基于机器视觉技术的石英砣垂直状态测量系统

时间：2024-09-03

邓彬，于洪明，王明昱，李硕

(1.山东省黄河计量研究院，山东济南250100;2.天津市开希机器视觉技术有限公司，天津300190)

0 引言

在生成石英玻璃管的众多工艺里有一种是通过石英母体在石英炉里自然生长来形成的。在高温环境下，为确保石英母体自然生长出的产品能达到各项技术指标，需让石英母体自然垂直，依靠重力作用向下生长，为此，需要检测生长中的石英母体是否处于垂直状态。惯用的检测方法是工作人员需通过人眼观察，但在恶劣的高温环境中，人工视觉容易产生疲劳，而且主观性强，重复性差，难以满足精确测量的要求。机器视觉能在恶劣的环境中代替人眼和大脑完成物体特征参数的测量和判断，克服人工视觉测量效率低、精度不高等缺点，大大提高了企业的生产效率和自动化程度。正是在这种需求下，我们和石英玻璃管生产厂家合作开发了石英母体垂直状态自动检测和控制系统。通过使用这套系统，生产人员可以实时准确地掌握石英母体的生长状态并及时做出调整，使企业大大提高了玻璃管的成品率，并减少了人力投入，降低了生产成本。

1 系统结构原理

石英砣垂直状态自动检测系统原理框图如图1所示。由图1 可以看出，本系统是集光、机、电、算等多种技术为一体的石英母体垂直状态检测、控制系统。检测原理和过程描述为:石英砣生长过程中的图像在均匀面光源的照射下通过光学系统成像到面阵CCD 的靶面［1］上;CCD 输出的图像模拟信号接入图像采集卡进行预处理和A/D 转换变成数字信号［2］，转换完的数字图像通过PCI 接口送入计算机内存，上位机软件实时采集石英母体的图像并进行滤波、图像增强等预处理，最后通过几何计算等算法完成对石英砣垂直状态的检测、测量。根据测量的结果进行报警，以通知生产人员调整石英砣的垂直状态。

2 软硬件组成

图1 石英砣垂直状态检测系统原理框图

本套系统由光源、镜头、相机、采集卡、工控机及测量和控制软件等组成。在硬件选型和设计方面考虑到检测速度及现场的恶劣环境等因素，采集卡最终选用的是PCI 接口型号为OKMC10A 而不是USB 接口;考虑到系统的分辨力和测量精度，面阵相机选择为768×576 分辨力的MINTRON220;光源为LED 面光源，可调节亮度;通过实际运行发现，工业现场的电源由于有电机等电磁干扰，采集的图像噪声非常大，所以在电源供电部分采用一款净化电源来进行过滤和保护;另外为了保证系统运行的稳定性，最终采用了工控机型号为EVOC1621 作为主机;上位机软件考虑到运行效率采用C++语言利用厂家提供的SDK 进行图像采集，自己编写图像采集算法如滤波、二值化处理［3］等。

3 系统方案

3.1 初步判断是否倾斜

系统运行时先对石英母体垂直状态进行初步的判断以确定其是否垂直，如果垂直再进行精确的测量。在程序运行前，需要对本系统的各部分硬件进行正确的安装，以保证采集图像的质量，方便对后续的图像进行处理和分析。因此，系统设计为将摄像头1 和2 安装在同一水平面内，并相互成直角排列，在离石英母体几何中心的等距处安装，这样的设计可以保证在水平和垂直两个方向上都能检测到石英母体的垂直状态。在正式测量之前需要调节相机的参数使采集图像的背景色彩与待检测的石英母体相差较大，以提高检测的精度。图2 给出了石英母体垂直判断的流程图。

