CN105631873A - 一种柔性膜收卷质量视觉检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性膜收卷工艺相关领域，并公开了一种柔性膜收卷质量视觉检测方法，包括：针对收卷装置来布置相应的视觉检测装置及检测驱动装置；在收卷过程中对料卷端面执行成像检测，并获取不同焦距下的端面图像，直至收卷完毕；在收卷完成时构建适当算法求得料卷端面的特征点深度方差，并利用该深度方差来作为量化指标评价成卷质量。本发明还公开了相应的实时纠偏处理方式。通过本发明，不仅实现了柔性膜收卷的高精度质量检测，还提出了一种柔性膜成卷效果量化评价指标，并适用于各类成卷设备的应用场合。

Description

一种柔性膜收卷质量视觉检测方法

技术领域

本发明属于柔性膜收卷工艺相关领域，更具体地，涉及一种柔性膜收卷质量视觉检测方法。

背景技术

现有的柔性膜收卷装置一般包括收卷架、收卷轴和收卷电机等，当收卷电机驱动收卷轴转动时，收卷轴将薄膜收卷成卷。但在实际操作中，由于收卷偏差的影响，收卷后通常会造成料卷端部参差不齐，影响薄膜质量。

针对上述技术问题，现有解决办法中如CN200820202572提出了一种薄膜收卷装置，其中通过将薄膜边位检测器安装在薄膜边缘经过的适当位置处，且接近与收卷轴，由此通过边位检测器的反馈，摆动收卷从而使收卷平整。然而，进一步的研究表明：这些现有解决方案中大多需要采用传感器和机械执行机构来执行收卷平整化，相应造成结构复杂、精度受限和操作不便等缺陷；尤其是，现有方案中不能对成卷后的料卷给出具体量化的评价，并导致在纠偏精度方面难以获得显著提升。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性膜收卷质量视觉检测方法，其中通过采取非接触性的视觉检测方式来对料卷端面执行实时检测，并构建适当算法来准确获知薄膜成卷效果的量化数据，相应可以更高精度、更快响应和便于自动化操控的方式执行各类收卷结构的实时纠偏，并且能够对薄膜成卷效果获得量化指标，以便作为收卷质量的统一评价标准。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，该视觉检测方法包括下列步骤：

(a)在水平布置的底座上安装收卷装置，该收卷装置包括收卷轴支架和收卷轴，所述收卷轴通过卷轴旋转电机带动柔性膜缠绕其上以形成料卷，同时通过卷轴平移组件实现水平摆动；此外，在相对于料卷端面的一侧，布置有视觉检测装置，该视觉检测装置包括支撑板以及共同固定其上的CCD相机和光源，并可通过检测驱动装置来执行此视觉检测装置整体相对于料卷端面的距离及姿势调整，其中所述CCD相机用于对收卷中的料卷端面进行成像，所述光源则对称布置于所述CCD相机的视觉中心，并确保料卷端面获得均匀光照；

(b)对所述视觉检测装置执行初始化操作，并使得所述CCD相机的镜头轴心与所述收卷轴的端面相垂直；

(c)启动所述收卷装置执行收卷，在此过程中，利用单目视觉方式对料卷端面执行成像检测，也即调节所述视觉检测装置对收卷中的料卷不断拍摄其端面以获取不同焦距下的端面图像，直至收卷完毕；

(d)基于以下公式(一)来求得料卷端面的特征点i(i＝1,2,…n-1,n)的端面深度Y_i；f₁、f₂分别表示所述CCD相机对料卷端面进行成像的两个不同焦距；r_i1、r_i2分别表示在采用所述焦距f₁和f₂所获取的端面图像中，特征点i(i＝1,…,n)与料卷中心之间的相对距离；ΔY表示改变焦距前后镜头的移动距离，并可以通过镜头上标识轴向刻度尺来确定(各参数的单位默认为mm)

其中 $a_i=\frac{1}{f_2}-\frac{r_{i1}}{r_{i2}}\frac{1}{f_1},b_i=\frac{r_{i1}}{r_{i2}}(\frac{\mathrm{\Δ}Y}{f_1}+1)-\frac{1}{f_2}(\mathrm{\Δ}Y+1)+1,c_i=(\frac{1}{f_2}-\frac{r_{i1}}{r_{i2}})\mathrm{\Δ}Y+1.$

