（机械电子工程专业论文）偏心灌口视觉识别与灌口位置控制研究.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 视觉技术是近几十年来发展的一门新兴技术。机器视觉可以代替人类的视觉 从事检验、目标跟踪、机器人导向等方面的工作，特别是在那些需要重复、迅速 的从图像中获取精确信息的场合。 工业中桶装液体的灌装非常普遍。随着国民经济的发展，要求对液体灌装的 工作越来越多，对精度和自动化程度的要求也越来越高。体现之一就是当容器的 加注口为偏心口时，全自动灌装技术的应用就会受到严重制约。本文在深入调查 国内外现状的基础上，进一步完善了基于机器视觉技术的偏心桶口自定位系统。 本文分析了摄像机标定的原理、方法及分类，并结合实际应用情况，以传统 标定方法为基础，采用了一种简单、快速的摄像机标定与修正方法，直接获得了 较高精度的像素当量，并给出详细的实验数据及标定误差校验。针对在环境较复 杂，干扰因素较多的条件下，图像的灰度分布会有很大干扰的情况，本文采用了 图像分割变换的改进方法，先进行图像分割，再对每一个分割区域应用最优阈值 变换，实验结果证明应用最优阈值变换能取得较好的分割效果。结合本课题应用 背景，设计了一组实用的图像处理方法即首先采用中值滤波对图像进行降噪，为 下一步的工作提供精度保证：其次采用了基于图像数据压缩技术的模板匹配算 法，提高了运算速度，缩短了系统的反映时间，并在模板匹配的基础上采用基于 统计原理的最小二乘圆检测法，以边缘跟踪确定圆边缘点位置，以最小二乘法估 计圆心和半径，提高了检测精度。最后经过计算得到偏心桶口的圆心坐标信息。 在w i n d o w s2 0 0 0 下采用v i s u mc + + 6 0 编写了控制程序。图像处理系统输出的 控制指令通过计算机的并行打印口输出，经步进电机驱动电路控制步进电机按照 直线插补方式运动到指定位置。 实验证明，本文所开发的系统运行稳定、算法高效、定位精确。 【关键词】机器视觉，摄像机标定，中值滤波，模板匹配，最小二乘法，加注 口，步进电机 长春工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a c h i n ev i s i o ni st h en e wt e c h n o l o g yw h i c hh a sd e v e l o p e df o rs e v e r a ld e c a d e s i t c a nc a r r yt h r o u g hi n s p e c t i o n 、t a r g e tt r a c k i n g 、r o b o tg u i d i n gi n s t e a do f h n m a nv i s i o n e s p e c i a l l yt h es i t u a t i o n ，w en e e dt og e ta c c u r a t ei n f o r m a t i o nf i o mp i c t u r e sr e p e a t e d l y a n dr a p i d l y 1 ti st h eu n i v e r s a lp h e n o m e n o nt h a ti r r i g a t i o no fb a r r e l e dl i q u i di nt h ei n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ce c o n o m y , r e q u e s t sf o rw o r k so fl i q u i di r r i g a t i o n a r em o r ea n dm o r e ，s od ot h ep r e c i s i o na n dt h ee x t e n to fa n t o m a t i o n f o re x a m p l e ，t h e a p p l i c a t i o no ft h i s k i n do ft e c h n o l o g yi s s e r i o u s l yr e s t r i c t e d i n c a s ew h e nt h e b u n g h o l eo ft h ec i r c u l a rc o n t a i n e ri sa ne c c e n t r i c i t yo n e o nc o n d i t i o no ft h o r o u g h s u r v e ys t a t u si nq u o ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dap r o j e c tn a m e dv i r u l e n tl i q u i d a u t o m a t i ci r r i g a t i o nm a c h i n eb a r r e ls p r e ea u t o m a t i co r i e n t a t i o nm e t h o d ，w h i c hb a