電流增加，圖像灰度增長逐漸微弱。由X射線機特性可知，在同等透射效果時，應盡量選擇較小的管電流(和管電壓)，從而降低射線管的工作溫度，減少射線輻射，增加射線管使用壽命。基于上述分析，本項目選擇管電壓16KV、管電流1.2mA。多次試驗表明，該參數(shù)下圖像灰度特性穩(wěn)定。2.4圖像液位檢測系統(tǒng)的原理及構(gòu)成硬件系統(tǒng)包含圖像液位檢測模塊及通信接口模塊，LCD顯示模塊等。由于圖像液位檢測模塊的制作成本過高，選擇采用現(xiàn)成的圖像液位檢測模塊。圖像液位檢測系統(tǒng)由X射線機、圖像增強器、CCD攝像機、圖像采集卡、計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、通信輸出等部分組成，圖像液位檢測系統(tǒng)從功能上主要包括數(shù)字圖像的獲取、圖像算法處理、信號輸出。2.4.1嵌入式硬件設(shè)計考慮到主模塊的開發(fā)成本過高，開發(fā)周期長。從而選擇其他廠家已有的主模塊，再在該主模塊上進行二次開發(fā)，自主設(shè)計網(wǎng)絡接口模塊與LCD顯示模塊。對本產(chǎn)品需要移植Linux操作系統(tǒng)，進行圖像處理運算量比較大等因素進行綜合考慮，本系統(tǒng)選用主芯片為S3C2440的主模塊。網(wǎng)絡接口模塊設(shè)計網(wǎng)絡接口模塊采用的是嵌入式系統(tǒng)中常用的網(wǎng)卡芯片RTL8019AS，這是一種高度集成以太網(wǎng)控制器，能實現(xiàn)簡單的Plug與Play；支持EthemetII和IEEE802.3，10Base5，l0Base2，10BaseT，并在10BaseT支持自動極性修正；支持在全雙工模式下的雙倍信道帶寬；片內(nèi)集成16KBSRAM；接口時序符合ISA總線標準，是嵌入式系統(tǒng)中最常用的網(wǎng)卡芯片。網(wǎng)絡接口模塊采用的是嵌入式系統(tǒng)中常用的網(wǎng)卡芯片RTL8019AS，這是一種高度集成以太網(wǎng)控制器，能實現(xiàn)簡單的Plug與Play；支持EthemetII和IEEE802.3，10Base5，l0Base2，10BaseT，并在10BaseT支持自動極性修正；支持在全雙工模式下的雙倍信道帶寬；片內(nèi)集成16KBSRAM；接口時序符合ISA總線標準，是嵌入式系統(tǒng)中最常用的網(wǎng)卡芯片。微處理器通過寄存器來實現(xiàn)對RTL8019AS的控制。微處理器讀寫寄存器是通過I/O尋址實現(xiàn)的，在微處理器看來，RTL8019AS的RAM與普通的RAM芯片沒有區(qū)別。因此，需要解決2個問題：寄存器在RTL8019AS的內(nèi)部RAM中定位，因為數(shù)據(jù)手冊中的寄存器都是相對于基地址的偏移量。微處理器的哪塊地址空間分配給RTL8019AS，以便讓微處理器能夠I/O尋址到它的各個寄存器。解決第一個問題的關(guān)鍵所在是要確定所有寄存器的基地址BaseAddr。而基地址是由寄存器CONFIG1(配置寄存器)的低4位(IOS0-IOS3)確定。在跳線方式下，RTLS019AS復位后CONFIG1的初始值由跳線引腳的電平?jīng)Q定，即IOS0-IOS3的值分別由RTL8019AS的81腳(IOS0)、82腳(IOS1)、84腳(IOS2)、85腳(IOS3)所接的電平?jīng)Q定。本系統(tǒng)將這4個引腳全接高電平。