王 勇，郭 慧

WANG Yong，GUO Hui

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

機(jī)器視覺是一門涉及多種學(xué)科的交叉技術(shù)，包括機(jī)械工程、數(shù)字圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別、照明、成像技術(shù)以及自動(dòng)控制等技術(shù)[1]。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)器視覺在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用越來越廣泛[2]。機(jī)器視覺技術(shù)在焊縫質(zhì)量檢測(cè)[3]、食品質(zhì)量監(jiān)測(cè)[4～6]、輪胎制造[7]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，機(jī)器視覺工作性能主要取決于是否能夠獲取較高質(zhì)量的檢測(cè)圖像[8～10]。由于機(jī)器視覺技術(shù)，主要是通過對(duì)采集到的待檢測(cè)物體的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到物體尺寸、顏色、形狀等信息，然后驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)待檢測(cè)物體進(jìn)行相應(yīng)操作。更為重要的是，較高質(zhì)量的圖像能夠有效地降低圖像分析軟件編制的難度，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性[11]。

通過對(duì)現(xiàn)有可查文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，針對(duì)機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行圖像采集裝置的設(shè)計(jì)研究較少。為此，通過分析一種基于機(jī)器視覺的汽車輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了能夠獲取較高圖像質(zhì)量的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置。該圖像采集裝置主要由PLC控制系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)支架、照明裝置、工業(yè)相機(jī)等組成。

1 圖像采集裝置總體方案

通過分析汽車輪胎標(biāo)志點(diǎn)圖像(如圖1所示)在汽車輪胎側(cè)面的分布發(fā)現(xiàn)，雖然輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像僅分布于輪胎的單側(cè)面，但輪胎在傳送帶上進(jìn)行輸送時(shí)，并不能保證打印有標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的一側(cè)朝向同一側(cè)(打印有標(biāo)識(shí)點(diǎn)的一側(cè)是否與傳送帶接觸不能保證)。這就導(dǎo)致僅采用一臺(tái)工業(yè)相機(jī)，可能會(huì)出現(xiàn)采集不到輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)的情況。為此，設(shè)計(jì)的圖像采集裝置采用兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)同時(shí)對(duì)輪胎側(cè)面進(jìn)行拍照。輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖1 輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像

圖2 圖像采集裝置整體結(jié)構(gòu)

2 圖像采集裝置的組成

2.1 PLC控制系統(tǒng)

該輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置的關(guān)鍵在于是否能夠準(zhǔn)確采集到輪胎圖像，即輪胎在傳送帶上傳送時(shí)何時(shí)啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)對(duì)標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行拍攝。本裝置采用工業(yè)中最為常用的PLC控制器結(jié)合光電開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器，設(shè)計(jì)了控制工業(yè)相機(jī)準(zhǔn)確拍攝的PLC控制系統(tǒng)。其中，光電開關(guān)安裝在圖像采集裝置的支架兩側(cè)，采用歐姆龍E3JK-R4M1鏡面反射型交直流通用光電開關(guān)。旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝位置如圖3所示，采用增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，AB兩相。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在傳送帶底面，安裝在旋轉(zhuǎn)編碼器上的滾輪與傳送帶緊貼，以消除傳送帶打滑對(duì)計(jì)數(shù)精度的影響。該P(yáng)LC控制系統(tǒng)主要用于檢測(cè)傳送帶上輪胎的信號(hào)，并將采集到的輪胎信號(hào)進(jìn)行處理輸送給工業(yè)相機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)工業(yè)相機(jī)對(duì)輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行準(zhǔn)確拍攝。圖4為PLC控制系統(tǒng)工作原理示意圖。

圖3 旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置示意圖

2.2 上相機(jī)和光源

分析圖2中的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置整體結(jié)構(gòu)可知，分布于輪胎上側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像，可一次拍攝而獲取完整的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像。為此，采用圖5所示的光源和相機(jī)組合結(jié)構(gòu)。為了消除外界光照對(duì)于拍攝質(zhì)量的影響，該裝置采用了6個(gè)外加LED光源。合理的外加光源的設(shè)計(jì)不僅能夠使得獲取的圖像的亮度分布均勻，同時(shí)可有效減少因外界光照引起的圖像噪聲[12]，為后續(xù)圖像處理奠定良好基礎(chǔ)。

圖4 PLC 控制系統(tǒng)工作原理示意圖

圖5 上相機(jī)和光源結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 下相機(jī)和光源

分布于輪胎下側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像，如果采用與上相機(jī)相同的圖像采集結(jié)構(gòu)，直接在采集裝置下方對(duì)輪胎進(jìn)行拍攝，會(huì)因滾柱的存在(圖2)而影響標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的完整性。因此，對(duì)于分布于輪胎下側(cè)面的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像，不能采用一次拍攝而獲取完整的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的方法。

