帶連桿的透明包裝液體液位檢測系統(tǒng)

帶連桿的透明包裝液體液位檢測系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代生活的發(fā)展，跨境液體已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡南M(fèi)品。其包裝中產(chǎn)品凈含量是否達(dá)標(biāo)是產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo),對同一型號的瓶中,液體的液位高度直接反映了凈含量的多少。傳統(tǒng)生產(chǎn)中,液位高度的檢驗(yàn)通?？咳斯つ繙y,效率低下。隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,對瓶裝液體液位高度自動(dòng)檢測的需求越來越迫切。在已有研究中,提出了許多液位自動(dòng)檢測的方法:如光電傳感器法、超聲波法、電容式傳感器法、基于機(jī)器視覺液位檢測等。其中基于機(jī)器視覺液位檢測技術(shù)是一種非接觸的無損檢測方法,因具有效率高、精度高、設(shè)備維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn),越來越受到廣泛關(guān)注。1994年尼若·施瓦茨等三人在美國申請了“用于質(zhì)量和流程控制的動(dòng)態(tài)液體液位及氣泡的檢測”專利,檢測效果不錯(cuò),但成本較高。文獻(xiàn)給出的自動(dòng)生產(chǎn)線上透明灌裝瓶液體體積的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng),通過對灌裝瓶圖像進(jìn)行區(qū)域標(biāo)定和定位及尋找邊緣點(diǎn)以確定液位高度,檢測誤差較小。文獻(xiàn)提出基于DSP的啤酒液位與雜質(zhì)自動(dòng)檢測系統(tǒng),通過提取突變邊緣得到液位高度。文獻(xiàn)開發(fā)了一個(gè)基于低成本DSP的瓶裝啤酒容量在線自動(dòng)檢測嵌入式系統(tǒng),通過圖像灰度值判斷瓶身的邊緣及液面位置。文獻(xiàn)利用機(jī)器視覺檢測方法,開發(fā)出基于LabVIEW和IMAQVision對飲料瓶進(jìn)行圖像獲取并檢測液面位置的軟件。這些液位檢測系統(tǒng)在確定液位時(shí),大多通過圖像灰度值的變化提取突變邊緣來判斷液位高度,而拍攝環(huán)境的變化、液體反射現(xiàn)象、液體成像等因素都將較大影響圖像灰度值,從而增大液位檢測的誤差。為此,利用液體折射原理,設(shè)計(jì)了一個(gè)帶標(biāo)桿的透明瓶裝液體液位檢測系統(tǒng),在LED光源照射條件下,使用攝像頭獲取帶標(biāo)桿的瓶裝液體圖像,通過標(biāo)桿在圖像中的變化來確定液位高度。1種透明瓶東南角標(biāo)記液位檢測方法瓶裝液體液位自動(dòng)檢測系統(tǒng)中,運(yùn)用恰當(dāng)?shù)膱D像處理方法確定液位高度是提高檢測精度的關(guān)鍵因素之一。在已有的研究中,一般通過模板或邊緣檢測方法標(biāo)定瓶身所在區(qū)域,然后利用邊緣突變或模板匹配方法確定液位。其本質(zhì)都是通過圖像中液面處的灰度值與其余區(qū)域灰度值的差異來提取液位,然而在實(shí)際應(yīng)用中,拍攝環(huán)境的變化會(huì)影響液位圖像的灰度值;液體本身存在的反射現(xiàn)象也會(huì)影響圖像灰度值;另外由于瓶身隨著傳送帶運(yùn)動(dòng)會(huì)使得液面倒影成像不穩(wěn)定,導(dǎo)致圖像顏色和灰度值不穩(wěn)定,從而使得圖像中液面與其他區(qū)域灰度值的差異不穩(wěn)定,這都將大大影響液位檢測的精度。為減少圖像中灰度值差異的不穩(wěn)定所帶來的檢測誤差,提出一種通過在透明瓶身后側(cè)垂直豎立一根標(biāo)桿進(jìn)行液位檢測的方法,如圖1所示。由于液體的折射原理,透過瓶身會(huì)看到瓶后側(cè)的標(biāo)桿在液面位置處“斷開”為兩段,同時(shí)液面以下部分標(biāo)桿變粗。利用這一現(xiàn)象,可以根據(jù)圖像中標(biāo)桿斷開的位置確定液面高度。該方法在圖像處理時(shí)也采用灰度值特征來識別標(biāo)桿及其斷開的位置來判斷液面高度,只要選用的標(biāo)桿顏色和亮度與背景及瓶裝液體存在明顯差別,圖像中標(biāo)桿的灰度值與其他區(qū)域灰度值就會(huì)有較大差異,而這種差異是由標(biāo)桿本身的顏色造成的,因而較穩(wěn)定,不易受液體反射、倒影成像等影響,從而能減小各種環(huán)境因素帶來的檢測誤差。