CN110987971B - 一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器视觉检测技术领域；晶体中气泡检测技术效率及准确度的低下，使得在晶体切割的过程中不能精准的避开气泡，不利于材料的充分利用，且增加了后期的加工量，提高了生产成本，本发明提供一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置和方法，两个可移动的激光光源对待检测晶体进行扫描，激光照射到晶体内部气泡群上时会产生相应的散射光斑，光斑较周围亮度高，从散射光斑产生至散射光斑消失，CCD相机从三维坐标系的三个方向采集晶体的扫描状态图像，获得内部气泡的散射信息，并进行提取和检测，实现了对晶体中气泡位置的确定和大小的测量，而且大大提高了检测效率和检测精度，出错率低且满足短距离实施控制的需求。

Description

一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置和方法

技术领域

本发明属于机器视觉检测技术领域，更具体的说，涉及一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置和方法。

背景技术

晶体能实现电、磁、光、声、力等的交互作用和转换，是近代科学技术发展中不可缺少的重要材料。天然晶体无论在品种、质量还是数量等方面，都远远不能满足现代科学技术发展的需要。晶体材料处于材料科学的发展前沿，它与空间、电子、激光、红外、新能源开发等新技术密切相关。因此，晶体材3料对近代科学技术的发展起到了推动作用。

对于人工生产的晶体，晶体中是否含有气泡以及气泡的大小是判别晶体优劣等级的一项重要指标。在目前的技术中，晶体成品中的气泡都是靠人工进行激光照射识别检测，同时用眼睛观察寻找气泡位置，在确定气泡位置后，需要腾出一只手对气泡位置进行标记，多次改变激光器的照射位置，重复以上操作，以完成晶体成品中的气泡检测。此外，对于体积较大的晶体，单手难以转动，对检测造成困难，降低了检测效率，而且不能对气泡的大小进行准确判定。晶体中气泡检测技术效率及准确度的低下，使得在晶体切割的过程中不能精准的避开气泡，不利于材料的充分利用，且增加了后期的加工量，提高了生产成本。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置和方法，该发明通过激光照射晶体并对光束所在位置定位，对晶体中的气泡的位置和大小的精确检测，代替人工检测，提高晶体气泡检测的效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置，包括底座、激光光源和晶体图像采集部分，其中：底座的中心设有放置晶体的载物台，底座边缘处设置相互垂直的X向轨道和Y向轨道；激光光源包括第一激光光源和第二激光光源，第一激光光源在第一数控移动台面向载物台的侧面的Z向轨道上移动，第一数控移动台在X向轨道上移动；第二激光光源固定设置在第二数控移动台面向载物台的侧面，第二数控移动台在Y向轨道上移动；晶体图像采集部分包括第一CCD相机、第二CCD相机和第三CCD相机，第一CCD相机在第二控制器的竖直轨道上移动，第一CCD相机位于第二激光光源对面；第二CCD相机位于载物台的正上方，第二CCD相机固定于第二控制器顶部横杆的端部；第三CCD相机在第一控制器的竖直轨道上移动，第三CCD相机位于第一激光光源对面。

进一步，第一激光光源安装于旋转底座上。

进一步，第一控制器和第二控制器固定于底座上。

一种基于机器视觉的晶体气泡检测方法，包括以下步骤：

S1. 将待检测晶体放在载物台上，晶体图像采集部分确定待检测晶体的放置状态，调整第一CCD相机和第三CCD相机的高度至待检测晶体的高度，调整待检测晶体的放置状态使待检测晶体的位置和方向便于激光扫描和图像拍摄。

S2. 对待检测晶体进行激光扫描，并通过晶体图像采集部分拍摄扫描状态的待检测晶体，包括如下步骤：

S2.1 将第一激光光源和第二激光光源移动到轨道的起始位置，打开第一激光光源和第二CCD相机，第一激光光源在Z向轨道自上而下移动，对待检测晶体的水平横截面进行匀速扫描，第一激光光源所发出的激光光线平行于XOY平面，第二CCD相机拍摄待检测晶体的扫描状态的图像。

S2.2 关闭第二CCD相机，将第一激光光源的旋转底座旋转90°，打开第一CCD相机，第一激光光源通过第一数控移动台在X向轨道上以水平方向匀速移动，对待检测晶体平行于YOZ平面的竖直横截面进行匀速扫描，第一激光光源所发出的激光光线平行于YOZ平面，第一CCD相机拍摄待检测晶体的扫描状态的图像。

S2.3 关闭第一CCD相机和第一激光光源，打开第二激光光源和第三CCD相机，第二激光光源通过第二数控移动台在Y向轨道上以水平方向匀速移动，对待检测晶体平行于XOZ平面的竖直横截面进行匀速扫描，第二激光光源所发出的激光光线平行于XOZ平面，第三CCD相机拍摄待检测晶体的扫描状态的图像。

