[word] 玻璃瓶垂直度無(wú)接觸測(cè)量及其誤差分析

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。word 玻璃瓶垂直度無(wú)接觸測(cè)量及其誤差分析word 玻璃瓶垂直度無(wú)接觸測(cè)量及其誤差分析玻璃瓶垂直度無(wú)接觸測(cè)量及其誤差分析第22卷第1期2004年3月廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版)JOURNALOFGUANGXIN0RMALUNIVERSITYVo1.22No.1March2004玻璃瓶垂直度無(wú)接觸測(cè)量及其誤差分析張燦龍,王強(qiáng),文小軍,黃克,呂東明,陳赤,張超英,唐艷平.,劉海燕(1.廣西師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院,廣西桂林541004;2.桂林晶盛玻璃有限責(zé)任公司,廣西桂林5410033.桂林電子工業(yè)學(xué)院

2、教務(wù)處,廣西桂林541004)摘要:對(duì)玻璃瓶垂直度的檢測(cè)是利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法,通過(guò)兩臺(tái)攝像機(jī)從相互垂直的方向同時(shí)獲取玻璃瓶的一幅圖像,采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的雙目視覺(jué)測(cè)量方法,較精確地求出了玻璃瓶垂直度的偏差.文中主要闡述了如何進(jìn)行攝像機(jī)定標(biāo)及玻璃瓶垂直度偏差測(cè)量計(jì)算原理,并在此基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地分析了主要測(cè)量誤差的產(chǎn)生原因及對(duì)檢測(cè)精度的影響.關(guān)鍵詞:垂直度誤差分析;計(jì)算機(jī)視覺(jué)中圖分類(lèi)號(hào):TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10016600(2004)010019-04玻璃瓶垂直度檢測(cè)是玻璃瓶質(zhì)量檢測(cè)的重要方面之一.目前國(guó)內(nèi)玻璃瓶生產(chǎn)廠家大多采用人工檢測(cè)方法,此法受人眼分辨能力和易疲勞等主觀因素

3、的影響,可信度低,穩(wěn)定性差且檢測(cè)速度慢,無(wú)法適應(yīng)大規(guī)模的現(xiàn)代化生產(chǎn).國(guó)外大多采用機(jī)械裝置與玻璃瓶直接接觸的方式進(jìn)行檢測(cè),雖然滿(mǎn)足了在質(zhì)量和速度上的檢測(cè)需求,但存在造價(jià)高和靈活性差等缺點(diǎn)1.隨著計(jì)算機(jī)軟,硬件的發(fā)展和數(shù)字圖像處理理論和方法的日臻完善,利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)的方法進(jìn)行玻璃瓶垂直度自動(dòng)無(wú)接觸檢測(cè)已變得切實(shí)可行.本文在闡述了玻璃瓶垂直度偏差的立體視覺(jué)計(jì)算原理,攝像機(jī)定標(biāo)的基礎(chǔ)上,著重分析了系統(tǒng)各部分誤差的產(chǎn)生原因及其對(duì)檢測(cè)精度的影響.垂直度偏差為玻璃瓶生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的質(zhì)量指標(biāo),垂直度偏差超標(biāo)的玻璃瓶將在飲料灌裝生產(chǎn)線造成嚴(yán)重的不良影響,必須予以剔除.1垂直度計(jì)算原理評(píng)價(jià)一個(gè)玻璃瓶垂直度的好

4、壞,首先要理解垂直度這一概念.把一玻璃瓶放在水平面上,若瓶子的垂直度好,則瓶子從瓶口到瓶底的中軸是豎直的(即中軸線垂直交于水平面).若瓶子的垂直度不好,則瓶子的中軸線不是豎直的(即中軸線斜交于水平面),瓶子的中軸和經(jīng)過(guò)瓶底中心的豎直線形成一定的角度,瓶口中心到經(jīng)過(guò)瓶底中心的豎直線的垂直距離稱(chēng)為玻璃瓶的垂直度偏差(如圖l中的線段OB,簡(jiǎn)稱(chēng)玻璃瓶垂直度).玻璃瓶垂直度檢測(cè)屬于物體外形尺寸檢測(cè)的范疇,故其計(jì)算在很大程度上要基于玻璃瓶的幾何外形.通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)可行性證明,我們提出了一種基于計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)原理的簡(jiǎn)易檢測(cè)方法.用兩臺(tái)攝像機(jī)正對(duì)玻璃瓶從主光軸相互垂直的兩方向各自同時(shí)采集一副圖像(設(shè)為圖像

