第 卷 第 期 年 ８月 郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 Ｊ ＯＵＲＮＡＬＯＦＺＨＥＮＧＺＨＯＵＵＮＩ ＶＥＲＳＩ ＴＹＯＦＬＩ ＧＨＴＩ ＮＤＵＳＴＲＹ Ｎ Ｓ Ｖ Ｎ Ａ 文章编号 Ｘ 基于计算机视觉的卷烟包装尺寸测量方法 彭莉科 方细玲 刘丹 张龙 李志刚 闫龙 花昌义 刘勇 李旭华 国家烟草专卖局 经济运行司北京 广东中烟工业有限责任公司 技术中心广东 广州 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽 合肥 摘要 为了实现卷烟包装尺寸的非接触式测量提出了一种基于双线结构光的烟包尺寸测量方法 采 用成一定交角的双色线结构光对样品进行旋转扫描 使用 ＣＣＤ相机获取每个旋转角度下结构光在 烟包上的反射图像 利用世界坐标系 结构光坐标系和图像坐标系的转换关系从结构光的形变特征 反演得到烟包的表面形貌并从获取的 Ｄ点云中拟合出相应的外切长方体尺寸实验结果表明该 方法的测量精度和标准偏差能够满足实际检测需求有效地提高烟包和条包尺寸的测量效率和准确 性为卷烟包装尺寸测量提供了一种有效的自动化测量方法 关键词 卷烟包装尺寸测量 计算机视觉 结构光 Ｄ点云 中图分类号 ＴＳ ＴＰ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ ｊ Ｘ Ｍ ｍ ｍ ｂ ｍ ＰＥＮＧＬ ＦＡＮＧＸ ＬＩ ＵＤ ＺＨＡＮＧＬ ＬＩＺ ＹＡＮＬ ＨＵＡＣ ＬＩ ＵＹ ＬＩＸ Ｅ ｍ Ｏ Ｄ ｍ Ｓ Ｔ ｂ Ｍ Ａ ｍ Ｂ ｊ Ｃ Ｔ Ｃ Ｃ Ｔ ｂ Ｇ Ｉ Ｃ Ｌ Ｇ Ｃ Ｈ Ｉ Ｐ Ｓ Ｃ Ａ ｍ Ｓ Ｈ Ｃ Ａｂ Ｉ ｍ ｍ ｍ ｍ ｂ ｗ Ｔ ｗ ｗ ｗ Ｔ ＣＣＤ ｍ ｗ ｂ ｍ Ａ ｍ ｍ ｍ ｂ ｗ ｗ ｍ ｗ ｍ ｍ Ｔ ｍ ｂ ｂ ｍｄ ｗ Ｔ ｘ ｍ ｗ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ ｍ Ｋ ｗ ｍ ｍ ｍ Ｄ 收稿日期 作者简介 彭莉科 女湖南省衡阳市人国家烟草专卖局工程师主要研究方向为卷烟生产工艺 通信作者 李旭华 男福建省上杭县人广东中烟工业有限责任公司高级工程师主要研究方向为烟草工艺
第 期 彭莉科等 基于计算机视觉的卷烟包装尺寸测量方法 引言 像 由图像采集卡 ＣＣＤ相机 镜头和两组结构光源等 组成 图像处理系统用于分析获取的数字图像提取 计算机视觉是近几年兴起的高新技术它涉及 图像中的结构光信息生成烟包的点云数据并给出 人工智能 神经生物学 图像处理 模式识别等多个 烟包的尺寸信息旋转载物台用于承载待测样品能 专业具有智能化 操作简便及无损测量等优点在 够在电气控制系统的精密控制下进行旋转 配合成像 烟草行业内日益受到重视 扫描 系统和结构光实现待测样品的 目前卷烟企业对烟包尺寸的控制需求越来越 检测步骤 高加强烟 包 的 尺 寸 控 制 是 各 卷 烟 企 业 的 普 遍 要 基于计算机视觉的 Ｄ烟包测量方法的原理如 求但烟包 条包外观的检测方法大多还停留在人 图 所示结构光为成像视场内的待测样品提供空 工抽检的阶段且多利用直尺 游标卡尺等传统测 间参照ＣＣＤ相机通过光电效应实现结构光照明下 量工具进 行 接 触 式 的 人 工 测 量由 于 烟 包 质 地 柔 烟包图像的获取并通过图像采集卡将图像传输到 软接触测量容易导致测量误差 人工测量方式不 计算机利用图像分析算法对获取的烟包结构光图 