玻璃瓶垂直度无接触测量及其误差分析

1、玻璃瓶垂直度无接触测量及其误差分析第 22 卷第 1 期2004年 3 月 广西师范大学 （自然科学版 ）JOURNALOFGUANGXIN0RMALUNIVERSITYVo1.22No.1March2004 玻璃瓶垂直度无接触测量及其误差分析 张灿龙 ,王强,文小军,黄克,吕东明,陈赤,张超英 ,唐艳平.,刘海燕 （1.广西师范大学物理与信息工程学院 ,广西桂林 541004;2.桂林晶盛玻璃有限责任 公司 ,广西桂林 5410033.桂林电子工业学院教务处 ,广西桂林 541004）摘要 :对玻璃瓶垂直度的检测是利用计算机视觉的方法 ,通过两台摄像机从相互垂 直的方向同时获取玻璃瓶的一幅图

2、像 ,采用计算机图像处理技术的双目视觉测量方法 ,较精确地求出了玻 璃瓶垂直度的偏差 .文中主 要阐述了如何进行摄像机定标及玻璃瓶垂直度偏差测量计算原理,并在此基础上较为系统地分析了主要测 量误差的产生原因及对检测精度的影响 .关键词:垂直度误差分析 ;计算机视觉中图分类号 :TP319文献标识码 :A 文章编号 :10016600（2004）010019-04 玻璃瓶垂直度检测是玻璃瓶质量检测的重要方面之一 .目前国内玻璃瓶生产厂家 大多采用人工检测方法,此法受人眼分辨能力和易疲劳等主观因素的影响,可信度低 ,稳定性差且检测速度慢 ,无法适应大规模的现代化生产 .国外大多采用机械装置与玻璃瓶

3、直接接触的方式进行检测,虽然满足了在质量和速度上的检测需求 ,但存在造价高和灵活性差等缺点 1. 随着计算机软 ,硬件的发展和数 字图像处理理论和方法的日臻完善 ,利用计算机视觉的方法进行玻璃瓶垂直度自动无接触检测已变得切 实可行.本文在阐述了玻璃瓶垂直度偏差的立体视觉计算原理 ,摄像机定标的基础上 ,着重 分析了系统各部分 误差的产生原因及其对检测精度的影响 .垂直度偏差为玻璃瓶生产中一个非常重 要的质量指标 ,垂直度偏 差超标的玻璃瓶将在饮料灌装生产线造成严重的不良影响 ,必须予以剔除 .1 垂直度计算原理 评价一个玻璃瓶垂直度的好坏 ,首先要理解垂直度这一概念 .把一玻璃瓶放在水平 面上

4、 ,若瓶子的垂直度好 ,则瓶子从瓶口到瓶底的中轴是竖直的 （即中轴线垂直交于水平面 ）.若瓶子 的垂直度不好 ,则瓶子的中轴线不是竖直的 （即中轴线斜交于水平面 ）,瓶子的中轴和经过瓶底中心的竖 直线形成一定的角度 ,瓶 口中心到经过瓶底中心的竖直线的垂直距离称为玻璃瓶的垂直度 偏差 （如图 l 中的线段 OB,简称玻璃瓶垂直度 ）.玻璃瓶垂直度检测 属于物体外形尺寸检测的范畴 ,故其计算在很大程度上要基于玻璃 瓶的几何外形 .通过理论分析和实验可行性证明 ,我们提出了一种 基于计算机立体视觉原理的简易检测方法 .用两台摄像机正对玻璃 瓶从主光轴相互垂直的两方向各自同时采集一副图像 （ 设为图

5、像 1, 图像 2）,然后送入计算机中进行数据处理 .如图 I,在三维坐标系 中,y 轴分别代表两摄像机的拍摄方向 ;原点（）代表瓶底中心 , 点代表瓶口中心 ,则 OA 为玻璃瓶的实际中轴 ;z 轴为过瓶底中 心的标准竖直中轴 ;点 B 为点在平面 XOY 中的投影 ,则线段 OB 的长度即为玻璃瓶的垂直度偏差 ;从点 B 分别向 x 轴和 y 轴作垂图 1 立体视觉原 理 线,根据欧氏几何原理以及前面垂直度概念的阐述可求得玻璃瓶垂直度的计算公式:收稿日期 :20030910基金项目 :广西自然科学基金资助项目 （桂科基 0009004）作者简介 : 张灿龙 （1978 一）,男, 湖南娄底