第二個問題比較簡單，不同的系統(tǒng)可以考慮不同的地址空間。S3C2440有8個bank，每個bank大小為128MB，總共1GB，這里將第3個bank的地方分給網(wǎng)絡芯片，即讓nGCS3接RTL8019AS的AEN引腳。解決了以上2個難點問題后，功能引腳的處理就比較容易。引腳IORB，IOWB，RSTDRV分別接到該系統(tǒng)的讀(RD)、寫(WR)、復位(RST)；引腳SMEMWB、SMEMRB是片內(nèi)RAM讀寫允許引腳，應該接到VCC；引腳IOCS16B用于8/16位模式的選擇，必須經(jīng)下拉電阻接到GND，以使RTL8019AS工作在8位模式下；RTL8019AS既可以通過雙絞線上網(wǎng)，也可以通過同軸電纜上網(wǎng)，并通過2組不同的引腳來劃分其功能。該系統(tǒng)采用的是雙絞線介質(zhì)，因此，其引腳TPOUT+、TPOUT-作為網(wǎng)絡信號的輸出分別接到FB2022的TD+、TD-信號線；而引腳TPIN+、TPIN-作為網(wǎng)絡信號的輸入分別接到FB2022的RD+、RD-信號線。其設(shè)計見圖2-9。圖2-9網(wǎng)絡芯片接口電路LCD顯示模塊設(shè)計LTV350QV-F04是三星公司推出的分辨率為320*240的TFT型液晶顯示模塊，而本硬件平臺的主芯片為S3C2440，其自帶LCD控制器。本節(jié)介紹S3C2440控制液晶顯示屏的原理及其硬件設(shè)計。S3C2440的LCD控制器的主要功能是傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號。它支持屏幕水平和垂直滾動顯示。數(shù)據(jù)的傳輸采用專門的DMA通道進行。通過對數(shù)據(jù)接口的位寬，接口時序，水平和垂直像素素數(shù)等可編程參數(shù)的調(diào)整，S3C2440可支持單色模式，4級，16級灰度顯示以及256色和4096色彩色STNLCD；支持1，2，4或8bbp調(diào)色顯示和16bbp，24bbp真彩色TFTLCD。并且支持多種不同尺寸的液晶屏。LCD控制器主要輸出接口說明如下：VD[0:23]：LCD顯示數(shù)據(jù)輸出端口；VCLK：LCD時鐘信號；LCD_PWREN：LCD電源能控制信號；VFRAME/VSYNC：LCD幀同步信號(STN)/垂直同步信號(TFT)；VLINE/HSYNC：LCD行同步信號(STN)/垂直同步信號(TFT)；VM/VDEN：交流控制信號(STN)/數(shù)據(jù)使能信號(TFT)；LEND：行結(jié)束信號(TFT)。LTV350QV-F04液晶模塊由TFTLCD屏、驅(qū)動IC、控制電路和背光電路組成。圖2-10給出S3C2440和LTV350QV-F04之間的接口連接圖。圖2-10S3C2440與LTV350QV-F04接口圖S3C2440視頻數(shù)據(jù)端口與LTV350QV的RGB數(shù)據(jù)端口相連。S3C2440支持5：6：5(R：G：B)和5：5：5：1(R：G：B：I)兩種格式，其中I為強度信號。本設(shè)計采用5：6：5格式，藍色視頻信號由VD[3：7]輸出，綠色視頻信號VD[10：15]輸出，紅色視頻信號由VD[19：23]輸出。VD[2]和VD[18]并不實際輸出視頻信號，但它們的值影響實際的液晶顯示。S3C2440的LCD控制端口與LTV350QV的控制信號端口相連，這些信號為液晶提供操作時序。