CN102313747A - 锯材表面缺陷的图像采集系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种锯材表面缺陷的图像采集系统及检测方法。所述图像采集系统包括：用于安装固定的底座(1)；用于输送锯材(3)的同步带(2)；导向装置；安装在底座上的图像采集装置(6)；用于测量锯材的X方向有效移动距离的旋转光电编码器(8)；光电传感器(10)；以及安装固定在底座上的夹紧装置(11)。本发明提供的锯材表面缺陷的图像采集系统及检测方法，可以根据国标及工业生产要求，对待测锯材分级，将锯材输送至相应等级区或在锯材上做相应等级标志，从而实现对锯材的缺陷检测和分等，提高木材利用率和使用价值。

Description

锯材表面缺陷的图像采集系统及检测方法

技术领域

本发明涉及锯材表面缺陷检测，具体涉及一种锯材表面缺陷图像采集系统及检测方法。

背景技术

锯材缺陷(特别是节子、裂缝、虫眼等)会严重影响木材的质量、改变木材正常性能、降低木材利用率和使用价值。实现锯材表面缺陷的计算机监测，对锯材等级自动分选、提高锯材商品价值和加速锯材加工自动化有非常重要的作用。

针对锯材表面缺陷的检测，当前应用比较广泛的是目测分等方法(也称目测分级，Visualgrading)，指用肉眼观测方式对锯材强度划分等级，主要是通过对锯材表面的各种影响强度或相关性能的缺陷进行评估实现的。随着锯材生产的发展，目测分等方法也在不断完善和调整，现在，目测分等方法仍然是北美地区锯材生产的主要分等方法和基础。由于人工检测具有一定的局限性，尤其是锯材表面有多种缺陷，缺陷的尺寸和形状变化很大，人工分类比较困难，所以这种检测方法已不能满足锯材生产中快速检测和连续检测的需要；以及锯材生产过程中的重复性和单一性的特点，人工检测存在着严重影响检测效果的因素，例如在生产过程中由于检测员注意力不集中及长时间疲劳的影响，以及检测经验不同而造成的检验结果不一致等。

随着计算机技术的飞速发展，利用计算机来代替人工检测锯材缺陷已经成为发展趋势。先进的自动化检测技术已较普遍地应用于木材加工的各个领域，锯材表面缺陷的在线检测对锯材加工过程中的质量控制及产品分等均具有重要意义。近年来，探测锯材缺陷的方法除人工方法外主要有超声波法、激光扫描射法、射线检测法和数字图像处理方法等，其中数字图像处理是可靠性、安全性和效率相对较高的一种方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现锯材表面缺陷的图像采集系统及检测方法，使用该系统和方法，可以利用图像检测技术由计算机得出锯材表面缺陷情况，从而实现对锯材等级的自动分选。

本发明提供的技术方案如下：

一种锯材表面缺陷的图像采集系统(参图1)，其特征在于，所述系统包括：

-用于安装固定的底座；

-用于输送锯材(即被测对象)的同步带，所述同步带通过主动轮和从动轮连接在底座上的；

-安装在底座上用于锯材导向的导向装置，包括：侧导向板、后导向板和前导向板；

-安装在底座上的至少1个图像采集装置，数量不局限于1个，可根据实际情况，沿X轴方向和Y轴方向各分布1个或多个；

-用于测量锯材的X方向有效移动距离的旋转光电编码器，所述旋转光电编码器安装在底座上，与主动轮同轴连接，或与其它随同步带同步转动的转轴同轴连接；

-安装在底座上的光电传感器，用于检测锯材是否存在在同步带上以及到达、离开同步带的时间点；所述光电传感器在X轴方向上位置可调，调节范围1m，调节方式：T型槽，导轨等，检测距离范围：10～200mm；

-安装固定在底座上的至少1个夹紧装置，用于使锯材向侧导向板对齐，提供拍照的侧向基准定位，位置可沿Y轴方向调节，如图2所示，数量2个(1个或多个均可)，调节范围10～200mm。

优选的，在图像采集装置上有环形圆顶光源，为锯材提供稳定的、固定的光照环境，克服环境对检测效果的干扰。

优选的，所述同步带的输送速度为0.01～2m/s，同步带主动轮的有效输送半径为R。

优选的，所述锯材的长为1000～6000mm，宽为50～300mm，厚度为10～150mm。

优选的，所述导向装置沿Y轴方向位置不可调或可调。侧导向板为一直板；所述侧导向板位置调节方式可以为T型槽调节，用螺栓螺母固定，或者螺母丝杠等方式固定；所述前导向板和后导向板也可沿Y轴方向调节位置，调节方式可以是T型槽，螺栓螺母固定，或螺母丝杠等。

