[word] 玻璃瓶垂直度無接觸測量及其誤差分析

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。word 玻璃瓶垂直度無接觸測量及其誤差分析word 玻璃瓶垂直度無接觸測量及其誤差分析玻璃瓶垂直度無接觸測量及其誤差分析第22卷第1期2004年3月廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版)JOURNALOFGUANGXIN0RMALUNIVERSITYVo1.22No.1March2004玻璃瓶垂直度無接觸測量及其誤差分析張燦龍,王強(qiáng),文小軍,黃克,呂東明,陳赤,張超英,唐艷平.,劉海燕(1.廣西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.桂林晶盛玻璃有限責(zé)任公司,廣西桂林5410033.桂林電子工業(yè)學(xué)院

2、教務(wù)處,廣西桂林541004)摘要:對玻璃瓶垂直度的檢測是利用計算機(jī)視覺的方法,通過兩臺攝像機(jī)從相互垂直的方向同時獲取玻璃瓶的一幅圖像,采用計算機(jī)圖像處理技術(shù)的雙目視覺測量方法,較精確地求出了玻璃瓶垂直度的偏差.文中主要闡述了如何進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)及玻璃瓶垂直度偏差測量計算原理,并在此基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地分析了主要測量誤差的產(chǎn)生原因及對檢測精度的影響.關(guān)鍵詞:垂直度誤差分析;計算機(jī)視覺中圖分類號:TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10016600(2004)010019-04玻璃瓶垂直度檢測是玻璃瓶質(zhì)量檢測的重要方面之一.目前國內(nèi)玻璃瓶生產(chǎn)廠家大多采用人工檢測方法,此法受人眼分辨能力和易疲勞等主觀因素

3、的影響,可信度低,穩(wěn)定性差且檢測速度慢,無法適應(yīng)大規(guī)模的現(xiàn)代化生產(chǎn).國外大多采用機(jī)械裝置與玻璃瓶直接接觸的方式進(jìn)行檢測,雖然滿足了在質(zhì)量和速度上的檢測需求,但存在造價高和靈活性差等缺點1.隨著計算機(jī)軟,硬件的發(fā)展和數(shù)字圖像處理理論和方法的日臻完善,利用計算機(jī)視覺的方法進(jìn)行玻璃瓶垂直度自動無接觸檢測已變得切實可行.本文在闡述了玻璃瓶垂直度偏差的立體視覺計算原理,攝像機(jī)定標(biāo)的基礎(chǔ)上,著重分析了系統(tǒng)各部分誤差的產(chǎn)生原因及其對檢測精度的影響.垂直度偏差為玻璃瓶生產(chǎn)中一個非常重要的質(zhì)量指標(biāo),垂直度偏差超標(biāo)的玻璃瓶將在飲料灌裝生產(chǎn)線造成嚴(yán)重的不良影響,必須予以剔除.1垂直度計算原理評價一個玻璃瓶垂直度的好

4、壞,首先要理解垂直度這一概念.把一玻璃瓶放在水平面上,若瓶子的垂直度好,則瓶子從瓶口到瓶底的中軸是豎直的(即中軸線垂直交于水平面).若瓶子的垂直度不好,則瓶子的中軸線不是豎直的(即中軸線斜交于水平面),瓶子的中軸和經(jīng)過瓶底中心的豎直線形成一定的角度,瓶口中心到經(jīng)過瓶底中心的豎直線的垂直距離稱為玻璃瓶的垂直度偏差(如圖l中的線段OB,簡稱玻璃瓶垂直度).玻璃瓶垂直度檢測屬于物體外形尺寸檢測的范疇,故其計算在很大程度上要基于玻璃瓶的幾何外形.通過理論分析和實驗可行性證明,我們提出了一種基于計算機(jī)立體視覺原理的簡易檢測方法.用兩臺攝像機(jī)正對玻璃瓶從主光軸相互垂直的兩方向各自同時采集一副圖像(設(shè)為圖像

5、1,圖像2),然后送入計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.如圖I,在三維坐標(biāo)系中,y軸分別代表兩攝像機(jī)的拍攝方向;原點()代表瓶底中心,點代表瓶口中心,則OA為玻璃瓶的實際中軸;z軸為過瓶底中心的標(biāo)準(zhǔn)豎直中軸;點B為點在平面XOY中的投影,則線段OB的長度即為玻璃瓶的垂直度偏差;從點B分別向x軸和y軸作垂圖1立體視覺原理線,根據(jù)歐氏幾何原理以及前面垂直度概念的闡述可求得玻璃瓶垂直度的計算公式:收稿日期:20030910基金項目:廣西自然科學(xué)基金資助項目(桂科基0009004)作者簡介:張燦龍(1978一),男,湖南婁底人,廣西師范大學(xué)碩士研究生;王強(qiáng)(1952),男,安徽安慶人,廣西師范大學(xué)教授,博士.20

