基于機器視覺的黑晶面板幾何參數測量方法

李 民，周亞同，張忠偉，樊逸杰

(1.河北工業(yè)大學電子信息工程學院，天津 300401；2.北京安視中電科技有限公司，北京 100871)

0 引言

黑晶面板是在電磁爐表面廣泛應用的黑色有機玻璃板，其幾何參數包括長、寬、圓角半徑、兩條邊夾角度數等。通過上述參數可以判斷黑晶面板是否發(fā)生了形變以及是否合格。然而，目前黑晶面板的幾何參數測量還停留在人工測量階段。由于黑晶面板種類多、數量大，人工測量只能采取抽樣檢測，不僅效率低，還會造成視覺疲勞影響檢測效率[1]。

目前，很多學者已對玻璃面板進行了尺寸測量，測量設備前端的光路設計是很重要的一部分，直接影響著后端圖像采集質量和設備成本[2]。不同種類的玻璃面板的打光方式不同，朱錚濤[3]等采用多個小光源置于測量點下方組成背光源系統(tǒng)。但本文黑晶面板透光性差，因此采用多個大光源環(huán)繞打光的方式使其邊緣更清晰地成像。

在圖像邊緣檢測方面，張紅霞等[4]研究表明，Canny算子檢測的邊緣細膩且得到增強，檢測精度較高。郭瑞峰等[5]彌補了Canny算子對噪聲敏感，且容易檢測出假邊緣或者丟失真邊緣的缺點，得到了較好的邊緣輪廓。李雪嬌等[6]提出了基于Canny算子的一種單像素邊緣檢測算法，有效提高檢測精度。趙明[7]提出了基于類間距的自適應閾值算法，可以方便選取合適的閾值。

在測量系統(tǒng)標定方面，張正友[8]提出了一種靈活的平面標定方法，但對初值的依賴性較大。為此張俊勇[9]等從影響初值求解精度方面入手，使用高精度棋盤格標定板，采用隨機抽樣一致性算法[10](RANSAC)提高標定精度。吳慶華[11]等提出了一種大尺寸測量系統(tǒng)快速標定方法，該方法標定速度很快，但只適用于大尺寸測量系統(tǒng)。

針對光源打光方式、邊緣檢測、系統(tǒng)標定等問題，提出了基于機器視覺的黑晶面板幾何參數測量方法，采用大光源環(huán)繞打光的方式，通過Canny邊緣檢測和霍夫直線檢測得到輪廓的邊緣信息，再對邊緣信息進行處理，計算系統(tǒng)標定，得到最終的結果。對黑晶面板邊長的測量精度能達到0.1 mm，實現對產品100%測量。

1 測量裝置、打光方式及相機擺放

本文的黑晶面板幾何參數測量裝置如圖1所示。當流水線開始運行，打開光源，黑晶面板從圖1的左側經傳送帶向右移動，通過觸發(fā)相機識別黑晶面板的來去。觸發(fā)剩余4個相機采集圖像，采集完畢后對圖像進行實時處理，計算黑晶面板的幾何參數，判斷是否發(fā)生形變以及是否合格。

圖1 黑晶面板幾何參數測量裝置

當前測量裝置采用條形光源，四面打光的方式，4個890萬工業(yè)相機采集圖像和一個230萬工業(yè)相機作為觸發(fā)相機，相機呈L型擺放，如圖2所示。選擇合適的物距，通過式(1)計算出相機的視野范圍，以保證該測量系統(tǒng)能夠測量200 mm×200 mm至400 mm×600 mm范圍的黑晶面板。

(1)

式中：w為所求視野長或寬；H為頭到物體的距離，即物距；RP為相機的分辨率；P為像元尺寸；f為分辨率。

圖2 相機擺放位置示意圖

在上述裝置中，1至4號相機是圖像采集相機，5號相機是觸發(fā)相機。在面板運行過程中，當5號相機識別到面板進入視野觸發(fā)1至4號相機進行拍照，當識別到面板離開再次觸發(fā)1號和2號相機拍照，如此便得到了黑晶面板4個角的信息。

2 黑晶面板幾何參數測量流程

本文提出的黑晶面板幾何參數測量方法的具體流程如圖3所示。

圖3 黑晶面板幾何參數測量方法流程

在黑晶面板運行過程中，采集黑晶面板4個角的圖像，然后對采集到的圖像進行高斯濾波，再進行二值化使邊緣更加清晰，然后進行Canny邊緣檢測找到圖像的整體邊緣，霍夫直線檢測找到邊緣的直線信息，進行最小二乘法擬合得到直線，再分出圓角的坐標用最小二乘法擬合圓角，最后采用霍夫直線矯正算法校準并采用人工補償算法校準最終的結果。