根据收卷系统合理的深度范围筛选出合理的深度大小Y_i，利用方差公式： $S_Y=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(\stackrel{\‾}{Y}-Y_i)}^2},(i=1,...,n),$ n个特征点的平均深度值 $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Y}_i,(i=1,...,n).$ 将上述求得的特征点深度方差S_Y作为量化指标来评价料卷端面的整齐度，方差越大表明料卷端面越不整齐，方差越小则表明料卷端面越为整齐，由此完成整体的柔性膜收卷质量视觉检测过程。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，所述检测驱动装置包括X向平动组件、Y向平动组件、Z向平动组件和θ向旋转电机，其中该X向平动组件、Y向平动组件、Z向平动组件三者彼此相互垂直地安装，并分别用于实现所述视觉检测装置整体相对于料卷端面在X/Y/Z轴方向上的距离调节，该θ向旋转电机则用于实现所述视觉检测装置整体相对于料卷端面的姿势调节。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，对于对料卷端面执行成像检测的过程，优选还包括对料卷端面执行实时纠偏的操作。

作为进一步优选地，所述实时纠偏的操作优选通过以下方式完成：

(i)使所述视觉检测装置水平摆动一定的角度α，并获取视觉检测装置在该角度α下对料卷端面的图像；

(ii)在步骤(i)所获取的端面图像中，求得最外两层像素也即对应于料卷最外两层柔性膜图像的偏移量l₁，然后利用下列公式(二)计算得出这最外两层柔性膜之间的相对偏移量l，其中λ表示预设的用于表示所述CCD相机光学特性的相关：

(iii)将步骤(ii)计算得出的相对偏移量l实时反馈至所述收卷装置，并控制该收卷装置沿其轴向移动相应的距离；

(iv)重复执行以上步骤(i)至(iii)，直至计算得出的相对偏移量为零，由此完成纠偏过程。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，所述视觉检测装置优选采用基于暗场照明的成像方式来拍摄料卷端面的图像，其中所述CCD相机接收来自料卷端面的漫反射光，并在暗背景下获取料卷端面的图形。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，优选还可以在所述底座上配置有控制单元，并基于所述视觉检测装置(40)所获取的料卷端面信息，相应控制所述检测驱动装置和所述收卷装置执行自动化调控。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，率先将视觉检测方式引入至柔性膜收卷检索工艺之中，并通过对其成像及驱动方式等方面的设计能够执行整个收卷过程中的高精度实时检测；此外，本发明还针对料卷的成卷过程及特征进行针对性研究，相应提出了适当算法来获取柔性膜成卷效果的量化评价指标，并能够在检测过程中实现收卷纠偏过程。

附图说明

图1是按照本发明所构建的柔性膜收卷之间视觉检测系统的整体结构示意图；

图2是按照本发明的视觉检测系统的检测原理示意图；

图3是按照本发明优选实施方式的控制系统的硬件组成示意图；

图4是按照本发明的柔性膜收卷质量视觉检测方法的工艺流程示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的结构或元件，其中：

10-底座20-控制单元30-检测驱动装置40-视觉检测装置50-收卷装置41-CCD相机42-镜头43-光源44-支撑板

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明所构建的柔性膜收卷之间视觉检测系统的整体结构示意图，图4是按照本发明的柔性膜收卷质量视觉检测方法的工艺流程示意图。如图1和图4中所示，该柔性膜收卷质量视觉检测方法主要包括以下步骤：

首先，参见图1，可以在水平布置的底座10上安装常规的收卷装置50，该收卷装置包括收卷轴支架和收卷轴，所述收卷轴可通过卷轴旋转电机带动柔性膜缠绕其上以形成料卷，同时可通过卷轴平移组件实现水平摆动；此外，在相对于料卷端面的一侧(图1中显示为右侧)，布置有视觉检测装置40，该视觉检测装置包括支撑板44以及共同固定其上的CCD相机41和光源43等，并可通过譬如同样布置在底座10上的检测驱动装置30来执行此视觉检测装置整体相对于料卷端面的距离及姿势调整，其中所述CCD相机41及其配套的镜头42用于对收卷中的料卷端面进行成像，所述光源43则对称布置于所述CCD相机的视觉中心，并确保料卷端面获得均匀光照。

