CN106197612A - 一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法包括如下步骤：1、选取多幅标准液位图像并将其转换为灰度图像；2、通过模板匹配法获取每幅标准液位灰度图像的参考高度值；3、通过一维测量法获取每幅标准液位灰度图像的实际高度值；4、对步骤2中获取的参考高度值求均值，并对步骤3中获取的实际高度值求均值，计算标准高度值；5、获取待测液位图像并将其转换为灰度图像；6、对待测液位灰度图像通过一维测量获取其实际高度值，计算待测液体图像与标准液位图像的高度误差；如果高度误差小于等于可容忍误差，则判定待测液位图像中的液位合格，否则判定液位不合格。本发明公开的方法可以准确测量出液体液位的高度，并结合生产要求判断产品是否合格。

Description

一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法。

背景技术

液位检测是指一定的方法和技术手段对液体的高度进行测量。这种技术被广泛的应用于液态食品生产检测、药品制造与检测、液态化学品检测等领域。由于人工的误判和检测设备对体测液体的损伤都会严重影响产品的质量，尤其对药品和危险化学品，容量的精确性直接关系到产品质量好坏。

目前的液位检测多采用压差法、传感器、人工目测等，这些检测方法对硬件设备要求高，设备价格高，机械损耗大，易受外部环境因素影响，人工干预多，因而检测速度和精度不高。在食品药品制造业中因环境卫生要求很高，生产现场人员过多很难保证生产环境的整洁。尤其在药品行业中药量的准确度是一个极为重要的指标，精度低的检测设备和方法，难以达到高精度的标准。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，通过图像处理技术可以准确测量出液体液位的高度，并结合生产要求判断产品是否合格。

技术方案：本发明公开了一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法包括如下步骤：

(1)选取多幅标准液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像；

(2)通过模板匹配法获取每幅标准液位灰度图像的参考高度值；

(3)通过一维测量法获取每幅标准液位灰度图像的实际高度值；

(4)对步骤(2)中获取的多个参考高度值求均值并对步骤(3)中获取的多个实际高度值求均值计算标准高度值H_s，如下：

$H_s=|{\stackrel{\‾}{H}}_t-|{\stackrel{\‾}{H}}_r-{\stackrel{\‾}{H}}_t\left|\right|---\left(1\right)$

(5)获取待测液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像；

(6)对待测液位灰度图像通过一维测量获取其实际高度值H_t，计算待测液体图像与标准液位图像的高度误差Δ：

Δ＝|H_t-H_s| (2)

如果Δ小于等于可容忍误差，则判定待测液位图像中的液位合格，否则判定液位不合格。

具体地，模板匹配法获取液位图像的参考高度值包括如下步骤：

(21)在标准液位灰度图像中选择一块包含瓶底的矩形区域，以此作为模板图像；

(22)对模板图像进行sobel滤波，得到模板图像中所有像素点p_i＝(x_i,y_i)的梯度G_i＝(Gx_i,Gy_i)，将模板图像及其梯度作为匹配模板，其中x_i,y_i表示模板图像中像素i的行坐标和列坐标；

(23)对待测液位图像进行sobel滤波，得到待测液位图像中所有像素点的梯度G(u,v)＝(Gx(u,v),Gy(u,v))，其中u表示待测液位图像的行坐标，v表示待测图像的列坐标；

(24)用匹配模板在待测液位图像上按像素从左到右后再从上到下遍历，对待测液位图像区域与模板图像区域进行相似度匹配，相似度计算如下：

$s(u,v)=(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{({\mathrm{Gx}}_i.Gx(u+x_i,v+y_i\left)\right)+({\mathrm{Gy}}_i.Gy(u+x_i,v+y_i\left)\right)}{\sqrt{{{\mathrm{Gx}}_i}^2+{{\mathrm{Gy}}_i}^2}.\sqrt{Gx{(u+x_i,v+y_i)}^2+Gy{(u+x_i,v+y_i)}^2}}---\left(3\right)$

其中n为匹配模板中轮廓上像素的个数；当相似度大于相似度阈值时，匹配模板的中心坐标的行坐标即为待测液位图像的参考高度值。

一维测量法获取液位图像的实际高度值包括如下步骤：

(31)在待测液位灰度图像中生成一个包含液位的矩形测量区域，在矩形测量区域中生成一条与液位垂直的剖面线；

(32)计算矩形测量区域内垂直于剖面线上单位像素间隔的灰度平均值，通过双线性插值方式获得剖面线在该点处的灰度值，形成一条投影线，对投影线进行光滑处理；

(33)对光滑处理后的投影线进行求导或阈值判断，确定灰度变化的局部极值所在位置，即为待测液位图像的实际高度值。

步骤(5)中获取待测液位图像时，如果瓶装液体不为蓝色，设置瓶装液体的背景光源为蓝色，可以使采集到的图像前景与背景的对比度大大增强。

为提高测量结果的精度，步骤(1)中在选取多幅标准液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像后，对标准液位灰度图像进行滤波去噪和灰度增强。