5、1,圖像2),然后送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.如圖I,在三維坐標(biāo)系中,y軸分別代表兩攝像機(jī)的拍攝方向;原點(diǎn)()代表瓶底中心,點(diǎn)代表瓶口中心,則OA為玻璃瓶的實(shí)際中軸;z軸為過(guò)瓶底中心的標(biāo)準(zhǔn)豎直中軸;點(diǎn)B為點(diǎn)在平面XOY中的投影,則線段OB的長(zhǎng)度即為玻璃瓶的垂直度偏差;從點(diǎn)B分別向x軸和y軸作垂圖1立體視覺(jué)原理線,根據(jù)歐氏幾何原理以及前面垂直度概念的闡述可求得玻璃瓶垂直度的計(jì)算公式:收稿日期:20030910基金項(xiàng)目:廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(桂科基0009004)作者簡(jiǎn)介:張燦龍(1978一),男,湖南婁底人,廣西師范大學(xué)碩士研究生;王強(qiáng)(1952),男,安徽安慶人,廣西師范大學(xué)教授,博士.20

6、廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版)第22卷一0B一瓦面,度量單位是像素,其中線段BC和BD分別為圖像1,2中垂直度,可以采用圖像處理的方法求得.2攝像機(jī)定標(biāo).'本文檢測(cè)系統(tǒng)擬采用兩臺(tái)同規(guī)格的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高分辨率,高清晰度CCD黑白攝像機(jī)和一塊基于PCI總線的黑白圖像采集卡.攝像機(jī)連采集卡的接口,通過(guò)外觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集,輸入信號(hào)模式采用標(biāo)準(zhǔn)的PAL制式,圖像以256級(jí)灰度圖格式存儲(chǔ)在內(nèi)存中.為了處理的方便,需將兩圖像數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ).進(jìn)行拍攝時(shí),由于攝入的灰度圖像大小與實(shí)際物體大小不相同,故為了知道灰度圖像與實(shí)際物體的尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系,就必須先進(jìn)行定標(biāo)工作,測(cè)出每一像素(灰度圖像的每一點(diǎn))

7、對(duì)應(yīng)的實(shí)際長(zhǎng)度.另外,由于是采用兩臺(tái)攝像機(jī)對(duì)同一玻璃瓶進(jìn)行圖像采集,為了保證所拍的兩幅圖像的放大倍數(shù)盡可能地相等,使計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,故也必須進(jìn)行定標(biāo)工作.定標(biāo)方法:先精確測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)玻璃瓶瓶口中心到瓶底中心的距離(單位:mm),然后攝取該玻璃瓶的灰度圖,經(jīng)圖像處理得出灰度圖瓶口中心到瓶底中心的像素?cái)?shù),再由計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的尺寸關(guān)系(單位:ram/像素).標(biāo)定兩攝像機(jī)位置的方法如下:第一步,在白凈的背景板上作兩個(gè)固定點(diǎn)(過(guò)這兩點(diǎn)的直線垂直于瓶底所在平面);第二步,將兩攝像機(jī)拍攝方向固定且互成9o.地置于儀器架桿上;第三步,沿光路移動(dòng)攝像機(jī)1攝像,使兩固定點(diǎn)成像大小適中,同時(shí)調(diào)節(jié)攝像頭使成像清晰,

8、固定該攝像機(jī)并用圖像處理的方法由兩像點(diǎn)之間的距離M計(jì)算出此時(shí)攝像機(jī)兩相鄰像素間距離與被測(cè)物體長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系(定標(biāo));第四步,用同樣的方法對(duì)攝像機(jī)2定標(biāo),使之與攝像機(jī)1標(biāo)度相同.3玻璃瓶垂直度偏差計(jì)算對(duì)采集到的圖像進(jìn)行一系列處理后得到其輪廓圖(如圖2),以輪廓為基礎(chǔ)求出瓶口中心(,Y11)和圖2玻璃瓶輪廓4測(cè)量誤差分析瓶底中心(Y),若每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的玻璃瓶實(shí)際長(zhǎng)度為,則圖像1的垂直度為:dlBC=lYllYl2l,(2)同理求得圖像2的垂直度為(設(shè)其瓶口中心為(,Y),瓶底中心為(22,Y2):d2一BD=ly2l22l,(3)則代(2),(3)式入(1)式得玻璃瓶的總垂直度為:d:OB:A(l