6、人 ,广西师范大学硕士研究生 ; 王强 （1952 ）,男,安徽安庆人 ,广西师范大学教授,博士.20 广西师范大学 （自然科学版 ）第 22 卷0B 一瓦面 ,度量单位是像素 ,其中线段 BC 和 BD 分别为图像 1,2中垂直度 ,可以采用图像处理 的方法求得 .2 摄像机定标 .本文检测系统拟采用两台同规格的符合工业标准的高分辨率,高清晰度 CCD 黑白摄像机和一块基于PCI 总线的黑白图像采集卡 .摄像机连采集卡的接口 ,通过外触发信号触发进行同 步数据采集 ,输入信号模式采用标准的 PAL 制式,图像以 256 级灰度图格式存储在内存中 .为了处理的方 便,需将两图像数据分别存储.进

7、行拍摄时 ,由于摄入的灰度图像大小与实际物体大小不相同 ,故为了知道灰度图 像与实际物体的尺寸对应关系 ,就必须先进行定标工作 ,测出每一像素 （灰度图像的每一点 ）对应的实 际长度 .另外,由于是采用两台摄像机对同一玻璃瓶进行图像采集 ,为了保证所拍的两幅图像的放大倍数 尽可能地相等 ,使计算的标准统一 ,故也必须进行定标工作 .定标方法 :先精确测出标准玻璃瓶瓶口中心到瓶底中心的距离（单位 :mm）, 然后摄取该玻璃瓶的灰度图 ,经图像处理得出灰度图瓶口中心到瓶底中心的像素数 ,再由计算机自动计算 出对应的尺寸关系 (单位:ram/像素).标定两摄像机位置的方法如下 :第一步 ,在白净的背

8、景板上作两个固 定点(过这两点的直线垂直于瓶底所在平面 );第二步 ,将两摄像机拍摄方向固定且互成 9o.地置于仪器 架杆上 ;第三步,沿光路移动摄像机 1摄像 ,使两固定点成像大小适中 ,同时调节摄像头使成像清晰 ,固定 该摄像机并用图像处理的方法由两像点之间的距离 M 计算出此时摄像机两相邻像素间距离与被测物 体长度的对应关系 (定标);第四步,用同样的方法对摄像机 2定标,使之与摄像机 1 标度相同 .3 玻璃瓶垂直度偏差计算对采集到的图像进行一系列处理后得到其轮廓图 (如图 2),以轮廓为基础求出瓶口 中心(,Y11)和图 2 玻璃瓶轮廓4测量误差分析瓶底中心 (Y), 若每个像素对应

9、的玻璃瓶实际长度为,则图像 1的垂直度为 :dl BC=lYll Yl2l,(2)同理求得图像 2 的垂直度为 (设其瓶口中心为 (,Y),瓶底中心为 (22,Y2):d2一 BD=ly2l 22l,(3)则代 (2),(3)式入(1)式得玻璃瓶的总垂直度为 : d:OB:A(lll2).+(2l 22).(4)4.1 角度误差计算 由于两拍摄方向很难严格地相互垂直 ,也就是说它们之间存在角度偏差 ,如图 3 所 示,理想情况下两摄像机分别位于 A,B 两点 ,此时它们的主光轴相互垂直 ,所得的玻璃瓶垂直度如下 式:一:/L2sin20+L%os20一 L,(5)实际情况下 ,总存在的角度偏差

10、 (如图 3所示),此时摄像机 1的位置从 A 点偏离 到 C 点 ,玻璃瓶垂直度如下:d 一一 -,flssin2(0-/,0)+cos20,(6)第 1 期张灿龙等 : 玻璃瓶垂直度无接触测量及其误差分析 21 因此由角度偏差引起的垂直度误差如下 :Ad=ld-dl l(1 一/sin2(0-A 0)+cosZ0)LI, 在只考虑角度偏差的情况下 (此时两摄像机物距相等 )一兀 /4,(7)式可简化为 : l1一万丽 lLl1 一/1-sin(2A0)/2lL, 拟定一志兀志兀 ,则(8)式关系曲线如图 4,从曲线图可知 0 0.026L. oF图 3 角度误差(7)(8)图 4 误差曲线

11、4.2 解析度的影响 由于本检测系统所用图像采集卡及摄像机的解析度为768576,且 PC 机的显示屏为 4:3 模式,而玻璃瓶为细长形物体 ,为了使 BMP 图像充满整个视场 ,从而达到充分利用图像信 息和解析度的目的 ,在实检中拟把位图水平放置 (如图 2),故只要考虑垂直方向的解析度误差 ,由解析度 可知垂直方向的精密度为 3Y=O.043.设 BMP 图像的尺寸为 760260,在瓶口的上 ,下边缘各取 n/2(n 为偶 数,且 yn-1 和的横坐标相等 ,如图 2),则瓶口中心点的纵坐标为 :11一 (+=)/2 （hl+ +）/2 一n/2/2.上式中 一 .其标准误差嘲一 （-Y

