蔡永洪， 孫曉輝

(1.廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510663；2.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510075)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)迅速在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、智能交通、在線(xiàn)檢測(cè)等領(lǐng)域[1～12]得到廣泛應(yīng)用和研究。其中，在檢測(cè)應(yīng)用方面，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)因其信息化和自動(dòng)化集成度高、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)能力強(qiáng)，越來(lái)越受到相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的關(guān)注[13～16]。

玻璃量器是一種用來(lái)度量液體介質(zhì)容積或提取定量容積液體介質(zhì)的工作計(jì)量器具，其材質(zhì)為透明玻璃，玻璃外壁標(biāo)有計(jì)量用的刻線(xiàn)。常見(jiàn)的玻璃量器有容量瓶、吸量管、量筒、量杯等，大量應(yīng)用在生產(chǎn)、研發(fā)和檢測(cè)領(lǐng)域。使用時(shí)，液體介質(zhì)注入玻璃量器內(nèi)，通過(guò)人眼讀取液面對(duì)應(yīng)數(shù)值，以視線(xiàn)、標(biāo)線(xiàn)與液面處在同一水平面為正確操作[17]。這個(gè)操作對(duì)人眼視力和判斷力要求較高。目前，關(guān)于玻璃量器自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究報(bào)道絕大多數(shù)是與數(shù)據(jù)處理有關(guān)，而有機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用研究較少。由于玻璃量器讀數(shù)需要平視、示值需要估讀而容易引入粗大誤差，這些是機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用時(shí)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，其中如何實(shí)現(xiàn)攝像頭自動(dòng)平視玻璃量器標(biāo)線(xiàn)是首要解決的問(wèn)題之一。

2 建立模型

使用攝像頭代替人眼觀察并判斷液面是否達(dá)到與標(biāo)線(xiàn)相切的位置，其關(guān)鍵是攝像頭應(yīng)“平視”標(biāo)線(xiàn)，即攝像頭與標(biāo)線(xiàn)在同一水平面上。然而，不同規(guī)格的玻璃量器的標(biāo)線(xiàn)所在位置是不同的，需要控制攝像頭從當(dāng)前位置移動(dòng)到平視位置，這就需要首先獲取平視位置。

攝像頭成像模型如圖1所示，當(dāng)攝像頭與標(biāo)線(xiàn)AB不在一個(gè)水平面上(即不在平視位置)時(shí)，“看”到的標(biāo)線(xiàn)呈開(kāi)口的裂縫狀。顯而易見(jiàn)，攝像頭越接近平視位置，像面上的標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口就越?。贿_(dá)到平視位置時(shí)，開(kāi)口作閉合狀，標(biāo)線(xiàn)在像面上為一條水平線(xiàn)段。因此，可以使用標(biāo)線(xiàn)成像的開(kāi)口大小的變化來(lái)判斷攝像頭距離平視位置的大小，并以其變化量來(lái)預(yù)測(cè)平視位置。

圖1 攝像頭成像模型

根據(jù)圖1中幾何關(guān)系，不難得到標(biāo)線(xiàn)成像開(kāi)口大小的算式：

(1)

式中：B′A′是標(biāo)線(xiàn)成像開(kāi)口大?。籛、P分別是物距和像距；D是標(biāo)線(xiàn)直徑；Δh是攝像頭距離標(biāo)線(xiàn)的垂直距離。

由式(1)可知，標(biāo)線(xiàn)成像開(kāi)口大小與Δh成正比，即

B′A′∝Δh

(2)

為了預(yù)測(cè)平視位置，需要計(jì)算標(biāo)線(xiàn)成像開(kāi)口的變化量，若將攝像頭的位移等效為標(biāo)線(xiàn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則標(biāo)線(xiàn)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與在圖像坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與圖像坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

圖2中縱坐標(biāo)Y、y表示標(biāo)線(xiàn)所處的位置，這里取BA、B′A′的中點(diǎn)位置。當(dāng)標(biāo)線(xiàn)從Y1運(yùn)動(dòng)到Y(jié)2時(shí)，對(duì)應(yīng)圖像上的坐標(biāo)則從y1變化到y(tǒng)2。根據(jù)圖中幾何關(guān)系，可以得到下面關(guān)系式：

(3)

式中：Y0、Y1、Y2和y0、y1、y2分別是標(biāo)線(xiàn)在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系的位置，其中下標(biāo)0表示平視位置。

若用攝像頭在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的高度來(lái)表示，則變換為

(4)

令d1、d2表示位置1和2處標(biāo)線(xiàn)成像開(kāi)口的大小，根據(jù)上文所知成像開(kāi)口大小d與Δh成正比，故有：

(5)

根據(jù)式(4)，將式(5)改寫(xiě)為

(6)

根據(jù)式(6)，可以計(jì)算得到圖像坐標(biāo)系里的平視位置y0：

(7)

根據(jù)式(4)和式(7)，可以計(jì)算得到運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系里的平視位置H0：

(8)

3 程序設(shè)計(jì)

在Lab VIEW平臺(tái)上使用VISON模塊開(kāi)發(fā)了攝像頭自動(dòng)平視容量瓶標(biāo)線(xiàn)程序，程序流程框圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)平視標(biāo)線(xiàn)算法流程框圖

