技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)：

目前國(guó)內(nèi)玻璃瓶在生產(chǎn)制造時(shí)，由于現(xiàn)有工藝技術(shù)水平和設(shè)備的限制，瓶口的內(nèi)外徑有一定偏差，尤其是內(nèi)徑偏差，有時(shí)不能很好的滿足瓶子使用企業(yè)的要求。使用者在使用內(nèi)外徑不合格的玻璃瓶灌裝液體時(shí)，由于瓶口內(nèi)外徑偏差超過(guò)一定范圍，會(huì)使瓶塞與瓶口之間產(chǎn)生縫隙，從而導(dǎo)致瓶口與瓶塞密閉不嚴(yán)使玻璃瓶中液體漏出，尤其是那些依賴瓶口內(nèi)壁密封的玻璃瓶，如灌裝醋、醬油、食用油等的瓶子，在灌裝后瓶塞與瓶口結(jié)合成為一個(gè)整體，即使在使用時(shí)仍保留瓶蓋，僅去除瓶蓋內(nèi)拉環(huán)，這就對(duì)瓶子的內(nèi)徑和圓度提出了很高的精度要求，否則液體會(huì)從瓶塞和瓶子的結(jié)合部位泄漏污染瓶身，影響產(chǎn)品質(zhì)量和外觀整潔，造成浪費(fèi)。

玻璃瓶使用企業(yè)，一般對(duì)所購(gòu)瓶子進(jìn)行抽檢，以判斷是否符合灌裝要求。目前主要依靠人工采用游標(biāo)卡尺檢測(cè)玻璃瓶口內(nèi)外徑。由于人會(huì)受到身體狀況、周?chē)h(huán)境等因素的干擾，且長(zhǎng)時(shí)間單調(diào)乏味的檢測(cè)容易產(chǎn)生視覺(jué)疲勞和身體疲勞，其主觀性比較大，容易引起檢測(cè)誤差和誤讀數(shù)據(jù)。

隨著機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展，越來(lái)越多的質(zhì)量檢驗(yàn)項(xiàng)目由機(jī)器視覺(jué)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測(cè)，這不僅能克服了人的主觀因素的影響，還能提高檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。機(jī)器視覺(jué)是指通過(guò)視覺(jué)傳感器，如CCD、CMOS等，將被拍攝目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些圖像信息進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)獲取目標(biāo)特征，最終根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)作為一種重要的檢測(cè)手段，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)和測(cè)量等領(lǐng)域。

目前機(jī)器視覺(jué)對(duì)玻璃瓶的檢測(cè)，大多針對(duì)依靠瓶口端面密封的瓶子如啤酒瓶，很少針對(duì)依靠瓶口內(nèi)壁密封的透明玻璃瓶進(jìn)行檢測(cè)。由于瓶子顏色、直徑、材質(zhì)以及瓶口構(gòu)造不同等原因，適用于啤酒瓶檢測(cè)的裝置并不適用于大口徑、透明玻璃瓶的檢測(cè)。瓶口端面缺陷檢測(cè)只需獲取端面缺陷圖像，無(wú)需獲取準(zhǔn)確的瓶口內(nèi)外徑邊緣，而對(duì)瓶口尺寸檢測(cè)的研究也主要是對(duì)外徑檢測(cè)。目前尚未檢索到利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)大口徑、透明玻璃瓶?jī)?nèi)徑的報(bào)道，而這方面研究卻有其非常重要的實(shí)際意義，因此開(kāi)發(fā)針對(duì)大口徑、透明玻璃瓶?jī)?nèi)外徑尺寸的檢測(cè)技術(shù)顯得尤為重要。