仅效率低测量结果也随着测量工具和方法的不同 像进行分析与测量测试结果由计算机输出 而存在一定的差异所以实现烟包尺寸测量的首 双线结构光照明方式 选方法应为非接触测量法研究者根据烟包 条包 本文检测系统采用的双线结构光照明模式 如 尺寸的测量要求以卷烟外包装作为对象以计算 图 所示 该模式是线结构光模式的扩展由光学 机视觉技术为核心开展了图像分析算法 检测装 投射器向物体表面投射多条光条这样可以在一幅 置 Ｄ空间测量方法等研究 在此基础上本文 图像中处理多条光条与单线结构光相比本系统 拟提出一种基于双线结构光的烟包尺寸测量方法 模式避免了重建死角 单 线 结 构 光 扫 描 不 到 的 区 以期为卷烟烟包和条盒的尺寸测定提供一种代替 域 提高了图像的处理效率并且增加了测量的信 传统人工 检 测 的 新 的 技 术 手 段以 实 现 自 动 化 测 息量 量提高测量的效率和准确性 基于双线结构光的烟包尺寸测量 方法 检测系统 系统结构 卷烟烟包尺寸测量系统结构如图 所示主要 包括成像系统 图像处理系统 电脑 旋转载物台 本文方法通过采集结构光在烟包上的反射图 像利用图像处理分析技术实现烟包外观的 Ｄ重 建从而实现烟包空间尺寸的测量其流程见图 电气控制系统等成像系统用于采集待测样品图 图 基于计算机视觉的 Ｄ烟包测量方法原理框图 图 烟包尺寸测量系统结构 图 双线结构光照明方式
66 郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) 2015 年 为 :1) 制 作 棋 盘 标 定 板 ;2) 在 视 场 空 间 的 多 个 位 置 以 不 同 的 旋 转 角 度 获 得 多 幅 标 定 板 图 像 ;3) 由 图 像 中 棋 盘 格 顶 点 的 位 置 信 息 计 算 成 像 系 统 的 内 外 参 数 ;4) 由 获 得 的 内 外 参 数 矫 正 图 像. 图 6 为 矫 正 前 后 图 像 效 果 对 比, 图 中 红 线 为 参 考 线, 矫 正 前 黑 色 边 缘 存 在 明 显 弯 曲, 矫 正 后 黑 色 边 缘 更 加 平 直. 图 5 桶 形 畸 变 图 4 本 文 烟 包 空 间 尺 寸 测 量 方 法 的 流 程 图 本 方 法 包 括 以 下 几 个 步 骤 :1) 优 化 增 强 计 算 机 获 取 的 原 始 图 像, 滤 除 原 始 图 像 中 的 噪 声 背 景 等 无 用 信 息 ;2) 成 像 系 统 标 定, 实 现 欧 式 空 间 到 图 像 空 间 坐 标 的 匹 配, 获 取 镜 头 引 入 的 各 类 畸 变 与 场 曲 参 数 ;3) 图 像 获 取 与 预 处 理, 获 取 原 始 图 像, 进 行 图 像 增 强 和 ROI 提 取 ;4) 图 像 复 原, 利 用 标 定 参 数 对 图 像 进 行 复 原 ;5) 透 视 逆 变 换, 修 正 成 像 目 标 在 景 深 方 向 上 由 放 大 倍 数 不 一 致 而 引 入 的 误 差 和 由 成 像 光 轴 与 测 量 面 的 交 角 而 引 入 的 透 视 误 差 ;6) 参 考 线 识 别 与 提 取, 通 过 特 定 的 图 像 分 割 算 法, 对 双 色 参 考 线 分 别 进 行 识 别 提 取 和 细 化 ;7) 逆 成 像 变 换, 将 图 像 空 间 中 的 参 考 线 变 换 到 欧 式 空 间 中, 实 现 参 考 线 标 记 的 卷 烟 包 装 空 间 定 位 ;8) 点 云 重 构, 通 过 旋 转 扫 描 卷 