12、xx）z/（ 号一 1）.同理在瓶底的上 ,下边缘各取 /2,则m/2 _ _瓶底中心的纵坐标为 z 一 k=l/m/2,标准误差 z 一 （hk-yx2）/（詈一 1）,它们之间 的偏差 L 一lY11 一 Y12I. 设另一图像的瓶口中心 （取个边缘点 ）和瓶底中心 （取个边缘点 ）的纵 坐标分别为 .,.,同理可得它们的标准误差分别为 : _ _Y21=chi-Y21/（ 号一 J,zz一 k=lch-Y22./（詈一）,则它们之间的偏差 L2=lyz 一 Yzz1.代入 （4）式的垂直度计算公式 ,求导可得总的解 析度标准误差为 : 13(Y11-亏 Y12)2-( 亏 2 一(ll

13、12)+(21一 22) (Yll-Y12)(Y ll3Y12(Y21Y22)(3 y213 y一22):><(Yll 12)+(21一 22).(9) 代入实际检测的数据进行计算 ,如取 30,取 40,A=O.406mm,则相对误差为 0. 69%.以上两种误差来源可分别归类于系统误差和随机误差 ,前者所产生的相对误差为 2.6%,在最坏情况下系统总的相对误差为 3.29%.啤酒瓶垂直度偏差国标为 4mm,受以上两种误差的 影响垂直度偏差为 44?132mm的坏瓶被误判为好瓶的概率为 5o%,垂直度偏差为 3.8684mm 的好瓶 被冤判的概率也为5o%?另外还有一些因素导致误

14、差 ,如: 两摄像机到被检瓶的距离不严格相等而引 起的定标距离误差 ,由光22广西师范大学 (自然科学版 )第 22卷 学镜头畸变导致的成像误差以及灰度量化引起的量化误差等等,考虑到这些误差对检测精度影响不大 ,所以忽略其讨论 .我们确定垂直度偏差小于或等于 3.8mm为合格标准 .5 结论表 1 是对一些典型玻璃瓶分别用本文方法和手工方法进行测量所得结果的对比 情况,从表 1 中可以表 1 玻璃瓶垂直度的软件测量与手工测量对照表看出相对误差介于 6.19/6 7.7% 之间,该值很小 ,说明本文所提出的检测方法是合理的 ,可行的 ,而且又克服了 国内人工检测效率低 ,精确度差等缺点 ,弥补了

15、国外检测机 造价高 ,灵活性差等不足 ,对我国玻璃瓶检测技术的提高和 发展做出了比较成功的尝试 .通过现场测试发现 ,本文提出 的测量方法稳定 ,可信度高,抗干扰能力强 .值得注意的是 , 进行实际检测前必须先对摄像机进行精确定标 ,这一步直 接影响到系统的检测精度 .为了进一步提高生产效率和加速该产品的市场化 ,我们正研究如何在 DSP 上实现该系统 .参考文献 :1陈元琰,姜颖军,王强.玻璃瓶 I=1 裂纹检测的简易判断法 J.广西师范大学 (自然 科学版 ),2001,19(3):192O.2 王强,胡建平,胡凯 ,等.玻璃瓶罐分类标记的智能化识别J.计算机工 程,2000,26(4):

16、91O.L3EmanueleTrucco,AlessandroVerri.Introductorytechniquesfor3-DcomputervisionM .NewJersey:PrenticeHall,l998.37. 4-1TsaiRY.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhighaccuracy3Dmachinevisionm etrologyusingofftheshelfTVcameraandlensesJ.IEEEJournalofRoboticsAutomation,1987,3(4):323 334.5 MINLe quan,JI

17、ANZhi gang,WANGJing tao.NewtemplatesCNNforprocessinggrayscaleimagewithdisturbed convexobjeetsJ.JournalofGuangxiNormalUniversity,2002,20(1):56 59.6 陈元琰 ,姜颖军 .基于计算机视觉玻璃瓶裂纹在线检测系统J.计算机应用,2001,21(11):192O.7 傅思镜,钟伟彬 ,梁丽贞 .光纤线径无接触测量及其计算机图像处理方法 J.中山 大学 (自然科学版 ),2000,39(2):2427.8 张会云 .等 精 度测 量中 最佳值 及标准误 差 的理

18、 论研 究 J.陕西 工学 院 ,2002,18(2):7O 一 72.THEVERTICALITYOFGLASSBOTTLENON CONTACTMEASUREMENTANDITSERRORANAL YSISZHANGCan long,WANGQiang,WENXiao jun.HUANGKe.LVDong ming,CHENChi,ZHANGChao ying.TANGYanping.LIUHai yan (1?CollegeofPhysicsandInformationTechnology,GuangxiNormalUniversity,Guilin541 004,China;2.GuilinJingshengGlassCo.Ltd,Guilin541003,China;3.DeanSOffice,GuiliuUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:Aftercapturingtwoimagesofglass bottlewithtWOcamerasfromtheverticaldirections.theverticalityofglassbottleis. measuredaccuratelybycomput