S3C2440所提供的信號必須與液晶所需時序相一致才能使液晶正常工作。在數(shù)據(jù)和控制接口的連接口要注意走線長度不能太長，否則液晶有可能不能正確顯示圖像。2.5.基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡的X射線圖像處理方法2.5.1脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡人工神經(jīng)網(wǎng)絡是根據(jù)生物神經(jīng)元的特性而構(gòu)成的，用來模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)各種信息的處理。20世紀0年代發(fā)展起來的脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(PulseCoupledNeuralNetworks,簡稱PCCN)模型，來自于Johnson和Eckhorn等對貓的視覺皮層神經(jīng)元脈沖同步發(fā)放現(xiàn)象的研究，是模擬視覺神經(jīng)細胞活動而得到的人工神經(jīng)元模型。PCNN為單層模型神經(jīng)網(wǎng)絡，不需要訓練過程即可實現(xiàn)模式識別等信息運算，因而適合圖像的實時處理環(huán)境。該模型還具有對圖像二維空間相似、灰度相似的像素進行分組的特點，并能減小圖像局部灰度差值，在圖像處理中表現(xiàn)出良好的應用性能。關(guān)于PCNN理論的研究正在逐步深入。2.5.2基于PCNN的X射線圖像去噪濾波噪聲對圖像信號幅度和相位的影響十分復雜，噪聲根據(jù)其表現(xiàn)形式分為高斯噪聲、瑞利噪聲，以及脈沖噪聲、連續(xù)噪聲等。要減少圖像中的噪聲，必須針對具體情況根據(jù)噪聲本身特性采用不同方法。2.5.2.1X射線圖像的噪聲根據(jù)X射線成像系統(tǒng)的工作原理，射線圖像的噪聲主要是在圖像采集過程中由圖像增強器和CCD攝像機產(chǎn)生或引入的。圖像增強器的噪聲主要分為兩類:電子噪聲和離子噪聲。電子噪聲是圖像增強器正常工作期間由光子流和光電子流所固有的隨機性啟發(fā)產(chǎn)生的噪聲，其表現(xiàn)特征為整幅圖面上基本均勻的細微離子蠕動。離子噪聲也稱為雪花噪聲，它基本存在于設(shè)計制造不盡完善的圖像增強器中,其表現(xiàn)為如片雪花似的噪聲的漂浮圖像畫面上，并在它出現(xiàn)處顯著改變圖像的細節(jié)結(jié)構(gòu)。綜合而言，這兩類噪聲最顯著的表現(xiàn)就是在圖像畫面上疊加的在時間和空間上隨機閃爍的脈沖顆粒。CCD攝像機在電荷產(chǎn)生!存儲和轉(zhuǎn)移過程中引入了噪聲,這些噪聲影響信號再現(xiàn)的精度，是影響CCD成像質(zhì)量的主要參數(shù)。主要存在兩類：熱噪聲和光電子噪聲。熱噪聲是在阻性器件中由于導電載流子隨機熱運動而造成的電子噪聲，它存在于所有電子器件和傳輸介質(zhì)中，因溫度變化而產(chǎn)生，但不受頻率變化的影響，這種噪聲從零頻率直到很高的頻率之間分布一致,一般這種噪聲稱為高斯白噪聲。光電子噪聲是由光的統(tǒng)計本質(zhì)和CCD圖像傳感器中光電子轉(zhuǎn)換過程引起的。在弱光照的情況下,其影響更為嚴重,常用具有泊松密度分布的隨機變量作為光電子噪聲的模型。在光照較強時,泊松型分布趨向更易描述的高斯分布。根據(jù)上述分析,X射線圖像中，電子噪聲和離子噪聲主要表現(xiàn)為顆粒狀的脈沖噪聲。