CN103307989B - 一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置和方法，装置仪器支架包括安装在支架底座上面的支架管，在支架管上面安装有相机架及光源架，其中相机架和光源架之间为固定大小距离；光源方向朝上固定在光源架上，黑色挡板固定在光源上方；图像采集装置相机及镜头固定在相机架上，计算机和相机通过数据传输线连接在一起，在支架底座上放有黑色背景板，其中仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置均置于黑色暗箱中；光源为可调亮度的白色环形LED光源，LED灯珠与垂直方向有一个固定角度。在光源表面加有黑色挡板，通过与玻璃瓶口配套的黑色弹性垫片将玻璃瓶自由悬挂在挡板之上，检测方法包括采集图像、通过获得数值，然后确定瓶子合格与否。

Description

一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置和方法

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，特别是涉及一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置和方法。

背景技术

目前国内玻璃瓶在生产制造时，由于现有工艺技术水平和设备的限制，瓶口的内外径有一定偏差，尤其是内径偏差，有时不能很好的满足瓶子使用企业的要求。使用者在使用内外径不合格的玻璃瓶灌装液体时，由于瓶口内外径偏差超过一定范围，会使瓶塞与瓶口之间产生缝隙，从而导致瓶口与瓶塞密闭不严使玻璃瓶中液体漏出，尤其是那些依赖瓶口内壁密封的玻璃瓶，如灌装醋、酱油、食用油等的瓶子，在灌装后瓶塞与瓶口结合成为一个整体，即使在使用时仍保留瓶盖，仅去除瓶盖内拉环，这就对瓶子的内径和圆度提出了很高的精度要求，否则液体会从瓶塞和瓶子的结合部位泄漏污染瓶身，影响产品质量和外观整洁，造成浪费。

玻璃瓶使用企业，一般对所购瓶子进行抽检，以判断是否符合灌装要求。目前主要依靠人工采用游标卡尺检测玻璃瓶口内外径。由于人会受到身体状况、周围环境等因素的干扰，且长时间单调乏味的检测容易产生视觉疲劳和身体疲劳，其主观性比较大，容易引起检测误差和误读数据。

随着机器视觉的发展，越来越多的质量检验项目由机器视觉代替传统的人工检测，这不仅能克服了人的主观因素的影响，还能提高检测的效率和准确性。机器视觉是指通过视觉传感器，如CCD、CMOS等，将被拍摄目标转换成图像信号，图像处理系统对这些图像信息进行各种运算来获取目标特征，最终根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉作为一种重要的检测手段，已经广泛地应用于检测和测量等领域。

目前机器视觉对玻璃瓶的检测，大多针对依靠瓶口端面密封的瓶子如啤酒瓶，很少针对依靠瓶口内壁密封的透明玻璃瓶进行检测。由于瓶子颜色、直径、材质以及瓶口构造不同等原因，适用于啤酒瓶检测的装置并不适用于大口径、透明玻璃瓶的检测。瓶口端面缺陷检测只需获取端面缺陷图像，无需获取准确的瓶口内外径边缘，而对瓶口尺寸检测的研究也主要是对外径检测。目前尚未检索到利用机器视觉检测大口径、透明玻璃瓶内径的报道，而这方面研究却有其非常重要的实际意义，因此开发针对大口径、透明玻璃瓶内外径尺寸的检测技术显得尤为重要。

经检索，相关玻璃瓶口检测方面的文献如下：硕士论文“基于图像的啤酒瓶瓶口与瓶底污损自动检测”、硕士论文“基于机器视觉的啤酒瓶瓶口检测系统的研究”和硕士论文“基于机器视觉的啤酒瓶瓶口检测系统研究”等文章，其共同点是获取啤酒瓶瓶口图像时，采用反射式照明方式，即将光源置于瓶口上方，相机从瓶口上方采集瓶口图像。通过试验发现，从上面打光获取瓶口图像，可以得到清晰的瓶口端面图像，但瓶子的内外径并不清晰，边缘模糊，瓶口反光高亮区域并不是瓶口真实的内外径。通过这种图像采集方式可以较好判断瓶口缺陷，但无法获取真实的瓶口内外径尺寸。

机器视觉中光源是重要的组成部分，好的打光方式可以获得高质量图像，准确地获取所需数据，减少后期图像处理的步骤，提高处理的速度和准确性。所以光源的打光方式和光源的摆放位置，是能否使瓶口内外边缘清晰，准确测得瓶口内外径的关键。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置和方法。本发明目的是提供一种大口径、透明玻璃瓶口测量装置，能清晰获取瓶口内外边缘并获得瓶口的内外径数据。该装置可以用于玻璃瓶灌装液体产品的企业，对所购瓶子进行抽检，也可以用于其它用途。