s e d o nm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y t h et h e s i se l u c i d a t e sk n o w l e d g er e l a t e dm a c h i n ev i s i o na n di r r i g a t i o nm a c h i n e ， t h e ni n t r o d u c e st h ec o m p o s i n go f t h es o f t w a r e h a r d w a r ef i t t e d t h et h e s i si n t r o d u c e s t h ep r i n c i p l e ，m e t h o d sa n ds o r t so fv i d i c o nc a l i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l c i r c u m s t a n c e so ft h eu n i t ，o nb a s eo fs u m m a r i z i n gt h et r a d i t i o n a lc a l i b r a t i o nm e t h o d ， as i m p l ea n dc l i p p i n ga p p r o a c hi sp r o p o s e df o rv i d l e o nc a l i b r a t i o na n dm o d i f i c a t i o n ， d i r e c t l yo b t a i n sh i g hp r e c i s ep i x e li n f o r m a t i o n ，a n df u r t h e r m o r ee x c e e d se x p e r i m e n t d a u u na n de r r o ri n s p e c t i o no fc a l i b r a t i o n i nt h ee v e n to fc o m p l i c a t e dc o n d i t i o na n d m a n yo ft h ei n t e r v e n t i o n ，t h ei m a g eg r a d a t i o nd i s t r i b u t i o nc o u l dh a v et h ev e r yb i g d i s t u r b a n c e s i t u a t i o n ，t h i sa r t i c l e h a sa d o p t e dt h ei m a g ed i v i s i o nt r a n s f o r m a t i o n i m p r o v e m e n tm e t h o d ，c a r r y i n go nt h ei m a g ed i v i s i o nf i r s t l y , t h e nd i v i d i n gt h er e 百o n a p p l i c a t i o nm o s ts u p e r i o rt h r e s h o l dv a l u et r a n s f o r m a t i o nt oe a c h ，n a m e l ye a c hr e g i o n b yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tu s e dt op r o v eb a s i c a l l yt h ea p p l i c a t i o no fm o s ts u p e r i o r t h r e s h o l dv a l u et r a n s f o r m a t i o nw ec a no b t a i nt h eg o o dd i v i s i o ne f f e c t t h ew a yw h i c h w a sr o o t e do nt h ep r a c t i c a lb a c k g r o u n d ，f i r s t l y , t h et h e s i sa d o p t sm e d i a nf i l t e r i n gt o e l i m i n a t ey a w p s i ta s s u r e st h ep r e c i s i o nf o rt h en e x tw o r k s e c o n d l y , ib r i n gf o r w a r d ap a t t e mm a t c h i n ga l g o r i t h mw h i c hb a s e do nd a t ac o m p r e s s e d ，i tc a nr e s o l v e o p e r a t i o ns p e e ds l o w e rp r o b l e md u