CN111175306B - 基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器视觉技术，具体涉及基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统及方法，该系统包括待测光纤预制棒、照明光源、图像采集模块、计算机和运动控制模块；图像采集模块包括镜头、相机及图像传输电路；待测光纤预制棒两端固定，可绕自身轴线旋转，照明光源长度大于等于待测光纤预制棒的直径；相机与照明光源垂直固定，并可沿待测光纤预制棒轴线移动；相机与计算机通过USB2.0的数据线连接。该系统克服人工检测光纤预制棒气泡成本高、检测效率低、人眼的生理限制、缺乏客观的评判标准的缺点。能自动、快速、较为准确地检测出光纤预制棒气泡的大小和位置，降低了检测成本、提高了检测效率。

Description

基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统及方法
技术领域
本发明属于机器视觉技术领域，尤其涉及基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统及方法。
背景技术
光纤预制棒在生产过程中，由于设备或工艺等原因，内部极易产生气泡和杂质，而光纤预制棒气泡的多少是检验光纤预制棒质量的一个重要评价标准。目前主要的光纤预制棒气泡检测方法是人工检测，用强光源从光纤预制棒一端照射，检测人员从侧面裸眼观察预制棒，记录气泡的信息。这种方法的原理是光束在光纤预制棒中传播时，在气泡处会发生散射，进入人眼，使观察到的气泡明显亮于周围。这种方法虽然操作和装置简单，缺点也显而易见：成本高、检测效率低、人眼的生理限制、缺乏客观的评判标准。
机器视觉采用图像传感器和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量，具有非接触、自动化、快速和高效等优点，在缺陷检测领域发挥着重要的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能自动、快速、较为准确地检测出光纤预制棒气泡的大小和位置的系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统，包括待测光纤预制棒、照明光源、图像采集模块、计算机和运动控制模块；图像采集模块包括镜头、相机及图像传输电路；待测光纤预制棒两端固定，可绕自身轴线旋转，照明光源长度大于等于待测光纤预制棒的直径；相机与照明光源垂直固定，并可沿待测光纤预制棒轴线移动；相机与计算机通过USB2.0的数据线连接。
在上述的基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统中，照明光源采用红色LED组成的条形光源；相机采用彩色CCD相机。
在上述的基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统中，镜头的视场角2ω和焦距f′根据待测光纤预制棒的直径决定，计算公式为：
Figure BDA0002378992350000021
其中X是拍摄物体的范围，应大于待测光纤预制棒的直径，L是镜头到待测光纤预制棒表面的距离，d是相机接收器件的尺寸；镜头的景深大于等于待测光纤预制棒的直径。
一种基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤1、将待测光纤预制棒两端固定在检测装置上，使待测光纤预制棒可绕自身轴线旋转90°；用含酒精的无尘纸对待测光纤预制棒进行表面清洁；
步骤2、关闭环境光源，照明光源垂直于待测光纤预制棒轴线对其进行照射；
步骤3、启动相机和计算机，相机采集目标图像并将图像信号量化编码后传输给计算机；
步骤4、计算机接收图像信号并完成图像处理，提取图像中的气泡、计算气泡的大小和位置；
步骤5、沿待测光纤预制棒轴线方向移动相机与照明光源，重复步骤3、步骤4，直至完成待测光纤预制棒一端到另一端的气泡检测；