本发明所述的玻璃瓶口检测装置由两部分组成：硬件装置和软件系统。

硬件装置由4个模块组成：仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置、计算机系统。

1仪器支架：由支架底座、支架管、相机架和光源架组成，其中相机架固定于支架管上方，光源架固定于支架管下方且距离支架底座有一定距离。相机架用于安装和固定图像采集装置，可根据瓶口大小上下调节，使瓶口能完全进入视野，并以合适的比例显示。光源架是用于固定光源，其中光源的打光方向朝上。在支架底座上放有黑色的背景板，防止反光。

2光源和相关附件：光源为LED光源，可为环形光源，光源颜色为白色，并能根据需要调节亮度，每颗LED灯珠与垂直方向有一个固定角度，环形光源表面有一层黑色挡板，防止光线向上直射，黑色挡板中间有一个圆形小孔，其直径比瓶颈处直径略大，使玻璃瓶口可以自由穿过挡板小孔，并将玻璃瓶位置限制在该小孔内防止左右晃动，穿过挡板的瓶口唇部与软质黑色弹性垫片连接，将玻璃瓶悬挂在挡板之上，处于一种自由状态。

3图像采集装置：用于获取玻璃瓶口图像。安装在相机架上并用螺丝固定相机及镜头。

4计算机系统：通过自主开发的软件，对所获取的玻璃瓶口图像进行相应处理，输出相应检测结果。

软件系统主要包括：图像采集、图像处理、数据显示、结果保存等内容。

1、图像采集：通过软件控制USB接口可对图像进行实时采集。

2、图像处理：对所获得图像进行相关处理，并提取玻璃瓶口内外径边缘。

3、数据显示：玻璃瓶口内外径数据结果用图形和表格共同显示，如瓶口内外径平均直径值、内外径的最大值、最小值公差范围及其圆度值。

4、结果保存：既可以保存所获取的图像，也可以保存检测完成后的数据结果。

在透明玻璃瓶口内外径测量装置中，一旦经过标定，相机架与光源架之间的距离保持固定不变，即相机和光源的位置保持不变，以确保测量结果的可重复性。

在透明玻璃瓶口内外径测量装置中仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置均置于黑色暗箱中，避免外界环境光的干扰，保证图像采集的稳定性。

在透明玻璃瓶口内外径测量装置中光源为可调亮度的LED环形光源，光源颜色为白色。在检测瓶口时，光源的打光方式不同于以往文献中的做法。本发明的光源置于玻璃瓶的瓶上端与瓶口唇部平齐。光源的打光方向为向内向上，有一个固定角度，光束集中亮度高，均匀性好，采用该方法所获瓶口图像质量最佳，可以得到清晰的瓶口内外径图像。该方法是利用光在玻璃材质上折射和透射的原理，使玻璃瓶口边缘变为高亮区域，进而获得清晰的边缘轮廓图像。光源表面的黑色挡板和与玻璃瓶口配套的黑色垫片可以阻止光线直射相机。按此方法获得的瓶口图像是瓶口内外径边缘处都有一定宽度和亮度的圆环，可以比较容易将瓶口内外径与周围背景清晰地区分出来，并简化后期图像处理过程。若光源的打光方式是上打光，图像显示的主要是瓶口向上反射部分的端面，并不是瓶口内外径，瓶底对光源的反光也会影响边缘提取。光源下打光的摆放位置也很重要，位置不当也会影响瓶口内外径边缘的提取。

一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径检测方法，包括以下步骤：

A、利用一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，将待测玻璃瓶口通过与玻璃瓶口配套的垫片将玻璃瓶自由悬挂在挡板之上，稳定之后相机对其瓶口进行图像采集；

B、采集得到的图像进行预处理、边缘滤波、形态学处理、特征提取、去除周围干扰点等操作，最后提取图像中瓶口内外径的边缘曲线；

C、通过提取玻璃瓶口的内外径边缘曲线，获得瓶口内外径平均直径、内外径的最大值、最小值范围及其圆度值，通过测量值与瓶子设计尺寸进行比较，判断该玻璃瓶瓶口是否合格。如果瓶口内径、外径的尺寸两者或其中之一超出设计尺寸的公差范围，则该瓶子判为不合格产品。