优选的，所述图像采集装置包括安装架、工业相机(带外部触发)、镜头等；工业相机可沿X轴、Y轴、Z轴三维调节，调节方式：X轴：导轨、T型槽等；Y轴：导轨、T型槽等；Z轴：导轨和螺母丝杠(滚珠丝杠，T型槽等)；调节范围：X轴：1m；Y轴：1m；Z轴：0.3m(以底座X轴、Y轴方向中点向两侧平分，Z轴：镜头距同步带范围100～400mm)；工业相机的像素范围：30～500万；工业相机有两种安装方法：视眼长度方向沿X方向；视眼长度方向沿Y方向。

优选的，所述旋转光电编码器的分辨率e大于1000p/r，工业相机一次拍照所需旋转光电编码器脉冲数为N。

优选的，所述夹紧装置包括(如图2)：用作固定的安装支座；调节支座的位置的位置调节装置；弹簧；滚轮；滚轮支架；调节弹簧松紧的限位螺母；防止滚轮支架旋转的定位螺丝。

一种锯材表面缺陷的图像采集方法，其特征在于，将本发明提供的图像采集系统连接到计算机控制系统，然后执行如下步骤：

1)当光电传感器检测到锯材到达时，由计算机控制系统触发拍取第一张照片；

2)锯材在传送机构上移动过程中，每移动1个固定步长(根据工业相机的视角、镜头与锯材间的距离、锯材的宽度来确定步长)拍照一张；计算机控制系统统计安装在同步带上的旋转光电编码器输出的脉冲数，当达到工业相机一次拍照所需脉冲数N时，由计算机控制系统触发拍取下一张照片；

3)当锯材通过后，光电传感器输出信号告知计算机，结束照片获取过程；

4)计算机控制系统将对同一锯材所拍的照片按照拍照先后顺序进行图像合并，合并后的图像P即为所求。

一种锯材表面缺陷的检测方法(参图4)，其特征在于，包括如下步骤：

a)采用本发明提供的图像采集方法，获取锯材表面缺陷的图像P；

b)计算机控制系统对图像P进行图像处理和模式识别，确定缺陷性质；

c)计算机控制系统对整根锯材的主要缺陷进行统计分析；

d)计算机控制系统依据锯材表面缺陷的类型、大小、相对位置、数量等信息，分析缺陷的危害程度，综合评价整根锯材性能，输出锯材的等级信息。

本发明提供的锯材表面缺陷的图像采集系统及检测方法，利用工业相机(镜头)采集锯材表面图像，并输入到微机系统，经控制识别系统对待测图片进行处理分析，确定锯材缺陷种类、数量，可以根据国标及工业生产要求，对待测锯材分级，将锯材输送至相应等级区或在锯材上做相应等级标志，从而实现对锯材的缺陷检测和分等，提高木材利用率和使用价值。

附图说明

图1本发明提供的锯材表面缺陷图像采集装置结构示意图。

其中，1：底座；2：同步带；3：锯材(被测对象)；4：侧导向板；5：环形圆顶光源；6：图像采集装置；7：主动轮；8：旋转光电编码器；9：后导向板；10：光电传感器；11：夹紧装置；12：前导向板；13：从动轮。

图2夹紧装置示意图。

其中，101：安装支座；102：位置调节装置；103：弹簧；104：滚轮；105：滚轮支架；106：限位螺母；107：定位螺丝。

图3工业相机成像原理示意图。

图4缺陷检测和处理流程图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明做进一步阐述。

实施例：一个锯材表面缺陷的图像采集系统(参图1)，包括：

-用于安装固定的底座1；

-用于输送锯材3(即被测对象)的同步带2，所述同步带通过主动轮7和从动轮13连接在底座上的；

-安装在底座上用于锯材导向的导向装置，包括：侧导向板4、后导向板9、前导向板12；所述导向装置有二种方式：沿Y轴方向位置不可调；沿Y轴方向位置可调。侧导向板4位于锯材的一侧，后导向板9和前导向板12位于锯材的另一侧，侧导向板4外形为一直板。

