趙曉麗

（山東工藝美術學院，山東 濟南 250300）

在生產(chǎn)生活中，人們用到的很多產(chǎn)品都需要測量液體厚度的均勻性，本研究主要是為了采集圖像數(shù)據(jù)，并選取恰當?shù)能浖M行數(shù)據(jù)處理分析。如在醫(yī)用手套的生產(chǎn)過程中，必須對手套澆筑后未冷卻的液體進行實時厚度的檢測，以保證澆筑后的產(chǎn)品質(zhì)量[1]。以往對這種醫(yī)用手套的質(zhì)量檢測大多采用澆筑后人工抽檢的方式進行，效率低、漏檢率高、不合格率高。本研究提出一種檢測方法，應用線性電荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）對透明液體厚度的均勻性進行檢測。該方法可以間接檢測醫(yī)用手套的質(zhì)量，借助傳感器采集數(shù)據(jù)，再進行科學的數(shù)據(jù)分析，將分析結果傳入顯示屏，方便工作人員發(fā)現(xiàn)不合格品，達到高效率、高準確性的測量目的。

具體方法是在透明液體厚度測量實驗中，通過線性CCD采集透明液體折射后的光柵圖像，用Arduino編程采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至上位機顯示，通過Matlab編程顯示圖像中需要的信息，可以通過顯示屏直接將不合格的數(shù)據(jù)傳送給工作人員，以便工作人員采取實時補救措施。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該透明液體厚度均勻性測量系統(tǒng)主要由光柵、線性光電傳感器模塊TLS1401CCD、Arduino UNO和計算機等部分組成，如圖1所示。通過光源補光燈對光柵打光，經(jīng)線性CCD采集后，通過二值化處理，形成黑白條紋。由于光柵的直線都是平行直線，經(jīng)過線性CCD采集的黑色條紋之間的距離也應該是相同的。光柵經(jīng)透明液體折射后會形成另一組直線束。由于透明液體的厚度會直接影響折射后直線的位置，可以通過檢測折射后的直線束是否平行判斷液體的厚度是否均勻。實驗是否可行可以先通過驗證光柵直線束是否平行判定，經(jīng)實驗驗證，該思路可行。

圖1 實驗系統(tǒng)

光柵有兩種：透射光柵和反射光柵，區(qū)別主要是光柵透射光的原理不同。光柵是由大量等寬等間距狹縫構成的光學器件，常用的光柵是在玻璃板片上雕刻出大量平行刻痕制成的，兩平行刻痕之間可以透光[2]，但是刻痕為不透光結構。在精制的光柵上排列的刻痕很多，幾千條甚至上萬條都能在1 cm寬度內(nèi)刻出來。光柵這種技術在傳統(tǒng)印刷的基礎上加入了數(shù)碼科技的優(yōu)點，在為光柵特別制備的膠片上，通過一些關鍵操作，就可以在膠片上顯示各式各樣的特殊效果。

CCD傳感器的作用是將光與電互相轉(zhuǎn)換，是一種新型裝置；光產(chǎn)生信號電荷之后，可以通過CCD傳感器存儲，功能非常強大；將特定時序的脈沖信號施加到CCD傳感器上，CCD傳感器存儲的信號電荷便可在內(nèi)部定向傳輸，進而實現(xiàn)CCD傳感器自我掃描，主要由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成[3]，具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲和延時等功能。CCD傳感器的高集成度、低功耗特點非常明顯，在攝像領域能發(fā)揮價值。另外，信號處理和存儲的功能、圖像傳感器的應用也得到了越來越多人的關注[4]。CCD包括線陣和面陣，區(qū)別在于將CCD像素排成平面還是直線的元件。如果排成1個平面的元件，則稱為面陣；如果排成1個直線的元件，則稱為線陣。

Arduino是包含硬件和軟件的平臺，可供研發(fā)人員選用其提供的程序，也可供研發(fā)人員自行修改代碼或自行封裝命令，是開源電子原型平臺。其開發(fā)環(huán)境是在Processing/Wiring的基礎上開發(fā)，參照了Java、C語言。Arduino電路板的各種型號成為其硬件，硬件部分的作用是與電路相連。計算機中的程序開發(fā)環(huán)境（即Arduino IDE）就是該平臺的軟件。研發(fā)人員首先要在軟件Arduino IDE中，按照標準編寫程序代碼，Arduino電路板接收到編寫好的程序，即可作出下一步反應。外部環(huán)境信息能通過傳感器上傳給Arduino，然后Arduino通過控制馬達、燈光等其他裝置，反饋、影響外部的環(huán)境。Arduino的特點主要有：（1）Arduino IDE可以適應各種計算機系統(tǒng)，具有跨平臺的特點。（2）Arduino語言的靈活度高。（3）Arduino是開源電子原型平臺，在協(xié)議范圍內(nèi)能隨意改寫代碼。（4）作為一個優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺，發(fā)展迅速。

