CN103344182A - 一种基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统和方法，该系统包括：两路视觉系统、两个光源、调整平台和计算机。本发明还提出利用所述测量系统对3.8g和6.0g两种不同形状和大小的糖果的几何尺寸进行测量的方法。本发明利用糖果在两路视觉系统中清晰完整的成像，采用图像处理的方法，实现了3.8g和6.0g不同形状的糖果的几何尺寸的快速精确的测量。本发明操作简单，测量速度快，精度高，可以满足流水线上对糖果几何尺寸的快速测量。
Description
技术领域
本发明属于图像测量技术领域，尤其是一种基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统和方法。
背景技术
图像测量技术是以现代光学为基础，融合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代测量技术。图像测量具有非接触、分辨力高，自动化程度高、速度快等优点。目前图像检测技术已经被广泛的应用于外观检测、工业检测和生物医学等精密测量领域。
浙江大学研制的陶瓷墙地砖几何尺寸在线检测系统，包括对墙地砖的平整度测量和长宽尺寸测量。该测量系统由3～5个PSD位置检测器、6个安装在不同位置的CCD、传送带和系统控制测量主机构成。墙地砖在传送带上以一定速度水平移动，5个PSD以很快的频率检测出一系列特征点，合理安装在瓷砖的几个边的不同位置的6个CCD，能实时检测出瓷砖平整度和长宽尺寸，墙地砖几何尺寸测量精度可以达到0.12mm，具有一定的应用前景和社会经济效益。但是，首先该系统结构复杂，设备成本高，没有解决环境光和传送带抖动给测量带来的误差，其次整套系统的灵活性和通用性受到了很大的限制。
中国科学院光电技术研究所搭建的基于面阵CCD的数字图像刀具测量系统，由二维位移检测模块、光源、视觉成像系统、系统主机和软件测量系统组成。基本测量原理为CCD跟踪刀具轮廓，CCD的位置由光栅检测得到，系统软件通过图像处理得到轮廓，再拼接得到整个刀具轮廓，实现刀具径向尺寸、轴向尺寸、刀尖圆弧半径、夹角等几何特征的测量。该系统能够快速、精确的测量大尺寸刀具的几何尺寸。但是该系统并未对CCD的位置坐标系和成像坐标系之间的关系进行标定和校正，给整个测量系统带来人为的检测误差。
北京科技大学采用单目视觉系统测量直齿圆柱齿轮的几何尺寸，建立了测量齿轮齿数、模数、中心孔半径、齿顶圆半径、齿根圆半径和变位系数等齿轮几何参数的测量算法。该系统构成简单，易于操作，测量速度与人工用卡尺测量相比提高了数十倍，测量精度为0.1mm。
总之，国内外虽然在基于视觉的物体几何尺寸测量的研究工作中取得了一些进展，但是这些测量系统针对性强、适用性差，对操作人员要求高。
发明内容
为了解决现有图像测量系统中只能针对特定的测量对象设计特定的检测系统和测量算法的缺点，本发明提出了一种基于双目视觉糖果几何尺寸测量系统和方法，该方法可以同时测量两种不同尺寸的糖果的几何尺寸。
根据本发明的一方面，提供一种基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统，该系统包括：第一视觉系统1、第二视觉系统2、第一光源3、第二光源4、调整平台5和计算机6，其中：
所述第一视觉系统1固定在垂直于底座11的第一支架13上；
所述第二视觉系统2安装于第二支架14上且指向所述第二光源4，所述第二支架14固定于所述底座11上，使得所述第二视觉系统2能看清置于第一光源3上的糖果15；
所述调整平台5安装于所述底座11上，并使得所述调整平台5的中心位于所述第一视觉系统1的光轴线上；
所述第一光源3固定于所述调整平台5上，可以随着调整平台5做旋转运动，为所述第一视觉系统1提供背景光源；
所述第二光源4安装于第三支架12上，使得所述第二光源4的中心位于所述第二视觉系统2的光轴线上，为所述第二视觉系统2提供背光光源；
所述第一视觉系统1指向所述第一光源3的发光面，所述第二视觉系统2指向所述第二光源4的发光面；
被检测的糖果15随机放置于所述第一光源3的上表面上；