更具体地，按照本发明的一个优选实施例，检测驱动装置譬如可由X向平动组件、Y向平动组件、Z向平动组件及θ向旋转电机组成。其中，Y向平动组件例如用来实现整个视觉检测装置距离柔性膜料卷端部沿着Y轴方向的距离变化，以便相机观察以及适应不同卷径的料卷；X向平动组件用于整个视觉检测装置沿着X轴方向的水平摆动，Z向平动组件便于随着成卷大小变化来实现整个视觉检测装置在Z轴方向上的调整。此外，θ向旋转电机与这三个平移组件相配合，由此整个视觉检测装置相对于薄膜成卷端部的姿势，以便更为准确的成像。

接着，对所述视觉检测装置执行初始化操作，并使得所述CCD相机的镜头轴心与所述收卷轴的端面相垂直。按照本发明的一个优选实施例，在成像方面，优选采用基于暗场照明的成像方式，也即利用成像系统接受柔性膜的漫反射光，在暗背景下获取目标清晰明亮、灵敏度较高的柔性膜收卷图像，两个光源41可对称视觉中心安装并且以低角度照射。

接着，启动收卷装置执行收卷，在此过程中，优选可利用单目视觉方式对料卷端面执行成像检测，由此调节所述视觉检测装置40对收卷中的料卷不断拍摄其端面以获取不同焦距下的端面图像，直至收卷完毕；

在此步骤中，为了进一步提高检测精度，还可以同步执行实时纠偏操作。按照本发明的一个优选实施例，该实时纠偏操作优选通过以下方式完成：

(i)使所述视觉检测装置水平摆动一定的角度α，并获取视觉检测装置在该角度α下对料卷端面的图像；

(ii)在所获取的端面图像中，譬如利用近似平行光的方式，求得最外两层像素也即对应于料卷最外两层柔性膜图像的偏移量l₁，然后利用下列公式计算得出这最外两层柔性膜之间的相对偏移量l，其中λ表示预设的用于表示所述CCD相机光学特性的相关：

$l=\frac{\mathrm{\λ}\×l_1}{sin\mathrm{\α}}$

(iii)将计算得出的相对偏移量l实时反馈至所述收卷装置，并控制该收卷装置沿其轴向移动相应的距离；

(iv)重复执行以上步骤，直至计算得出的相对偏移量为零，由此完成纠偏过程。

最后，基于以下公式来求得料卷端面的特征点i(i＝1,2,…n-1,n)的端面深度Y_i；f₁、f₂分别表示所述CCD相机对料卷端面进行成像的两个不同焦距；r_i1、r_i2分别表示在采用所述焦距f₁和f₂所获取的端面图像中，特征点i(i＝1,…,n)与料卷中心之间的相对距离；ΔY表示改变焦距前后镜头的移动距离，并可以通过镜头上标识轴向刻度尺来确定(各参数的单位默认为mm)：

$Y_i=\frac{-b_i\±\sqrt{{b_i}^2-4a_i{c}_i}}{2a_i}({b_i}^2>4a_i{c}_i),(i=1,...,n)$

其中 $a_i=\frac{1}{f_2}-\frac{r_{i1}}{r_{i2}}\frac{1}{f_1},b_i=\frac{r_{i1}}{r_{i2}}(\frac{\mathrm{\Δ}Y}{f_1}+1)-\frac{1}{f_2}(\mathrm{\Δ}Y+1)+1,c_i=(\frac{1}{f_2}-\frac{r_{i1}}{r_{i2}})\mathrm{\Δ}Y+1.$

根据收卷系统合理的深度范围筛选出合理的深度大小Y_i，利用方差公式： $S_Y=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(\stackrel{\‾}{Y}-Y_i)}^2},(i=1,...,n),$ n个特征点的平均深度值 $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Y}_i,(i=1,...,n).$ 将上述求得的特征点深度方差S_Y作为量化指标来评价料卷端面的整齐度，方差越大表明料卷端面越不整齐，方差越小则表明料卷端面越为整齐，由此完成整体的柔性膜收卷质量视觉检测过程。

上述采用特征点深度方差作为量化指标来评价料卷收卷质量的原理可参照图2来进一步解释。如图2中所示，据光学透镜成像原理，当柔性膜料卷位置保持不变时，伸缩镜头以改变焦距，图中镜头43移动位置用虚线表示，则料卷的深度在不同焦距下其成像的矢量位置和对应的焦距形成几何关系。

