CN112525920B - 一种液体透视成像干扰滤波系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液体透视成像干扰滤波系统，包括硬件部分和软件算法部分。其中硬件部分包括：光源、光源滤光片、光源偏振片(选配)、相机、相机偏振片(选配)、遮光板、光源运动装置；软件算法部分包括：图像采集、疑似干扰提取、疑似干扰分割、分类、误判补偿。通过本发明的方法，可以准确分辨出液体内各种干扰，提高光学检测、测量等操作的准确性。上述优势使本发明具有前沿的技术特点和优良的推广价值。

Description

一种液体透视成像干扰滤波系统

技术领域

本发明涉及自动化生产过程，特别是液体透视成像干扰滤波系统。

背景技术

在工业领域，利用视觉技术对透明液体进行透视检测成像时，经常用到的方法是通过设置合适的光源、相机位置对容器进行拍摄，通过拍摄条件的确定性可控，以降低软硬件的设计难度和复杂度、降低成本、提高系统稳定性。液体中经常会混入气泡、固态物质等干扰，对成像造成干扰，我们往往需要在对液体透视成像时精确区分开液体、气泡和固态物质，以避免影响后续的处理流程。

液体在流动、输送等过程中极易产生气泡，而且对于很多种类液体而言这种气泡消失的速度比较慢，导致其成为不可控的随机因素，当进行视觉处理时很容易成为严重的干扰因素，导致设备稳定性、准确率等关键指标显著下降，性能达不到工业使用要求。目前常用的消除气泡的方法主要包括硬件方法和软件方法，其中硬件方法包括：静置法、高速旋转法、增加蛇形缓冲、超声波消泡等。但是普遍存在的问题在于：1.占用空间大，时间长，导致需要在生产线上专门留出不小的空间来专门用于消泡，且效果不好，这对于高速生产线的空间占用几乎不可接受；2.成本高，需要专门采购设备和布局生产线，再加上维护成本，非常可观；3.效果不可控、适用性差，上述方法都是通过物理方法消除掉液体内的气泡，但其效果会受到温度、容器形状和表面特点、输送和设备稳定性等大量因素的影响而造成消泡效果不可控，另外液体粘稠度等特性对消泡效果具有决定性的影响，粘度略高的液体自然消泡需要几分钟的时间，这对高速在线装置很难实现；4.对主设备限制很大，消泡作为独立模块要求消泡后不能再有产生气泡的因素发生，但往往是难以满足的，例如容器在螺杆处的碰撞、旋转或翻转过程都会产生大量气泡，而此时已经容器已经处于消泡模块以后了，也难以再嵌入新的消泡模块来处理，导致消泡失败。软件的方法为通过气泡自身的视觉特征进行分辨，但仅在学术界进行研究，尚无法达到工业级应用的准确率和稳定性。

液体中的固态物质往往由于液体制备、输送、存储过程中由于工艺、设备质量等原因混入的，为了精确识别和区分，我们将其分为白色物质和黑色物质。一般分别通过光的散射和吸光原理可以在成像过程中有所体现。

所以，作为一个普遍存在但尚无良好解决方法的问题，如何通过高速、低成本、易于嵌入式的方式实现液体透视成像过程中气泡、白色物质和黑色物质等干扰的区分滤波，是液态生产、灌装等自动化领域亟待解决且具有显著应用价值的。

发明内容

本发明提供了一种液体透视成像干扰滤波系统，可以通过硬件的特定光学成像结构与软件的视觉算法相结合的方式，实现液体中气泡、白色物质和黑色物质等干扰的准确辨识和滤波，消除干扰对视觉处理的影响。

本发明的技术方案是：一种液体透视成像干扰滤波系统，其特征在于：包括硬件部分和软件算法部分。其中硬件部分包括：光源、光源滤光片、光源偏振片(选配)、相机、相机偏振片(选配)、遮光板、光源运动装置。每个观测中的容器配备一套硬件部分。其中光源和相机安装于容器的两侧，采用背光照明；光源滤光片和光源偏振片安装于光源和测容器之间；相机偏振片安装于相机和待检测容器之间，其偏振方向与光源偏振片的偏振方向相垂直；遮光板单侧或双侧安装于光源上，处于容器侧面；光源运动装置与光源和遮光板相连用于控制其运动。软件算法部分包括：图像采集、疑似干扰提取、疑似干扰分割、分类、误判补偿。相机拍摄时除相机偏振片外其它硬件部分与容器相对静止。

本发明所述的光源采用白光光源、单波段光源或特定复合波段光源，平面光源或弧形光源中的任意一种或多种组合。

通过相机可观测到的容器区域背部光源区域为光源滤光片、光源偏振片所覆盖区域，容器周围区域背部光源区域为两侧其它区域，通过滤光片和偏振片的调制使上述两个区域存在显著的亮度或光谱差异。本发明光源的选择依据如下，根据待检测容器特性，从波段分可以选择白光光源、单波段光源或特定复合波段光源，如果容器为无色透明可任意选择以上三种，如果容器为某种颜色一般选择前两种。根据设备安装需求从形状分可选用平面光源或光源滤光片两侧区域向内弯曲或折叠等。本发明相机选择与光源向配合，使用黑白相机、彩色相机/多光谱相机，此方面为相关专业人员熟稔，不再赘述。

