CN113911427A - 基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线检测方法，步骤如下：在烟包运行轨道的上方布置线激光器、透镜和面阵图像传感器，线激光所在平面和激光器光轴与烟包运行方向垂直，面阵图像传感器感光平面与激光线平行，面阵图像传感器光轴与线激光器光轴形成角度差；获取烟包在烟包运行轨道上的位置数据；烟包每刷新一次位置数据就触发面阵图像传感器拍摄一次激光线图像，形成激光线像素信息，形成激光点阵数据，并同时过滤掉非有效烟包位置的图像信息；建立合格烟包的轮廓特征模板；采集待检烟包的轮廓特征；比较轮廓特征实现轮廓异常烟包的识别。本发明通过线激光3D扫描检测方法，能够比较全面的对透明纸散包问题进行检测。

Description

基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法

技术领域

本发明属于智能检测的技术领域，更具体地说，是涉及一种基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法。

背景技术

在卷烟工业烟包透明纸包装工序环节，因为包装机速度比较快(通常400包/分钟)，因此经常会出现透明包装质量问题，表现形式是透明纸散开和非正常包裹，这种质量问题依靠人工肉眼很难进行在线发现和处理，以往的解决手段主要靠机械探针式检测、点状激光替代机械探针检测等手段，各种方法皆存在一些局限，只能识别上表面的缺陷，无法实现三维检测，可见提出一种高效稳定的在线智能检测系统和方法成为行业亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，该方法效率高，且监测效果好。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，包括如下步骤：

步骤1：在烟包运行轨道的上方布置线激光器，线激光器朝向烟包运行轨道发射激光线，线激光器所在平面与烟包运行方向垂直，线激光器的光轴与烟包上表面垂直；

步骤2：在烟包运行轨道的上方布置透镜和面阵图像传感器，使面阵图像传感器的感光平面与激光线平行，面阵图像传感器的光轴与线激光器的光轴形成角度差θ；

步骤3：调整透镜，使得透镜的焦距和景深满足烟包上激光线在面阵图像传感器上清晰成像；

步骤4：获取烟包在烟包运行轨道上的位置数据；

步骤5：烟包每刷新一次位置数据就触发面阵图像传感器拍摄一次激光线图像，形成激光线像素信息，形成激光点阵数据，并同时过滤掉非有效烟包位置的图像信息；所述线激光器的激光线宽度大于烟包宽度，烟包宽度范围内的数据为有效数据，其他区域为非有效数据；

步骤6：建立合格烟包的轮廓特征模板：选取合格的烟包进行步骤1-5，将步骤5采集的激光点阵数据集合，生成烟包的轮廓特征模板；

步骤7：采集待检烟包的轮廓特征：执行步骤1-5采集烟包传送轨道上烟包的激光点阵数据，将其集合，生成待检烟包的轮廓特征；

步骤8：比较轮廓特征：将步骤7采集到的待检烟包的轮廓特征与步骤6的合格烟包的轮廓特征模板比较，实现轮廓异常烟包的识别。

作为优选方案，所述步骤5中的激光点阵数据的计算步骤如下：

步骤5-1：以烟包底面作为高度基准平面，用x代表烟包激光线方向的光点水平方向位置坐标，y代表烟包光点的高度坐标，在烟包上的激光线上的每一个光点p(x，y)，在面阵图像传感器上有对应的图像光点P(X，Y)；

步骤5-2：经过标定之后，X＝mx,Y＝ny,标定的过程为：定义好基准平面位置以后，完整扫描一次基准平面得到P(X，Y)与p(x，y)对应关系，即像与物的坐标对应关系，X＝mx,Y＝ny，其中，系数m与镜头倍率和θ有关，n与镜头倍率有关，对于点p(x,y),对应图像坐标P(X,Y),sinθ＝Y/y；

步骤5-3：面阵图像传感器所采集到的图像光点坐标反映烟包轮廓扫描线上对应的高度信息，通过连续运动扫描，将扫描结果融合，得到完整的烟包轮廓的激光点阵数据。

作为优选方案，所述步骤6中的生成烟包的轮廓特征模板过程为：以一条扫描线为例，n条扫描线构成整包烟包的扫描面，扫描线在面阵图像传感器上形成线状图像，其图像的直线方程表示为y＝f(x)，若烟包被扫描面是平面，则面阵图像传感器上的线状图像是平直的直线，其图像用直线方程y＝c表示，c为常数，实际扫描线图像的坐标集合则构成了本条线的特征数据(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)……(xn,yn)，所有扫描线的坐标集合构成烟包的轮廓特征模板。