9、ll2).+(2l22).(4)4.1角度誤差計(jì)算由于兩拍攝方向很難嚴(yán)格地相互垂直,也就是說(shuō)它們之間存在角度偏差,如圖3所示,理想情況下兩攝像機(jī)分別位于A,B兩點(diǎn),此時(shí)它們的主光軸相互垂直,所得的玻璃瓶垂直度如下式:一:/L2sin20+L%os20一L,(5)實(shí)際情況下,總存在的角度偏差(如圖3所示),此時(shí)攝像機(jī)1的位置從A點(diǎn)偏離到C點(diǎn),玻璃瓶垂直度如下:d一一-,flssin2(0-/',0)+cos20,(6)第1期張燦龍等:玻璃瓶垂直度無(wú)接觸測(cè)量及其誤差分析21因此由角度偏差引起的垂直度誤差如下:Ad=ld-dll(1一/sin2(0-A0)+cosZ0)LI,在只考慮角度偏差

10、的情況下(此時(shí)兩攝像機(jī)物距相等)一兀/4,(7)式可簡(jiǎn)化為:l1一萬(wàn)麗lLl1一/1-sin(2A0)/2lL,擬定一志兀志兀,則(8)式關(guān)系曲線如圖4,從曲線圖可知00.026L.oF圖3角度誤差(7)(8)圖4誤差曲線4.2解析度的影響由于本檢測(cè)系統(tǒng)所用圖像采集卡及攝像機(jī)的解析度為768×576,且PC機(jī)的顯示屏為4:3模式,而玻璃瓶為細(xì)長(zhǎng)形物體,為了使BMP圖像充滿(mǎn)整個(gè)視場(chǎng),從而達(dá)到充分利用圖像信息和解析度的目的,在實(shí)檢中擬把位圖水平放置(如圖2),故只要考慮垂直方向的解析度誤差,由解析度可知垂直方向的精密度為3Y=O.043.設(shè)BMP圖像的尺寸為760×260,在瓶

11、口的上,下邊緣各取n/2(n為偶數(shù),且yn-1和的橫坐標(biāo)相等,如圖2),則瓶口中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)為:11一(+=)/2一(hl+)/2一n/2/2.上式中一.其標(biāo)準(zhǔn)誤差嘲一(-Yxx)z/(號(hào)一1).同理在瓶底的上,下邊緣各取/2,則m/2_瓶底中心的縱坐標(biāo)為z一k=l/m/2,標(biāo)準(zhǔn)誤差z一(hk-yx2)/(詈一1),它們之間的偏差L一lY11一Y12I.設(shè)另一圖像的瓶口中心(取個(gè)邊緣點(diǎn))和瓶底中心(取個(gè)邊緣點(diǎn))的縱坐標(biāo)分別為.,.,同理可得它們的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為:_Y21=chi-Y21/(號(hào)一J,zz一k=lch-Y22./(詈一),則它們之間的偏差L2=lyz一Yzz1.代入(4)式的垂直度

12、計(jì)算公式,求導(dǎo)可得總的解析度標(biāo)準(zhǔn)誤差為:13(Y11-虧Y12)2-(虧2×一(ll12)+(21一22)(Yll-Y12)('Yll-3Y12=)=+=(=Y=2=1=-=Y=二22二)=(=3y21-3y一22):><.(Yll12)+(21一22).(9)代入實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,如取30,取40,A=O.406mm,則相對(duì)誤差為0.69%.以上兩種誤差來(lái)源可分別歸類(lèi)于系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差,前者所產(chǎn)生的相對(duì)誤差為2.6%,在最壞情況下系統(tǒng)總的相對(duì)誤差為3.29%.啤酒瓶垂直度偏差國(guó)標(biāo)為4mm,受以上兩種誤差的影響垂直度偏差為44?132mm的