烟 包 装, 获 取 3D 坐 标 点 云 数 据, 并 借 助 OpenGL 实 现 空 间 重 绘 ;9) 尺 寸 提 取, 对 重 绘 后 的 空 间 目 标 进 行 尺 寸 测 量, 提 取 目 标 的 各 类 测 量 数 据. 2.1 基 本 图 像 信 息 获 取 2.1.1 图 像 复 原 本 方 法 采 用 f=5mm 的 镜 头, 该 类 型 的 镜 头 存 在 径 向 畸 变, 中 心 位 置 畸 变 较 弱, 远 离 中 心 位 置 畸 变 较 严 重, 属 于 典 型 的 桶 形 畸 变 [6-7], 如 图 5 所 示. 利 用 已 知 参 数 的 标 准 形 状 或 空 间 位 置 的 形 变 来 获 得 畸 变 参 数, 从 而 复 原 图 像. 具 体 的 标 定 步 骤 图 6 图 像 矫 正 前 后 效 果 对 比 2.1.2 结 构 光 识 别 与 细 化 本 文 方 法 中 分 别 采 用 红 色 和 蓝 色 线 激 光 作 为 结 构 光, 两 者 在 RGB 颜 色 空 间 中 具 有 很 强 的 特 异 性, 易 于 实 现 两 条 结 构 光 的 识 别 与 提 取. 利 用 结 构 光 的 颜 色 特 异 性, 在 RGB 颜 色 空 间 中, 使 用 像 素 的 R( 红 ) 分 量 与 B( 蓝 ) 分 量 的 差 值 作 为 结 构 光 识 别 和 二 值 化 的 阈 值, 实 现 了 两 条 结 构 光 的 分 别 提 取 [8]. [9-10] 结 构 光 光 条 中 心 线 的 获 取, 采 用 霍 夫 变 换 与 最 小 二 乘 法 相 结 合 的 方 法 : 利 用 霍 夫 变 换 统 计 图 像 上 的 各 个 目 标 像 素 点 的 坐 标 位 置, 分 别 计 算 每 个 像 素 点 可 能 存 在 的 直 线 的 相 关 参 数, 然 后 通 过 对 所 有 像 素 点 的 斜 率 参 数 进 行 归 类 计 算, 将 斜 率 差 异 值 较 大 的 像 素 点 按 照 斜 率 进 行 分 类 ; 利 用 最 小 二 乘 曲 线 拟 合 原 理, 分 别 对 不 同 区 域 的 像 素 点 进 行 分 段 拟 合, 从 而 获 取 单 像 素 宽 度 的 结 构 光 中 心 线. 图 7 为 结
第 期 彭莉科等 基于计算机视觉的卷烟包装尺寸测量方法 构光识别与细化示意图 中心两条结构光分别在样品的表面产生折线 通 透视逆变换 在世界坐标系到图像坐标系 过透视逆变换可以计算得到该折线每一段的长度 的投影过程中存在透视现象这会导致视场出现 即获得结构光照射位置的样品空间坐标旋转测试 透视畸变为准确获取样品的空间坐标需对获取 样品结构光分别照射到 位置分别测量 的中心线 进 行 透 视 逆 变 换并 对 透 视 畸 变 进 行 复 该位置的空间坐标样品旋转 后即完成样品 原 图 ８为分别对不同激光线颜色方向进行透视 逆变换的结果 ８ 获取 幅样 扫描本方法设置测试样品每旋转 品图像一次完整测量共获取图像 幅 Ｄ重建与尺寸测量 将每幅图像处理得到的样品空间坐标按照其旋 上述步骤实现了从被样品调制的结构光图像 转角度组合到一起 即构成了测试样品的空间坐标点 到样品被照射位置的空间坐标为测量样品的空间 云 按照上述方法得到的烟包空间点云如图 所示 信息需融合每幅图像获取的空间坐标实现 Ｄ重 尺寸测量 为实现从空间点云中提取样品 建并从重建后的点云数据中提取待测信息 的尺寸参数 采用基于数值拟合的数据分析方法从 点云重构 