作为优选方案，所述激光线成像测距步骤如下：

首先建立测量模型，以OP为线激光器中心，OC为面阵图像传感器中心，用A-B线段代表烟包表面被激光照射的轮廓线，Zg代表物体坐标系下的轮廓线上某点的高度；模型包括两个坐标系：物体坐标系Og(Xg，Yg，Zg)与面阵图像传感器(3)坐标系Oc(Xi，Yi，Zi)，激光与相机光轴有一定的夹角β；

然后，将线激光器竖直投射激光，以面阵图像传感器的光轴中心与激光平面I的交点作为物体坐标系的圆心Og,相应的Zg轴在激光平面I中，正对着线激光器中心发射点的位置；其中，XgZg与XiZi平面是处于同一个平面内，且该平面与激光平面垂直；

烟包表面形状为简单曲面或者平面，用方程表示：Z＝F(X，Y);该函数属于单值连续函数，轮廓曲线AB的方程为：Xg＝0;Zg＝F(Xg，Yg);该曲线经过透镜在图像传感器上成像：

H＝PοR_Y(β)οR_x(180°)T_i

其中，T_i代表平移坐标；

R_X(180°)表示绕X轴转180度角；

R_Y(β)表示绕Y轴转β角；

P代表透视变换；

它们的数学表达式分别为：

实际过程中我们都需要他们之间的一个逆变换

相应分别求逆计算得到：

消去Zi，且利用条件Xg＝0，得

上述即为烟包表面高度Zg的理论推算公式；它与成像坐标Xi,镜头焦距f,夹角β，以及面阵图像传感器和线激光器到烟包表面的距离Dpc、Dgp存在固定的函数关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明主要解决烟包透明纸包装后形成的透明纸散包等外观质量缺陷的问题，通过利用线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线检测方法，建立合格烟包的轮廓特征模板；采集待检烟包的轮廓特征；比较轮廓特征实现轮廓异常烟包的识别，进行比较全面的透明纸散包问题的检测。

本发明提供了一种基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线检测方法。具备以下有益效果：

(1)采用线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线检测方法，建立合格烟包的轮廓特征模板，为烟包图像建立模型算法打下基础。

(2)采用比较轮廓特征实现轮廓异常烟包识别的方法，比较全面的实现了烟包透明纸散包问题的检测。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明的系统布置图；

图2是本发明的采样原理图；

图3是本发明的测量模型图；

图4为本发明的烟包表面形状在面阵图像传感器上的成像示意图。

附图中的标记为：1、线激光器；2、透镜；3、面阵图像传感器；4、烟包；41、烟包表面。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。

此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

如图1至图3所示的基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，包括如下步骤：

步骤1：在烟包运行轨道的上方布置线激光器1，线激光器1朝向烟包运行轨道发射激光线，线激光器1所在平面与烟包运行方向垂直，线激光器1的光轴与烟包4上表面垂直；

步骤2：在烟包运行轨道的上方布置透镜2和面阵图像传感器3，使面阵图像传感器3的感光平面与激光线平行，面阵图像传感器3的光轴与线激光器1的光轴形成角度差θ；

步骤3：调整透镜2，使得透镜2的焦距和景深满足烟包4上激光线在面阵图像传感器3上清晰成像；

步骤4：获取烟包4在烟包运行轨道上的位置数据；

步骤5：烟包4每刷新一次位置数据就触发面阵图像传感器3拍摄一次激光线图像，形成激光线像素信息，形成激光点阵数据，并同时过滤掉非有效烟包位置的图像信息；所述线激光器1的激光线宽度大于烟包4宽度，烟包4宽度范围内的数据为有效数据，其他区域为非有效数据；所述激光点阵数据的计算步骤如下：

步骤5-1：以烟包底面作为高度基准平面，用x代表烟包激光线方向的光点水平方向位置坐标，y代表烟包光点的高度坐标，在烟包4上的激光线上的每一个光点p(x，y)，在面阵图像传感器3上有对应的图像光点P(X，Y)；