同样地，步骤(5)中在获取待测液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像之后，对待测液位灰度图像进行滤波去噪和灰度增强。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明公开的方法能够同时检测多个透明瓶装液体，即可以同时采集多个透明瓶装液体作为一个检测组的液位图像，速度明显优于其他检测设备和方法，工作效率得到极大的提高；2、检测过程基本由计算机检测系统实现，人工操作少，可显著减轻检测人员的劳动强度；3、本发明的检测方法结构简单、使用方便、抗干扰能力强，测量精度高、速度快、自动化程度高，采用本发明的方法可以避免人工操作的导致的误判漏检，降低机械损耗造成的生产成本，大大提高透明瓶装液体检测的准确。

附图说明

图1为本发明公开的透明瓶装液位检查方法流程图；

图2为本发明实施例的图像采集及处理流程图；

图3为本发明实施例的模板匹配的流程图；

图4为本发明实施例的一维测量的原理图；

图5为本发明实施例的一维测量的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

图1为本发明公开的透明瓶装液位检查方法流程图。

图2为本发明实施例的图像采集及处理流程图，通过调整像机设置、图像采集、图像处理操作可以获得高质量的具有明显液位的图像，具体包括以下步骤：

(1)本实施例的摄像机是高分辨率的Manta系列的G-917B/C，可以采集到质量高的图像，在安装固定像机时，需间断采集多幅图像，根据所拍摄图像质量，不断调整像机的高度、角度和位置，以采集清晰完整液位图像；

(2)设置待测瓶装液体背景光源为蓝色，蓝色背景光可使采集到的图像前景与背景对比度大大增强，若液体本身为蓝色则无需添加蓝色背景光源；

(3)利用像机拍摄待测的透明瓶装液体的液位图像，然后通过像机自带的接口，将采集到的图像传送到计算机，进行图像处理；

(4)对采集到的图像进行灰度变换，变换方程为：

gray＝0.299*R+0.587*G+0.114*B (4)

其中R，G，B为RGB图像中每个通道灰度值，通过变换可以得到灰度图像I_g，彩色三通道图像变为灰度通道图像，图像灰度深度减小，图像处理速度提高；

(5)对得到的灰度图像进行中值滤波去除干扰，得到光滑处理后的图像I_m。

(6)通过I_n＝round((127-I_m)*factor+I_g)变换，可以对灰度图像I_g进行灰度增强，得到具有明显液位的图像I_n，其中，round()用于四舍五入运算，比例系数factor受到均值滤波模板大小选取影响，其具体关系如下表所示，本实施例中均值滤波模板大小为150×150，factor值为0.8。

均值滤波模板长度	均值滤波模板宽度	factor
			40	40	0.55
100	100	0.7
			150	150	0.8

如图3所示为本发明实施例的模板匹配的流程图，包括以下步骤：

(21)选择标准液位图像中包含瓶底的一块矩形图像区域，以此作为模板图像，保存在内存中；

(22)对模板图像进行sobel滤波，得到模板图像中所有像素点p_i＝(x_i,y_i)的梯度G_i＝(Gx_i,Gy_i)，将模板图像及其梯度作为匹配模板，其中x_i,y_i表示模板图像中像素i的行坐标和列坐标；

(23)对待测液位图像进行sobel滤波，得到待测液位图像中所有像素点的梯度G(u,v)＝(Gx(u,v),Gy(u,v))，其中u表示待测液位图像的行坐标，v表示待测图像的列坐标；

(24)用匹配模板在待测液位图像上按像素从左到右后再从上到下遍历，对待测液位图像区域与模板图像区域进行相似度匹配，相似度计算如下：

$s(u,v)=(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{({\mathrm{Gx}}_i.Gx(u+x_i,v+y_i\left)\right)+({\mathrm{Gy}}_i.Gy(u+x_i,v+y_i\left)\right)}{\sqrt{{{\mathrm{Gx}}_i}^2+{{\mathrm{Gy}}_i}^2}.\sqrt{Gx{(u+x_i,v+y_i)}^2+Gy{(u+x_i,v+y_i)}^2}};$

其中n为匹配模板中像素的个数；当相似度大于相似度阈值时，匹配模板的中心坐标的行坐标即为待测液位图像的参考高度值；本实施例中相似度阈值设置为0.9，即当s_(u,v)＞0.9时，匹配模板的中心坐标的行坐标即为待测液位图像的参考高度位置。