所述第一视觉系统1通过第一视觉连接线7连接至所述计算机6；所述第二视觉系统2通过第二视觉控制线8连接至所述计算机6；所述调整平台5通过第二控制线10连接至所述计算机6；所述第一光源3通过第一控制线9连接至所述计算机6。
根据本发明的另一方面，提供一种利用所述测量系统对3.8g糖果的几何尺寸进行测量的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：对测量系统进行初始化，通过调整平台5的旋转将第一光源3调整到合适的位置，打开所述第一光源3和第二光源4，采集第一视觉系统1和第二视觉系统2的当前图像作为其各自的背景图像，并且通过第一光源3上表面在第二视觉视觉系统2中的成像，从上到下扫描边缘点，得到第一光源3上表面的直线方程，作为测量糖果高度的基准直线；
步骤S2：将3.8g的糖果随机放到所述第一光源3的上表面上，使得所述糖果在所述第一视觉系统1和第二视觉系统2中清晰完整的成像；
步骤S3：对所述第一视觉系统1得到的糖果图像进行处理，得到所述糖果边缘的最长和最短距离，即为所述糖果的长度和宽度；
步骤S4：对所述第二视觉系统2得到的糖果图像进行图像处理得到所述糖果的厚度。
根据本发明的另一方面，提供一种利用所述测量系统对6.0g糖果的几何尺寸进行测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：对测量系统进行初始化，通过调整平台5的旋转将第一光源3调整到合适的位置，打开所述第一光源3和第二光源4，采集第一视觉系统1和第二视觉系统2的当前图像作为其各自的背景图像；
步骤S2：将6.0g的糖果随机放到所述第一光源3的上表面上，使得所述糖果在所述第一视觉系统1和第二视觉系统2中清晰完整的成像；
步骤S3：对所述第一视觉系统1得到的糖果图像进行图像处理，得到所述糖果的长度，并且记录糖果的主轴方向；
步骤S4：关闭所述第一光源3，控制所述旋转平台5将所述糖果旋转至所述糖果的主轴方向与所述第二视觉系统2的光轴方向平行；
步骤S5：对所述第二视觉系统2得到的糖果图像进行图像处理，得到所述糖果的宽度和厚度。
本发明基于双目视觉的糖果几何尺寸测量方法，利用两个背景光源形成背光，保证了糖果边缘在两路视觉系统中清晰的成像，实现了对3.8g和6.0g两种不同形状的糖果的几何尺寸的快速精确的测量。本发明可以运用于流水线上对糖果尺寸的快速精确的测量，并且使用方便，数据便于记录和保存。
附图说明
图1是本发明基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统结构示意图；
图2为根据本发明一实施例测量3.0g糖果几何尺寸的方法流程图；
图3为根据本发明一实施例测量6.8g糖果几何尺寸的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统结构示意图，如图1所示，所述系统包括：第一视觉系统1、第二视觉系统2、第一光源3、第二光源4、调整平台5和计算机6，其中：
所述第一视觉系统1固定在垂直于底座11的第一支架13上；
所述第二视觉系统2安装于第二支架14上且指向所述第二光源4，所述第二支架14固定于所述底座11上，使得所述第二视觉系统2能看清置于第一光源3上的糖果15；
所述调整平台5安装于所述底座11上，并使得所述调整平台5的中心位于所述第一视觉系统1的光轴线上；
所述第一光源3固定于所述调整平台5上，可以随着调整平台5做旋转运动，为所述第一视觉系统1提供背景光源；
所述第二光源4安装于第三支架12上，使得所述第二光源4的中心位于所述第二视觉系统2的光轴线上，为所述第二视觉系统2提供背光光源；
所述第一视觉系统1指向所述第一光源3的发光面，所述第二视觉系统2指向所述第二光源4的发光面；
被检测的糖果15随机放置于所述第一光源3的上表面上；
所述第一视觉系统1通过第一视觉连接线7连接至所述计算机6；所述第二视觉系统2通过第二视觉控制线8连接至所述计算机6；所述调整平台5通过第二控制线10连接至所述计算机6；所述第一光源3通过第一控制线9连接至所述计算机6。
其中，所述调整平台5具有1个旋转自由度，可以绕着Z轴做360度旋转运动；