在生產(chǎn)線上進(jìn)行在線液位檢測時(shí),照相機(jī)與標(biāo)桿的位置是固定不變的,而瓶裝液體隨著傳送帶在不斷移動(dòng),這樣每次獲取的圖像中標(biāo)桿并不一定都處于瓶身的正后方,且每幅圖像中標(biāo)桿相對于瓶身中心線的位置也并不完全相同,可能偏左也可能偏右,如圖1中(b),(c)所示。然而從圖1中可看到,不論標(biāo)桿相對于瓶身是否有偏移,只要標(biāo)桿出現(xiàn)在瓶身所在的范圍內(nèi),標(biāo)桿在液面處都會(huì)出現(xiàn)“斷開”現(xiàn)象,因而都可以通過標(biāo)桿斷開的位置確定液面高度。另一方面,由于標(biāo)桿的存在,判斷液位主要依靠尋找標(biāo)桿斷開的位置,而與瓶身無關(guān),因而該方法也無需在圖像處理時(shí)進(jìn)行標(biāo)定瓶身的工作,從而縮短了圖像處理的時(shí)間。2系統(tǒng)需采用白色斑塊和實(shí)際樣品的一些方法實(shí)驗(yàn)中搭建了一個(gè)帶標(biāo)桿的瓶裝液體液位檢測系統(tǒng),包括LED光源、標(biāo)桿、攝像頭、PC機(jī)等,如圖2所示。環(huán)境光照條件是影響采集圖像質(zhì)量好壞的重要因素,由于瓶裝液體大多是玻璃瓶或塑料瓶,容易在瓶身出現(xiàn)反光現(xiàn)象,給后續(xù)圖像處理帶來誤差,因此系統(tǒng)中既要保證一定的光照亮度和均勻度,又要避免強(qiáng)光直照在瓶身發(fā)生反光。因此以白色擋板作為拍攝背景,同時(shí)采用兩個(gè)LED光源從瓶身上方照射,如圖2所示,這樣光線既能將瓶身映得比較清晰,又能均勻地在瓶身表面發(fā)生漫反射,使采集的圖像效果較理想。系統(tǒng)中所用標(biāo)桿的顏色和亮度應(yīng)與背景和瓶裝液體有明顯差別,因此選用深色細(xì)桿,垂直固定于白色擋板上,同時(shí),標(biāo)桿應(yīng)位于攝像頭正前方。為減小誤差,攝像頭應(yīng)與液面基本在同一水平高度,同時(shí)攝像頭采用分辨率為640×480,這是因?yàn)長ED光源保證了一定的光照亮度,且液位的提取主要靠圖像處理時(shí)標(biāo)桿的識別和標(biāo)桿斷開位置的判斷,而圖像中標(biāo)桿的顏色和灰度值與圖像其他部分差異較大且不易受光照環(huán)境的影響,因而攝像頭可采用較低分辨率,這同時(shí)也將提高圖像處理的速度。3液位圖像檢測在本文建立的帶標(biāo)桿的瓶裝液體液位檢測系統(tǒng)上,對550ml農(nóng)夫山泉礦泉水瓶內(nèi)礦泉水液位高度進(jìn)行檢測。由于瓶身表面有透明刻紋,在生產(chǎn)線上,每個(gè)礦泉水瓶正對攝像頭的一面并不一定完全相同,則拍攝到的每幅圖像中瓶壁上花紋不完全一致,有可能給圖像處理帶來誤差,因而在實(shí)驗(yàn)中將瓶身依次旋轉(zhuǎn)45°,每個(gè)角度分別采集3幅圖像,則每一種液位高度采集到24幅圖像,實(shí)驗(yàn)中對三種液位高度進(jìn)行了測試,從瓶底到液面分別為16.3cm、16.6cm、16.9cm,每種液位高度相差3mm,共采集72幅液位圖像。對72幅圖像進(jìn)行閾值分割,得到的二值化圖像中標(biāo)桿及標(biāo)桿在水中的投影表示為黑色,其余部分表示為白色。如圖3為圖1(a)進(jìn)行閾值分割后的二值化圖像。圖像中標(biāo)桿的寬度約為18~30個(gè)像素點(diǎn),在實(shí)際完成灌裝后的瓶裝液體中,液面高度不會(huì)有很大的差異,為快速尋找到標(biāo)桿斷開的位置以確定液位高度,先人工標(biāo)定一大致的液位區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)從上到下逐行掃描圖像每個(gè)像素點(diǎn),當(dāng)同一行中連續(xù)黑色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)在18~30之間,則判斷為標(biāo)桿;當(dāng)某一行掃描到的標(biāo)桿像素帶突然中斷時(shí),則該處判斷為液面位置。對72幅液位圖像處理后確定液位高度,其中3幅圖像檢測的液位誤差較大,而其余的69幅圖像對液面檢測值的誤差在10個(gè)像素以內(nèi),對應(yīng)的實(shí)際液體體積檢測絕對誤差在5mL以內(nèi),相對誤差要小于0.9%,能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中礦泉水600mL以下凈含量±3%誤差的檢測精度;系統(tǒng)對液位檢測的正確率達(dá)到95.8%。通過分析,檢測誤差較大的3幅圖像,其標(biāo)桿的位置都偏離瓶身的中心線較遠(yuǎn),很靠近瓶身邊緣,導(dǎo)致圖像中標(biāo)桿不明顯,從而增大了檢測誤差。4帶標(biāo)桿的透明灌裝液體液位檢測系統(tǒng)基于機(jī)