如图4所示为本发明实施例的基于矩形的一维测量原理图，图5为本发明实施例的基于矩形的一维测量流程图，包括以下步骤：

(31)在待测液位灰度图像中生成一个完全包含液位的矩形测量区域，在矩形测量区域中生成一条与液位垂直的剖面线；

(32)计算矩形测量区域内垂直于剖面线上单位像素间隔的灰度平均值，通过双线性插值方式获得剖面线在该点处的灰度值，形成一条投影线，对投影线进行光滑处理；本实施例中使用光滑系数为2的高斯滤波对投影线进行光滑处理，削除干扰；

(33)对光滑处理后的投影线进行求导或阈值判断，确定灰度变化的局部极值所在位置，即为待测液位图像的实际高度值；

液位处为灰度值变化剧烈的部分，一阶导数极大值处就是液位位置，计算机处理的图像是数字化处理过的，因此对光滑处理后的剖面线进行求导处理就需要用差分算法代替，利用一阶差分算法获得的局部极值求取液位位置，即透明瓶装液位的实际高度位置。

本实施例采用16幅标准液位图像进行模板匹配和一维测量操作来获取平均参考高度值和平静实际高度值通过式(1)计算标准高度值H_s。标准液位图像的数量越多精度越高，但过多的标准液位图像会影响检测速度，采用16幅标准液位图像确定的标准高度位置可靠性可满足生产要求。

待测液位灰度图像通过一维测量获取其实际高度值H_t，采用式(2)计算待测液体图像与标准液位图像的高度误差Δ，如果Δ小于等于生产者制定的可容忍误差，则判定待测液位图像中的液位合格，否则判定液位不合格，将其从生产线上分捡到不合格品放置区域。

Claims (6)

1.一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)选取多幅标准液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像；

(2)通过模板匹配法获取每幅标准液位灰度图像的参考高度值；

(3)通过一维测量法获取每幅标准液位灰度图像的实际高度值；

(4)对步骤(2)中获取的多个参考高度值求均值并对步骤(3)中获取的多个实际高度值求均值计算标准高度值H_s，如下：

$H_s=|{\stackrel{\‾}{H}}_t-\left|{\stackrel{\‾}{H}}_r-{\stackrel{\‾}{H}}_t\right||$

(5)获取待测液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像；

(6)对待测液位灰度图像通过一维测量获取其实际高度值H_t，计算待测液体图像与标准液位图像的高度误差Δ：

Δ＝|H_t-H_s|

如果Δ小于等于可容忍误差，则判定待测液位图像中的液位合格，否则判定液位不合格。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，其特征在于：所述模板匹配法获取液位图像的参考高度值包括如下步骤：

(21)在标准液位灰度图像中选择一块包含瓶底的矩形区域，以此作为模板图像；

(22)对模板图像进行sobel滤波，得到模板图像中所有像素点p_i＝(x_i,y_i)的梯度G_i＝(Gx_i,Gy_i)，将模板图像及其梯度作为匹配模板，其中x_i,y_i表示模板图像中像素i的行坐标和列坐标；

(23)对待测液位图像进行sobel滤波，得到待测液位图像中所有像素点的梯度G(u,v)＝(Gx(u,v),Gy(u,v))，其中u表示待测液位图像的行坐标，v表示待测图像的列坐标；

(24)用匹配模板在待测液位图像上按像素从左到右后再从上到下遍历，对待测液位图像区域与模板图像区域进行相似度匹配，相似度计算如下：

$s(u,v)=(1/n)\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{({\mathrm{Gx}}_i.Gx(u+x_i,v+y_i\left)\right)+({\mathrm{Gy}}_i.Gy(u+x_i,v+y_i\left)\right)}{\sqrt{{{\mathrm{Gx}}_i}^2+{{\mathrm{Gy}}_i}^2}.\sqrt{Gx{(u+x_i,v+y_i)}^2+Gy{(u+x_i,v+y_i)}^2}};$

其中n为匹配模板中像素的个数；当相似度大于相似度阈值时，匹配模板的中心坐标的行坐标即为待测液位图像的参考高度值。

3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，其特征在于：所述一维测量法获取液位图像的实际高度值包括如下步骤：

(31)在待测液位灰度图像中生成一个包含液位的矩形测量区域，在矩形测量区域中生成一条与液位垂直的剖面线；

(32)计算矩形测量区域内垂直于剖面线上单位像素间隔的灰度平均值，通过双线性插值方式获得剖面线在该点处的灰度值，形成一条投影线，对投影线进行光滑处理；

(33)对光滑处理后的投影线进行求导或阈值判断，确定灰度变化的局部极值所在位置，即为待测液位图像的实际高度值。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，其特征在于步骤(5)中获取待测液位图像时，如果瓶装液体不为蓝色，设置瓶装液体的背景光源为蓝色。

5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，其特征在于步骤(1)为：选取多幅标准液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像；对标准液位灰度图像进行滤波去噪和灰度增强。

6.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的透明瓶装液位检测方法，其特征在于步骤(5)为：获取待测液位图像，进行灰度变换转换为灰度图像；对待测液位灰度图像进行滤波去噪和灰度增强。