而在本文采集實驗設(shè)定的采集條件下，圖像的光照條件較強，圖像的對比度較為穩(wěn)定，此時CCD噪聲的數(shù)學表現(xiàn)形態(tài)為近似高斯白噪聲。傳統(tǒng)去噪方法1.時域平均(多幀平均)在射線成像過程中由于電子器件(圖像增強器和CCD攝像機等)固有的電子離子運動屬性產(chǎn)生噪聲作用，屏幕上顯示的圖像模糊、有跳躍的雪花狀噪聲。這種噪聲具有明顯的隨機性,一般認為其符合均值為0、互不相關(guān)的加性噪聲描述。通過時域的多幀平均,可以實現(xiàn)縮小噪聲強度。對M幀圖像取平均可把噪聲方差減小到1/M。在圖像中目標保持靜止狀態(tài)時，M越大,平均圖像越接近理想圖像。圖3-1表示了多幀平均的效果。(a)含有雪花狀噪聲的圖像(b)4幀平均后圖3-1多幀平均的圖像但是,多幀疊加方法要求在目標保持靜止時進行多幀的采集,在目標物體不能保證絕對靜止的情況下,采集多幀進行平均運算可能造成圖像邊緣模糊。另外,這種方法所需的處理時間主要決定于圖像采集卡連續(xù)采集M幀信號所需要的時間,因而不適用于實時性較強的場合。在生產(chǎn)線的液位檢測中,產(chǎn)品隨傳送帶快速流動,不能滿足多幀采集的要求；雖然理論上可以對各幀進行位移補償處理,但算法十分復雜。多幀平均法不能應用于本研究中。2.平均濾波平均濾波指在空間鄰域上進行局部線性平均運算,按鄰域模板的權(quán)值分為等權(quán)均值濾波和加權(quán)平均濾波。等權(quán)均值濾波容易給圖像帶來嚴重模糊,特別在邊緣3.中值濾波中值濾波是由J.K.Tukey提出的非線性信號處理方法,對于抑制圖像中的脈沖噪聲非常有用。中值濾波器包含一個有奇數(shù)個像素的可調(diào)節(jié)窗口,這個窗口的中心像素被窗口像素的排序后的中間序號的像素值代替。中值濾波用數(shù)學公式表示為:中值濾波使與鄰域像素灰度相差較大的點處理后能與周圍的像素值比較接近,因此可以衰減隨機噪聲。理論分析表明,對于加性脈沖噪聲(孤立噪聲),中值濾波錯誤概率和誤差幅度都要比均值濾波小。中值濾波器具有不影響階躍函數(shù)或斜坡函數(shù)的性質(zhì),對階躍型邊緣能夠保留。液位圖像邊緣處基本呈階躍邊緣,因此中值濾波器能夠較多地保留液位圖像的邊緣信息。但是,由于高斯噪聲可能影響到每個像素,中值濾波方法對于受到高斯噪聲污染的圖像恢復沒有明顯作用。綜上所述,由于自成像儀采集的X射線圖像中同時存在脈沖噪聲和高斯噪聲,若選擇單一的濾波方法,濾波效果有限,并且可能造成圖像信息損失。2.5.2.3PCNN去噪濾波算法基于PCNN濾波的基本方法是:對于幅度較小的高斯噪聲,利用PCNN網(wǎng)絡的脈沖傳播特性以同步點火區(qū)域為對象進行平滑;而對于脈沖噪聲和強度較高的高斯噪聲,利用PCNN模型實現(xiàn)噪聲點的定位,再對噪聲點進行濾除。為了實現(xiàn)對噪聲像素的定位,并且確定同步點火集群,以圖像灰度作為PCNN網(wǎng)絡的激勵,由神經(jīng)元的點火時刻建立點火時刻矩陣。設(shè)點火時刻矩陣為T,其中元素Tij是第(i,j)個神經(jīng)元的點火時刻,即T中的各元素記錄對應的神經(jīng)元首次點火的時刻"若某神經(jīng)元從未點過火,則在T中對應值為0;若在n時刻第一次點火,在T中對應點為n;若該神經(jīng)元已點過火,則T中的值保持上一次的值不變。當網(wǎng)絡迭代至所有神經(jīng)元都點過火,最后形成了PCNN的點火時刻矩陣T。