S3. 将步骤S2中采集的待检测晶体的图像进行中值滤波处理；滤波后采用分段线性变换函数对图像进行增强，然后对图像使用阈值分割法进行分割处理，将图像中的气泡群轮廓分割出来。

S4. 对预处理后的图像进行分析，根据步骤S3中完成图像处理的图像计算气泡群的大小：记录气泡群开始出现时的帧数、气泡群消失时的帧数、气泡群截面的最大轴长以及气泡群从开始出现直到消失的坐标信息，通过激光光源的移动速率和三个CCD相机帧率，计算出待检测晶体内部气泡群的各向尺寸，相机帧率的计算公式（1）如下：

（1）

其中Fr表示CCD相机帧率，单位为fps，F代表帧数，帧数是通过对所获得的图像进行处理分析后得到的数值，t是时间，单位是秒；结合公式（1）得到待检测晶体的内部的气泡群的X向、Y向和Z向的尺寸，即：

S _i = V ×t _i （i= X, Y, Z） （2）

其中S _i 是待测晶体内部气泡群在i向的尺寸，单位为毫米，V是光源的移动速率，单位为mm/s，t _i 是光源移动的时间，单位为秒，i= X, Y, Z表示X向、Y向和Z向三个相互垂直的方向；根据气泡群从开始到消失整个过程的坐标、气泡群截面的最大轴长以及气泡群的尺寸信息，准确得出气泡群的具体位置以及大小。

进一步，阈值分割法使用极小值点阈值法确定阈值。

进一步，第一数控移动台和第二数控移动台移动通过PID控制器控制。

综上所述，发明具有以下有益效果：

本发明利用线度短、亮度高的一字线性绿光激光对空间上晶体中气泡的定位转换为对光束所在位置的定位，并用机器视觉代替人眼识别，记录晶体中的气泡群从开始出现到消失的所有图像帧数，结合成像频率，计算气泡尺寸的大小，相比于传统的人工检测方式，本检测装置不仅实现了对晶体中气泡位置的确定和大小的测量，而且大大提高了检测效率和检测精度，出错率低且满足短距离实施控制的需求。

附图说明

图1为本发明的检测装置结构示意图；

图2为本发明的流程图。

图中：1-第一CCD相机，2-第二CCD相机，3-第三CCD相机，4-载物台，5-第一数控移动台，6-第二数控移动台，7-第一控制器，8-第二控制器，9-第一激光光源，10-第二激光光源，11-底座，12-X向轨道，13-Y向轨道，14-Z向轨道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种基于机器视觉的晶体气泡检测装置，包括底座11、激光光源和晶体图像采集部分，其中：底座11中心设有放置晶体的载物台4，底座11边缘设置相互垂直的X向轨道12和Y向轨道13。

激光光源包括第一激光光源9和第二激光光源10，第一激光光源9在第一数控移动台5面向载物台4的侧面的Z向轨道上14移动，第一激光光源9安装于旋转底座上，能够实现第一激光光源9在X向和Z向两个方向对待检测晶体的激光扫描，第一数控移动台5在X向轨道12上移动；第二激光光源10固定设置在第二数控移动台6面向载物台4的侧面，第二数控移动台6在Y向轨道13上移动，第一激光光源9和第二激光光源均面向载物台，激光光源采用的是具有线光斑的半导体，输出功率为200mW，光束最细处宽度为0.5mm，激光光源采用可调自适应光源，根据检测环境、目标晶体的具体情况，对激光功率大小和激光方向进行调节，第一数控移动台5和第二数控移动台6的移动通过PID控制器进行控制，属于本领域技术人员能够获取的技术，使本装置实现对待检测晶体的X向和Y向的激光扫描。

晶体图像采集部分包括第一CCD相机1、第二CCD相机2和第三CCD相机3，第一CCD相机1在第二控制器8的竖直轨道上移动，第一CCD相机1位于第二激光光源10对面，第二CCD相机2位于载物台4的正上方，第二CCD相机2固定于第二控制器8顶部横杆的端部，第二控制器8固定于底座11上；第三CCD相机3在第一控制器7的竖直轨道上移动，第三CCD相机3位于第一激光光源9对面，第一控制器7固定于底座上，三个CCD相机最高分辨率2048pixel×2048pixel，第二CCD相机位2置固定，剩余两个CCD相机能够根据晶体大小及所放位置进行调节，晶体图像采集部分所采集的图像传输至计算机中进行图像处理与分析，实现晶体的智能检测。