利用遮光板阻隔相邻光源之间的干扰。光源和遮光板可能影响容器的运动轨迹，所以利用光源运动装置在相机不拍摄时移动光源和遮光板，以保证容器顺利运动。若拍摄方式为单相机拍摄，则可以省略遮光板；若不需要考虑液体内气泡与白色物质的区分，则可以省略光源偏振片和相机偏振片，所以上述两项硬件被标注为选配。

软件算法部分分别获取有无相机偏振片时的图像，通过亮度或光谱特性提取疑似气泡、白色物质和黑色物质，以提取点作为参考进行图像获得疑似气泡区域，将特征输入分类器进行分类，最后利用图像分析补偿去除误判，完成气泡、白色物质和黑色物质的分辨。其中无相机偏振片时拍摄图像用于提取黑色物质和疑似气泡点，并利用其对图像进行分割获取黑色物质区域和疑似气泡分割区域，将该区域提取图像特征输入训练好的分类器进行最终判定，但可能存在白色物质被误判为气泡的情况。使用带相机偏振片时的图像提取白色物质，以此对白色物质被误判为气泡进行补偿。

由上述技术方案可知，本发明的一种液体透视成像干扰滤波系统，通过硬件和软件算法两个部分的相互配合，可以准确识别出液体内的气泡、白色物质和黑色物质，具有：适用产品范围广；同时适用于单模块安装使用和多个模块组合排列使用；小型化，可以与现有装备相结合或嵌入现有装备中；同时适用于大尺寸和微小尺寸的气泡、白色物质和黑色物质；高准确率，稳定性高，达到工业应用水平，上述优势使本发明具有前沿的技术特点和优良的推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种液体透视成像干扰滤波系统系统硬件部分结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种液体透视成像干扰滤波系统系统软件算法部分流程图。

图3为传统背光方式拍摄的图像。

图4为本发明实施例提供的一种液体透视成像干扰滤波系统中无偏振片时拍摄的图像。

图5为本发明实施例提供的一种液体透视成像干扰滤波系统中有偏振片时拍摄的图像。

附图标记：1为光源运动装置；2为光源；3为光源滤光片；4为光源偏振片；5为遮光板；6为待检测容器；7为相机偏振片；8为相机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1，我们将光源光源2、光源滤光片光源滤光片3、光源偏振片光源偏振片4、遮光板遮光板5、待检测容器待检测容器6、相机相机8作为一个独立的干扰辨别模块，光源运动装置光源运动装置1可安装多个模块但每个模块可以独立控制运动，相机偏振片相机偏振片7与模块不固连。

光源滤光片3、光源偏振片4贴于光源2上。光源滤光片3、光源偏振片4宽度一致，小于光源2的宽度，使光源2两侧露出。光源2、光源滤光片3、光源偏振片4的宽度与待检测容器6的直径、形态以及待检测容器6与光源2的距离有关。光源滤光片3、光源偏振片4宽度使相机8观测到的待检测容器6区域可以完全被光源滤光片3、光源偏振片4覆盖，由于一般待检测容器6具有放大镜效应，所以光源滤光片3、光源偏振片4宽度不一定大于待检测容器6直径。光源2的宽度为通过相机8观测待检测容器6内气泡和黑色物质均可以有全部或部分区域具有显著的亮度或光谱区别。

遮光板5安装于光源2上，其主要用于多个模块紧密排列安装时，由于不同模块的光源2之间相互干扰，为了相机8的成像效果更加干净、稳定，通过加装遮光板5使每个模块之间更加独立。如果装备中仅安装一个模块，且不与周围发生光学干扰，则可以不加装遮光板5。

由于遮光板5或光源2过于接近待检测容器6导致可能阻挡待检测容器6的运行轨迹，所以通过与光源2连接的光源运动装置1在相机8拍摄测时将光源2、光源滤光片3、光源偏振片4、遮光板5通过翻转、向上或向下移动等方式移开，移动运动可以通过导轨、气缸、电缸、丝杠等方式。

在相机8拍摄过程中，光源2、光源滤光片3、光源偏振片4、遮光板5、待检测容器6、相机8保持相对静止，但相机偏振片7可以处于运动状态，通过相机偏振片7与相机8之间的相对运动，可以在相机8拍摄过程中拍摄到相机偏振片7存在和不存在两种状态下的图像。

