CN103886311B - 一种用于识别瓶体侧部编码的识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于识别瓶体侧部编码的识别系统，本发明的识别系统包括：面光源、前置透镜、组合透镜、成像装置、图像处理装置，面光源朝向待测瓶体进行照射，待测瓶体的瓶口对向所述面光源；前置透镜设置于面光源前方，位于面光源与待测瓶体之间；成像装置朝向所述待测瓶体的底部进行拍摄，与待测瓶体的底部具有一预定距离；组合透镜置于待测瓶体的底部与所述成像装置之间，并且组合透镜的直径大于待测瓶体的直径；图像处理装置与成像装置相连，用于从成像装置接收所拍摄的图像并且基于图像识别出待测瓶体底部侧边上的凸点。

Description

一种用于识别瓶体侧部编码的识别系统

技术领域

本发明涉及机器视觉检测领域，具体涉及一种用于识别瓶体侧部编码的识别系统。

背景技术

各种瓶体（饮料瓶、酒瓶等，尤其是啤酒瓶）的生产过程需要进行严格的质量检测，如检查其瓶口是否有裂纹、瓶子是否可回收利用等。同时还需要准确地追溯引起质量不合格的原因。如果模具自身有缺陷，那就会导致以其为模型生产的瓶体不合格率增高。识别出不合格模具的模具号也就成了质量管理的关键因素。

瓶体，尤其是玻璃瓶往往在瓶底以上20mm范围内标有规定文字或符号，其中用来标识该瓶由哪一模具生产的数字符号为模（具）号。模点则是与模号一一对应的凸点序列。现有的玻璃瓶模具文字识别系统均采用CCD采集图像，其中采用面阵CCD方案能在2转/秒的转速下完成动态采集图像。图像采集完成后运用基于主动轮廓模型的字符提取识别字符。

我国从美国、比利时、法国等国已经引进了多条啤酒瓶生产线及多套在线检验机，用于把不合格产品从生产线上剔除出来。这些在线检验机的检测流程基本相同。啤酒瓶由传送带逐个进入验瓶机，经操作台检测后再由传送带分类输出。在圆形转盘旋转的过程中，通过N个相机工位拍摄的360/N的角度变化后的玻璃瓶编码图像，通过软件合成模具编码的整幅图像然后进行识别。（参考文献《啤酒瓶在线模号识别系统研究》文章编号1671-4598（2008）09-1322-03中图分类号：TH873.7文献标识码A）

现有技术中已经存在了模具编号的自动识别系统，例如在申请号：200920226221.5的实用新型专利就提供了一种“玻璃瓶罐点状模具编码的自动识别系统”，但该专利是用激光传感器与单片机进行模具编号识别。激光经过点状模具时，光强变化，从而根据传感器通断信号来识别模具号。在实际操作时，容易出现一个码点出错，导致整个模具号识别出错的情况。

在专利申请201210148078中提供了另一种识别系统，然而该专利中的在实际操作时，对于平台的稳定性要求较高，号码的读取速度很大程度上取决于旋转工作台的转动速度，导致检测效率低下；且由于拍摄同一模具号区域全貌需要进行多帧的图像采集，采集后的图像需要重新进行拼合后提取凸点信息，对系统的负担较重。

从目前的情况来看，现有的瓶体模具识别系统或使用精确度低下的激光+传感器的方式进行识别，或使用一台相机拍摄多幅图像识别编码区域，识别数量均依赖于玻璃瓶自转转速，对系统稳定性要求较高；或需要配合多个相机进行采集，增加了前期的投入成本和维护成本；采集后需要进行单独的拼合处理，效率慢且由于瓶体转速不均导致误识别和无法识别的几率大幅度增加。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于识别瓶体侧部的编码的识别系统，其特征在于，所述识别系统包括：面光源、组合透镜、成像装置、图像处理装置，