e t o h u g ei m a g ed a t u m b a s e do nt e m p l a t e m a t c h i n g ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h el e a s ts q u a r e se s t i m a t o rc i r c l ed e t e c t i o nm e t h o d w h i c hi so nt h eb a s i so fs t a t i s t i c a lt h e o r y i tg e t st h ep o s i t i o nt h r o u g he d g et r a c i n ga n d u s e st h ee d g ep o i n tt oe s t i m a t et h ec e n t e ra n dr a d i u so ft h ec i r c l e t h ed e t e c t i o n p r e c i s i o ni si m p r o v e d f i n a l l y , w ec a l c u l a t et h ec e n t r ec o o r d i n a t ei n f o r m a t i o no f l 长春工业丈学硕士学位论文 e c c e n t r i c i t yb a r r e ls p r e e u n d e rt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s2 0 0 0 ，c o n t r o lp r o g r a m s c o m p i l e db yv i s u a lc + + 6 0 o u t p u tc o n t r o lc o m m a n d sf o ri m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m w a ss e n to u tt h r o u g hl p tt od r i v ec i r c u i tt h e nt h es i g n a lc o u l dc o n t r o ls t e p - m o t o rt o t h eb e f a l l a t ep o s i t i o na c c o r d i n gt ot h el i n ei n t e r p o l a t i o n s t u d ys h o w s ，t h es y s t e mr u n sc r e d i b l y , a l g o r i t h m sa r ee f f i c i e n ta n ds t a b l e i th a s p r e c i s eo f i e n m t i o n k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n , c a l 田e l ac a l i b r a t i o n ，m e d i a nf i l t e r i n g ，t e m p l a t e m a t c h i n g ，l e a s ts q u a r e se s t i m a t o r , s p r u e ，s t e p p e rm o t o r i i 长春工业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 盔 吁 日期：炒7 年；月乃咱 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的提出 将加工后的液态产品按预定量充填到一定容积和形状的容器中，以便于贮 存、运输和使用的产品包装形式称为灌装，充填液体产品的装料机械通常称为灌 装机。液体灌装分为手工灌装和机械灌装两种。因为采用机械化灌装不仅可以提 高劳动生产率，减少产品的损失，保证包装质量，而且可以减少生产环境与被装 物科的相互污染。因此，现代液体灌装生产行业一般都采用机械罐装。 随着包装工业的发展，特别是化工、饮料工业的迅猛发展，我国灌装机械的 需求量也不断增加。伴随人们需求的不断变化，灌装容器的形状和样式也千变万 化。灌装形式的多样化，对灌装机械的自动化、现代化提出了挑战。其中比较棘 手的问题是针对加注口为偏心口的情况，如对汽油、柴油、化工液体等大容积偏 心口容器，全自动灌装技术的应用受到了严重的制约，目前多数企业的灌装机械 对此多采用半自动方式，即人工定位桶口加注。这对于渗透能力较强的剧毒液体 如氰化钠，氢氟酸等的灌装，则成为极为危险的操作工序。机器视觉技术的广泛 应用为解决这一问题带来了曙光。 视觉技术是近几十年来发展的- - i i 新兴技术，其应用范围遍及工业、农业、 军事、国防等多个领域，取得了很大的成绩。机器视觉可以代替人类的视觉从事 检验、目标跟踪、机器人导向等方面的工作，特别是在那些需要重复、迅速的从 图像中获取精确信息的场合。本文研究的偏心桶口自动灌装定位系统就是机器视 觉技术的一个典型应用。 