Matlab在本質(zhì)上是一款數(shù)學軟件，也被稱為矩陣工廠（矩陣實驗室）。在復雜繁多的數(shù)值分析計算面前，Matlab的優(yōu)勢逐漸顯露。集多功能于一體的Matlab軟件能將人們的科學實驗進行多次在線數(shù)據(jù)仿真，進而分析數(shù)據(jù)的可信度及預測數(shù)據(jù)的走勢，同時達到節(jié)約實驗成本的目的。Matlab主要為數(shù)值分析、矩陣計算提供更快、更精準的計算平臺，使科學數(shù)據(jù)可視化、更直觀地展現(xiàn)在人們面前；非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真、交互式程序設計功能給科研人員提供了易操作的計算環(huán)境。Matlab為科學研究、工程設計等需要進行大量數(shù)值計算的科學領域提供了完美的解決方案。Matlab與傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式不同，優(yōu)點主要表現(xiàn)在：（1）數(shù)值計算效率高、準確度高，減輕了研發(fā)人員的工作負擔。（2）圖形處理功能強大，可實現(xiàn)計算機編程過程及結果的可視化，降低了用戶學習難度，輸出更加形象。（3）自然化語言接近數(shù)學表達式，用戶界面簡單易學，對新手而言容易接受。（4）應用工具箱功能強大，工具可滿足用戶進行各種仿真的需求。

該方法對透明液體厚度均勻性的測量主要通過CCD傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，再通過編程的方式將采集的圖片數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進行數(shù)據(jù)分析，從分析結果中即可了解透明液體厚度的均勻性。

1.1 算法實現(xiàn)圖像采集

圖像數(shù)據(jù)采集工作首先應用Arduino板編程，將程序調(diào)試好后，搭建實驗臺，通過手動對CCD調(diào)焦，在上位機獲得清晰的黑邊條紋后，即可得到相應的數(shù)據(jù)圖片，開始實驗。

通過選用合適的LED補光燈對CCD補光，能夠有效減少頻閃的現(xiàn)象。將搭建好的試驗臺調(diào)試之后，將下位機Arduino的程序錄入即可開始對數(shù)據(jù)進行采集[5]。利用上位機顯示的圖像選擇合適的二值化閾值，如圖2所示，對光柵進行驗證。實驗證明，平行直線經(jīng)CCD處理后，二值化的黑色條紋之間的距離也相等，即直線束相互平行。

圖2 CCD在無透明液體時的圖像顯示

在光柵上涂需要測試的透明液體，本實驗選擇膠水演示透明液體。一方面，膠水有一定的表面張力，不會像水一樣到處流動，影響實驗的準確性；另一方面，膠水有較強的透光能力，能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，而且沒有腐蝕性，不會對光柵有影響，進而影響實驗的結論。對不同部位的透明液體厚度進行CCD測量，通過觀察二值化圖（圖3），初步了解透明液體厚度不均勻的位置[6]。如圖3所示，選取3個不同的位置，分別為光標在0.206、0.260、5.000處，設置好二值化的閾值，即可得到3個位置的波形圖、灰度圖和二值化圖。從波形圖、灰度圖和二值化圖中可知這3個位置上的液體均勻度情況。

圖3 不同部位透明液體CCD圖像

1.2 算法實現(xiàn)圖像處理

按以上步驟得到圖像數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)包保存，導入Matlab軟件，進行分析處理，分析黑色條紋之間的距離；編寫程序識別條紋間的距離，用Matlab軟件計算出經(jīng)透明液體折射后的直線束間的距離，根據(jù)Matlab軟件的可視化結果輸出判斷異常部位，計算出液體的均勻性[7]。

將數(shù)據(jù)導入Matlab軟件中，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成圖像顯示在圖表中，如圖4所示。根據(jù)處理后的圖像可知，數(shù)據(jù)的兩邊存在異常。

圖4 數(shù)據(jù)包經(jīng)Matlab處理后的圖像

將數(shù)據(jù)包進一步處理，用柱狀圖顯示有液體時和無液體時直線間的距離，從中能夠直觀地看出異常點的位置和距離，如圖5所示。從圖片處理結果可知，第1、第2、第4、第11、第12光柵是存在異常點的位置，其中，第4光柵有液體和無液體時差距較大。

圖5 有液體和無液體時的距離對比

經(jīng)分析可知，CCD采集的是13根直線組成的直線束，由于光柵受溫度和其他因素的影響，發(fā)生了一定量的翹邊，兩邊的數(shù)據(jù)會有一定的異常，將邊緣的數(shù)據(jù)舍棄，繼續(xù)用Matlab進行定量分析。

用Matlab進一步定位異常距離的像素點坐標，計算出透明液體的均勻度。部分編程顯示如圖6所示。經(jīng)過Matlab軟件分析可知，第32和36像素之間不均勻，第36和40像素之間不均勻，第80和84像素之間不均勻，第84和88像素之間不均勻。通過數(shù)據(jù)分析，最后的結果是被測液體的厚度均勻性為69.230 8%。

圖6 編程計算透明液體厚度均勻性

2 結語

利用線性CCD對透明液體進行厚度均勻性的測量，通過編程分析數(shù)據(jù)，從而提取出圖像中所需要的透明液體厚度信息，檢測醫(yī)用手套上的液體厚度是否符合標準。該方法完全滿足實驗的要求，能實現(xiàn)高效率、高準確的檢測目的。實驗證明，該系統(tǒng)可以有效檢測透明液體厚度的均勻性，具有很好的環(huán)境適應性和廣闊的應用前景。