-图像采集装置6包括安装架、工业相机(带外部触发)、镜头等，1个或多个工业相机设置在与底座固定的安装架上，工业相机位于锯材表面的上方，安装架沿X轴方向可以移动，X轴：导轨、T型槽等；工业相机在安装架上可沿X轴调节，调节方式：导轨、T型槽等；工业相机还可以Z轴方向调节，调节方式：螺母丝杠(滚珠丝杠，T型槽等)。上述工业相机调节范围：X轴：1m；Y轴：1m；Z轴：0.3m(以底座X轴、Y轴方向中点向两侧平分，Z轴：镜头距同步带范围100～400mm)；工业相机成像尺寸长宽比为d，像素范围：30～500万；工业相机有两种安装方法：视眼长度方向沿X方向；视眼长度方向沿Y方向。

-用于测量锯材的X方向有效移动距离的旋转光电编码器8，所述旋转光电编码器8安装在底座上，与主动轮7同轴连接，或与其它随同步带2同步转动的转轴同轴连接；

-安装在底座上的光电传感器10，用于检测锯材是否存在在同步带2上以及到达、离开同步带的时间点；所述光电传感器10在X轴方向上位置可调，调节范围1m，调节方式：T型槽，导轨等，检测距离范围：10～200mm；

-安装固定在底座上的夹紧装置11，夹紧装置11包括(如图2)：与底座固定的安装支座101，该安装支座101通过带有弹簧103的可伸缩的滚轮支架105连接一滚轮104；在安装支座101上还设有调节支座的位置的位置调节装置102；调节弹簧松紧的限位螺母106；防止滚轮支架旋转的定位螺丝107。夹紧装置用于使锯材向侧导向板4对齐，提供拍照的侧向基准定位，位置可沿Y轴方向调节，如图2所示，数量2个(1个或多个均可)，调节范围10～200mm；

-在图像采集装置6上安装环形圆顶光源5，为锯材提供稳定的、固定的光照环境，克服环境对检测效果的干扰。

所述同步带2的输送速度为0.01～2m/s，同步带主动轮的有效输送半径为R。

所述锯材3的长为1000～6000mm，宽为50～300mm，厚度为10～150mm。

所述旋转光电编码器8的分辨率e大于1000p/r，工业相机一次拍照所需旋转光电编码器脉冲数为N。

下面是对锯材缺陷图像采集方法的进一步阐释：

如图3所示：矩形ABCD为工业相机(镜头)视场范围(即被拍物有效范围)，对于工业相机的两种安装方法(参数见表1)：

表1参数说明

f(物距)，N(工业相机一次拍照所需旋转光电编码器脉冲数)的计算方法：

(1)AB对应被测物宽度方向，则BC长度即为固定步长，

则固定步长为：

单位脉冲对应的线性位移为：

AC长度 $c=\sqrt[2]{a^2+b^2},$

物距 $f=\frac{\frac{c}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{c}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{\sqrt[2]{a^2+b^2}}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}},$

工业相机一次照脉冲数 $N=\frac{{\mathrm{eL}}_0}{2\mathrm{\πR}}=\frac{\mathrm{eW}}{2\mathrm{\πRd}},$

(2)BC对应被测物宽度方向，则AB长度即为固定步长，

则固定步长为：L₀＝dW，

单位脉冲对应的线性位移为：

AC长度 $c=\sqrt[2]{a^2+b^2},$

物距 $f=\frac{\frac{c}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{c}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{\sqrt[2]{a^2+b^2}}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}},$

工业相机一次照脉冲数 $N=\frac{{\mathrm{eL}}_0}{2\mathrm{\πR}}=\frac{\mathrm{edW}}{2\mathrm{\πR}}.$

例如，设工业相机成像区域长宽比d＝AB/BC＝4/3(设AB＞BC)，视角θ为30°，锯材宽度W＝120mm，同步带主动轮有效半径R＝50mm，旋转光电编码器分辨率e＝2000p/r。

(1)工业相机第一种安装方式：

AB对应被测物宽度方向，则BC长度即为固定步长(若)，

则固定步长为 $L_0=\frac{W}{d}=\frac{3W}{4}=90\mathrm{mm},$

单位脉冲对应的线性位移为： $p=\frac{2\mathrm{\πR}}{e}=0.157\mathrm{mm},$

AC长度 $c=\sqrt[2]{a^2+b^2}=150\mathrm{mm},$

物距

工业相机一次照脉冲数 $N=\frac{{\mathrm{eL}}_0}{2\mathrm{\πR}}=\frac{3\mathrm{eW}}{8\mathrm{\πR}}=573;$