1 2 机器视觉技术研究及应用的国内外现状 以机器模仿人类视觉的光学识别系统，它利用摄影机和电脑来撷取、分析及 解释影像内容，进而下达某些决策。简言之，机器视觉就是用机器代替人眼来做 测量和判断。机器视觉是图像技术、模式识别技术，以及计算机技术发展的新的 产物，是实现智能化、自动化、信息化的先进技术领域。 1 2 1 机器视觉概述 视觉使人类德以感知和理解周边的世界，是人类从大自然中获取知识的最主 要的手段。据统计，在人类获取的信息中，视觉信息约占8 0 ，其它的如听觉信 息、味觉信息、触觉信息等加起来约占2 0 “1 。由此可见视觉信息对人类的重要 性。而图像正是人类获取视觉信息的主要途径。三维的客观世界投影到人类的视 长春工业大学硕士学位论文 网膜上形成二维图像，通过双目的视觉功能从二维的图像中提取出有关三维世界 的信息，这是人类的视觉过程。称机器视觉是指利用计算机和一些辅助设备来实 现人的视觉功能，从而实现对外界事物和客观三维世界的感知曝”。机器视觉是 一门新兴的学科，它的发展得益于神经生理学、心理学与认知科学对动物视觉系 统的研究，机器视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息 的能力。这种能力将不仅使机器能感知三维物体的几何信息，包括它的形状、位 置、姿态、运动等，而且能对他们进行描述、存储、识别与理解。伴随着人类对 视觉认识和计算机技术的快速发展，利用计算机模拟人类的视觉系统成为科学技 术发展的必然趋势。机器视觉已经成为令人感兴趣的前沿研究领域之一。 因为需要用机器视觉这一技术来证明对视觉机理认识的正确与否，而且通过 对人类视觉的模拟，可以帮助人类重新认识人的视觉机理，从而在许多未知问题 上产生重大突破0 1 。在机器视觉系统中，信息的处理和分析可以分为两个阶段： 图像处理阶段( 亦可称为视觉的低水平和中水平阶段) 、图像分析和理解阶段( 又 称高水平处理阶段) 。当人看一幅图像或一处景物时，人的视觉可以得到物体关 于整体和局部细节的信息，机器视觉的主要任务就是凭借一定的理论及算法，运 用计算机技术实现类似于人的视觉功能。 1 2 2 机器视觉的发展及应用 机器视觉始于2 0 世纪5 0 年代，主要工作集中在二维图像分析和识别上， 如光学字符识别、工件表面质量检测、显微图片分析等。6 0 年代，罗伯茨( r o b e r t s ) 通过计算机程序从数字图像中提取出多面体的三维结构，并对物体的空间关系进 行描述m 。 罗伯茨的研究工作开创了以理解三维场景为目的的三维计算机视觉的研究， 他们的研究工作范围从边缘、角点等特征提取，到线条、平面、曲面等几何要素 分析，一直到图像明暗、纹理、运动以及成像几何等，并建立了各种数据结构和 推理规则。而计算机视觉( c o m p u t e rv i s i o n - c v ) 一词最早出现于1 9 7 5 年，p h w i n s t o n 在他所编辑的论文集中给出了c v 最初的定义。2 0 世纪7 0 年代 中后期，电视摄像技术的成熟与计算机技术的发展为研究机器视觉提供了先进的 技术手段，在这一时期，英国的m a r r 教授在美国麻省理工学院的人工智能实验 室创建了计算机视觉研究小组，从事视觉理论方面的研究，逐步形成视觉计算理 论”。机器视觉最初将二维视觉图像作为研究对象，这也是对人类视觉系统模拟 研究的开始旧。7 0 年代，d l a r r 教授在麻省理工学院( m i t ) a i 实验室领导一 个以博士生为主体的研究小组从事视觉理论方面的研究工作，逐步形成了关于视 觉的计算理论。 ( 1 ) 传统的通用视觉模型 2 长春工业大学硕士学位论文 传统的通用视觉模型是以l a r r 视觉理论为框架的。m a r r 理论认为视觉任务 是由2 d 图象恢复3 d 场景，尤其在视觉处理早期，基本不针对具体问题，为保证通 用性而采用一些简单的假设和基本的约束。m a r r 框架对视觉处理是静态的，它 对信息处理是一种单向串行的自低向上的3 级加工过程，前一级处理结果的好坏 直接影响后一级处理，而高层信息不对低层反馈。没有高层次的知识参与即可形 成要素图和2 5 d 图，知识和经验只作用于从2 5 d 到3 d 的过渡，这使其缺乏灵活 性和自适应性。 ( 2 ) 主动视觉模型 与传统的通用视觉不同，主动视觉强调两点：一是认为视觉系统应具有主动 感知的能力，二是认为视觉系统应基于一定的任务( t a s k d i r e c t e d ) 或目的 ( p u r p o s i v e d i r e c t e d ) 。生物视觉系统的研究成果表明，感知不仅是对外界刺激的 被动反映，而更应是有目的有选择地主动搜索感兴趣信息的过程。主动视觉认为 在视觉信息获取过程中，应更主动地调整摄像机的参数如方向、焦距、孔径等并 能使摄像机迅速对准感兴趣的物体。目前，主动视觉研究中极具吸引力的研究领 域有以下几个方面：选择注意( s e l e c t i v e a t t e n t i o n ) 机制及空间交化 ( s p a c e v a r i 2 a n t ) 的信号表示与处理；注视控制( g a z e c o n t r 0 1 ) ；学习能力。