經(jīng)檢索，相關(guān)玻璃瓶口檢測(cè)方面的文獻(xiàn)如下：碩士論文“基于圖像的啤酒瓶瓶口與瓶底污損自動(dòng)檢測(cè)”、碩士論文“基于機(jī)器視覺(jué)的啤酒瓶瓶口檢測(cè)系統(tǒng)的研究”和碩士論文“基于機(jī)器視覺(jué)的啤酒瓶瓶口檢測(cè)系統(tǒng)研究”等文章，其共同點(diǎn)是獲取啤酒瓶瓶口圖像時(shí)，采用反射式照明方式，即將光源置于瓶口上方，相機(jī)從瓶口上方采集瓶口圖像。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從上面打光獲取瓶口圖像，可以得到清晰的瓶口端面圖像，但瓶子的內(nèi)外徑并不清晰，邊緣模糊，瓶口反光高亮區(qū)域并不是瓶口真實(shí)的內(nèi)外徑。通過(guò)這種圖像采集方式可以較好判斷瓶口缺陷，但無(wú)法獲取真實(shí)的瓶口內(nèi)外徑尺寸。

機(jī)器視覺(jué)中光源是重要的組成部分，好的打光方式可以獲得高質(zhì)量圖像，準(zhǔn)確地獲取所需數(shù)據(jù)，減少后期圖像處理的步驟，提高處理的速度和準(zhǔn)確性。所以光源的打光方式和光源的擺放位置，是能否使瓶口內(nèi)外邊緣清晰，準(zhǔn)確測(cè)得瓶口內(nèi)外徑的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置和方法。本發(fā)明目的是提供一種大口徑、透明玻璃瓶口測(cè)量裝置，能清晰獲取瓶口內(nèi)外邊緣并獲得瓶口的內(nèi)外徑數(shù)據(jù)。該裝置可以用于玻璃瓶灌裝液體產(chǎn)品的企業(yè)，對(duì)所購(gòu)瓶子進(jìn)行抽檢，也可以用于其它用途。

本發(fā)明所述的玻璃瓶口檢測(cè)裝置由兩部分組成：硬件裝置和軟件系統(tǒng)。

硬件裝置由4個(gè)模塊組成：儀器支架、光源和相關(guān)附件、圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

1儀器支架：由支架底座、支架管、相機(jī)架和光源架組成，其中相機(jī)架固定于支架管上方，光源架固定于支架管下方且距離支架底座有一定距離。相機(jī)架用于安裝和固定圖像采集裝置，可根據(jù)瓶口大小上下調(diào)節(jié)，使瓶口能完全進(jìn)入視野，并以合適的比例顯示。光源架是用于固定光源，其中光源的打光方向朝上。在支架底座上放有黑色的背景板，防止反光。

2光源和相關(guān)附件：光源為L(zhǎng)ED光源，可為環(huán)形光源，光源顏色為白色，并能根據(jù)需要調(diào)節(jié)亮度，每顆LED燈珠與垂直方向有一個(gè)固定角度，環(huán)形光源表面有一層黑色擋板，防止光線向上直射，黑色擋板中間有一個(gè)圓形小孔，其直徑比瓶頸處直徑略大，使玻璃瓶口可以自由穿過(guò)擋板小孔，并將玻璃瓶位置限制在該小孔內(nèi)防止左右晃動(dòng)，穿過(guò)擋板的瓶口唇部與軟質(zhì)黑色彈性墊片連接，將玻璃瓶懸掛在擋板之上，處于一種自由狀態(tài)。

3圖像采集裝置：用于獲取玻璃瓶口圖像。安裝在相機(jī)架上并用螺絲固定相機(jī)及鏡頭。

4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的軟件，對(duì)所獲取的玻璃瓶口圖像進(jìn)行相應(yīng)處理，輸出相應(yīng)檢測(cè)結(jié)果。

軟件系統(tǒng)主要包括：圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果保存等內(nèi)容。

1、圖像采集：通過(guò)軟件控制USB接口可對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

2、圖像處理：對(duì)所獲得圖像進(jìn)行相關(guān)處理，并提取玻璃瓶口內(nèi)外徑邊緣。

3、數(shù)據(jù)顯示：玻璃瓶口內(nèi)外徑數(shù)據(jù)結(jié)果用圖形和表格共同顯示，如瓶口內(nèi)外徑平均直徑值、內(nèi)外徑的最大值、最小值公差范圍及其圓度值。