当模块硬件部分调整完成，其效果为：相机偏振片7不存在时待检测容器6内存在气泡时可以明显观察到气泡的全部或部分将与无气泡区域的亮度或光谱具有明显差异，如显著更亮或更红等，气泡较小时全部气泡均具有明显差异，气泡较大时可能只有部分气泡差异显著；待检测容器6内存在黑色物质时可以明显观察到黑色物质成像区域亮度明显偏低。当相机偏振片7存在时，相机8所采集的图像几乎全部为黑色，气泡不再具有显著特征；待检测容器6内存在白色物质时可以明显观察到白色物质成像区域亮度明显偏高或光谱具有明显差异。

模块软件算法部分的流程为：当相机8采集到相机偏振片7不存在和存在时的两组图像，分别称为图像1和图像2，如图2所示；使用图像1提取亮度偏高或光谱特性不同的区域作为疑似气泡区域、提取亮度偏低的区域作为黑色物质区域；但由于气泡较大时不一定气泡完全被亮度或光谱发生改变，所以通过图像分割将图像中阴影区域也采集出来，并将其与连通或接近的疑似气泡区域作为一个区域，完成疑似气泡分割；将各分割区域提取图像特征，如长度、宽度、亮度或光谱变化区域占比和与阴影区域的分布关系等，将通过人工标注的训练样本图像将上述特征输入分类器进行训练，训练后的分类器即可被应用于实际工程使用，分类器可以选择SVM、Adaboost、神经网络等；由于液体内的白色物质可能在图像1中与气泡极为相似而易被错误分类，所以通过图像2单独提取出液体内的白色物质，由于在正交偏振下气泡也呈阴暗状态，但白色物质偏亮，所以可以通过图像光源2将误判为气泡的白色物质补偿回来。

从图3中可以看出，如果仅采用一个背光进行照射，微小气泡和液内固态物质全部为黑色阴影，且当液体处于运动状态时均和液体一起运动，完全无法进行区分。对于表面张力较大的液体，气泡的持续时间很长，肯定会对后续视觉处理造成严重的影响。

从图4中可以看出，利用本发明方法可以使气泡亮度与黑色物质显著区分。但同时白色物质也可能被混淆为气泡，造成白色物质与气泡的混淆。

从图5中可以看出，白色物质被很清晰地呈现出来，而气泡被完全屏蔽。所以通过图4、图5联合判别，可以准确区分气泡、白色物质和黑色物质，精度非常高，完成各种不同干扰的区分与滤波。

需要特别指出的是，若液体内没有白色物质或对其不关注，可以在硬件部分省略光源偏振片4和相机偏振片7，软件算法部分省略误判补偿。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种液体透视成像干扰滤波系统，其特征在于：包括硬件部分和软件算法部分，其中硬件部分包括：光源、光源滤光片、光源偏振片、相机、相机偏振片、遮光板、光源运动装置，每个观测中的容器配备一套硬件部分，其中光源和相机安装于容器的两侧，采用背光照明；光源滤光片和光源偏振片安装于光源和待检测容器之间；相机偏振片安装于相机和待检测容器之间，其偏振方向与光源偏振片的偏振方向相垂直；遮光板单侧或双侧安装于光源上，处于容器侧面；光源运动装置与光源和遮光板相连用于控制其运动，利用遮光板阻隔相邻光源之间的干扰，光源和遮光板可能影响容器的运动轨迹，所以利用光源运动装置在相机不拍摄时移动光源和遮光板，以保证容器顺利运动；软件算法部分包括：图像采集、疑似干扰提取、疑似干扰分割、分类、误判补偿，相机拍摄时除相机偏振片外其它硬件部分与容器相对静止；模块软件算法部分的流程为：当相机采集到相机偏振片不存在和存在时的两组图像，分别称为图像1和图像2；使用图像1提取亮度偏高或光谱特性不同的区域作为疑似气泡区域、提取亮度偏低的区域作为黑色物质区域；但由于气泡较大时不一定气泡完全被亮度或光谱发生改变，所以通过图像分割将图像中阴影区域也采集出来，并将其与连通或接近的疑似气泡区域作为一个区域，完成疑似气泡分割；将各分割区域提取图像特征:长度、宽度、亮度或光谱变化区域占比和与阴影区域的分布关系，将通过人工标注的训练样本图像将上述特征输入分类器进行训练，训练后的分类器能够被应用于实际工程使用；由于液体内的白色物质可能在图像1中与气泡极为相似而易被错误分类，所以通过图像2单独提取出液体内的白色物质，由于在正交偏振下气泡也呈阴暗状态，但白色物质偏亮，所以可以通过图像2将误判为气泡的白色物质补偿回来。

2.根据权利要求1所述的一种液体透视成像干扰滤波系统，其特征在于：所述的光源采用白光光源、单波段光源或特定复合波段光源，平面光源或弧形光源中的任意一种或多种组合。

3.根据权利要求1所述的一种液体透视成像干扰滤波系统，其特征在于：通过相机可观测到的容器区域背部光源区域为光源滤光片、光源偏振片所覆盖区域，容器周围区域背部光源区域为两侧其它区域，通过滤光片和偏振片的调制使上述两个区域存在显著的亮度或光谱差异。

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