到了 近年来人们对d m a r r 的理论和三维重建问题产生了疑问，逐渐认识到d m a r r 的理论框架的严重不足”。在解决视觉实际问题的研究过程中，出现了主动视觉 等概念。一些新的视觉理论的提出，从深层次触及了机器视觉的底层根本问题。 2 0 世纪8 0 年代中期，机器视觉得到了蓬勃发展，新概念、新方法、新理论 不断涌现，通用工业机器视觉检测系统开发也日趋成熟。 机器视觉是一个发展十分迅速的研究领域，是计算杌科学的重要研究领域之 一。机器视觉是一种以机器视觉方法为基础，综合运用图像处理、精密测量以及 模式识别，人工智能等技术的非接触检测方法“。其基本原理是对由机器视觉系 统得到的被测目标图像进行分析，从而得到所需要的测量信息，并根据已有的先 验知识，判断被测目标是否符合规范( 即合格或不合格) 。美国制造工程师协会计 算机视觉分会和美国机器人协会的自动化视觉分会对机器视觉下的定义为：“机 器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的 图像，以获得所需信息或用于控制机器人动作的装置。”机器视觉主要用于工厂 环境，它借助计算机软件，对图像进行定量分析，图像处理速度与被处理图像的 复杂程度有关，它具有快速，可靠、一致性高的优点“”。 机器视觉是用计算机技术来模拟生物宏观视觉功能的科学和技术。机器视觉 研究的主要目标是使用图像重建或恢复现实世界模型，然后认知现实世界。机器 视觉系统获取的场景图像一般是灰度图像，它是三维场景在二维平面上的投影； 3 长春工业大学硕士学位论文 场景三维信息只能通过灰度图像或灰度图像序列作恢复处理，这种恢复需要进行 多点对一点的映射逆变换。在信息恢复过程中，需要有场景知识和投影几何知识。 m o g a n f i 等“3 1 将p c b 视觉检测算法分为基于参考的检测方法、非参考型检测 方法和混合检测方法。虽然这些方法目前主要应用于p c b 检测，但对其他目标的 检测也有借鉴意义。( 1 ) 基于参考的视觉检测该方法采用点对点( 或特征对特征) 比较，它利用了检测目标的完整知识。这类方法主要有：剪影法、模板匹配法、 树法、句法方法和图匹配方法。( 2 ) 非参考型检测方法该方法利用的是待检测目 标的一般特性，而不是特定的一个检测目标的知识，它不需要任何参考模式，如 果不符合设计规则，就认为不合格或有缺陷，因此也称为设计规则验证方法。该 方法依据工件设计规则判断工件是否有缺陷，无须逐点比较待测工件图像和标准 图像。( 3 ) 混合检测方法上述两类方法各有优缺点，混合检测方法的思想是采两 者之长，避两者之短。其典型方法有：用边界分析的模式检测、射线匹配算法、 形状比较法、圆形模式匹配法等。( 4 ) 基于c a d 的检测方法近年来，迅猛发展的 c a d c a m 技术为建立物体的几何模型提供了几何描述基础，产生了三维物体几 何模型，称为c a d 模型。机器视觉和c a d 技术相结合，有着广阔的发展前景“。 机器视觉在国外的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中4 0 一5 0 0 , 6 大都集中在半导体行业。具体如p c b 印刷电路：各类生产印刷电路板组装技术、 设备；单、双面、多层线路板，覆铜板及所需的材料及辅料：辅助设施以及耗材、 油墨、药水药剂、配件；电子封装技术与设备；丝网印刷设备及丝网周边材料等。 s m t 表面贴装：s k i t 工艺与设备、焊接设备、测试仪器、返修设备及各种辅助工 具及配件、s m t 材料、贴片剂、胶粘剂、焊剂、焊料及防氧化油、焊膏、清洗剂 等；电流焊机、波峰焊机及自动化生产线设备。电子生产加工设备：电子元件制 造设备、半导体及集成电路制造设备、元器件成型设备、电子工模具。机器视觉 系统还在质量检测的各个方面已经得到了广泛的应用，并且其产品在应用中占据 着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还用于其他各个领域。 1 3 机器视觉应用实例 机器视觉被称为自动化的眼睛，在国民经济、科学研究及国防建设等领域都 有着广泛的应用。视觉的最大优点是与被观测的对象无接触，因此对观测与被观 测者都不会产生任何损伤，十分安全可靠，这是其他感觉方式无法比拟的。另外， 视觉方式所能检测的对象十分广泛，可以说是对对象不加选择。理论上，人眼观 察不到的范围机器视觉也可以观察，例如红外线、微波、超声波等人类就观察不 到，而机器视觉则可以利用这方面的敏感器件形成红外线、微波、超声波等图像。 因此可以说是扩展了人类的视觉范围。另外，人无法长时间地观察对象，机器视 4 长春工业大学硕士学位论文 觉则不知疲劳，始终如一地观测，所以机器视觉可以广泛地用于长时间恶劣的工 作环境。 下面列举的是己经取得的一些应用成果： 1 ) 工业上的应用。目前，机器视觉己经成功应用于工业检测领域，大幅度地 提高了产品的质量和可靠性，保证了生产的速度。例如产品包装、印刷质量的检 测，饮料行业的容器质量检测，饮料填充检测，饮料瓶封口检测，木材厂木料检 测，半导体集成块封装质量检测，卷钢质量检测，关键机械零件的工业c t 等“”。 在海关，应用x 射线和机器视觉技术的不开箱货物通关检验，大大提高了通关速 度，节约了大量的人力和物力。