图2 石英母体垂直判断流程图

从程序流程图2 可以看出，程序运行时，首先对同一时刻从摄像头1 和2 中采集到的石英母体图像进行背景去除、噪音消除和边界点特征提取［4］，然后判断每幅图像中的石英母体的两条边界线是否垂直。具体算法为根据阈值进行边界提取得到上下两个红色“十”字的符号，分别代表找到的上下边界像素位置N1和N2，如果两个像素位置的差值在设定的范围之外就确定该石英母体在某一垂直面上不垂直否则就垂直。当判断出两幅图像中的石英母体均处于垂直状态时，即认定此刻石英母体处于垂直状态，否则为非垂直状态。在非垂直状态下还需要精确计算石英母体的倾斜角度，根据三角公式tanα=|(N1-N2)| /576，即可得出倾斜的角度，其中576 代表相机垂直方向的像素个数。

图3 为相机调节控制软件界面，测量前需要将相机的串口和计算机的串口相连，通过该软件调节图像的翻转、图像的色彩(原色/反色)、镜头的焦距等参数，使采集的图像清晰、对比度［5］强烈，为后续的图像处理提供质量良好的视频源，这样可以提高测量精度，减少误差。

图3 相机调节控制软件界面

图4 为倾斜测量软件界面，界面由左右两部分组成。左部分为采集的石英砣的图像，分别采集并显示左右和前后两个方向的图像;右部分为图像采集、算法参数设置和结果输出报警等功能。通过软件可以控制采集图像和保存当前的图像到计算机硬盘;可以设置左右和前后铅垂线的位置以控制倾斜角度的允许范围;可以设置是否进行背景去除以及设置中值滤波的参数、是否进行计算边界线和设置误差范围等;在软件界面的右下部分实时显示石英砣的垂直状态。

图4 倾斜测量软件界面

3.2 石英母体位置精确测量

3.2.1 石英母体倾斜角测量

在判断出石英母体存在倾斜后，可以利用公式tanα=|(N1-N2)| /576 计算出每幅图像上石英母体两条边界线的倾斜角度，工作人员便可直观地观测出石英母体的倾斜程度。

3.2.2 石英母体几何中心测量

对同一时刻采集到的两幅图像上的石英母体分别做边界线分析，将每幅图像中的左右两条边界线分别求中心线，该中心线的中心即为该幅图像上的石英母体的几何中心。使用程序测量之前，需对系统进行标定，确定每幅图像上的石英母体的中心位置和放大倍率。通过连续对图像上石英母体几何中心的测量、比较，可精确判断出石英母体在生长过程中产生的垂直平移量。当该垂直平移量超过允许范围时，即发出警报信号通知操作人员。操作人员可通过观察同一时刻两幅图像上石英母体的垂直偏移量来手动调整石英母体的位置，直到满足要求为止。设计程序时，在图2 “石英母体垂直判断流程图”中增加了如图5所示的算法流程。

3.3 石英母体几何中心自动调整

3.3.1 人工手动调整中心

图5 石英母体位置测量算法流程图

在精确计算出每幅图像上石英母体的几何中心后，如果该几何中心超出许可范围时，操作人员需手动进行调整，这种手动调整方法非常不方便。为此，我们设计了一套机械运动机构，操纵石英母体在两幅图像所示的垂直面中做相应的水平运动，直到石英母体的几何中心位置达到要求为止。

3.3.2 石英母体机架位置自动调整

在进行石英母体生长之前，必须保证悬挂石英母体的机架中心和砣中心在垂直方向上相一致。为此，每个月在更换悬挂机架后，必须对其进行调整。首先，在垂直方向上调整机架，保证机架完全垂直;再将摄像头3 垂直悬挂在机架末端，使其视野中心和机架中心相一致，机架与相机安装示意图如图6所示;最后，在水平方向上调整悬挂机架，使摄像头采集到的图像的砣中心和摄像头视野中心相一致，如图7 机架调整示意图所示。

图6 机架与相机安装示意图

图7 机架调整示意图

图8 为通过机架从石英砣顶端采集的图像，图中两条黑色的竖线为设置的石英砣左右两个铅垂线，通过这两条线可以计算出石英砣水平方向的中心，水平的黄线为一条激光线用以标志石英砣的垂直中线。调整机架过程中这些线需要动态的改变，用以表示此时石英砣的位置信息。