此外，本发明还提供一种基于机器视觉的晶体气泡检测方法，包括以下步骤：

S1. 将待检测晶体放在载物台4上，晶体图像采集部分确定待检测晶体的放置状态，调整第一CCD相机1和第三CCD相机3的高度至待检测晶体的高度，调整待检测晶体的放置状态使待检测晶体的位置和方向便于激光扫描和图像拍摄，只要确保待检测晶体在检测过程中不会滚动保持静止，所采集的扫描图像不会因为待检测晶体位置变化而产生变化即视为便于激光扫描和图像拍摄。

S2. 对待检测晶体进行激光扫描，并通过晶体图像采集部分拍摄扫描状态的待检测晶体，包括如下步骤：

S2.1 将第一激光光源9和第二激光光源10移动到轨道的起始位置，如轨道最上端或最左端，打开第一激光光源9和第二CCD相机2，第一激光光源9在Z向轨道14自上而下移动，对待检测晶体的水平横截面进行匀速扫描，第一激光光源9所发出的激光光线平行于XOY平面，第二CCD相机2拍摄待检测晶体的扫描状态的图像。

S2.2 关闭第二CCD相机2，将第一激光光源9的旋转底座旋转90°，打开第一CCD相机1，第一激光光源9通过第一数控移动台5在X向轨道12上以水平方向匀速移动，对待检测晶体平行于YOZ平面的竖直横截面进行匀速扫描，第一激光光源9所发出的激光光线平行于YOZ平面，第一CCD相机1拍摄待检测晶体的扫描状态的图像。

S2.3 关闭第一CCD相机1和第一激光光源9，打开第二激光光源10和第三CCD相机3，第二激光光源10通过第二数控移动台在Y向轨道13上以水平方向匀速移动，对待检测晶体平行于XOZ平面的竖直横截面进行匀速扫描，第二激光光源10所发出的激光光线平行于XOZ平面，第三CCD相机3拍摄待检测晶体的扫描状态的图像。

激光光源的移动通过第一数控移动台5和第二数控移动台6的移动实现，第一数控移动台5和第二数控移动台6移动通过PID控制器控制，属于本领域技术人员能够获取的技术；激光光源从三个方向对待检测晶体进行扫描，发出的激光会形成一个光面，高亮度的激光照射到晶体内部气泡群上时会产生相应的散射光斑，光斑较周围亮度高，当光面与气泡群相切时散射光斑产生，即视作气泡群开始出现；当光面扫过气泡群时，利用CCD相机记录下光斑的大小，通过所采集的光斑图像极易分辨气泡群的大小以及位置，激光束照射在晶体上可以通过CCD相机获得内部气泡的散射信息，并进行提取和检测。

S3. 将步骤S2中采集的待检测晶体的图像进行中值滤波处理，能够有效地清除孤立的噪声像素点，同时保证图像的细节，以减少噪声带来的影响，改善图像质量；滤波后采用分段线性变换函数对图像进行增强，以凸显气泡，增大目标与背景的差异，增强图像的对比度，凸显气泡群大小以及位置坐标，以提高后续对气泡群识别检测的准确度；然后对图像使用阈值分割法进行分割处理，由于本发明获得的图像中检测目标与背景的像素在灰度值上有较大差别，因此采用的是全局阈值，并采用极小值点阈值法来确定阈值，将图像中的气泡群轮廓分割出来，以防止背景的存在会对待检测目标的准确分析造成干扰，再对气泡群的大小及位置坐标进行分析，根据检测到的某一位置气泡群在三个方向上从出现到消失的坐标信息结果，确定气泡群的具体位置。

S4. 对预处理后的图像进行分析，根据步骤S3中完成图像处理的图像计算气泡群的大小：记录气泡群开始出现时的帧数、气泡群消失时的帧数、气泡群截面的最大轴长以及气泡群从开始出现直到消失的坐标信息，从所采集的图像中出现气泡的光斑开始，从变大到缩小直至消失的整个过程，通过激光光源的移动速率和三个CCD相机帧率，计算出待检测晶体内部气泡群的各向尺寸，相机帧率通过公式（1）计算获得，激光光源的移动速率通过PID控制器控制，结合公式（1）和公式（2）即可得到待检测晶体的内部的气泡群的X向、Y向和Z向的尺寸；根据气泡群从开始到消失整个过程的坐标、气泡群截面的最大轴长以及气泡群的尺寸信息，准确得出气泡群的具体位置以及大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于机器视觉的晶体气泡检测方法，其特征在于：

该检测方法采用的检测装置包括底座（11）、激光光源和晶体图像采集部分，其中：所述底座（11）的中心设有放置晶体的载物台（4），底座（11）边缘处设置相互垂直的X向轨道（12）和Y向轨道（13）；