由于灰度值較大的像素對應的神經(jīng)元較快點火,因而點火時刻矩陣從時間的角度非線性地反映出圖像信息。本文算法如下:(1)讀取含噪圖像I,給定鄰域權(quán)陣W、衰減系數(shù)、連接系數(shù)和閾值給出動態(tài)閾值矩陣和輸出矩陣Y,并初始化為0。(2)以圖像像素為PCNN網(wǎng)絡的外部刺激,按式(3-6)~式(3-10)對網(wǎng)絡進行迭代循環(huán)。循環(huán)過程中,在點火時刻矩陣T中記錄各元素第一次點火時的循環(huán)次數(shù)。(3)通過檢查T中是否所有元素都不為0來判斷所有神經(jīng)元都已點過火,如果是,轉(zhuǎn)入(4);否則轉(zhuǎn)(2)進行下一次循環(huán)。(4)在點火時刻矩陣T中,對每個元素,以其為中心考察3×3鄰域元素:如果9個元素相等,則在含噪的灰度圖像中,對與中心元素對應的像素進行3×3高斯模板濾波;否則,對灰度圖像對應像素進行中值濾波。本文對第二章采集得的X射線圖像設(shè)定參數(shù)為：另外,由于涉及3×3鄰域運算,對圖像中的邊緣行(列)進行單獨處理。2.5.2.4試驗結(jié)果分析對于采集的射線圖像,分別采用本節(jié)PCNN算法、3×3中值濾波及3×3高斯濾波器進行降噪處理,在Matlab7.0環(huán)境的仿真結(jié)果如圖3-2所示,其中(a)為采集得的含噪圖像,(b)為(a)的點火時刻矩陣圖像示意,(c)、(e)、(g)為對(a)濾波的結(jié)果,(d)、(f)、(h)分別表示(c)、(e)、(g)與(a)的差值示意,這三幅圖像反映濾除的噪聲。(a)待去噪圖像(b)PCNN點火時刻矩陣圖(c)PCNN濾波后圖像(d)PCNN法濾除的噪聲(e)中值濾波后的圖像(f)中值法濾除的噪聲(g)高斯濾波后的圖像(h)高斯法濾除的噪聲圖3-2對X射線圖像進行PCNN等方法去噪結(jié)果從圖3-2可以看出,對于本研究中單幀X射線圖像來說,PCNN方法的濾波效果略優(yōu)于中值濾波和高斯濾波。中值濾波對于去除圖像中的孤立噪聲效果明顯,但是,對整幅圖像進行濾波會造成平滑區(qū)域的畸變,而且對于強度微弱的高斯噪聲效果有限。高斯濾波器對高斯噪聲平滑的同時,也造成了邊緣的弱化與細節(jié)的模糊((h)圖中可以看出濾除了邊緣輪廓)?；赑CNN的濾波,由PCNN網(wǎng)絡點火和脈沖傳播過程,一方面將孤立的噪聲點定位,找到噪聲點的位置后,選用中值濾波法濾除;另一方面,通過PCNN的同步點火區(qū)域,識別灰度接近的像素區(qū)域,在區(qū)域局部進行高斯平滑,避免了對邊緣部位進行平均,因此能較好地保留邊緣信息。需要注意的是,這里對灰度接近像素區(qū)域的確定,不是從圖像灰度上得到的,而是通過PCNN的點火時刻矩陣上獲得的,由于連接系數(shù)B的存在,它包括了相鄰像素的作用。本節(jié)PCNN算法利用PCNN網(wǎng)絡將多種濾波方法綜合在一起,有針對性地使用,可以彌補只用某一濾波方法的不足,也能避免多種方法反復使用造成的圖像畸變和大運算量。另外,PCNN算法靈活性好,通過參數(shù)的調(diào)節(jié)可以進一步優(yōu)化算法。2.6圖像邊緣檢測當圖像經(jīng)過去噪濾波以后,理論上能夠最大限度地真實體現(xiàn)其所反映的內(nèi)容。如何理解圖像的內(nèi)容并獲取其中數(shù)據(jù),這就需要對圖像進一步處理。圖像的大部分信息都存在于邊緣中,因而邊緣檢測是圖像理解的一個基本手段,也是計算機視覺中模式識別算法的重要基礎(chǔ)。