13、壞瓶被誤判為好瓶的概率為5o%,垂直度偏差為3.8684mm的好瓶被冤判的概率也為5o%?另外還有一些因素導(dǎo)致誤差,如:兩攝像機(jī)到被檢瓶的距離不嚴(yán)格相等而引起的定標(biāo)距離誤差,由光22廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版)第22卷學(xué)鏡頭畸變導(dǎo)致的成像誤差以及灰度量化引起的量化誤差等等,考慮到這些誤差對(duì)檢測(cè)精度影響不大,所以忽略其討論.我們確定垂直度偏差小于或等于3.8mm為合格標(biāo)準(zhǔn).5結(jié)論表1是對(duì)一些典型玻璃瓶分別用本文方法和手工方法進(jìn)行測(cè)量所得結(jié)果的對(duì)比情況,從表1中可以表1玻璃瓶垂直度的軟件測(cè)量與手工測(cè)量對(duì)照表看出相對(duì)誤差介于6.19/67.7%之間,該值很小,說(shuō)明本文所提出的檢測(cè)方法是合理的,可行的,

14、而且又克服了國(guó)內(nèi)人工檢測(cè)效率低,精確度差等缺點(diǎn),彌補(bǔ)了國(guó)外檢測(cè)機(jī)造價(jià)高,靈活性差等不足,對(duì)我國(guó)玻璃瓶檢測(cè)技術(shù)的提高和發(fā)展做出了比較成功的嘗試.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),本文提出的測(cè)量方法穩(wěn)定,可信度高,抗干擾能力強(qiáng).值得注意的是,進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)前必須先對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行精確定標(biāo),這一步直接影響到系統(tǒng)的檢測(cè)精度.為了進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和加速該產(chǎn)品的市場(chǎng)化,我們正研究如何在DSP上實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng).參考文獻(xiàn):1陳元琰,姜穎軍,王強(qiáng).玻璃瓶I=1裂紋檢測(cè)的簡(jiǎn)易判斷法J.廣西師范大學(xué)(自然科學(xué)版),2001,19(3):192O.2王強(qiáng),胡建平,胡凱,等.玻璃瓶罐分類(lèi)標(biāo)記的智能化識(shí)別J.計(jì)算機(jī)工程,2000,26(4):9

15、1O.L3EmanueleTrucco,AlessandroVerri.Introductorytechniquesfor3-DcomputervisionM.NewJersey:PrenticeHall,l998.37.4-1TsaiRY.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhighaccuracy3DmachinevisionmetrologyusingofftheshelfTVcameraandlensesJ.IEEEJournalofRoboticsAutomation,1987,3(4):323334.5MINLequan,JIANZhiga

16、ng,WANGJingtao.NewtemplatesCNNforprocessinggrayscaleimagewithdisturbedconvexobjeetsJ.JournalofGuangxiNormalUniversity,2002,20(1):5659.6陳元琰,姜穎軍.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)玻璃瓶裂紋在線檢測(cè)系統(tǒng)J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2001,21(11):192O.7傅思鏡,鐘偉彬,梁麗貞.光纖線徑無(wú)接觸測(cè)量及其計(jì)算機(jī)圖像處理方法J.中山大學(xué)(自然科學(xué)版),2000,39(2):2427.8張會(huì)云.等精度測(cè)量中最佳值及標(biāo)準(zhǔn)誤差的理論研究J.陜西工學(xué)院,2002,18(2):7O一72.TH

17、EVERTICALITYOFGLASSBOTTLENONCONTACTMEASUREMENTANDITSERRORANALYSISZHANGCanlong,WANGQiang,WENXiaojun.HUANGKe.LVDongming,CHENChi,ZHANGChaoying.TANGYanping.LIUHaiyan(1?CollegeofPhysicsandInformationTechnology,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China;2.GuilinJingshengGlassCo.Ltd,Guilin541003,China;3.Dean'SOffice,GuiliuUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:AftercapturingtwoimagesofglassbottlewithtWOcamerasfromtheverticaldirections.theverticalityofglassbottleis.measuredaccuratelybycomputerstereovisio