4、結(jié)果保存：既可以保存所獲取的圖像，也可以保存檢測(cè)完成后的數(shù)據(jù)結(jié)果。

在透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置中，一旦經(jīng)過(guò)標(biāo)定，相機(jī)架與光源架之間的距離保持固定不變，即相機(jī)和光源的位置保持不變，以確保測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性。

在透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置中儀器支架、光源和相關(guān)附件、圖像采集裝置均置于黑色暗箱中，避免外界環(huán)境光的干擾，保證圖像采集的穩(wěn)定性。

在透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置中光源為可調(diào)亮度的LED環(huán)形光源，光源顏色為白色。在檢測(cè)瓶口時(shí)，光源的打光方式不同于以往文獻(xiàn)中的做法。本發(fā)明的光源置于玻璃瓶的瓶上端與瓶口唇部平齊。光源的打光方向?yàn)橄騼?nèi)向上，有一個(gè)固定角度，光束集中亮度高，均勻性好，采用該方法所獲瓶口圖像質(zhì)量最佳，可以得到清晰的瓶口內(nèi)外徑圖像。該方法是利用光在玻璃材質(zhì)上折射和透射的原理，使玻璃瓶口邊緣變?yōu)楦吡羺^(qū)域，進(jìn)而獲得清晰的邊緣輪廓圖像。光源表面的黑色擋板和與玻璃瓶口配套的黑色墊片可以阻止光線直射相機(jī)。按此方法獲得的瓶口圖像是瓶口內(nèi)外徑邊緣處都有一定寬度和亮度的圓環(huán)，可以比較容易將瓶口內(nèi)外徑與周?chē)尘扒逦貐^(qū)分出來(lái)，并簡(jiǎn)化后期圖像處理過(guò)程。若光源的打光方式是上打光，圖像顯示的主要是瓶口向上反射部分的端面，并不是瓶口內(nèi)外徑，瓶底對(duì)光源的反光也會(huì)影響邊緣提取。光源下打光的擺放位置也很重要，位置不當(dāng)也會(huì)影響瓶口內(nèi)外徑邊緣的提取。

一種基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑檢測(cè)方法，包括以下步驟：

A、利用一種基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置，將待測(cè)玻璃瓶口通過(guò)與玻璃瓶口配套的墊片將玻璃瓶自由懸掛在擋板之上，穩(wěn)定之后相機(jī)對(duì)其瓶口進(jìn)行圖像采集；

B、采集得到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、邊緣濾波、形態(tài)學(xué)處理、特征提取、去除周?chē)蓴_點(diǎn)等操作，最后提取圖像中瓶口內(nèi)外徑的邊緣曲線；

C、通過(guò)提取玻璃瓶口的內(nèi)外徑邊緣曲線，獲得瓶口內(nèi)外徑平均直徑、內(nèi)外徑的最大值、最小值范圍及其圓度值，通過(guò)測(cè)量值與瓶子設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，判斷該玻璃瓶瓶口是否合格。如果瓶口內(nèi)徑、外徑的尺寸兩者或其中之一超出設(shè)計(jì)尺寸的公差范圍，則該瓶子判為不合格產(chǎn)品。

D、檢測(cè)完成后，進(jìn)行下一個(gè)玻璃瓶口的檢測(cè)，重復(fù)步驟A-C；所有瓶子檢測(cè)完成后退出程序。

本發(fā)明有益效果：

1、支架底座上放有黑色的背景板，防止反光；

2、光源置于玻璃瓶的瓶上端與瓶口唇部平齊；

3、光源為可調(diào)亮度的LED環(huán)形光源，且LED環(huán)形光源的發(fā)光方向具有一定角度，光束集中亮度高，均勻性好；

4、打光方式為下打光，打光方向?yàn)橄騼?nèi)向上，利用光在玻璃材質(zhì)上折射和透射原理，使玻璃瓶口邊緣變?yōu)楦吡羺^(qū)域，進(jìn)而獲得比較清晰的邊緣輪廓圖像；