所述面光源朝向待测瓶体进行照射，所述待测瓶体的瓶口对向所述面光源；

所述成像装置朝向所述待测瓶体的底部进行拍摄，与所述待测瓶体的底部具有一预定距离；

所述组合透镜置于所述待测瓶体的底部与所述成像装置之间，并且所述组合透镜的直径大于等于所述待测瓶体的直径；

所述图像处理装置与所述成像装置相连，用于从所述成像装置接收所拍摄的图像并且基于所述图像识别出所述待测瓶体底部侧边上的编码。

进一步地，所述组合透镜包括彼此共轴的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为双凸透镜。

进一步地，所述组合透镜还包括：固定所述第一透镜和所述第二透镜的镜筒，所述第一透镜和所述第二透镜通过所述镜筒连接，所述第一透镜和第二透镜之间具有空气隔层。

进一步地，所述面光源、所述前置透镜、所述待测瓶体、所述组合透镜和所述成像装置沿所述面光源的发光方向依次共轴设置，所述待测瓶体的瓶底朝向所述组合透镜。

进一步地，所述识别系统还包括扩散板，所述扩散板紧贴所述面光源的发光表面。

进一步地，所述面光源为圆形LED面光源或者方形LED面光源，所述圆形LED面光源直径在50-300mm之间，所述方形LED面光源的边长在100-400mm之间。

进一步地，所述待测瓶体的侧壁在瓶底的位置处具有凸点编码，所述凸点编码代表用于生产所述待测瓶体的模具号。

进一步地，所述前置透镜为菲涅耳透镜。

进一步地，所述识别系统还包括前置透镜，所述前置透镜设置于所述面光源前方，位于所述面光源与所述待测瓶体之间。

优选地，所述组合透镜的焦距在50-70mm之间，所述组合透镜距离所述待测瓶体的底面的距离小于所述组合透镜的焦距。

在本发明的另一种优选实现方式中，所述识别系统包括：面光源、前置透镜、后置组合透镜、成像装置、传送带、支撑平台、透视窗口。可选地，该系统还包括扩散板和后置反射镜。

在本实施例中，所述传送带输送待测瓶体（例如，通过夹持方式），在所述传送带下方具有防止瓶体脱落的支撑平台。所述传送带能够沿预定轨道行进，待测瓶体夹在传送带中间，相邻待测瓶体之间具有预定间隔。用于检测待测瓶体的检测位置位于该预定轨道中。所述支撑平台在检测位置处具有一个透视窗口，后置组合透镜位于所述透视窗口中。所述透视窗口位于所述面光源的正下方。

所述面光源位于检测位置和传送带上方，朝向待测瓶体进行照射，所述待测瓶体的瓶口对向所述面光源。扩散板紧贴面光源的发光面、位于面光源的下方。所述前置透镜设置于所述面光源前方（下方），位于所述面光源与所述待测瓶体之间。并且所述前置透镜位于扩散板的下方，在所述传送带与所述面光源之间。所述后置反射镜位于所述透视窗口下方，用于将来自所述组合透镜的光线反射至所述成像装置。

所述成像装置朝向所述待测瓶体的底部进行拍摄，与所述待测瓶体的底部具有一预定距离；所述组合透镜置于所述待测瓶体的底部与所述成像装置之间，并且所述组合透镜的直径大于所述待测瓶体的直径。所述图像处理装置与所述成像装置相连，用于从所述成像装置接收所拍摄的图像并且基于所述图像识别出所述待测瓶体底部侧边上的编码。

本发明所提到的待测瓶体为透明或半透明瓶体，可以为饮料瓶、啤酒瓶等。本发明所提到的瓶体侧边并不限定编码必须完全位于侧壁上，在一些情况下，编码位于侧壁与瓶底的交汇处，本发明所提到的瓶体侧部包含这种情况。本文中所提到的编码既可以包括用于识别模具号的凸点，也可以包括其他文字或符号。

优选地，组合透镜中的两个透镜的外围（相对于中心而言）的折射率大于中间部分的折射率。这样，对瓶体外侧的编码的放大将更大于对瓶底本身的放大。

成像原理：

由于普通的成像镜头（尤其是广角镜头）本身具有近大远小（这里的远近指的是透镜与被测物体之间的距离）的透视畸变，在使用普通镜头观察瓶底结构时，瓶底的放大倍率大于相对于镜头更远处的瓶体侧面的放大倍率，即，瓶底的放大倍率大于侧部编码的放大倍率。从而使瓶底部分看起来更大，瓶体的侧面看起来更小以致无法观察。