步骤6、将待测光纤预制棒绕自身轴线旋转90°，相机与照明光源反向移动，重复步骤3、步骤4、步骤5；
步骤7、根据步骤5、步骤6获得的二维图像中的气泡大小和位置信息还原气泡在待测光纤预制棒中的大小和空间位置。
在上述的基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统的检测方法中，计算气泡的大小和位置的具体步骤如下：
1)将所接收的图像信号转换为灰度图像，先对其进行高斯滤波去噪，再进行灰度变换、高通滤波得到预处理图像；
2)采用Canny边缘检测算法对预处理图像进行处理，获得具有气泡边缘信息的二值图像；
3)采用形态学运算中的闭运算连接断开的气泡边缘并填充气泡内部，得到气泡在二维图像中的位置和大小；采用球形拟合气泡，其半径用两幅图像中气泡的外接圆半径的平均值表示；
4)将旋转前后采集到的图像分别拼接为完整的二维待测光纤预制棒图像，计算气泡的三维坐标(x,y,z)；以截面圆心为原点建立坐标系，其中，旋转前相机位置为C1，旋转后相机位置为C2，A′为气泡像点位置，A为气泡物点位置，设物像的z坐标一致；拼接后的图像可得气泡像点A′的坐标(x0，y0)，设物点A坐标为(xA，yA)，C1坐标为(-C,0)，C2坐标为(0,C)，其中C＝L+R，L是相机与待测光纤预制棒外表面的距离，R是待测光纤预制棒的半径，由待测光纤预制棒的轮廓方程与直线C1A′方程联立可得B1的坐标(x1，y1)，即
Figure BDA0002378992350000031
其中，
Figure BDA0002378992350000032
Figure BDA0002378992350000033
B1点的入射角和出射角：
Figure BDA0002378992350000041
Figure BDA0002378992350000042
同理计算得到B2点的入射角和出射角，由折射定律：
sinθ出＝nsinθ入
计算得到气泡的物点位置A(xA，yA)，通过平移运算得到气泡的三维坐标(x′A，y′A，z)；n为待测光纤预制棒的折射率。
本发明的有益效果：采用机器视觉代替人眼检测光纤预制棒的气泡大小和位置，具有非接触、快速、高效等优点，能够实现自动检测光纤预制棒气泡的大小和位置，降低人力成本、提高检测效率。
附图说明
图1是本发明一个实施例系统结构示意图；
图2是本发明一个实施例的光纤预制棒坐标系示意图；
图3是本发明一个实施例光纤预制棒旋转前后两张图像的投影关系图；
图4是本发明一个实施例光纤预制棒旋转前后的光纤预制棒截面光路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例的检测原理是光散射原理和机器视觉原理。基于光的直线传播定律和光的折反射定律，光束垂直光纤预制棒轴线透过光纤预制棒时，光纤预制棒在没有杂质和气泡时是均匀介质，光束通过光纤预制棒时会沿直线传播，光纤预制棒被照射部分将呈现均匀亮度。而在气泡的作用下，光束会在气泡表面发生散射，导致气泡处的一部分光线与原光束方向发生偏离而向四周散开，用相机在垂直于原光束的方向上采集光纤预制棒的图像，采集到的图像中在气泡处有明亮的边界，通过计算机对图像处理可以提取出光纤预制棒中的气泡。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统，包括：照明光源、图像采集模块、计算机、运动控制模块。照明光源突显待测光纤预制棒包层气泡的亮度特征、增加气泡与背景之间的差异；图像采集模块包括光学系统、相机及图像传输等辅助电路，光学系统即镜头，待测光纤预制棒反射的光线经过镜头的作用成像在相机的图像传感器上，相关电路将图像采样、量化、编码并传输至计算机进行显示和处理；计算机接收图像信号并对图像作预处理，计算待测光纤预制棒气泡的大小和位置；运动控制模块控制照明光源和相机的移动，以实现不同长度尺寸待测光纤预制棒的气泡检测；检测装置应在黑暗环境中进行，以减少环境光等杂散光对检测的影响。
一种基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统的检测方法：包括以下步骤：