5、在瓶口處加有與玻璃瓶口配套的環(huán)形黑色彈性墊片，用以消除玻璃瓶下方如瓶身或其它凸出部分的影響；

6、利用玻璃瓶自身重力使其懸掛于光源上面的黑色擋板上，處于一種自由狀態(tài)；

7、光源表面的黑色擋板和與玻璃瓶口配套的黑色彈性墊片可以阻止光線直射相機(jī)；

8、在透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置中，一旦經(jīng)過(guò)標(biāo)定，相機(jī)架與光源架之間的距離保持固定不變，即相機(jī)和光源的位置保持不變，以確保測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性；

9、在透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置中儀器支架、光源和相關(guān)附件、圖像采集裝置均置于黑色暗箱中，避免外界環(huán)境光的干擾，保證圖像采集的穩(wěn)定性；

10、本裝置成本低，使用簡(jiǎn)單方便，檢測(cè)精度<20um，有效地解決了清晰獲取大口徑、透明玻璃瓶瓶口內(nèi)外徑邊緣的問(wèn)題，且易推廣應(yīng)用；

11、與人工檢測(cè)相比，結(jié)果更客觀，既可以解放勞動(dòng)力，使人脫離重復(fù)乏味的簡(jiǎn)單勞動(dòng)，又可以排除人的主觀因素干擾，避免由于疲勞而產(chǎn)生的誤差。

附圖說(shuō)明

圖1一種基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置示意圖；

圖2打光方式局部示意圖；

圖3本發(fā)明方法的操作流程示意圖；

圖4瓶口定位軟件界面；

圖5500ml新普瓶合格尺寸的瓶口外徑檢測(cè)結(jié)果軟件界面；

圖6500ml新普瓶合格尺寸的瓶口內(nèi)徑檢測(cè)結(jié)果軟件界面；

圖7500ml新普瓶不合格尺寸的瓶口外徑檢測(cè)結(jié)果軟件界面；

圖8500ml新普瓶不合格尺寸的瓶口內(nèi)徑檢測(cè)結(jié)果軟件界面；

圖中標(biāo)號(hào)名稱：1、支架底座；2、支架管；3、相機(jī)架；4、光源架；5、光源；6、相機(jī)；7、鏡頭；8、計(jì)算機(jī)；9、數(shù)據(jù)傳輸線；10、黑色背景板；11、黑色暗箱；12、黑色彈性墊片；13、黑色擋板；14、玻璃瓶。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一種基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置如圖1所示，該測(cè)量裝置由兩部分組成：硬件裝置和軟件系統(tǒng)。其特征在于硬件裝置由4個(gè)模塊組成：儀器支架、光源和相關(guān)附件、圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

儀器支架包括安裝在支架底座1上面的支架管2，在支架管上面安裝有相機(jī)架3及光源架4，其中相機(jī)架和光源架之間為固定大小距離；光源5方向朝上固定在光源架上，黑色擋板13固定在光源上方；圖像采集裝置相機(jī)6及鏡頭7固定在相機(jī)架上，計(jì)算機(jī)8和相機(jī)6通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線9連接在一起，在支架底座1上放有黑色背景板10，其中儀器支架、光源和相關(guān)附件、圖像采集裝置均置于黑色暗箱11中。

相機(jī)架和光源架之間為固定大小距離；相機(jī)架可根據(jù)瓶口大小上下調(diào)節(jié)。光源為可調(diào)亮度的白色環(huán)形LED光源。LED燈珠與垂直方向有一個(gè)固定角度。光源置于玻璃瓶的瓶上端與瓶口唇部平齊。光源的打光方向?yàn)橄騼?nèi)向上，在光源表面加有黑色擋板，通過(guò)與玻璃瓶口配套的黑色彈性墊片12將玻璃瓶自由懸掛在擋板之上，利用光在玻璃材質(zhì)上折射和透射的原理，使玻璃瓶口邊緣變?yōu)楦吡羺^(qū)域，進(jìn)而獲得比較清晰的邊緣輪廓圖像。其中本發(fā)明的打光方式局部示意圖如圖2所示。