在制药生产线上，机器视觉技术可以对药品包装 进行检测，以确定是否装入正确数量的药粒。 2 ) 农产品分选中的应用。我国是一个农业大国，农产品十分丰富，对农产品 进行自动分级，实行优质优价，以产生更好的经济效益，其意义十分重大。如水 果，根据颜色、形状、大小等特征参数2 “翻；禽蛋，根据色泽、重量、形状、 大小等外部特征。”；烟叶，根据其颜色、形状、纹理、面积等进行综合分级设置 “”。此外，为了提高加工后农产品的品质，对水果的坏损部分、粮食中混杂的 杂质、烟叶茶叶中存在的异物等都可以机器视觉系统进行检测并准确去除。随着 工业化农业的快速发展，利用机器视觉技术对作物生长状况进行监测，实现科学 浇灌和施肥，也是一种重要应用。 3 ) 卫星遥感方面卫星遥感图像信息量大，数据存在多种干扰和误差，处理 和分析的工作量、难度都很大。机器视觉技术被用于分析各种遥感图像，进行国 土资源管理，如森林、水面、土壤的管理等；环境监测、地理测量，根据地形、 地貌的图像和图形特征，对地面目标进行自动识别、理解和分类等。 4 ) 图像监控方面在闭路电视监控系统中，安防、交通管理中的应用图像监 控系统来捕捉突发事件。机器视觉技术被用于监控复杂场景，鉴别身份，跟踪可 疑目标等，能大幅度的提高监控效率，减少危险事件发生的概率。在交通管理系 统中，机器视觉技术被用于车辆识别、调度，向交通管理与指挥系统提供相关信 息。 5 ) 医学方面在医学领域，机器视觉用于辅助医生进行医学影像的分析，主 要利用数字图像处理技术、信息融合技术对x 射线透视图、核磁共振图像、c t 图像进行适当叠加，然后进行综合分析；还有对其它医学影像数据进行统计和分 析，如利用数字图像的边缘提取与图像分割技术，自动完成细胞个数的计数或统 计，这样不仅节省了人力，而且大大提高准确率和效率。 6 ) 其它方面在军事方面，自动监视军事目标，自动发现、跟踪运动目标， 自动巡航捕获目标和确定距离。在商业方面，自动巡视商店或其他重要场所门廊， 长春工业大学硕士学位论文 自动跟踪可疑的人并及时报警。在各类检验、监视系统中，如检查印刷底板的裂 痕、短路及不合格的连接部件，检查标签文字标记，玻璃产品的裂痕和气泡等。 在残疾人引路方面，如“带路机器狗”可为盲人带路等。 机器视觉的应用是多方面的，它已经取得并将继续取得越来越广泛的应用。 1 4 自动灌装机械系统国内外研究发展现状 随着电子技术合成化工的迅速发展，国外发达国家的包装机械在上世纪5 0 至7 0 年代也有了巨大的发展变化，高、大、精、尖产品居多且与计算机紧密结 合，实现了机电一体化控制是其产品的最大特色。 美国、德国、日本、意大利是世界灌装机械四强。美国是世界上灌装机械发 展历史较长的国家，其品种和产量均居世界之首。日本的灌装机械制造厂则以中 小企业为主，将微电子技术用于控制灌装机，后又将光导纤维技术、工业机器人 技术、模块化技术应用于灌装机械，大大提高了国际市场竞争能力。德国的灌装 设备在计量、制造、技术性能等方面居领先地位，具有高速、成套、自动化程度 高、可靠性好等特点。 我国灌装机械制造业起步较晚。6 0 年代末期，个别专家、学者通过考察从 德国带回了饮料灌装生产线技术，并在国内试制成功。该技术后被某企业购买， 并迅速制成产品，投放市场，可称为我国第一代具备现代意义的饮料灌装技术。 同时随着改革开放的推进，一批中小企业对市场经济表现出无所适从，企业遇到 较大困难。一些原来从事机床、农机制造的企业就转到灌装设备的开发制造上。 到了7 0 年代我国引进了一些国外灌装生产线，此时国外已将很多先进技术应用 在灌装机械上，如远距离遥控技术( 包括监控) 、步进电机技术、自动柔性补偿技 术、激光切割技术、信息处理技术等。通过借鉴外国的先进经验，我国的灌装机 械自动化水平和控制水平都有了一定程度的提高，一些企业仿制开发了各种中、 小型灌装设备。到了8 0 年代末期，随着石油、食品、化工和灌装机械行业的发 展，尤其是饮料工业的快速发展，国内对灌装机械的需求呈上涨趋势，灌装机械 产品种类及功能都有很大提高。到了9 0 年代，随着石油、化工、医疗、食品和 灌装机械行业的发展，特别是化工、饮料工业的迅猛发展，我国灌装机械的需求 量不断增加，灌装机械产品种类及功能都有很大提高。 我国的灌装机械行业近些年来所取得的成绩是显著的，但与国外产品相比仍 存在很大的技术差距，主要体现在：产品规格不全，成套性差；自动化水平 和控制水平较低；单机性能不稳定。进入2 1 世纪，随着国内外激烈的市场竞 争，我国灌装机械行业将面临更大的挑战。目前我国的灌装机械只有5 达到国 外上个世纪9 0 年代水平，2 0 达到8 0 年代水平，6 0 才达到国外7 0 年代的水平。 6 长春工业大学硕士学位论文 与工业发达国家相比，中国灌装机械产品品种少3 0 9 6 4 0 9 6 ，技术水平落后2 0 一 3 0 年。 1 5 论文主要工作 圆检测是计算机视觉中经常遇到的一个应用，本文以灌装生产线上偏心口在 圆周方向随机分布难以自动定位的背景下，将桶口识别定位问题转化为圆检测问 题，如何通过改进算法来提高圆形目标的识别率和定位精度是研究的重点。主要 研究内容有如下几个方面： 1 、从图像中识别物体的最基本方法之一是模板匹配，并且模板匹配也是计 算机视觉中应用较为成熟的方法之一。