步骤5-2：经过标定之后，X＝mx,Y＝ny,标定的过程为：定义好基准平面位置以后，完整扫描一次基准平面得到P(X，Y)与p(x，y)对应关系，即像与物的坐标对应关系，X＝mx,Y＝ny，其中，系数m与镜头倍率和θ有关，n与镜头倍率有关，对于点p(x,y),对应图像坐标P(X,Y),sinθ＝Y/y；

步骤5-3：面阵图像传感器3所采集到的图像光点坐标反映烟包轮廓扫描线上对应的高度信息，通过连续运动扫描，将扫描结果融合，得到完整的烟包轮廓的激光点阵数据。

步骤6：建立合格烟包的轮廓特征模板：选取合格的烟包4进行步骤1-5，将步骤5采集的激光点阵数据集合，生成烟包的轮廓特征模板；生成烟包的轮廓特征模板过程为：以一条扫描线为例，n条扫描线构成整包烟包的扫描面，扫描线在面阵图像传感器3上形成线状图像，其图像的直线方程表示为y＝f(x)，若烟包被扫描面是平面，则面阵图像传感器3上的线状图像是平直的直线，其图像用直线方程y＝c表示，c为常数，实际扫描线图像的坐标集合则构成了本条线的特征数据(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)……(xn,yn)，所有扫描线的坐标集合构成烟包的轮廓特征模板。

步骤7：采集待检烟包的轮廓特征：执行步骤1-5采集烟包传送轨道上烟包4的激光点阵数据，将其集合，生成待检烟包的轮廓特征；

步骤8：比较轮廓特征：将步骤7采集到的待检烟包的轮廓特征与步骤6的合格烟包的轮廓特征模板比较，实现轮廓异常烟包的识别。

本发明中的激光线成像测距步骤如下：

首先建立测量模型，以OP为线激光器1中心，OC为面阵图像传感器3中心，用A-B线段代表烟包表面41被激光照射的轮廓线，Zg代表物体坐标系下的轮廓线上某点的高度；模型包括两个坐标系：物体坐标系Og(Xg，Yg，Zg)与面阵图像传感器(3)坐标系Oc(Xi，Yi，Zi)，激光与相机光轴有一定的夹角β；

然后，将线激光器1竖直投射激光，以面阵图像传感器3的光轴中心与激光平面I的交点作为物体坐标系的圆心Og,相应的Zg轴在激光平面I中，正对着线激光器1中心发射点的位置；其中，XgZg与XiZi平面是处于同一个平面内，且该平面与激光平面垂直；

烟包表面41形状为简单曲面或者平面，用方程表示：Z＝F(X，Y);该函数属于单值连续函数，轮廓曲线AB的方程为：Xg＝0;Zg＝F(Xg，Yg);如图4所示，该曲线经过透镜在图像传感器上成像：

H＝PοR_Y(β)οR_x(180°)οT_i

其中，T_i代表平移坐标；

R_X(180°)表示绕X轴转180度角；

R_Y(β)表示绕Y轴转β角；(注：β角由旋转方向可知为负值)

P代表透视变换；

它们的数学表达式分别为：

实际过程中我们都需要他们之间的一个逆变换

相应分别求逆计算得到：

消去Zi，且利用条件Xg＝0，得

上述即为烟包表面41高度Zg的理论推算公式；它与成像坐标Xi,镜头焦距f,夹角β，以及面阵图像传感器3和线激光器1到烟包表面41的距离Dpc、Dgp存在固定的函数关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在烟包运行轨道的上方布置线激光器(1)，线激光器(1)朝向烟包运行轨道发射激光线，线激光器(1)所在平面与烟包运行方向垂直，线激光器(1)的光轴与烟包(4)上表面垂直；

步骤2：在烟包运行轨道的上方布置透镜(2)和面阵图像传感器(3)，使面阵图像传感器(3)的感光平面与激光线平行，面阵图像传感器(3)的光轴与线激光器(1)的光轴形成角度差θ；

步骤3：调整透镜(2)，使得透镜(2)的焦距和景深满足烟包(4)上激光线在面阵图像传感器(3)上清晰成像；

步骤4：获取烟包(4)在烟包运行轨道上的位置数据；

步骤5：烟包(4)每刷新一次位置数据就触发面阵图像传感器(3)拍摄一次激光线图像，形成激光线像素信息，形成激光点阵数据，并同时过滤掉非有效烟包位置的图像信息；所述线激光器(1)的激光线宽度大于烟包(4)宽度，烟包(4)宽度范围内的数据为有效数据，其他区域为非有效数据；