程序執(zhí)行時(shí)，首先攝像頭在高度為H1處采集圖像，分析圖像得到標(biāo)線(xiàn)成像開(kāi)口大小d1和標(biāo)線(xiàn)幾何中心像素坐標(biāo)y1，然后移動(dòng)攝像頭至高度H2，同樣得到d2和y2。根據(jù)式(7)和式(8)，計(jì)算攝像頭平視位置的高度H0，作為新的目標(biāo)高度Hi=H0(i=3,4,…)。移動(dòng)攝像頭至目標(biāo)高度Hi，再次采集圖像，分析得到di。判斷di是否小于等于閾值δ?！笆恰睘檫_(dá)到平視位置，程序退出?！胺瘛眲t繼續(xù)判斷di是否小于等于di-1。當(dāng)di小于等于di-1時(shí)，設(shè)定新的目標(biāo)高度為Hi+1=+sgn(Hi-Hi-1)·S，S為移動(dòng)步長(zhǎng)，即繼續(xù)沿Hi-1→Hi的方向增加一個(gè)步長(zhǎng)。當(dāng)di大于di-1時(shí)，設(shè)定新的目標(biāo)高度為Hi+1=-sgn(Hi-Hi-1)·S，即反方向移動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)。這里sgn(*)表示取*值的符號(hào)。于是，攝像頭再次移動(dòng)到新的目標(biāo)高度，重新采集圖像進(jìn)行分析和判斷，如此重復(fù)直到程序退出。

4 實(shí)驗(yàn)研究

作者研制開(kāi)發(fā)了一套容量瓶機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括攝像頭、升降機(jī)構(gòu)、拍攝場(chǎng)景等硬件和圖像處理軟件。容量瓶放在拍攝場(chǎng)景內(nèi)，攝像頭安裝在升降機(jī)構(gòu)上，在容量瓶正前方。該視覺(jué)系統(tǒng)使用至少2個(gè)像素識(shí)別最小特征——示值標(biāo)線(xiàn)，結(jié)合物距、像距和視場(chǎng)大小等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，圖像大小為800×600像素。圖像處理軟件的前面板如圖4所示，包括視頻窗口和多個(gè)輸入輸出數(shù)值控件，其中右側(cè)3列數(shù)組分別記錄了每次采集圖像后分析得到的標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口大小(mark differ)、圖像坐標(biāo)系中標(biāo)線(xiàn)位置(mark average)、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系里攝像頭高度(array h_cam)。保持視覺(jué)系統(tǒng)在相同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)攝像頭都從相同的高度開(kāi)始采集圖像，當(dāng)采集到的圖像中標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口尺寸≤3像素時(shí)可認(rèn)為攝像頭達(dá)到平視高度。這里選用了3個(gè)像素而不是2個(gè)像素作為平視的判定標(biāo)準(zhǔn)，其誤差是人眼難以察覺(jué)的，卻能帶來(lái)工作效率的提升。

圖4 容量瓶機(jī)器視覺(jué)軟件前面板

圖5為標(biāo)線(xiàn)高度與攝像頭高度的預(yù)測(cè)值。圖6和圖7分別是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口大小變化和攝像頭高度變化的趨勢(shì)圖。

圖5 標(biāo)線(xiàn)高度與攝像頭高度的預(yù)測(cè)值

圖6 標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口大小的變化趨勢(shì)

圖7 攝像頭高度的變化趨勢(shì)

圖6和圖7的實(shí)驗(yàn)編號(hào)為No.1～No.7, 其橫坐標(biāo)是圖像采樣時(shí)序，攝像頭每到達(dá)新的高度都會(huì)重新采樣。由于攝像頭的初始高度和初始步長(zhǎng)不變，所以每次實(shí)驗(yàn)采集的第1個(gè)圖像和第2個(gè)圖像都應(yīng)該是相同的，那么理論上根據(jù)同樣的圖像進(jìn)行分析和計(jì)算的結(jié)果也應(yīng)該相等。然而，由圖5看出，理論計(jì)算的結(jié)果并不完全相同，說(shuō)明圖像在處理分析——標(biāo)線(xiàn)邊緣檢測(cè)與特征提取的過(guò)程中產(chǎn)生了偏差，正如圖6采樣時(shí)序2所示標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口大小出現(xiàn)了差異。另外，從圖6的趨勢(shì)可以看出，標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口越小即越接近平視時(shí)，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性越差，實(shí)驗(yàn)No.3和No.4僅需6次采樣便達(dá)到平視，實(shí)驗(yàn)No.2卻經(jīng)歷了11次采樣才達(dá)到平視。這是因?yàn)檫吘墮z測(cè)的誤差相對(duì)平視判定標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)線(xiàn)開(kāi)口尺寸≤3像素)較大，是重復(fù)性實(shí)驗(yàn)不確定性的主要來(lái)源。

由圖7可知，經(jīng)歷了3個(gè)拐點(diǎn)達(dá)到平視的實(shí)驗(yàn)有1個(gè)(No.2)，經(jīng)歷了2個(gè)拐點(diǎn)達(dá)到平視的實(shí)驗(yàn)有2個(gè)(No.5、No.6)，經(jīng)歷1個(gè)拐點(diǎn)即達(dá)到平視的實(shí)驗(yàn)卻有4個(gè)(No.1、No.3、No.4、No.7)，這說(shuō)明本文提出的自動(dòng)平視標(biāo)線(xiàn)算法效率較高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文為實(shí)現(xiàn)攝像頭自動(dòng)平視玻璃量器容量標(biāo)線(xiàn)提供了一種高效的算法。鑒于標(biāo)線(xiàn)提取誤差是影響重復(fù)性的主要不確定因素，為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)選用高清的成像器件，改善場(chǎng)景條件，以及對(duì)圖像進(jìn)行必要的操作和處理(如邊緣增強(qiáng))，以提高標(biāo)線(xiàn)檢測(cè)和分析的精度，提供了重要的措施，有助于增強(qiáng)算法的魯棒性和準(zhǔn)確性。