所以，本发明的发明人在成像装置的镜头与被拍摄的瓶底之间引入了组合透镜，使得瓶底离组合透镜的距离设置在一倍焦距以内，从而先对被拍摄的瓶底成一个放大的虚像。由于虚像本身的透视畸变是近小远大，这样看起来外圈的瓶侧就更清晰了，而且这种透视畸变是距离越小，畸变越大。因此，本发明的发明人将瓶底与组合透镜的距离设置在70mm以内，以获得足够大的透视畸变。然而，在光路设计上，除了瓶底与组合透镜的距离之外，还需要考虑到组合透镜的尺寸。在镜头前的透镜的直径必须足够大才能通过透镜观察到该瓶体的虚像，尤其是侧部编码的虚像。然而，随着透镜直径的增大，透镜的焦距将相应增大，仅仅采用单个透镜已经难以满足小焦距、大尺寸的要求了。所以，本发明采用组合透镜来对瓶底形成带有透视畸变的虚像。组合透镜的设计需要满足透镜直径和透镜焦距的双重标准。优选地，组合透镜中第一透镜的焦距为：80-120mm；第二透镜的焦距为：70-115mm。

本发明的识别系统将原有的不容易观察到的瓶体侧面的编码区域折射到正向区域进行放大显示并通过成像装置进行检测，检测准确性高，误检率低。本发明利用组合透镜的透视畸变，使得编码区域的放大倍率大于瓶底中心部位的放大倍率，更容易对编码进行识别。

本发明的识别系统仅基于一个成像装置便可以对玻璃瓶底部侧面编码区域进行360度检测，而不需要对玻璃瓶进行旋转，检测成本低，检测速度快，且可实现对玻璃瓶外形尺寸的测量。本发明通过将透视窗口嵌入在支撑平台中，通过上方的面光源进行照明，使整个检测过程更加流畅，不需要在瓶体的传送过程中，进行额外操作即可实现瓶体检测。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施例进行详细描述：

图1为根据本发明的一个实施例的识别系统的结构示意图；

图2为利用图1所示识别系统进行成像时的光路示意图；

图3为在本发明另一个实施例中采用的组合透镜的结构示意图；

图4为根据本发明另一个实施例的识别系统对玻璃瓶进行检测时的结构示意图；

图5为采用本发明的识别系统对玻璃瓶底部所成的图像，其中，将瓶底侧部的模具号成像在瓶底外围。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明一个实施例的识别系统包括：面光源10、前置透镜30、组合透镜60、成像装置70、图像处理装置80。此外，可选地，在面光源的前方还可以包括扩散板20。扩散板20紧贴在面光源10的前方。

该识别系统可以对待测瓶体40的模具号进行识别。模具号通常位于待测瓶体的底部的侧壁上或者位于瓶底与侧壁之间的连接处上。

图1中示出了常用的待测瓶体40的结构，其具有基本上为圆柱形的侧壁，其中侧壁上的凸点模具号编码区域位于瓶体底部位置50，面光源10射出的光线经过扩散板20以及前置透镜30折射后从瓶体的顶部位置入射到瓶体内部进而照到底部位置50或者从瓶体外部入射到底部位置50，将底部位置50所在区域打亮；底部位置的（凸点模具号）编码区域经过组合透镜60成像到成像装置70的CCD靶面上。图像处理装置80与成像装置70相连接，用于接收成像装置所成的瓶底图像，并通过图像识别模块（例如，采用特征提取方法或软件）从瓶底图像中识别出瓶底的模具号编码。

采用本发明的识别系统对模具号进行识别时，玻璃瓶底所成图像的直径变大、底部曲率变大并且编码区域增加。面光源10可以采用LED面光源或高频荧光灯组成的面光源。面光源10的尺寸与待检测的玻璃瓶40的尺寸相适配，在实际中，该面光源10的尺寸要大于等于被检测的玻璃瓶40的尺寸。面光源10所发出的光最好是单色光（单一波长），也可以是白光，但后者会带来色散问题，影响图像边缘清晰度。另外，优选地面光源10均匀发光。

扩散板20用于将光源发出的漫射光变得更加均匀；以适应现场小空间的要求。组合透镜60由一块平凸透镜601和一块双凸透镜602构成，组合透镜的焦距在50-70mm之间，编码区域50处于组合透镜的一倍焦距以内。前置透镜30可以采用菲涅耳透镜，使用菲涅耳透镜30时，面光源10位于菲涅耳透镜30的一倍焦距以内。

图像摄取装置70由CCD感光元件和普通镜头组成。

在本发明的识别系统使用时，待测瓶体40置于前置透镜30和组合透镜60之间，待测瓶体40的瓶底侧部具有凸点编码，凸点编码代表用于生产所述待测瓶体的模具号。面光源10的发光面朝向待测瓶体40的瓶口。前置透镜30设置于面光源10前方，位于面光源10与待测瓶体40之间。前置透镜30用于对光进行汇聚以便更好地对待测瓶体40的底部进行照明。