步骤6：建立合格烟包的轮廓特征模板：选取合格的烟包(4)进行步骤1-5，将步骤5采集的激光点阵数据集合，生成烟包的轮廓特征模板；

步骤7：采集待检烟包的轮廓特征：执行步骤1-5采集烟包传送轨道上烟包(4)的激光点阵数据，将其集合，生成待检烟包的轮廓特征；

步骤8：比较轮廓特征：将步骤7采集到的待检烟包的轮廓特征与步骤6的合格烟包的轮廓特征模板比较，实现轮廓异常烟包的识别。

2.根据权利要求1所述的基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，其特征在于，所述步骤5中的激光点阵数据的计算步骤如下：

步骤5-1：以烟包底面作为高度基准平面，用x代表烟包激光线方向的光点水平方向位置坐标，y代表烟包光点的高度坐标，在烟包(4)上的激光线上的每一个光点p(x，y)，在面阵图像传感器(3)上有对应的图像光点P(X，Y)；

步骤5-2：经过标定之后，X＝mx,Y＝ny,标定的过程为：定义好基准平面位置以后，完整扫描一次基准平面得到P(X，Y)与p(x，y)对应关系，即像与物的坐标对应关系，X＝mx,Y＝ny，其中，系数m与镜头倍率和θ有关，n与镜头倍率有关，对于点p(x,y),对应图像坐标P(X,Y),sinθ＝Y/y；

步骤5-3：面阵图像传感器(3)所采集到的图像光点坐标反映烟包轮廓扫描线上对应的高度信息，通过连续运动扫描，将扫描结果融合，得到完整的烟包轮廓的激光点阵数据。

3.根据权利要求1所述的基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，其特征在于，所述步骤6中的生成烟包的轮廓特征模板过程为：以一条扫描线为例，n条扫描线构成整包烟包的扫描面，扫描线在面阵图像传感器(3)上形成线状图像，其图像的直线方程表示为y＝f(x)，若烟包被扫描面是平面，则面阵图像传感器(3)上的线状图像是平直的直线，其图像用直线方程y＝c表示，c为常数，实际扫描线图像的坐标集合则构成了本条线的特征数据(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)……(xn,yn)，所有扫描线的坐标集合构成烟包的轮廓特征模板。

4.根据权利要求1所述的基于线激光图像几何测量的烟包透明纸散包在线监测方法，其特征在于，所述激光线成像测距步骤如下：

首先建立测量模型，以OP为线激光器(1)中心，OC为面阵图像传感器(3)中心，用A-B线段代表烟包表面(41)被激光照射的轮廓线，Zg代表物体坐标系下的轮廓线上某点的高度；模型包括两个坐标系：物体坐标系Og(Xg，Yg，Zg)与面阵图像传感器(3)坐标系Oc(Xi，Yi，Zi)，激光与相机光轴有一定的夹角β；

然后，将线激光器(1)竖直投射激光，以面阵图像传感器(3)的光轴中心与激光平面I的交点作为物体坐标系的圆心Og,相应的Zg轴在激光平面I中，正对着线激光器(1)中心发射点的位置；其中，XgZg与XiZi平面是处于同一个平面内，且该平面与激光平面垂直；

烟包表面(41)形状为简单曲面或者平面，用方程表示：Z＝F(X,Y)；该函数属于单值连续函数，轮廓曲线AB的方程为：Xg＝0；Zg＝F(Xg,Yg)；该曲线经过透镜在图像传感器上成像：

其中，T_i代表平移坐标；

R_X(180°)表示绕X轴转180度角；

R_Y(β)表示绕Y轴转β角；

P代表透视变换；

它们的数学表达式分别为：

实际过程中我们都需要他们之间的一个逆变换

相应分别求逆计算得到：

消去Zi，且利用条件Xg＝0，得

上述即为烟包表面(41)高度Zg的理论推算公式；它与成像坐标Xi,镜头焦距f,夹角β，以及面阵图像传感器(3)和线激光器(1)到烟包表面(41)的距离Dpc、Dgp存在固定的函数关系。

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