所述计算机6控制所述第一光源3的打开和关闭；在本发明一实施例中，所述计算机6采用Dell Inspiron545S。
所述第一视觉系统1和第二视觉系统2均由摄像机和远心镜头构成，在本发明一实施例中，所述第一视觉系统1由大恒图像的摄像机和维视图像的远心镜头构成；所述第二视觉系统2由PointGrey摄像机和维视图像的远心镜头构成。
所述糖果15可以为3.8g和6.0g两种不同的尺寸大小。
所述系统工作时，以所述第一光源3的上表面为基准，手动调整所述第一视觉系统1使其光轴近似垂直于所述第一光源3的上表面，同时保证所述糖果15在所述第一视觉系统1中完整清晰的成像。同理，手动调整所述第二视觉系统2使其光轴近似平行于所述第一光源3的上表面，同时调整所述第二支架14的远近，保证所述糖果15在所述第二视觉系统2中完整清晰的成像。
另外，本发明利用千分尺对两路视觉系统进行标定，由于两路视觉系统选用的镜头均为远心镜头，在景深范围内，物距的改变不会引起放大倍数的改变；经过精确标定得到所述第一视觉系统1的像素当量为0.0321mm/pixel，所述第二视觉系统2的像素当量为0.02722mm/pixel。
采用微米级精度的标定量块对所述第二视觉系统2的光轴方向进行标定；通过调整平台5带动标定块以一定的旋转角度旋转，当标定块的侧面面积在所述第二视觉系统2中最小时，检测标定块顶部的边缘直线在所述第一视觉系统1中的角度，即为所述第二视觉系统2的光轴方向；精确标定得到所述第二视觉系统2的光轴方向与X轴的夹角为0.68度。
图2为利用所述测量系统对3.8g糖果的几何尺寸进行测量的方法流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：对测量系统进行初始化，通过调整平台5的旋转将第一光源3调整到合适的位置，打开所述第一光源3和第二光源4，采集第一视觉系统1和第二视觉系统2的当前图像作为其各自的背景图像，并且通过第一光源3上表面在第二视觉视觉系统2中的成像，从上到下扫描边缘点，利用Ransac和最小二乘法拟合得到第一光源3上表面的直线方程，作为测量糖果高度的基准直线；
步骤S2：将3.8g的糖果随机放到所述第一光源3的上表面上，使得所述糖果在所述第一视觉系统1和第二视觉系统2中清晰完整的成像；
步骤S3：对所述第一视觉系统1得到的糖果图像进行处理，得到所述糖果边缘的最长和最短距离，即为所述糖果的长度和宽度，其中用两条虚拟的平行线卡住糖果的边缘，将糖果旋转360°，得到360个两条平行线间距离，其中最长的距离为糖果边缘的最长距离，最短距离为糖果边缘的最短距离；
所述步骤S3进一步包括：
首先，对于所述第一视觉系统1得到的糖果图像，得到关于糖果边缘的二值化图像；
该步骤中可运用背景差分法和固定阈值法来得到关于糖果边缘的二值化图像，其中所述背景差分法和固定阈值法均为现有技术中常用的方法，在此不做赘述。
然后，根据所述二值化图像得到所述糖果的边缘点集，利用一对平行线沿着边缘点集进行360度旋转相切，得到所述糖果边缘的最长和最短像素值，再乘以所述第一视觉系统1的像素当量，最终得到所述糖果边缘的最长距离和最短距离；
步骤S4：对所述第二视觉系统2得到的糖果图像进行图像处理得到所述糖果的厚度。
所述步骤S4进一步包括：对于所述第二视觉系统2得到的糖果图像，采用固定阈值法扫描得到所述糖果的最高点在所述糖果图像中的坐标，计算得到所述最高点到基准直线的垂直距离，并使其乘以所述第二视觉系统2的像素当量，得到所述糖果的高度。
在实际操作中，首先，按照步骤S1和S2对测量系统进行初始化；然后，按照步骤S3和S4实现3.8g糖果尺寸的测量。
图3为利用所述测量系统对6.0g糖果的几何尺寸进行测量的方法流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：对测量系统进行初始化，通过调整平台5的旋转将第一光源3调整到合适的位置，打开所述第一光源3和第二光源4，采集第一视觉系统1和第二视觉系统2的当前图像作为其各自的背景图像；
步骤S2：将6.0g的糖果随机放到所述第一光源3的上表面上，使得所述糖果在所述第一视觉系统1和第二视觉系统2中清晰完整的成像；