6、廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版)第22卷一0B一瓦面,度量單位是像素,其中線段BC和BD分別為圖像1,2中垂直度,可以采用圖像處理的方法求得.2攝像機(jī)定標(biāo).'本文檢測系統(tǒng)擬采用兩臺同規(guī)格的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率,高清晰度CCD黑白攝像機(jī)和一塊基于PCI總線的黑白圖像采集卡.攝像機(jī)連采集卡的接口,通過外觸發(fā)信號觸發(fā)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集,輸入信號模式采用標(biāo)準(zhǔn)的PAL制式,圖像以256級灰度圖格式存儲在內(nèi)存中.為了處理的方便,需將兩圖像數(shù)據(jù)分別存儲.進(jìn)行拍攝時,由于攝入的灰度圖像大小與實際物體大小不相同,故為了知道灰度圖像與實際物體的尺寸對應(yīng)關(guān)系,就必須先進(jìn)行定標(biāo)工作,測出每一像素(灰度圖像的每一點)

7、對應(yīng)的實際長度.另外,由于是采用兩臺攝像機(jī)對同一玻璃瓶進(jìn)行圖像采集,為了保證所拍的兩幅圖像的放大倍數(shù)盡可能地相等,使計算的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,故也必須進(jìn)行定標(biāo)工作.定標(biāo)方法:先精確測出標(biāo)準(zhǔn)玻璃瓶瓶口中心到瓶底中心的距離(單位:mm),然后攝取該玻璃瓶的灰度圖,經(jīng)圖像處理得出灰度圖瓶口中心到瓶底中心的像素數(shù),再由計算機(jī)自動計算出對應(yīng)的尺寸關(guān)系(單位:ram/像素).標(biāo)定兩攝像機(jī)位置的方法如下:第一步,在白凈的背景板上作兩個固定點(過這兩點的直線垂直于瓶底所在平面);第二步,將兩攝像機(jī)拍攝方向固定且互成9o.地置于儀器架桿上;第三步,沿光路移動攝像機(jī)1攝像,使兩固定點成像大小適中,同時調(diào)節(jié)攝像頭使成像清晰,

8、固定該攝像機(jī)并用圖像處理的方法由兩像點之間的距離M計算出此時攝像機(jī)兩相鄰像素間距離與被測物體長度的對應(yīng)關(guān)系(定標(biāo));第四步,用同樣的方法對攝像機(jī)2定標(biāo),使之與攝像機(jī)1標(biāo)度相同.3玻璃瓶垂直度偏差計算對采集到的圖像進(jìn)行一系列處理后得到其輪廓圖(如圖2),以輪廓為基礎(chǔ)求出瓶口中心(,Y11)和圖2玻璃瓶輪廓4測量誤差分析瓶底中心(Y),若每個像素對應(yīng)的玻璃瓶實際長度為,則圖像1的垂直度為:dlBC=lYllYl2l,(2)同理求得圖像2的垂直度為(設(shè)其瓶口中心為(,Y),瓶底中心為(22,Y2):d2一BD=ly2l22l,(3)則代(2),(3)式入(1)式得玻璃瓶的總垂直度為:d:OB:A(l

9、ll2).+(2l22).(4)4.1角度誤差計算由于兩拍攝方向很難嚴(yán)格地相互垂直,也就是說它們之間存在角度偏差,如圖3所示,理想情況下兩攝像機(jī)分別位于A,B兩點,此時它們的主光軸相互垂直,所得的玻璃瓶垂直度如下式:一:/L2sin20+L%os20一L,(5)實際情況下,總存在的角度偏差(如圖3所示),此時攝像機(jī)1的位置從A點偏離到C點,玻璃瓶垂直度如下:d一一-,flssin2(0-/',0)+cos20,(6)第1期張燦龍等:玻璃瓶垂直度無接觸測量及其誤差分析21因此由角度偏差引起的垂直度誤差如下:Ad=ld-dll(1一/sin2(0-A0)+cosZ0)LI,在只考慮角度偏差

10、的情況下(此時兩攝像機(jī)物距相等)一兀/4,(7)式可簡化為:l1一萬麗lLl1一/1-sin(2A0)/2lL,擬定一志兀志兀,則(8)式關(guān)系曲線如圖4,從曲線圖可知00.026L.oF圖3角度誤差(7)(8)圖4誤差曲線4.2解析度的影響由于本檢測系統(tǒng)所用圖像采集卡及攝像機(jī)的解析度為768×576,且PC機(jī)的顯示屏為4:3模式,而玻璃瓶為細(xì)長形物體,為了使BMP圖像充滿整個視場,從而達(dá)到充分利用圖像信息和解析度的目的,在實檢中擬把位圖水平放置(如圖2),故只要考慮垂直方向的解析度誤差,由解析度可知垂直方向的精密度為3Y=O.043.設(shè)BMP圖像的尺寸為760×260,在瓶