在圖像采集裝置的導(dǎo)軌上安裝了兩段傳送帶，且兩段傳送帶之間存在一定間隙。該裝置正是透過該間隙對(duì)輪胎下側(cè)面進(jìn)行拍攝，由于傳送帶間的間隙寬度限制，不能一次拍照而獲取整張輪胎下側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像。該裝置通過設(shè)定下相機(jī)拍攝的感興趣區(qū)域?qū)挾龋瑢?duì)同一輪胎進(jìn)行多次(一般6次)拍照，然后對(duì)獲取的帶狀標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像進(jìn)行拼接，即可獲取完整的輪胎下側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像。輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像拼接示意圖如圖6所示。

圖6 標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像拼接示意圖

下相機(jī)和光源組合結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。分析圖7發(fā)現(xiàn)，下相機(jī)和光源的組合結(jié)構(gòu)中存在反光鏡，這是由于如果直接采用相機(jī)對(duì)輪胎下側(cè)面圖像進(jìn)行拍攝，會(huì)由于相機(jī)與輪胎之間的距離過小而導(dǎo)致景深不能滿足拍攝要求。因此，在設(shè)計(jì)下相機(jī)圖像采裝置時(shí)利用鏡面反射原理，通過反光鏡的鏡面反射增加了相機(jī)與輪胎下側(cè)面之間的距離，滿足下相機(jī)拍攝景深的要求。

圖7 下相機(jī)和光源結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)作為圖像采集裝置的核心部件，其性能直接關(guān)系到圖像的質(zhì)量。工業(yè)相機(jī)中的重要的組成部分是數(shù)字傳感器。依據(jù)傳感器的不同工業(yè)相機(jī)可分為CCD(Charge-coupled device)工業(yè)相機(jī)和CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor)工業(yè)相機(jī)。本文采用較為常用的CCD工業(yè)相機(jī)，基本性能參數(shù)如表1所示。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集裝置，能夠有效地對(duì)輪胎側(cè)面標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行圖像采集。實(shí)驗(yàn)對(duì)150個(gè)汽車輪胎進(jìn)行標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集。并將實(shí)驗(yàn)所得到的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像應(yīng)用于輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所獲取的標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像質(zhì)量，滿足工業(yè)要求。

其中實(shí)驗(yàn)操作中的PLC控制系統(tǒng)的實(shí)際工作連接圖，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)操作流程圖如圖9所示。

4 結(jié)論

表1 工業(yè)相機(jī)部分性能參數(shù)

為了提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作性能，以基于機(jī)器視覺的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種能夠自動(dòng)拍攝較高質(zhì)量輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像的圖像采集裝置。該裝置主要包括：PLC控制系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)支架、照明裝置、工業(yè)相機(jī)等。實(shí)驗(yàn)對(duì)150個(gè)汽車輪胎進(jìn)行了標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像采集，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置采集的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)圖像質(zhì)量滿足工業(yè)要求。設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺圖像采集裝置，對(duì)今后機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)化改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

圖8 PLC控制系統(tǒng)工作示意圖

圖9 實(shí)驗(yàn)操作流程圖

[1]章煒.機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用[J].紅外,2006,27(2):11-17.

[2]Simpson L. Machine vision improves productivity in many ways[J]. Assembly Automation,2003,23(3):243-248.

[3]王勇,郭慧.基于形態(tài)學(xué)的焊縫X射線圖像缺陷檢測(cè)[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào),2013,39(4):360-363.

[4]Nashat S,Abdullah A,Aramvith S,Abdullah M Z.Support vector machine approach to real-time inspection of biscuits on moving conveyor belt[J].Computers and Electronics in Agriculture,2011,75(1):147-158.

[5]Chen K,Sun X,Qin C,et al. Color grading of beef fat by using computer vision and support vector machine[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2010,70(1):27-32.

[6]Wu D,Sun D W. Color measurements by computer vision for food quality control-A review[J].Trends in food science&technology,2013,29(1):5-20.

[7]王勇,郭慧.基于支持向量機(jī)的輪胎標(biāo)識(shí)點(diǎn)形狀識(shí)別[J].圖學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(2):120-125.

[8]穆向陽，張?zhí)?機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007,22(6):104-109.

[9]Golnabi H,Asadpour A. Design and application of industrial machine vision systems[J].Robotics and Computer-integrated Manufacturing,2007,23(5):630-637.

[10]鄭華文,曹衍龍,楊將新.基于計(jì)算機(jī)視覺的珍珠形狀分級(jí)識(shí)別技術(shù)研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2008,15(5):365-368.

[11]Carsten S, Markus U,Christian W.楊少榮,吳迪靖,段德山,譯.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[12]Sunil K K.Lighting design for machine vision application[J].Journal of image and vision computing,2006,24(6):720-726.