步骤S3：对所述第一视觉系统1得到的糖果图像进行图像处理，得到所述糖果的长度，并且记录糖果的主轴方向；
所述步骤S3进一步包括：
首先，对于所述第一视觉系统1得到的糖果图像，比如运用背景差分法和固定阈值法得到关于糖果边缘的二值化图像；
然后，根据所述二值化图像得到所述糖果的最小面积外接矩形，所述外接矩形的长乘以所述第一视觉系统1的像素当量得到所述糖果的长度。
步骤S4：关闭所述第一光源3，控制所述旋转平台5将所述糖果旋转至所述糖果的主轴方向与所述第二视觉系统2的光轴方向平行；
步骤S5：对所述第二视觉系统2得到的糖果图像进行图像处理，得到所述糖果的宽度和厚度。
所述步骤S5进一步包括：
首先，对于所述第二视觉系统2得到的糖果图像，比如运用背景差分法和固定阈值法得到所述糖果侧面的二值化图像；
然后，根据所述二值化图像得到所述糖果侧面的最小面积外接矩形，所述外接矩形的长和宽分别乘以所述第二视觉系统2的像素当量，得到所述糖果的宽度和厚度。
在实际操作中，首先，按照步骤S1和S2对测量系统进行初始化；然后，按照步骤S3、S4和S5实现6.0g糖果尺寸的测量。
为了验证本发明方法对于糖果几何尺寸的测量精度，按照3.8g糖果的测量方法，对3.8g的标准糖块进行了10次测量，3.8g标准糖块的真实最长最短距离和厚度分别为20.00mm、18.50mm、11.50mm，本发明方法的测量结果见表1。同样，按照6.0g糖果测量方法，对6.0g的标准糖块进行了10次测量；6.0g标准糖块的真实长宽厚分别为25.00mm、18.50mm、15.00mm，本发明方法测量结果见表2。
表1：10次测量3.8g标准糖块的结果
表2：10次测量6.0g标准糖块的结果
由表1可见，3.8g糖果的测量值与真实值之间在最长最短距离和厚度上的最大误差为0.15mm，具有很高的精度，满足糖果测量要求的精度0.2mm；由表2可见，6.0g糖果的测量值与真实值之间在长度宽度和厚度上的最大误差为0.14mm，同样满足糖果测量要求的精度0.2mm。上述校验结果，验证了本发明基于双目视觉对糖果几何尺寸进行测量的方法的有效性。
本发明基于双目视觉系统的糖果几何尺寸测量系统和方法，实现了对不同尺寸和不同形状的糖果的几何尺寸的测量。本发明检测速度很快，测量精度高，操作简单方便，应用广泛，能够满足流水线上快速精确的测量糖果的几何尺寸的要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于双目视觉的糖果几何尺寸测量系统，其特征在于，该系统包括：第一视觉系统（1）、第二视觉系统（2）、第一光源（3）、第二光源（4）、调整平台（5）和计算机（6），其中：
所述第一视觉系统（1）固定在垂直于底座（11）的第一支架（13）上；
所述第二视觉系统（2）安装于第二支架（14）上且指向所述第二光源（4），所述第二支架（14）固定于所述底座（11）上，使得所述第二视觉系统（2）能看清置于第一光源（3）上的糖果（15）；
所述调整平台（5）安装于所述底座（11）上，并使得所述调整平台（5）的中心位于所述第一视觉系统（1）的光轴线上；
所述第一光源（3）固定于所述调整平台（5）上，可以随着调整平台（5）做旋转运动，为所述第一视觉系统（1）提供背景光源；
所述第二光源（4）安装于第三支架（12）上，使得所述第二光源（4）的中心位于所述第二视觉系统（2）的光轴线上，为所述第二视觉系统（2）提供背光光源；
所述第一视觉系统（1）指向所述第一光源（3）的发光面，所述第二视觉系统（2）指向所述第二光源（4）的发光面；
被检测的糖果（15）随机放置于所述第一光源（3）的上表面上；
所述第一视觉系统（1）通过第一视觉连接线（7）连接至所述计算机（6）；所述第二视觉系统（2）通过第二视觉控制线（8）连接至所述计算机（6）；所述调整平台（5）通过第二控制线（10）连接至所述计算机（6）；所述第一光源（3）通过第一控制线（9）连接至所述计算机（6）。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调整平台（5）具有一个旋转自由度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一视觉系统（1）和第二视觉系统（2）均由摄像机和远心镜头构成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统利用千分尺所述第一视觉系统（1）和第二视觉系统（2）进行标定，采用微米级精度的标定量块对所述第二视觉系统（2）的光轴方向进行标定。