邊緣是兩塊灰度值相對一致區(qū)域的分界線,是梯度較大,或者灰度不連續(xù)的區(qū)域。噪聲條件下的邊緣檢測,是對圖像的每個像素判斷是否邊緣。2.6.1經(jīng)典的邊緣檢測算子1.Roberts、Sobel、Prewitt算子這是三個一階微商算子,根據(jù)各像點處的微商幅值高低體現(xiàn)邊緣強弱。Roberts梯度是一種利用局部交叉差分方法其近似計算值如下式。其中f(x,y)是具有整數(shù)像素坐標的輸入圖像。Sobel算子也是一種梯度幅值,它是在以f(i,j)為中心的3×3鄰域上計算兩個方向的偏導數(shù),并為了抑制噪聲對中心點相應加了一定的權(quán)值。圖3-8所示的兩個卷積核形成了Sobel邊緣算子,圖像中的每個點都用這兩個核做卷積,一個核對豎直邊緣響應最大,而另一個核對水平邊緣響應最大。兩個卷積的和(或最大值)作為該點的輸出。Prewitt算子和Sobel算子的原理一樣,不同的是卷積核的權(quán)值。Sobel和Prewitt算子具有一定的抑制噪聲能力,對灰度漸變和噪聲圖像處理效果較好,且能夠檢測出邊緣的方向特征"不過,它們都不能定位一個單像素的邊緣。2.6.2Canny邊緣檢測方法Canny提出了一個性能優(yōu)良的邊緣檢測器應該具備的三個指標是:1低誤判率,即盡可能少的把邊緣點誤判為非邊緣點;2高定位精度,即準確地把邊緣點定位在灰度變化最大的像素上;3單像素響應,對每個邊緣有唯一的響應,抑制虛假邊緣。據(jù)此三個指標,Canny導出了一個性能優(yōu)良的邊緣檢測算法。對于二維數(shù)字圖像,Canny算法實質(zhì)上是先用高斯函數(shù)與圖像卷積,然后以帶方向的一階微分定位導數(shù)最大值,能在噪聲抑制和邊緣檢測之間取得良好的平衡。設(shè)圖像f(x,y),二維高斯函數(shù)：與LOG算法一致的是,Canny算子也是先對圖像平滑再求梯度運算,本質(zhì)上都是根據(jù)點像素與其鄰域的灰度差別而決定其輸出值"不過,Canny算法還要利用點像素的鄰域的邊緣信息以增加或減少該點像素為邊緣點的置信度。為此,Canny提出滿足下列準則的點可確定為邊緣點:(1)該點的邊緣強度大于沿該點梯度方向上兩個相鄰像素的邊緣強度))主要作用是準確定位并控制邊緣寬度為一個像素。(2)與該點梯度方向上的相鄰兩點的梯度方向之差都小于45，給出光滑性約束,克服隨機因素的影響。(3)以該點為中心的3×3子域中的邊緣強度極大值小于某個閾值，保持邊緣強度相對一致,驅(qū)除噪聲產(chǎn)生的虛假邊緣。上述三條邊緣點判別準則中,(1)也稱為非最大值抑制。尋找邊界點還可以采用雙閾值法(又稱遲滯性閾值法):選取兩個閾值,一個高閾值T1,一個低閾值T2,如果梯度強度大于高閾值,那么一定是邊界點,如果小于低閾值,那么一定不是邊緣點。如果在高低閾值之間,就要根據(jù)它的鄰點的邊緣屬性信息確定它是否為邊緣點。對于二維圖像,Canny邊緣檢測算法一般步驟如下:(1)高斯平滑。(2)求梯度運算。用梯度算子得出每個像素的梯度幅值和方向,即邊緣的強度和方向。(3)對梯度進行“非最大值抑制”。為了準確的定位邊緣,必須對梯度幅值圖像中的“脊線”進行細化,僅保留幅值的局部極大點作為邊緣點,這個過程叫做非極大值抑制。通過非極大值抑制將在梯度方向上獲得梯度幅值最大點,達到將邊緣細化為一個像素寬的目的。(4)用雙閾值法或其他方法對經(jīng)過非最大值抑制后的梯度進行處理。