为获取完整的待测样品的外观 点云数据中拟合 出 面 交 线 该 面 交 线 即 长 方 体 的 信息需对样品进行旋转扫描获取并记录每个旋 边 以面交线的交点作为长方体的顶点 获取长方体 转角度下 结 构 光 方 向 的 样 品 空 间 位 置 坐 标 信 息 即获得了样品的外切长方体各边长 的 ８个顶点后 图 为点云重构示意图由图 可见蓝色结构光测 量面与红色结构光测量面均通过测试样品的旋转 实验结果与分析 尺寸测量准确性分析 以标准块测量为对象考察本方法中尺寸测量的 准确性和重复性 次重复测量的统计结果见表 表 中 数 据 表 明本 方 法 的 测 量 误 差 优 于 ｍｍ标准偏差优于 能够满足卷烟包装 尺寸测量的要求 与人工测量方法的对比分析 实 验 考 察 本 文 方 法 与 人 工 方 法 参 照 ＹＣ Ｔ 测量效率的差异实验选取 组样品由同一 实验员操作分别对同一样品进行 次重复测量 所用时间及测量结果的变异系数对比结果见表 由表 可以看出 人工方法耗时约是本文方法的 ８倍 测量结果的变异系数高于本文方法两个数量 级 本文方法极大地提高了测试效率与稳定性且具 图 结构光识别与细化示意图 有不直接接触待测样品 易于实现自动化测量 最大 图 ８ 不同激光线颜色方向上的透视逆变换结果
郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 ８ 年 结语 针对卷烟烟包和条包的尺寸测量本文采用基 于双线结构光的 Ｄ成像方法获取了样品的三维 表面形貌较好地实现了卷烟烟包外观几何参数的 非接触式测量实验结果表明本文方法测量误差 ｍｍ标准偏差优于 单次测量耗时 优于 能够很好地满足实际检测的需求有效地提 约 高烟包和条包尺寸测量的效率和准确性为卷烟包 装尺寸测量提供了一种有效的自动化测量方法 参考文献 刘朝营许自成闫铁军机器视觉技术在烟草行业的 应用状况 中国农业科技导报 图 点云重构示意图 夏营威基于计算机视觉的烟草检测方法与系统研究 Ｄ 合肥 中国科学院合肥物质科学研究院 刘枝梅邓文怡娄小平结构光测量系统中光条中 北京机械工业学院学报 心的提取算法 陈晨黄欢基于数字图像处理的棒材自动统计方法 郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 方隽张乐年郑启旺机器视觉在烟条外包装检测系 机械制造与自动化 ８ 统中的应用 图 实验得到的空间点云 马丽娜曹新德基于图像处理技术的车型自动识别 表 标准块测试结果 对象 标称值 ｍｍ 测量均值 ｍｍ 郑 州 轻 工 业 学 院 学 报 自 然 科 学 版 系统设 计 误差 ｍｍ 标准偏差 Ｘ Ｊ Ｈ ＳＨＤ ＺＣ Ｃ ｍ 长 宽 ８ ８ ｍ ｍ Ｏ Ｌ Ｔ 高 ８ 魏宝刚鲁东明潘云鹤等多颜色空间上的交互式 表 两种方法之测量时间和变异系数对比结果 样 测量时间 品 人工方法 本文方法 变异系数 计算机学报 图像分割 Ｈ ＰＶＣＭ ｍ ｍ ｘ 人工方法 本文方法 李银华路新惠改进型自适应中值滤波算法在图像 处理中的应用 郑州轻工业学院学报 自然科学 限度降低人为误差等优点实验结果表明本文方 法与人工方法的测试结果无显著差异重复性数据 变异系数与标准偏差不依赖于均值 能够满足实际检 该检测技术能够在最大程度上还原目标模 测的需求 型并进行自动尺寸测量 且操作相对简便 高效 Ｐ ＵＳ ８ 曾接贤张桂梅储臖等霍夫变换在指数函数型曲 中 国 图 象 图 形 学 报 线检测中 的 应 用 版 ８ Ｋ ＹＫ ＴＫ ｍａ Ａ Ｄｍ ｍ ｍ Ｐ Ｄ Ｊ