D、检测完成后，进行下一个玻璃瓶口的检测，重复步骤A-C；所有瓶子检测完成后退出程序。

本发明有益效果：

1、支架底座上放有黑色的背景板，防止反光；

2、光源置于玻璃瓶的瓶上端与瓶口唇部平齐；

3、光源为可调亮度的LED环形光源，且LED环形光源的发光方向具有一定角度，光束集中亮度高，均匀性好；

4、打光方式为下打光，打光方向为向内向上，利用光在玻璃材质上折射和透射原理，使玻璃瓶口边缘变为高亮区域，进而获得比较清晰的边缘轮廓图像；

5、在瓶口处加有与玻璃瓶口配套的环形黑色弹性垫片，用以消除玻璃瓶下方如瓶身或其它凸出部分的影响；

6、利用玻璃瓶自身重力使其悬挂于光源上面的黑色挡板上，处于一种自由状态；

7、光源表面的黑色挡板和与玻璃瓶口配套的黑色弹性垫片可以阻止光线直射相机；

8、在透明玻璃瓶口内外径测量装置中，一旦经过标定，相机架与光源架之间的距离保持固定不变，即相机和光源的位置保持不变，以确保测量结果的可重复性；

9、在透明玻璃瓶口内外径测量装置中仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置均置于黑色暗箱中，避免外界环境光的干扰，保证图像采集的稳定性；

10、本装置成本低，使用简单方便，检测精度<20um，有效地解决了清晰获取大口径、透明玻璃瓶瓶口内外径边缘的问题，且易推广应用；

11、与人工检测相比，结果更客观，既可以解放劳动力，使人脱离重复乏味的简单劳动，又可以排除人的主观因素干扰，避免由于疲劳而产生的误差。

附图说明

图1一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置示意图；

图2打光方式局部示意图；

图3本发明方法的操作流程示意图；

图4瓶口定位软件界面；

图5500ml新普瓶合格尺寸的瓶口外径检测结果软件界面；

图6500ml新普瓶合格尺寸的瓶口内径检测结果软件界面；

图7500ml新普瓶不合格尺寸的瓶口外径检测结果软件界面；

图8500ml新普瓶不合格尺寸的瓶口内径检测结果软件界面；

图中标号名称：1、支架底座；2、支架管；3、相机架；4、光源架；5、光源；6、相机；7、镜头；8、计算机；9、数据传输线；10、黑色背景板；11、黑色暗箱；12、黑色弹性垫片；13、黑色挡板；14、玻璃瓶。

具体实施方式

本发明的一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置如图1所示，该测量装置由两部分组成：硬件装置和软件系统。其特征在于硬件装置由4个模块组成：仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置、计算机系统。

仪器支架包括安装在支架底座1上面的支架管2，在支架管上面安装有相机架3及光源架4，其中相机架和光源架之间为固定大小距离；光源5方向朝上固定在光源架上，黑色挡板13固定在光源上方；图像采集装置相机6及镜头7固定在相机架上，计算机8和相机6通过数据传输线9连接在一起，在支架底座1上放有黑色背景板10，其中仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置均置于黑色暗箱11中。

相机架和光源架之间为固定大小距离；相机架可根据瓶口大小上下调节。光源为可调亮度的白色环形LED光源。LED灯珠与垂直方向有一个固定角度。光源置于玻璃瓶的瓶上端与瓶口唇部平齐。光源的打光方向为向内向上，在光源表面加有黑色挡板，通过与玻璃瓶口配套的黑色弹性垫片12将玻璃瓶自由悬挂在挡板之上，利用光在玻璃材质上折射和透射的原理，使玻璃瓶口边缘变为高亮区域，进而获得比较清晰的边缘轮廓图像。其中本发明的打光方式局部示意图如图2所示。

在该测量装置中相机架与光源架之间的距离保持固定不变，即相机和光源的位置保持不变，以确保测量结果的可重复性。在光源表面加有黑色挡板，在挡板中间有合适尺寸大小的圆孔；在支架底座上放有黑色背景板，以减少拍摄时其他背景因素的干扰。仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置均置于黑色暗箱中，避免外界环境光的干扰，保证图像的稳定性。

软件系统主要包括：图像采集、图像处理、数据显示、结果保存等内容。

本发明的检测方法，对于检测大口径、透明玻璃瓶口具有通用性，只需根据不同品种的玻璃瓶建立相应的数据库即可，选用与瓶口配套的垫片就可以实现玻璃瓶口的测量，无需改动硬件部分。本软件已经针对500ml新普瓶、500ml老蔡瓶、300ml老蔡瓶、500ml普醋瓶、580ml御宴瓶和550ml金优瓶，这6种瓶子分别建立了相应的数据库。本发明方法的操作流程示意图如图3所示。