11、口的上,下邊緣各取n/2(n為偶數(shù),且yn-1和的橫坐標(biāo)相等,如圖2),則瓶口中心點的縱坐標(biāo)為:11一(+=)/2一(hl+)/2一n/2/2.上式中一.其標(biāo)準(zhǔn)誤差嘲一(-Yxx)z/(號一1).同理在瓶底的上,下邊緣各取/2,則m/2_瓶底中心的縱坐標(biāo)為z一k=l/m/2,標(biāo)準(zhǔn)誤差z一(hk-yx2)/(詈一1),它們之間的偏差L一lY11一Y12I.設(shè)另一圖像的瓶口中心(取個邊緣點)和瓶底中心(取個邊緣點)的縱坐標(biāo)分別為.,.,同理可得它們的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為:_Y21=chi-Y21/(號一J,zz一k=lch-Y22./(詈一),則它們之間的偏差L2=lyz一Yzz1.代入(4)式的垂直度

12、計算公式,求導(dǎo)可得總的解析度標(biāo)準(zhǔn)誤差為:13(Y11-虧Y12)2-(虧2×一(ll12)+(21一22)(Yll-Y12)('Yll-3Y12=)=+=(=Y=2=1=-=Y=二22二)=(=3y21-3y一22):><.(Yll12)+(21一22).(9)代入實際檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,如取30,取40,A=O.406mm,則相對誤差為0.69%.以上兩種誤差來源可分別歸類于系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,前者所產(chǎn)生的相對誤差為2.6%,在最壞情況下系統(tǒng)總的相對誤差為3.29%.啤酒瓶垂直度偏差國標(biāo)為4mm,受以上兩種誤差的影響垂直度偏差為44?132mm的

13、壞瓶被誤判為好瓶的概率為5o%,垂直度偏差為3.8684mm的好瓶被冤判的概率也為5o%?另外還有一些因素導(dǎo)致誤差,如:兩攝像機(jī)到被檢瓶的距離不嚴(yán)格相等而引起的定標(biāo)距離誤差,由光22廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版)第22卷學(xué)鏡頭畸變導(dǎo)致的成像誤差以及灰度量化引起的量化誤差等等,考慮到這些誤差對檢測精度影響不大,所以忽略其討論.我們確定垂直度偏差小于或等于3.8mm為合格標(biāo)準(zhǔn).5結(jié)論表1是對一些典型玻璃瓶分別用本文方法和手工方法進(jìn)行測量所得結(jié)果的對比情況,從表1中可以表1玻璃瓶垂直度的軟件測量與手工測量對照表看出相對誤差介于6.19/67.7%之間,該值很小,說明本文所提出的檢測方法是合理的,可行的,

14、而且又克服了國內(nèi)人工檢測效率低,精確度差等缺點,彌補(bǔ)了國外檢測機(jī)造價高,靈活性差等不足,對我國玻璃瓶檢測技術(shù)的提高和發(fā)展做出了比較成功的嘗試.通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn),本文提出的測量方法穩(wěn)定,可信度高,抗干擾能力強(qiáng).值得注意的是,進(jìn)行實際檢測前必須先對攝像機(jī)進(jìn)行精確定標(biāo),這一步直接影響到系統(tǒng)的檢測精度.為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和加速該產(chǎn)品的市場化,我們正研究如何在DSP上實現(xiàn)該系統(tǒng).參考文獻(xiàn):1陳元琰,姜穎軍,王強(qiáng).玻璃瓶I=1裂紋檢測的簡易判斷法J.廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版),2001,19(3):192O.2王強(qiáng),胡建平,胡凱,等.玻璃瓶罐分類標(biāo)記的智能化識別J.計算機(jī)工程,2000,26(4):9

15、1O.L3EmanueleTrucco,AlessandroVerri.Introductorytechniquesfor3-DcomputervisionM.NewJersey:PrenticeHall,l998.37.4-1TsaiRY.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhighaccuracy3DmachinevisionmetrologyusingofftheshelfTVcameraandlensesJ.IEEEJournalofRoboticsAutomation,1987,3(4):323334.5MINLequan,JIANZhiga

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17、EVERTICALITYOFGLASSBOTTLENONCONTACTMEASUREMENTANDITSERRORANALYSISZHANGCanlong,WANGQiang,WENXiaojun.HUANGKe.LVDongming,CHENChi,ZHANGChaoying.TANGYanping.LIUHaiyan(1?CollegeofPhysicsandInformationTechnology,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China;2.GuilinJingshengGlassCo.Ltd,Guilin541003,China;3.Dean'SOffice,GuiliuUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:AftercapturingtwoimagesofglassbottlewithtWOcamerasfromtheverticaldirections.theverticalityofglassbottleis.measuredaccuratelybycomputerstereovisio