组合透镜60置于待测瓶体40的底部与成像装置70之间，并且组合透镜的直径大于待测瓶体的直径。组合透镜60正对待测瓶体40的瓶底，或者，也可以认为组合透镜60的轴线方向与待测瓶体40的轴线大体共线。组合透镜60包括彼此共轴的第一透镜601和第二透镜602，优选地，第一透镜601为平凸透镜，第二透镜为双凸透镜602。第一透镜601靠近待测瓶体的瓶底，第二透镜602靠近成像装置。

组合透镜60还包括镜筒，镜筒用于固定第一透镜和第二透镜，第一透镜和第二透镜之间具有空气隔层。在本实施例中，面光源10、前置透镜30、待测瓶体40、组合透镜60和成像装置70沿面光源的发光方向依次共轴设置。

成像装置70朝向组合透镜60，进而朝向待测瓶体40的底部进行拍摄，并且与待测瓶体40的底部具有一预定距离。图像处理装置80与成像装置70相连，用于从成像装置接收所拍摄的图像并且基于该图像识别出待测瓶体底部侧边上的凸点编码。图像处理装置包括凸点识别装置和模具号识别装置，所述凸点识别装置截取出所述图像的瓶底外围部分并且采用图像识别方法识别出瓶底外围中代表模具号的凸点。所述模具号识别装置中存储有凸点与模具号之间的对比关系表，并且所述模具号识别装置基于该对应关系表和所识别出的凸点确定制作待测玻璃瓶所采用的模具号。

图2示出了对瓶底侧部的凸点编码进行成像的原理示意图。如图2所示，玻璃瓶40的底部编码50位于玻璃瓶40的底部侧面区域，大尺寸的短焦组合透镜60由第一透镜601和第二透镜602构成。从图中可以看出，瓶体上的两点A和B位于瓶体侧部。由于A点和B点位于瓶体的侧部或者侧部与底部交汇的弧形区域，如果直接从成像装置方向望去，AB两点之间的直线距离较短、甚至重合。这样，如果直接对A点和B点成像，则基于成像装置所成的图形，难以将A点和B点区分开。

由于组合透镜所产生的透视畸变，容器40的底部侧面区域50上的A、B两点经过组合透镜后会成像在CCD靶面70的A”、B”处；显然使用组合透镜后A、B两点在CCD靶面上所成的像分离，使整个编码区域更容易被观察到。

更具体而言，在本发明中，从A、B两点发出的光线经透镜601进行一次折射，后经透镜602进行第二次折射，经折射的光线发生汇聚，进而朝向成像装置照射。经过上述折射将A和B点在侧面上的直线距离转换到成像装置所成的图像上，而不是直接将A和B之间的直线距离投影到成像装置上，相当于对A和B之间的距离进行了放大。换言之，A点和B点所成图像A”与B”之间的距离大于等于直接将AB投影在成像平面上所得到的投影点之间的直线距离。

在本实施例中，优选地，组合透镜60的焦距在50-70mm之间，组合透镜60距离待测瓶体的底面的距离小于组合透镜的焦距。面光源10采用圆形LED面光源或者方形LED面光源，圆形LED面光源直径在50-300mm之间，方形LED面光源的边长在100-400mm之间。

本发明使用底部照明结合曲面像场的方式实现了在独立工位上一次性360度无缝拍摄模具编号，节约了工位，提高了检测效率。

本发明利用从瓶口到瓶底的漫射光源将瓶体踝部的编码区域50照亮，利用大尺寸短焦组合透镜60产生透视畸变，将不在同一平面的瓶踝编码区域成像于传感器平面，从而将瓶踝编码的360度信息呈现。本发明装置结构紧凑，编码识别效率高。

本发明所采用的前置透镜30可以为非球面透镜或球面透镜，前置透镜30的材料可以为玻璃或塑胶，例如，聚碳酸脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚环烯烃聚合物和聚环烯烃共聚物中的任一种。组合透镜60中的第一透镜可以为非球面透镜或球面透镜。第一透镜的材料可以为玻璃或塑胶材料。优选的，组合透镜60中的第二透镜的材料为玻璃材料。