S1、照明光源垂直于待测光纤预制棒轴线对其进行照射；
S2、相机采集目标图像并将图像信号采样量化编码后传输给计算机；
S3、计算机接收图像信号并完成图像处理，提取图像中的气泡、计算气泡的大小和位置；
S4、沿待测光纤棒轴线方向移动相机与照明光源，重复以上步骤，直至完成整根待测光纤预制棒的气泡检测；
S5、将待测光纤预制棒绕轴线旋转90°，相机与照明光源反向移动，重复以上步骤；
S6、根据S4、S5获得的二维图像中的气泡信息还原气泡在待测光纤预制棒中的实际大小和空间位置。
具体实施时，如图1所示，一种基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统，主要由待测光纤预制棒1、照明光源2、相机3、计算机4组成。待测光纤预制棒两端固定，并可绕自身轴线旋转；照明光源采用红色LED组成的条形光源，照明光源长度大于等于光纤预制棒的直径；相机采用彩色CCD相机，与照明光源保持垂直并可沿待测光纤预制棒轴线移动，相机镜头的视场角2ω和焦距f′根据待测光纤预制棒的直径决定，具体计算公为
Figure BDA0002378992350000061
Figure BDA0002378992350000062
其中X是拍摄物体的范围，应大于待测光纤预制棒的直径，L是镜头到待测光纤预制棒表面的距离，d是相机接收器件的尺寸，为保证成像清晰，在选择镜头时镜头的景深应大于等于待测光纤预制棒的直径；相机完成图像采集后将图像采样、量化、编码转换成计算机可处理的RGB-24bits格式的数字图像；相机与计算机通过USB2.0的数据线连接，用于相机的供电和图像的传输，计算机读取数字图像信号并对图像信号进行相应处理、显示和存储。
利用基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统的检测步骤为：
⑴待测光纤预制棒两端固定在检测装置上，用含酒精的无尘纸对光纤预制棒进行表面清洁以减少表面杂质对检测的影响，待测光纤预制棒可绕自身轴线旋转90°；
⑵关闭环境光源，本实施例中的红色LED条形光源垂直待测光纤预制棒轴线对其进行照射，光源与相机固定到一起并保持垂直；
⑶启动相机和计算机，相机采集目标图像并将图像信号采样量化编码后传输给计算机；
⑷计算机接收图像信号并完成图像处理，提取图像中的气泡、计算气泡的大小和位置；
⑸沿待测光纤预制棒轴线方向移动相机与光源，重复⑶、⑷步骤，直至完成整根待测光纤预制棒的气泡检测；
⑹待测光纤预制棒绕自身轴线旋转90°，相机与光源反向移动，重复⑶、⑷、⑸步骤；
⑺根据⑸、⑹获得的二维图像中的气泡大小和位置信息还原气泡在待测光纤预制棒中的大小和空间位置。
具体的气泡检测与定位算法如下:
①图像预处理，将采集到的图像转换为灰度图像，先对其进行高斯滤波去噪，再进行灰度变换、高通滤波改善图像质量。
②气泡检测算法，本实施例采用Canny边缘检测算法对预处理后的待测光纤预制棒图像进行处理，获得具有气泡边缘信息的二值图像，此时的图像存在气泡边缘不连续、气泡大小不易判断等问题，采用形态学运算中的闭运算连接断开的气泡边缘并填充气泡内部，此时从图像中可以清楚观察到气泡在二维图像中的位置和大小，为方便描述气泡的大小，本实施例用球形来拟合气泡，其半径用两幅图像中气泡的外接圆半径的平均值来表示。
③气泡定位算法，为便于表示气泡在待测光纤预制棒中的相对位置，将旋转前后采集到的图像分别拼接为完整的二维光纤预制棒图像，根据三视图原理计算气泡的三维坐标，建立坐标系如图2所示，则气泡的坐标可以表示为(x,y,z)。光纤预制棒旋转前后得到的图像简图及三视图投影关系如图3所示。光纤预制棒绕轴旋转90°前后同一截面处的光路图如图4所示，为便于计算，以截面圆心为原点建立坐标系，其中，旋转前相机位置为C1，旋转后相机位置为C2，由于光纤对光束的折射作用，图像采集到的是气泡的像，而实际气泡的位置与图像得到的位置有一定偏差，因此需要进行修正，图4中A′为气泡像点位置，A为气泡实际位置，若选择的相机水平视场小，则可以忽略物像位置在待测光纤棒轴线方向的偏差，即认为物像的z坐标一致；在图4的坐标系下，由拼接后的图像可得气泡像点A′的坐标(x0，y0)，设物点A坐标为(xA，yA)，C1坐标为(-C,0)，C2坐标为(0,C)，其中C＝L+R，L是相机与光纤预制棒外表面的距离，R是光纤预制棒的半径。