所述激光光源包括第一激光光源（9）和第二激光光源（10），第一激光光源（9）在第一数控移动台（5）面向载物台（4）的侧面的Z向轨道（14）上移动，第一数控移动台（5）在X向轨道（12）上移动；所述第二激光光源（10）固定设置在第二数控移动台（6）面向载物台（4）的侧面，第二数控移动台（6）在Y向轨道（13）上移动；

所述晶体图像采集部分包括第一CCD相机（1）、第二CCD相机（2）和第三CCD相机（3），第一CCD相机（1）在第二控制器的竖直轨道上移动，第一CCD相机（1）位于第二激光光源（10）对面；所述第二CCD相机（2）位于载物台（4）的正上方，第二CCD相机（2）固定于第二控制器顶部横杆的端部；所述第三CCD相机（3）在第一控制器的竖直轨道上移动，第三CCD相机（3）位于第一激光光源（9）对面；所述第一激光光源（9）安装于旋转底座上；

包括以下检测步骤：

S1. 将待检测晶体放在载物台（4）上，晶体图像采集部分确定待检测晶体的放置状态，调整第一CCD相机（1）和第三CCD相机（3）的高度至待检测晶体的高度，调整待检测晶体的放置状态使待检测晶体的位置和方向便于激光扫描和图像拍摄；

S2. 对待检测晶体进行激光扫描，并通过晶体图像采集部分拍摄扫描状态的待检测晶体，包括如下步骤：

S2.1 将第一激光光源（9）和第二激光光源（10）移动到轨道的起始位置，打开第一激光光源（9）和第二CCD相机（2），第一激光光源（9）在Z向轨道（14）自上而下移动，对待检测晶体的水平横截面进行匀速扫描，第一激光光源（9）所发出的激光光线平行于XOY平面，第二CCD相机（2）拍摄待检测晶体的扫描状态的图像；

S2.2 关闭第二CCD相机（2），将第一激光光源（9）的旋转底座旋转90°，打开第一CCD相机（1），第一激光光源（9）通过第一数控移动台（5）在X向轨道（12）上以水平方向匀速移动，对待检测晶体平行于YOZ平面的竖直横截面进行匀速扫描，第一激光光源（9）所发出的激光光线平行于YOZ平面，第一CCD相机（1）拍摄待检测晶体的扫描状态的图像；

S2.3 关闭第一CCD相机（1）和第一激光光源（9），打开第二激光光源（10）和第三CCD相机（3），第二激光光源（10）通过第二数控移动台（6）在Y向轨道（13）上以水平方向匀速移动，对待检测晶体平行于XOZ平面的竖直横截面进行匀速扫描，第二激光光源（10）所发出的激光光线平行于XOZ平面，第三CCD相机（3）拍摄待检测晶体的扫描状态的图像；

S3. 将步骤S2中采集的待检测晶体的图像进行中值滤波处理；滤波后采用分段线性变换函数对图像进行增强，然后对图像使用阈值分割法进行分割处理，将图像中的气泡群轮廓分割出来；

S4. 对预处理后的图像进行分析，根据步骤S3中完成图像处理的图像计算气泡群的大小：记录气泡群开始出现时的帧数、气泡群消失时的帧数、气泡群截面的最大轴长以及气泡群从开始出现直到消失的坐标信息，通过激光光源的移动速率和三个CCD相机帧率，计算出待检测晶体内部气泡群的各向尺寸，相机帧率的计算公式（1）如下：

（1）

其中Fr表示CCD相机帧率，单位为fps，F代表帧数，帧数是通过对所获得的图像进行处理分析后得到的数值，t是时间，单位是秒；结合公式（1）得到待检测晶体的内部的气泡群的X向、Y向和Z向的尺寸，即：

S _i =V ×t _i ，其中：i=X,Y,Z； （2）

其中S _i 是待测晶体内部气泡群在i向的尺寸，单位为毫米，V是光源的移动速率，单位为mm/s，t_i是光源移动的时间，单位为秒，i=X,Y,Z表示X向、Y向和Z向三个相互垂直的方向；根据气泡群从开始到消失整个过程的坐标、气泡群截面的最大轴长以及气泡群的尺寸信息，准确得出气泡群的具体位置以及大小。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的晶体气泡检测方法，其特征在于：所述阈值分割法使用极小值点阈值法确定阈值。

3.根据权利要求1所述的基于机器视觉的晶体气泡检测方法，其特征在于：所述第一数控移动台（5）和第二数控移动台（6）移动通过PID控制器控制。

4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的晶体气泡检测方法，其特征在于：所述第一控制器和第二控制器固定于底座（11）上。

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