經(jīng)過非最大值抑制后得到的邊緣仍舊可能存在紋理波動產(chǎn)生的虛假邊緣,它們的幅值相對較小,可以采用雙閾值法進行處理,實現(xiàn)對邊緣點的篩選。2.6.3檢測效果分析與比較使用MATLAB7.0環(huán)境,分別采用以上邊緣檢測算法編輯圖像處理函數(shù),對液位圖像進行處理。圖3-3表示了以上述方法對一幅液位圖像進行檢測邊緣的結(jié)果。(a)待檢測圖像(b)Roberts(c)Sobel(d)Prewitt(e)LOG5×5模板(f)SUSAN21像素t=8g=15(g)CannyT1=0.12T2=0.1(h)CannyT=0.1圖3-3邊緣檢測效果比較對比圖3-3,可以發(fā)現(xiàn):(1)Roberts算子對噪聲敏感,抗噪性能較差,尤其是孤立噪聲，Roberts算子一般不直接應用于邊緣檢測。(2)Sobel與Prewitt檢測效果近似,較之Roberts算子,更好地描繪了物體邊界,抗噪性能有所改進,其原因在于前兩者的模板較大,使小的亮度波動平均化了。但這兩種算子的邊緣寬度大于一個像素,定位不夠準確,尤其是液位線。(3)LOG方法對強邊緣(瓶體邊緣)檢測清晰,但同時對圖像細節(jié)保留較多,對弱邊緣(液位線)的定位不夠準確,反映的液位與原圖有較大差別"。(4)SUSAN方法具有較好的抗噪性能,虛假邊緣很少;缺點也很明顯,從(f)圖也可看出,由于對每個像素進行了USAN統(tǒng)計,對于強邊緣檢測結(jié)果通常至少兩個像素寬,而對于液位線,既容易造成定位不準,又不免發(fā)生邊緣間斷,不利于液位的識別。(5)(g)圖是應用經(jīng)典的Canny算法,依次對原圖進行高斯濾波、求梯度、非極大值抑制、雙閾值遲滯法得到的結(jié)果((h)圖僅使用了低閾值)。從圖中可以看出,Canny算子具有較好的抗噪性能。對于強邊緣,在獲得單個像素寬度的精度下,定位準確;但是對于液位線,雙閾值遲滯法難以實現(xiàn)減少邊緣間斷與減少虛假邊緣的平衡。根據(jù)本項目液位判別的思路,對圖像邊緣的定位要求達到像素級精度,這就要求對邊緣尤其是液位線的提取準確。根據(jù)以上多種邊緣檢測算法的特點,考慮到液位在線檢測對算法抗噪性、定位精度和可靠性的要求,本項目認為Canny算法的思路值得沿用。2.7X射線液位檢測算法2.7.1基于Canny方法的液位檢測新算法在啤酒或飲料生產(chǎn)線中,液位判別的任務是對罐裝后的液位進行測量,獲取當前液位的高度"在此基礎(chǔ)上,與標準的液位高度比較,判定當前液位是否合格。本項目利用機器視覺實現(xiàn)液位的自動檢測,對圖像邊緣檢測的準確性要求很高,這種準確性的判定只能通過試驗客觀驗證,它不同于為了改善圖像視覺效果的邊緣檢測,后者往往按照人的直觀視覺進行主觀評價。本項目針對X射線液位圖像,基于Canny算法的思路,以及前述比例標定方法,詳細討論液位檢測的實現(xiàn)過程。改進的Canny邊緣檢測過程Canny算法的實質(zhì)是對梯度進行非極大值抑制,從而保證了單個像素寬度的邊緣。為改進檢測效果,針對液位圖像檢測的具體情況,在應用Canny邊緣檢測算法時,作出部分改進。改進的Canny邊緣檢測過程如下:(1)對液位圖像使用高斯濾波器平滑,本文采用3×3高斯模板。(2)選取Prewitt算子求取圖像的梯度。由于液位判別所需要的邊緣在圖像中基本呈豎直或水平分布,而Prewitt算子的兩個模板分別對這兩種邊緣響應最強,因此選用Prewitt算子比其他梯度算子能更好的檢測出所需要的邊緣,抑制不感興趣的信息。