图3为在根据本发明的另一个实施例中所采用的组合透镜的放大视图。在该实施例中第一透镜和第二透镜均采用双凸透镜。在该实施例中前置透镜采用菲涅耳透镜，菲涅耳透镜与背光光源的距离应该小于透镜本身焦距。

图4示出了本发明的另一个实施例。如图所示，在本实施例中，识别系统包括：面光源210、前置透镜230、组合透镜260（该组合透镜与上一实施例中的组合透镜相同，不过为了简化，图中仅示出了一个透镜，用以代表组合透镜）、成像装置270、传送带290、支撑平台291、透视窗口292。可选地，该系统还包括扩散板220、后置反射镜261。

在本实施例中，通过传送带290来输送待测瓶体240，在传送带290下方具有防止瓶体脱落的支撑平台291。传送带290能够沿预定轨道行进，用于检测待测瓶体250的检测位置位于该轨道中。支撑平台在检测位置处具有一个透视窗口292，后置组合透镜260位于透视窗口292中。面光源210位于检测位置和传送带290上方，向下进行照射，扩散板220紧贴面光源210的发光面、位于面光源210的下方。前置透镜230位于扩散板220的下方。

采用这种实现方式，将组合透镜嵌入在支撑平台中，使得待测瓶体能够平滑地通过检测区域，不会对生产过程带来任何影响。此外，采用这种方式使得生产线的结构更加紧凑，无需额外增加工位，即可实现对编码的识别。而且，采用本发明的系统，不需要对待测瓶体进行任何旋转或额外动作，也不需要瓶体传送的减速。

在本实施例中的系统工作时，传送带290夹持若干待测瓶体沿预定轨道行进，并依此通过检测位置，待测瓶体的瓶口朝向面光源210。可选地，该系统还包括成像触发装置，一旦任意一个待测瓶体进入到检测位置中，成像触发装置发出触发信号，以启动成像装置进行图像采集，并触发处理装置，从而当处理装置接收到成像装置所采集到的图像时，对图像进行及时处理，以便识别出待测瓶体的底部侧面的凸点编码。成像触发装置可以为红外感应装置。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，但本领域的技术人员应该理解，实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

此外，本发明的附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除其与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，图中所示部件的具体细节并非对发明保护范围的限定。本领域技术人员也应该理解，上述实施例也仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。

Claims (7)

1.一种用于识别瓶体侧部编码的识别系统，其特征在于，所述识别系统包括：面光源、组合透镜、成像装置、图像处理装置，

所述面光源朝向待测瓶体进行照射，所述待测瓶体的瓶口对向所述面光源；

所述成像装置朝向所述待测瓶体的底部进行拍摄，与所述待测瓶体的底部具有一预定距离；

所述组合透镜置于所述待测瓶体的底部与所述成像装置之间，并且所述组合透镜的直径大于等于所述待测瓶体的直径；

所述图像处理装置与所述成像装置相连，用于从所述成像装置接收所拍摄的图像并且基于所述图像识别出所述待测瓶体底部侧边上的编码，所述组合透镜包括彼此共轴的第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为双凸透镜，所述组合透镜的焦距在50-70mm之间，组合透镜中第一透镜的焦距为80-120mm；第二透镜的焦距为70-115mm，所述待测瓶体的瓶底与所述成像装置之间的预定距离小于所述组合透镜的1倍焦距，所述组合透镜用于产生透视畸变以使得编码区域的放大倍率大于瓶底中心部位的放大倍率。

2.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述组合透镜还包括：固定所述第一透镜和所述第二透镜的镜筒，所述第一透镜和所述第二透镜通过所述镜筒连接，所述第一透镜和第二透镜之间具有空气隔层。

3.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述面光源、所述待测瓶体、所述组合透镜和所述成像装置沿所述面光源的发光方向依次共轴设置，所述待测瓶体的瓶底朝向所述组合透镜。

4.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述面光源为圆形LED面光源或者方形LED面光源，所述圆形LED面光源直径在50-300mm之间，所述方形LED面光源的边长在100-400mm之间。

5.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述待测瓶体的侧壁在瓶底的位置处具有凸点编码，所述凸点编码代表用于生产所述待测瓶体的模具号。

6.根据权利要求1所述的识别系统，其特征在于，所述识别系统还包括前置透镜，所述前置透镜设置于所述面光源前方，位于所述面光源与所述待测瓶体之间。

7.根据权利要求6所述的识别系统，其特征在于，所述前置透镜为菲涅耳透镜。