(2)工业相机第二种安装方式：

BC对应被测物宽度方向，则AB长度即为固定步长，

则固定步长为 $L_0=\mathrm{dW}=\frac{4W}{3}=160\mathrm{mm},$

单位脉冲对应的线性位移为： $p=\frac{2\mathrm{\πR}}{e}=0.157\mathrm{mm},$

AC长度 $c=\sqrt[2]{a^2+b^2}=200\mathrm{mm},$

物距

工业相机一次照脉冲数 $N=\frac{{\mathrm{eL}}_0}{2\mathrm{\πR}}=\frac{2\mathrm{eW}}{3\mathrm{\πR}}=1019.$

用计算机控制系统进行图像的采集和模式识别都是比较成熟的现有技术，利用本发明提供的锯材表面缺陷采集系统和这些成熟的现有技术结合，利用工业相机(镜头)采集锯材表面图像，并输入微机系统，经控制识别系统对待测图片进行处理分析，确定锯材缺陷种类、数量，可以根据国标及工业生产要求，对待测锯材分级，将锯材输送至相应等级区或在锯材上做相应等级标志，从而实现对锯材缺陷的检测和分等，提高木材利用率和使用价值。

Claims (9)

1.一种锯材表面缺陷的图像采集系统，其特征在于，所述系统包括：

-用于安装固定的底座(1)；

-用于输送锯材(3)的同步带(2)，所述同步带通过主动轮(7)和从动轮(13)连接在底座上；

-安装在底座上用于锯材导向的导向装置，包括：侧导向板(4)、后导向板(9)和前导向板(12)；

-安装在底座上的至少1个图像采集装置(6)；

-用于测量锯材的X方向有效移动距离的旋转光电编码器(8)，所述旋转光电编码器(8)安装在底座上，与主动轮(7)同轴连接，或与其它随同步带(2)同步转动的转轴同轴连接；

-安装在底座上的光电传感器(10)，用于检测锯材是否存在在同步带(2)上以及到达、离开同步带的时间点；

-安装固定在底座上的至少1个夹紧装置(11)，用于使锯材向侧导向板(4)对齐，提供拍照的侧向基准定位。

2.如权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于，所述导向板(4)、后导向板(9)和前导向板(12)的底部插接在底座上的一T形槽内，位置沿Y轴方向位置调节。

3.如权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于，所述图像采集装置(6)由安装架、工业相机和镜头组成；工业相机固定在安装架上，位置沿X轴、Y轴、Z轴三维调节。

4.如权利要求3所述的图像采集系统，其特征在于，在工业相机上设有环形圆顶光源(5)。

5.如权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于，所述旋转光电编码器(8)的分辨率e大于1000p/r。

6.如权利要求1所述的图像采集系统，其特征在于，所述夹紧装置(11)包括与底座固定的安装支座(101)，该安装支座(101)通过带有弹簧(103)的可伸缩的滚轮支架(105)连接一滚轮(104)。

7.如权利要求6所述的图像采集系统，其特征在于，所述底座固定2个夹紧装置(11)，所述安装支座(101)设有位置调节装置(102)，位置沿Y轴方向调节。

8.一种锯材表面缺陷的图像采集方法，其特征在于，将权利要求1所述的图像采集系统连接到计算机控制系统，然后执行如下步骤：

1)当光电传感器检测到锯材到达时，由计算机控制系统触发拍取第一张照片；

2)锯材在传送机构上移动过程中，每移动1个固定步长拍照一张；计算机控制系统统计安装在同步带上的旋转光电编码器输出的脉冲数，当达到工业相机一次拍照所需脉冲数N时，由计算机控制系统触发拍取下一张照片；

3)当锯材通过后，光电传感器输出信号告知计算机，结束照片获取过程；

4)计算机控制系统将对同一锯材所拍的照片按照拍照先后顺序进行图像合并，合并后的图像P即为所求。

9.一种锯材表面缺陷的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a)采用权利要求9所述的图像采集方法，获取锯材表面缺陷的图像P；

b)计算机控制系统对图像P进行图像处理和模式识别，确定缺陷性质；

c)计算机控制系统对整根锯材的主要缺陷进行统计分析；

d)计算机控制系统依据锯材表面缺陷的类型、大小、相对位置、数量等信息，分析缺陷的危害程度，综合评价整根锯材性能，输出锯材的等级信息。

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