5.一种利用权利要求1所述的测量系统对3.8g糖果的几何尺寸进行测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：对测量系统进行初始化，通过调整平台（5）的旋转将第一光源（3）调整到合适的位置，打开所述第一光源（3）和第二光源（4），采集第一视觉系统（1）和第二视觉系统（2）的当前图像作为其各自的背景图像，并且通过第一光源（3）上表面在第二视觉视觉系统（2）中的成像，从上到下扫描边缘点，得到第一光源（3）上表面的直线方程，作为测量糖果高度的基准直线；
步骤S2：将3.8g的糖果随机放到所述第一光源（3）的上表面上，使得所述糖果在所述第一视觉系统（1）和第二视觉系统（2）中清晰完整的成像；
步骤S3：对所述第一视觉系统（1）得到的糖果图像进行处理，得到所述糖果边缘的最长和最短距离，即为所述糖果的长度和宽度；
步骤S4：对所述第二视觉系统（2）得到的糖果图像进行图像处理得到所述糖果的厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
首先，对于所述第一视觉系统（1）得到的糖果图像，运用背景差分法和固定阈值法得到关于糖果边缘的二值化图像；
然后，根据所述二值化图像得到所述糖果的边缘点集，利用一对平行线沿着边缘点集进行360度旋转相切，得到所述糖果边缘的最长和最短像素值，再乘以所述第一视觉系统（1）的像素当量，最终得到所述糖果边缘的最长距离和最短距离。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：对于所述第二视觉系统（2）得到的糖果图像，采用固定阈值法扫描得到所述糖果的最高点在所述糖果图像中的坐标，计算得到所述最高点到基准直线的垂直距离，并使其乘以所述第二视觉系统（2）的像素当量，得到所述糖果的高度。
8.一种利用权利要求1所述的测量系统对6.0g糖果的几何尺寸进行测量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1：对测量系统进行初始化，通过调整平台（5）的旋转将第一光源（3）调整到合适的位置，打开所述第一光源（3）和第二光源（4），采集第一视觉系统（1）和第二视觉系统（2）的当前图像作为其各自的背景图像；
步骤S2：将6.0g的糖果随机放到所述第一光源（3）的上表面上，使得所述糖果在所述第一视觉系统（1）和第二视觉系统（2）中清晰完整的成像；
步骤S3：对所述第一视觉系统（1）得到的糖果图像进行图像处理，得到所述糖果的长度，并且记录糖果的主轴方向；
步骤S4：关闭所述第一光源（3），控制所述旋转平台（5）将所述糖果旋转至所述糖果的主轴方向与所述第二视觉系统（2）的光轴方向平行；
步骤S5：对所述第二视觉系统（2）得到的糖果图像进行图像处理，得到所述糖果的宽度和厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
首先，对于所述第一视觉系统（1）得到的糖果图像，得到关于糖果边缘的二值化图像；
然后，根据所述二值化图像得到所述糖果的最小面积外接矩形，所述外接矩形的长乘以所述第一视觉系统（1）的像素当量得到所述糖果的长度。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：
首先，对于所述第二视觉系统（2）得到的糖果图像，比如运用背景差分法和固定阈值法得到所述糖果侧面的二值化图像；
然后，根据所述二值化图像得到所述糖果侧面的最小面积外接矩形，所述外接矩形的长和宽分别乘以所述第二视觉系统（2）的像素当量，得到所述糖果的宽度和厚度。
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