在該測(cè)量裝置中相機(jī)架與光源架之間的距離保持固定不變，即相機(jī)和光源的位置保持不變，以確保測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性。在光源表面加有黑色擋板，在擋板中間有合適尺寸大小的圓孔；在支架底座上放有黑色背景板，以減少拍攝時(shí)其他背景因素的干擾。儀器支架、光源和相關(guān)附件、圖像采集裝置均置于黑色暗箱中，避免外界環(huán)境光的干擾，保證圖像的穩(wěn)定性。

軟件系統(tǒng)主要包括：圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果保存等內(nèi)容。

本發(fā)明的檢測(cè)方法，對(duì)于檢測(cè)大口徑、透明玻璃瓶口具有通用性，只需根據(jù)不同品種的玻璃瓶建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)即可，選用與瓶口配套的墊片就可以實(shí)現(xiàn)玻璃瓶口的測(cè)量，無(wú)需改動(dòng)硬件部分。本軟件已經(jīng)針對(duì)500ml新普瓶、500ml老蔡瓶、300ml老蔡瓶、500ml普醋瓶、580ml御宴瓶和550ml金優(yōu)瓶，這6種瓶子分別建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。本發(fā)明方法的操作流程示意圖如圖3所示。

基于機(jī)器視覺(jué)的透明玻璃瓶口內(nèi)外徑檢測(cè)方法，具體包括以下步驟：

A、利用透明玻璃瓶口內(nèi)外徑測(cè)量裝置，將待測(cè)玻璃瓶口穿過(guò)黑色擋板，通過(guò)與玻璃瓶口配套的黑色彈性墊片將玻璃瓶自由懸掛在擋板之上，使玻璃瓶處于一種自由狀態(tài)，在套上黑色彈性墊片之后，需旋轉(zhuǎn)一下玻璃瓶，盡量使墊片保持水平狀態(tài)，待瓶子為靜止?fàn)顟B(tài)后，進(jìn)行下一步操作。圖像采集前還需注意保持玻璃瓶口內(nèi)外壁干凈，不能落有灰塵等雜物，避免其對(duì)瓶口內(nèi)外徑測(cè)量的影響。

B、打開(kāi)光源和相應(yīng)軟件，首先在軟件上打開(kāi)相機(jī)并通過(guò)軟件左邊窗口中的對(duì)角線和中間圓來(lái)將瓶口定位，將瓶口盡量置于視野中央處，減少圖像不均衡畸變，采集到的圖像如圖4所示；其次，選擇對(duì)應(yīng)的玻璃瓶種類；再點(diǎn)擊軟件上的檢測(cè)按鈕，軟件將自動(dòng)對(duì)采集得到的圖像進(jìn)行以下操作：圖像預(yù)處理、邊緣濾波、形態(tài)學(xué)處理、特征提取、干擾點(diǎn)去除等，提取圖像中瓶口內(nèi)外徑邊緣曲線，獲得瓶口內(nèi)外徑平均直徑值、內(nèi)外徑的最大值、最小值范圍及其圓度值，并將測(cè)量值與瓶子設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，判斷該玻璃瓶瓶口是否合格。如果瓶口內(nèi)徑、外徑的尺寸兩者或其中之一超出設(shè)計(jì)尺寸的公差范圍，則該瓶子判為不合格產(chǎn)品。其內(nèi)外徑檢測(cè)結(jié)果中合格玻璃瓶的外徑、內(nèi)徑的軟件界面如圖5、圖6所示，不合格玻璃瓶的外徑、內(nèi)徑的軟件界面如圖7外徑不合格、圖8所示內(nèi)徑合格。

C、在一個(gè)瓶口檢測(cè)完成后，再進(jìn)行下一個(gè)玻璃瓶口的檢測(cè)，重復(fù)步驟A-B；當(dāng)檢測(cè)完成后退出程序。

以上顯示和說(shuō)明書(shū)中描述的只是本發(fā)明的原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。