本文研究了在边缘图上利用模板匹配对圆 形目标进行粗定位的方法。 2 、课题研究内容的重点之一是圆检测技术，常用的霍夫变换圆检测法计算 量较大，而改进方法多以牺牲计算精度和抗噪性能为代价。本文研究了利用边缘 点进行最小二乘拟合来估计圆心和半径的方法，计算速度较快，精度较高。 3 、采用了一种基于模板匹配粗定位和圆检测精定位的识别与定位两步圆检 测方法。此方法可以消除由人工选择模板造成的定位误差，相对于单一检测技术， 可提高检测效率和定位精度。 4 、步进电机驱动、并口通讯及最小误差插补原理。 长春工业大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 2 1 系统总体设计及要求 本文所设计的自动灌装定位系统是机器视觉技术在工业检测中的典型应用。 由图像采集，图像处理，电机控制三大部分组成的系统是集光、机、计算机、数 字图像处理技术为一体的综合性高科技设备。 然而对于应用系统而言，设计出的图像处理及分析系统是必须符合若干要求 的，这些要求也往往是系统最重要的性能指标。 1 ) 硬件系统性能必须满足所要解决的问题的需要。 2 ) 系统操作应该方便而灵活，具有友好的入机对话界面。常采用的手段有 设置功能菜单等。 3 ) 图像处理及分析程序库应能被用户方便地进行维护，程序的可移植性也 是很重要的性能，如果现有程序库中的程序可以不经修改或者是只进行少量修改 即可解决新出现的问题，对系统日后的维护工作也是非常有益的。 4 ) 系统的机械、电控、视觉检测部分应能互相协调工作，共同构成一个有 机的整体。 2 2 系统硬件设计 本系统的硬件设计是基于整个系统架构和应用软件功能实现的需要而提出 的硬件解决方案。总体来说，基于机器视觉的液体自动灌装定位系统可分成两大 部分：视觉采集系统和定位执行系统。本文研究开发的基于计算机视觉技术的偏 心桶口自定位系统如图2 1 所示。 图2 - 1 偏心加注口定位系统原理图 机 长春工业大学硕士学位论文 工作原理：首先，工业摄像机实时的摄取检测台上偏心口油桶的图像，将光 信号转成电信号并实时地传送到图像采集卡。图像采集卡经过数字解码、a d 转 换等处理，然后，通过p c i 总线把数字图像数据传送至计算机内存进行存储。其 次，图像处理程序对保留图像的内存缓冲区进行访问，并对所采集到油桶图像信 息进行分析计算，得到偏心桶盖表面图像中圆形加注口半径，加注口圆心坐标等 位置信息。最后，将相应位置信息传送至步进电机控制系统，电机控制系统根据 由计算机发出的脉冲指令，驱动卜y z 轴步进电机，带动油枪运行至加注口上方， 完成加注枪的自动定位，实现自动灌装。 2 3 系统软件设计与实现 任何一个好的算法必须通过软件来实现。本章设计并开发了用于偏心桶口图 像处理和分析的软件程序。软件组成结构及流程图如下。 视觉定位系统的软件总体结构及流程如图2 2 所示，其中包括了系统标定、 图像预处理、图像对准、伺服驱动定位等功能模块。 开始 i 标定 嚣裂星景豢蓊毳缸摹 坐标系的变换矩阵 否 图像采集l 二二 二= 图像预处理i 二二 = 模板匹配粗定位i 二二工= 二二工二 晟小二乘精定位l l 是 输出偏口桶坐标 lj 报警并待机 驱动步进电机运动 是否结束 是 _ 一 结柬 重新处理 y 图2 - 2 系统工作流程图 9 是 长春工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先介绍了系统总体设计应满足的要求，接着从硬件和软件两方面论述 了系统的总体方案设计。硬件方面介绍了元件组成及其选择，软件方面利用 蚰a lc + 斗6 0 开发工具，结合论文中所涉及的算法，设计了一个可用于图像处理 和分析的软件系统并给出了系统的工作原理和工作流程。 1 0 第三章摄像机标定 3 1 摄像机标定的主要内容 摄像机标定的概念最早来源于摄影测量学( p h o t o g r a 珊e t r y ) 嘲，并且科学家 已经在这个方向上取得了很多研究成果。 机器视觉系统能够从摄像机获取的图像信息出发，计算三维环境中物体的位 置，形状等几何信息，并由此重建三维物体。图像上每一点的亮度反映了空间物 体表面某点反射光的强度，而该点在图像上的位置与空间物体表面相应点的几何 位置有关。这些位置的相互关系，由摄像机成像几何模型所决定。该几何模型的 参数称为摄像机参数，这些参数必须由试验与计算来确定，试验与计算的过程称 为摄像机标定。 摄像机标定分为内部参数标定和外部参数标定。摄像机的内部参数是恢复 摄影时光束形状的要素，它确定了摄像机坐标系和理想坐标系的关系，主要有主 点、焦距，、水平步距( 即计算机二维图像坐标系下的水平方向相邻像素所代表 的空间距离，由于摄像机扫描与时序误差，以及图像采集卡采集频率的不同，使 其的准确值不能预先确定) 、垂直步距( 即计算机二维图像坐标系下的垂直方向相 邻像素所代表的空间距离) 、径向镜头畸变、切向畸变、薄透镜畸变等其它系统 误差参数。摄像机的外部参数主要包括旋转矢量矗和平移矢量r ，它确定了 摄像机在世界坐标系里的位置和方向脚。内外参数标定的结合可以建立目标物体 的3 d 坐标和2 d 图像坐标的关系，这种关系是进行目标物体位姿测量所需要的。 摄像机标定是机器视觉系统实现的前提和基本问题，其目的主要有两个： ( 1 ) 从2 加计算机图像坐标推导3 一d 信息。 ( 2 ) 从3 - d 信息推导2 一d 的计算机图像坐标。 3 2 摄像机标定技术的发展及研究现状 摄像机标定技术是计算机视觉实现的前提和基本问题例。很早就应用于摄影 测量学1 。摄影测量学中所使用的方法是数学解析分析的方法，在标定过程中通 常要利用数学方法对从数字图像中获得的数据进行处理。通过数学处理手段，摄 像机标定提供了专业测量摄像机与非量测摄像机的联系。而所谓的非量测摄像机 是指这样一类摄像机，其内部参数完全未知、部分未知或者原则上不稳定。对于 计算机视觉研究而言，在利用计算机技术实现对三维景物的描述、识别和理解这 一任务时，c c d 摄像机是对物理世界进行三维重建的一种基本测量工具，这时摄 像机标定被认为是实现三维欧氏空间立体视觉的基本而又关键的一步。 长春工业大学硕士学位论文 视觉系统的特点和应用要求使得对其中标定技术、精度和实时性等问题的研 究具有特别的重要性，同时也导致了研究成果的多样化。摄像机参数总是相对于 某种几何成像模型的，这个模型是对光学成像过程的简化，比如最常用的透视成 像模型m 1 ，它是摄像机标定研究的基本模型。然而很多情况下这种线性模型不能 准确描述摄像机成像的几何关系，如在近距、广角时的情形，因此还需要考虑线 性或非线性的畸变补偿后，才能更合理地看作针孔模型成像过程。利用校正后的 模型进行三维重建才能得到更高的精度，因此成像模型和畸变补偿成为计算机视 觉中摄像机标定研究的重点。 摄像机标定问题不仅在计算机视觉中十分重要，而且在计算机视觉与图形学 的交叉领域一基于图像的建模与真实感绘制i b m r 中也有着重要的应用价值。目 前的i b m r 主要包括基于c a d 的视觉建模技术( c a d m ) 和基于图像的绘制技术( i b r ) 两种。c a d m 需要利用视觉技术重建三维场景模型，必须先进行摄像机标定，然 后才能形体建模和纹理映射；i b m r 中的图像变换法采集大量的多视角图像，根 据投影关系映射合成新视点的图像，也需要标定好的摄像机参数”。 3 3 摄像机标定方法分类 根据是否需要放置标定参照物，摄像机标定技术大体可以归结为两类。”： 传统的摄像机标定方法和摄像机自标定方法。传统的摄像机定标方法是利用 一个标准参照物与其对应图像的对应约束关系，来确定摄像机模型的参数，可以 应用一幅以上的图像进行标定，己经有较成熟的方法和理论，如透视变换矩阵法 和直接线性变换法d l t ( d i r e c tl i n e a rt r a n s f o r m a t i o n ) ，两步法如t s a i 的 方法嘲，双平面标定方法如w e n g 的迭代法啪1 ，以及简易标定方法嘲等。因传统 的摄像机定标方法可以对多幅图像进行标定，可以使用任意的摄像机模型，标定 精度高，其不足是标定过程复杂，需要高精度的标定块或标定框架，当应用场合 要求较高且摄像机的参数不经常变化时，此标定方法最为适合。 在很多情况下，由于存在经常性调整摄像机的要求，而且设置己知的定标参 照物也不现实，有时甚至是不可能的( 如在危险恶劣的环境中) ，这时就需要一种 不依赖标定参照物的所谓摄像机自标定方法。上世纪9 0 年代中后期在计算机视 觉领域兴起了研究摄像机自标定的高潮，而这种标定方法已成为目前摄像机标定 研究的重点。摄像机自标定( s e l f - c a l i b r a t i o n ) “”，不同于传统的摄像机标定 技术，无须利用一个标准参照物以获得准确的三维度量信怠，而是通过控制摄像 机运动得到图像序列，试图利用从图像序列的匹配信息中得到的约束关系来计算 摄像机模型的参数，这就克服了传统标定方法的缺点，使得在线、实时地校准摄 像机模型参数成为可能。 1 2 长春工业大学硕士学位论文 目前，摄像机的自标定技术主要有以下几类方法棚1 ： 1 ) 利用本质矩阵和基本矩阵的摄像机自标定方法。 2 ) 利用绝对二次曲线和外籍线变换性质的摄像机自标定方法。 3 ) 利用主动系统控制摄像机做特定运动的自标定方法。 4 ) 利用多幅图像之间的直线对应关系的摄像机自标定方法 自标定方法因其鲁棒性较差呻1 ，所以多应用于精度要求不高的场合。 3 4 摄像机成像模型 3 4 1 图像坐标系、摄像机坐标系及世界坐标系 在分析摄像机成像模型时，一般需先定义三个主要坐标系：图像坐标系、摄 像机坐标系和世界坐标系。一幅数字图像在计算机中一般表示为聊一的二维数 组，其中数组的每一个元素，称为像素，其值表示的是图像点的灰度或者三维的 r g b 空间值。在图像平面上定义直角坐标系0 i ，原点d 一般选在左上角，每一 个像素的坐标( “，v ) 表示的是该像素在数组中的行数与列数，坐标是以像素为单 位的。由于该坐标只表示像素位于数组中的行数与列数，并没有表征出物理意义 上的度量关系。因此需建立以物理单位表示的图像坐标系0 0 。在该坐标系中原 点定义在光轴与图像平面的交点处，并假设该点在吃的坐标系中的坐标为 ( ，v 0 ) ，设每个像素在工和y 轴方向的物理尺寸为d ，和d ，则图像中任意一个 像素在两个坐标系下的坐标有如下关系： l 2 勉h o i v = 菇+ v 。 。j 采用齐次方程，可用矩阵形式表示为： = l n 石u 甜。 0 上。 以 o ooo =