如图所示，当柔性膜层间图像AB与CCD相机的感光芯片M的间距D>4f时，CCD相机的镜头43伸缩变换焦距，可在感光芯片上两次成像；向前伸长的镜头获得视角较窄，但AB成像较大的图像；向后收缩的镜头获得视角较宽，但AB成像较小的图像。假设此CCD相机成像系统为理想系统，镜头43外的柔性膜层间图像AB上一点B坐标为(x，y，z)，该点到像平面的距离为D。当镜头43位于L1位置时，此时柔性膜层间图像AB在料卷端面成像M为A1B1(B1距离料卷中心值为r₁),B1坐标为(x1,y1,z1)，物距为U₁，像距为V₁；当镜头(43)位于如L2位置时，此时镜头(43)移动的距离为ΔY，图像AB在像料卷端面M的成像为A2B2(B2距离料卷中心值为r₂)B2坐标为(x2,y2,z2)，物距为U₂，像距为V₂，U₁的值表征相应特征点B的端面深度值即U₁＝Y_B。

根据几何关系，可列出以下方程：

$\frac{x}{r_1}=\frac{U_1}{V_1},\frac{x}{r_2}=\frac{U_2}{V_2}=\frac{U_1+(V_1-V_2)}{U_2}$

U₁＝Y_B

根据像距，物距和焦距之间关系：

$\frac{1}{U_1}+\frac{1}{V_1}=\frac{1}{f_1}$

$\frac{1}{U_2}+\frac{1}{V_2}=\frac{1}{f_2}$

联合解之，可推导出深度大小公式为：

$Y_B=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4ac}}{2a},(b^2>4ac)$

其中 $a=\frac{1}{f_2}-\frac{r_1}{r_2}\frac{1}{f_1},b=\frac{r_1}{r_2}(\frac{\mathrm{\Δ}Y}{f_1}+1)-\frac{1}{f_2}(\mathrm{\Δ}Y+1)+1,c=(\frac{1}{f_2}-\frac{r_1}{r_2})\mathrm{\Δ}Y+1$

根据收卷系统合理的深度范围筛选出合理的深度大小，继而求出n个特征点的平均深度值

进而特征点深度方差值 $S_Y=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(\stackrel{\‾}{Y}-Y_i)}^2},(i=1,...,n).$

本实施例中优选可采用SIFT特征检测和匹配算法来进行图像处理的过程，由此求取变焦前后图像中的特征点并对其进行匹配，其具体过程在此不再赘述。

此外，按照本发明的另一优选实施例，还可以配置控制单元20来基于视觉信息反馈的柔性卷端面信息，相应驱动收卷装置和检测驱动装置正确运动。如图3所示，该控制单元的主要硬件构造主要包括收卷轴平移、旋转控制器，X、Y、Z、θ向位置控制器等。其具体条款过程例如可设定为：

当执行实时纠偏操作时，从所述CCD相机获得反映料卷图像信息的图像信号P3，经过处理计算后相应输入料卷最外一层柔性膜的偏移参考位移指令Pr1，同时测量获取所述收卷轴的反馈信号E1；将Pr1与E1进行比较处理，得到实际位移指令P1以实现收卷轴平移的闭环控制；最后驱动所述卷轴平移组件按照P1驱动；所述视觉检测装置则通过端面图像得到反馈信号E3，并与P3比较实时获取信号；

当执行量化评价时，从所述CCD相机获得反映料卷图像信息的图像信号P3，经过处理计算后输入相应的X/Y/Z/θ方向的参考位移指令，分别为P_2x、P_2y、P_2z、P_2θ；测量获取所述检测驱动装置运动时的相应反馈信号E_x、E_y、E_z、E_θ与上述为P_2x、P_2y、P_2z、P_2θ相比较，得到实际位移指令P_x、P_y、P_z、P_θ，进而实现各位移的闭环控制；最后驱动所述卷轴平动组件进行相应运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，该视觉检测方法包括下列步骤：

(a)在水平布置的底座(10)上安装收卷装置(50)，该收卷装置包括收卷轴支架和收卷轴，所述收卷轴通过卷轴旋转电机带动柔性膜缠绕其上以形成料卷，同时通过卷轴平移组件实现水平摆动；此外，在相对于料卷端面的一侧，布置有视觉检测装置(40)，该视觉检测装置包括支撑板以及共同固定其上的CCD相机和光源，并可通过检测驱动装置(30)来执行此视觉检测装置整体相对于料卷端面的距离及姿势调整，其中所述CCD相机用于对收卷中的料卷端面进行成像，所述光源则对称布置于所述CCD相机的视觉中心，并确保料卷端面获得均匀光照；