由光纤预制棒的轮廓方程与直线C1A′方程联立可得图4中B1的坐标(x1，y1)，即
Figure BDA0002378992350000081
其中，
Figure BDA0002378992350000082
B1点的入射角和出射角：
Figure BDA0002378992350000083
Figure BDA0002378992350000084
同理可计算得到B2点的入射角和出射角，由折射定律：
sinθ出＝nsinθ入
可计算得到在图4坐标系下气泡的实际位置A(xA，yA)，通过简单的平移运算可得到气泡在图2坐标系下的空间坐标是(x′A，y′A，z)。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (1)

1.一种基于机器视觉的光纤预制棒气泡自动化检测系统的检测方法，所述检测系统包括待测光纤预制棒、照明光源、图像采集模块、计算机和运动控制模块；图像采集模块包括镜头、相机及图像传输电路；待测光纤预制棒两端固定，可绕自身轴线旋转，照明光源长度大于等于待测光纤预制棒的直径；相机与照明光源垂直固定，并可沿待测光纤预制棒轴线移动；相机与计算机通过USB2.0的数据线连接；其特征是，检测方法包括以下步骤：
步骤1、将待测光纤预制棒两端固定在检测装置上，使待测光纤预制棒可绕自身轴线旋转90°；用含酒精的无尘纸对待测光纤预制棒进行表面清洁；
步骤2、关闭环境光源，照明光源垂直于待测光纤预制棒轴线对其进行照射；
步骤3、启动相机和计算机，相机采集目标图像并将图像信号量化编码后传输给计算机；
步骤4、计算机接收图像信号并完成图像处理，提取图像中的气泡、计算气泡的大小和位置；
步骤5、沿待测光纤预制棒轴线方向移动相机与照明光源，重复步骤3、步骤4，直至完成待测光纤预制棒一端到另一端的气泡检测；
步骤6、将待测光纤预制棒绕自身轴线旋转90°，相机与照明光源反向移动，重复步骤3、步骤4、步骤5；
步骤7、根据步骤5、步骤6获得的二维图像中的气泡大小和位置信息还原气泡在待测光纤预制棒中的大小和空间位置；
计算气泡的大小和位置的具体步骤如下：
1)将所接收的图像信号转换为灰度图像，先对其进行高斯滤波去噪，再进行灰度变换、高通滤波得到预处理图像；
2)采用Canny边缘检测算法对预处理图像进行处理，获得具有气泡边缘信息的二值图像；
3)采用形态学运算中的闭运算连接断开的气泡边缘并填充气泡内部，得到气泡在二维图像中的位置和大小；采用球形拟合气泡，其半径用两幅图像中气泡的外接圆半径的平均值表示；
4)将旋转前后采集到的图像分别拼接为完整的二维待测光纤预制棒图像，计算气泡的三维坐标(x,y,z)；以截面圆心为原点建立坐标系，其中，旋转前相机位置为C1，旋转后相机位置为C2，A′为气泡像点位置，A为气泡物点位置，设物像的z坐标一致；拼接后的图像可得气泡像点A′的坐标(x0，y0)，设物点A坐标为(xA，yA)，C1坐标为(-C,0)，C2坐标为(0,C)，其中C＝L+R，L是相机与待测光纤预制棒外表面的距离，R是待测光纤预制棒的半径，由待测光纤预制棒的轮廓方程与直线C1A′方程联立可得B1的坐标(x1，y1)，即
Figure FDA0002914103530000021
其中，
Figure FDA0002914103530000022
Figure FDA0002914103530000023
B1点的入射角和出射角：
Figure FDA0002914103530000024
Figure FDA0002914103530000025
同理计算得到B2点的入射角和出射角，由折射定律：
sinθ出＝nsinθ入
计算得到气泡的物点位置A(xA，yA)，通过平移运算得到气泡的三维坐标(x′A，y′A，z)；n为待测光纤预制棒的折射率。
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