本文在應用Prewitt算子時進行如下改進:設(shè)圖像f的3×3子域中像素編號如：令：則本文Prewitt梯度幅值：（4-1）梯度的方向角度（4-2）運算結(jié)果實現(xiàn)對頂蓋下邊緣的抑制,如圖4-1(b)所示。(a)待檢測圖像(b)本文Prewitt梯度幅值(c)本文非最大值抑制(d)遲滯性閾值化圖4-1改進的Canny邊緣檢測過程3)在梯度幅值圖像上,進行非極大值抑制,細化邊緣。非極大值抑制實現(xiàn)對梯度幅值圖像中的“脊線”進行細化,僅在梯度方向上保留梯度幅值的局部極大點作為邊緣點。本項目對瓶體輪廓的細化采用傳統(tǒng)的非極大值抑制,對液位線的細化采用按列的非最大值抑制,處理結(jié)果如圖4-1(c)所示。(4)遲滯性閾值化設(shè)定兩個閾值T1和T2(T1>T2),梯度幅值大于T1的認為是真的邊緣,小于T2的認為一定不是邊緣。處于T1和T2之間的點,搜索其八鄰域是否有真的邊緣點,如果有則此點也是邊緣點。注意T1太小會將噪聲誤判為邊緣；但也不能過大,以免丟失大量的真實邊緣。本項目實驗T1取0.10,T2取0.08,處理結(jié)果如圖4-1(d)所示。至此,本項目沿用經(jīng)典Canny算法基本思路對X射線圖像進行邊緣檢測,實現(xiàn)一個像素的定位精度。根據(jù)研究對象的特性,在應用中改進了梯度運算,強化液位檢測算法所需邊緣信息,同時排除強邊緣干擾；對于液位線的細化,改進了非極大值抑制算法,抑制液位線區(qū)域的虛假邊緣。液位信息提取與檢測輸出經(jīng)過邊緣檢測與連接,可以獲得瓶體兩側(cè)邊緣、頂蓋邊緣和液位線等信息,并且邊緣的定位達到了一個像素的精度,具備了液位信息提取與檢測的條件。本項目液位信息提取與檢測輸出算法如下:液位信息提取。由二值圖像提取液位信息(直徑和液頂距)是得到液位檢測結(jié)果的重要前提。圖4-2為液位信息提取的示意圖,其中邊緣均為一個像素寬度。圖4-2液位信息提取示意自圖像的下部開始,在若干個行Ri(i=1,n)上分別識別瓶體兩側(cè)邊緣上的點。每一行的兩個點,其X向坐標分別為Li、Ri。根據(jù)式(4-1)算出該行左側(cè)邊緣點到右側(cè)邊緣點的距離Xi。由于所有邊緣都是一個像素寬度,識別兩側(cè)邊緣點時,自中間向兩側(cè)搜索,搜索到的第一個1值點即為邊緣點。（i=1,2,3n）（4-1）根據(jù)式(4-2)對若干行的Xi求統(tǒng)計平均,得到X0,表示瓶子的像素直徑。（4-2）c)對若干行的邊緣點坐標,依據(jù)式(4-3)可以算得該行的中軸參考坐標XRi。由于實際檢測的圖像,同一側(cè)邊緣上不同行的邊緣點不可能絕對位于同一列像素,因而計算得到的各行XRi不一定相等。（4-3）d)對n行的XRi數(shù)據(jù)繪制直方圖,如圖4-3所示"圖中H(XR)表示位于XR坐標的點的頻數(shù)。圖4-3XR直方圖e)設(shè)定寬度為T的滑動窗口,沿XR軸滑動,以式(4-17)對窗口內(nèi)頻數(shù)求和。當S(x)達到最大值,利用式(4-4)對窗口內(nèi)XR求均值,得到中軸坐標X。（4-4）（4-5）f)在圖像上以Xd為中心取對稱奇數(shù)列,分別識別頂邊和液位線上的邊緣點Ti、Bi,按照式(4-6)計算每列兩邊緣點的距離Yi,以式(4-7)求得Y0,即像素液頂距。（4-6）（4-7）（4-8）(2)液位檢測輸出。依據(jù)4.1.2比例標定法,由于瓶體實際直徑Dx為預先測得的已知值,根據(jù)式(4-8)即可得到液頂距Dy。將測得的液頂距Dy與標準計量時的基準值相比