(b)对所述视觉检测装置(40)执行初始化操作，并使得所述CCD相机的镜头轴心与所述收卷轴的端面相垂直；

(c)启动所述收卷装置(50)执行收卷，在此过程中，利用单目视觉方式对料卷端面执行成像检测，也即调节所述视觉检测装置(40)对收卷中的料卷不断拍摄其端面以获取不同焦距下的端面图像，直至收卷完毕；

(d)基于以下公式(一)来求得料卷端面的特征点i(i＝1,2,…n-1,n)的端面深度Y_i；f₁、f₂分别表示所述CCD相机对料卷端面进行成像的两个不同焦距；r_i1、r_i2分别表示在采用所述焦距f₁和f₂所获取的端面图像中，特征点i(i＝1,…,n)与料卷中心之间的相对距离；ΔY表示改变焦距前后镜头的移动距离，并可以通过镜头上标识轴向刻度尺来确定(各参数的单位默认为mm)

$Y_i=\frac{-b_i\±\sqrt{{b_i}^2-4a_i{c}_i}}{2a_i}({b_i}^2>4a_i{c}_i),(i=1,...,n)$ (一)

其中 $a_i=\frac{1}{f_2}-\frac{r_{i1}}{r_{i2}}\frac{1}{f_1},b_i=\frac{r_{i1}}{r_{i2}}(\frac{\mathrm{\Δ}Y}{f_1}+1)-\frac{1}{f_2}(\mathrm{\Δ}Y+1)+1,c_i=(\frac{1}{f_2}-\frac{r_{i1}}{r_{i2}})\mathrm{\Δ}Y+1.$

根据收卷系统合理的深度范围筛选出合理的深度大小Y_i，利用方差公式： $S_Y=\sqrt{\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{(\stackrel{\‾}{Y}-Y_i)}^2},(i=1,...,n),$ n个特征点的平均深度值 $\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{Y}_i(i=1,...,n).$ 将上述求得的特征点深度方差S_Y作为量化指标来评价料卷端面的整齐度，方差越大表明料卷端面越不整齐，方差越小则表明料卷端面越为整齐，由此完成整体的柔性膜收卷质量视觉检测过程。

2.如权利要求1所述的柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述检测驱动装置(30)包括X向平动组件、Y向平动组件、Z向平动组件和θ向旋转电机，其中该X向平动组件、Y向平动组件、Z向平动组件三者彼此相互垂直地安装，并分别用于实现所述视觉检测装置(40)整体相对于料卷端面在X/Y/Z轴方向上的距离调节，该θ向旋转电机则用于实现所述视觉检测装置(40)整体相对于料卷端面的姿势调节。

3.如权利要求1或2所述的柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，在步骤(c)中，对于对料卷端面执行成像检测的过程，优选还包括对料卷端面执行实时纠偏的操作。

4.如权利要求3所述的柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，所述实时纠偏的操作优选通过以下方式完成：

(i)使所述视觉检测装置(40)水平摆动一定的角度α，并获取视觉检测装置在该角度α下对料卷端面的图像；

(ii)在步骤(i)所获取的端面图像中，求得最外两层像素也即对应于料卷最外两层柔性膜图像的偏移量l₁，然后利用下列公式(二)计算得出这最外两层柔性膜之间的相对偏移量l，其中λ表示预设的用于表示所述CCD相机光学特性的相关：

$l=\frac{\mathrm{\λ}\×l_1}{sin\mathrm{\α}}$ (二)

(iii)将步骤(ii)计算得出的相对偏移量l实时反馈至所述收卷装置，并控制该收卷装置沿其轴向移动相应的距离；

(iv)重复执行以上步骤(i)至(iii)，直至计算得出的相对偏移量为零，由此完成纠偏过程。

5.如权利要求1-4任意一项所述的柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述视觉检测装置(40)优选采用基于暗场照明的成像方式来拍摄料卷端面的图像，其中所述CCD相机接收来自料卷端面的漫反射光，并在暗背景下获取料卷端面的图形。

6.如权利要求1-5任意一项所述的柔性膜收卷质量视觉检测方法，其特征在于，在步骤(a)中，优选还在所述底座(10)上配置有控制单元(20)，并基于所述视觉检测装置(40)所获取的料卷端面信息，相应控制所述检测驱动装置(30)和所述收卷装置(50)执行自动化调控。