基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径检测方法，具体包括以下步骤：

A、利用透明玻璃瓶口内外径测量装置，将待测玻璃瓶口穿过黑色挡板，通过与玻璃瓶口配套的黑色弹性垫片将玻璃瓶自由悬挂在挡板之上，使玻璃瓶处于一种自由状态，在套上黑色弹性垫片之后，需旋转一下玻璃瓶，尽量使垫片保持水平状态，待瓶子为静止状态后，进行下一步操作。图像采集前还需注意保持玻璃瓶口内外壁干净，不能落有灰尘等杂物，避免其对瓶口内外径测量的影响。

B、打开光源和相应软件，首先在软件上打开相机并通过软件左边窗口中的对角线和中间圆来将瓶口定位，将瓶口尽量置于视野中央处，减少图像不均衡畸变，采集到的图像如图4所示；其次，选择对应的玻璃瓶种类；再点击软件上的检测按钮，软件将自动对采集得到的图像进行以下操作：图像预处理、边缘滤波、形态学处理、特征提取、干扰点去除等，提取图像中瓶口内外径边缘曲线，获得瓶口内外径平均直径值、内外径的最大值、最小值范围及其圆度值，并将测量值与瓶子设计尺寸进行比较，判断该玻璃瓶瓶口是否合格。如果瓶口内径、外径的尺寸两者或其中之一超出设计尺寸的公差范围，则该瓶子判为不合格产品。其内外径检测结果中合格玻璃瓶的外径、内径的软件界面如图5、图6所示，不合格玻璃瓶的外径、内径的软件界面如图7外径不合格、图8所示内径不合格。

C、在一个瓶口检测完成后，再进行下一个玻璃瓶口的检测，重复步骤A-B；当检测完成后退出程序。

以上显示和说明书中描述的只是本发明的原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，测量装置包括硬件装置，其特征在于：

硬件装置由4个模块组成：仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置、计算机系统，仪器支架包括安装在支架底座(1)上面的支架管(2)，在支架管上面安装有相机架(3)及光源架(4)，黑色挡板(13)固定在光源上方；相机(6)及镜头(7)固定在相机架上，计算机(8)和相机(6)通过数据传输线(9)连接在一起，在支架底座(1)上放有黑色背景板(10)，仪器支架、光源和相关附件、图像采集装置均置于黑色暗箱(11)中，光源(5)方向朝上固定在光源架上；光源表面有一层黑色挡板，黑色挡板中间有一个圆形小孔，其直径比瓶颈处直径略大，使玻璃瓶口穿过挡板小孔，并将玻璃瓶位置限制在该小孔内防止左右晃动，穿过挡板的瓶口唇部与软质黑色弹性垫片连接。

2.根据权利要求1所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，其特征在于，相机架和光源架之间可根据瓶口大小上下调节为固定距离。

3.根据权利要求1或2所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，其特征在于，光源为可调亮度、白色光源。

4.根据权利要求1或2所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，其特征在于，光源为LED光源。

5.根据权利要求1或2所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，其特征在于，光源为环形光源。

6.根据权利要求4所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，其特征在于，LED灯珠与垂直方向有一个固定角度。

7.根据权利要求1或2所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，其特征在于，光源置于玻璃瓶的瓶上端与瓶口唇部平齐。

8.一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径检测方法，其特征在于，检测方法步骤如下：

A、利用一种基于机器视觉的透明玻璃瓶口内外径测量装置，将待测玻璃瓶口通过与玻璃瓶口配套的垫片将玻璃瓶自由悬挂在挡板之上，稳定之后相机对其瓶口进行图像采集；

B、采集得到的图像进行预处理、边缘滤波、形态学处理、特征提取、去除周围干扰点操作，最后提取图像中瓶口内外径的边缘曲线；

C、通过提取玻璃瓶口的内外径边缘曲线，获得瓶口内外径平均直径、内外径的最大值、最小值范围及其圆度值，通过测量值与瓶子设计尺寸进行比较，判断该玻璃瓶瓶口是否合格；如果瓶口内径、外径的尺寸两者或其中之一超出设计尺寸的公差范围，则该瓶子判为不合格产品；

D、检测完成后，进行下一个玻璃瓶口的检测，重复步骤A－C；所有瓶子检测完成后退出程序。

9.根据权利要求8所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径检测方法，其特征在于，光源的打光方式为下打光，打光方向为向内向上，利用光在玻璃材质上折射和透射原理，使玻璃瓶口边缘变为高亮区域，进而获得比较清晰的边缘轮廓图像。

10.根据权利要求8所述的机器视觉的透明玻璃瓶口内外径检测方法，其特征在于，利用玻璃瓶自身重力使其悬挂于光源上面的黑色挡板上，处于一种自由状态。