3 黑晶面板幾何參數測量方法

3.1 圖像預處理

對圖像進行預處理，減少圖像噪聲的影響方便后續(xù)處理[12]。本文選擇的是5×5的高斯模板，σ取0.8，對采集圖片采用高斯濾波進行去噪。本文使用的是5×5的高斯濾波器模板，而高斯濾波模板是根據二維高斯函數離散得到的，以5×5模板為例，以中心位置為坐標原點進行取樣；模板在各個位置的坐標，如表1所示，其中i軸(和x軸位置相同)水平向右，j軸(和y軸反方向)豎直向下。

表1 高斯濾波器模板位置坐標

將各個位置的坐標帶入到高斯函數中，得到的值就是模板的系數；對于窗口模板大小為(2k+1)·(2k+1)，模板中各個元素值通過式(2)計算：

(2)

3.2 邊緣提取

對二值化之后的圖像進行Canny邊緣檢測，得到清晰邊緣輪廓，然后對該輪廓進行霍夫直線檢測?；舴蛑本€檢測[14]的基本原理在于利用點與線的對偶性，即在圖像空間中的直線與參數空間中的點一一對應，參數空間中的曲線與圖像空間中的點也一一對應。因此霍夫直線檢測算法就是把圖像空間中的直線檢測問題轉換為參數空間中點的檢測問題，通過在參數空間中尋找得票數最多的點完成直線檢測任務，該點就是所求的霍夫直線。

在實際應用中參數空間選擇為極坐標系ρ-θ，在圖像空間(直角坐標系x-y)中直線表達式是y=k·x+b，其中k是斜率，b是截距。變換到極坐標系中是ρ=x·cosθ+y·sinθ，其中ρ是極徑，θ是極角。可以看出圖像空間中每一條直線都可以用極坐標系中的點(ρ，θ)來表示，或者說圖像空間(直角坐標系x-y)中的一個點對應極坐標系中的一條曲線。如此就可以將直角坐標系下所有點轉換為極坐標系下的直線，如圖4所示。

圖4 點線轉換圖

3.3 邊緣擬合

霍夫直線檢測得到的直線較粗糙，只選出得票數最多的直線，但霍夫直線周圍還有一些未涉及到的點，因此霍夫直線檢測得到的直線并不準確，為此采用最小二乘法進行擬合以期得到更精準的直線。

為將霍夫直線周圍的點全部用于直線擬合，在霍夫直線周圍設置管狀區(qū)域，即對霍夫直線的極徑ρ進行加減同一數值，這樣就在霍夫直線的兩側各得到一條直線從而形成一個管狀區(qū)域，在這個區(qū)域內將所有的點進行直線擬合，可得到更加準確的直線。直線擬合完成后進行圓角擬合，在二值化圖像中掃描出該圖像上所有的邊緣點，刪除用于擬合直線的點，剩下的像素點就是用于擬合圓角的點，接著采用最小二乘法擬合圓角。

采用斜截式直線方程計算得出采用最小二乘法擬合直線的參數，需要考慮到該方法不適用于垂直x軸的直線，因此在擬合黑晶面板的豎直邊時，為了避免出現無限接近垂直的情況，將豎直邊上由霍夫直線形成的管狀區(qū)域內的所有點的橫縱坐標互換，即像素點的坐標原本是(x1,y1)，如今變成(y1,x1)，令此時的x=y1,y=x1，將其代入公式即可得到此時的關系式：x=l·y+m的參數l和m，其中l(wèi)是斜率，m是截距。最后再根據此時的關系式求其反函數得到豎直邊的擬合直線。如此便得到了更為精確的邊緣直線。

3.4 矯正直線

對直線進行矯正是考慮到擬合圓角時，由于設計的管狀區(qū)域是對霍夫直線的極徑ρ進行加減相同數值，會把圓角的一部分點包括在內，導致圓角擬合不準，擬合結果有較大傾斜，其次，黑晶面板進入相機視野時的偏轉角不同，也會導致擬合直線時存在誤差，因此需要對直線進行矯正。

圖5為偏轉角度圖，4條直線的交點為原點，4條線為角度分割線，水平線上部的ρ取負值，水平線下部的ρ取正值。水平線上部的45°～90°區(qū)域內不可能有面板偏轉，因為會超出相機視野，不予考慮。

圖5 偏轉角度圖

水平線下部，ρ為正：0°～45°區(qū)域內，由原點引出一條直線，此直線一定是和黑晶面板縱向邊緣垂直(和水平邊緣垂直則面板超出視野)，可以得出一定是縱向邊緣向右傾斜的情況；45°～90°區(qū)域內出現直線一定是橫向邊緣向右上傾斜；90°～135°區(qū)域內出現直線一定是橫向邊緣向右下傾斜；135°～180°區(qū)域內出現直線一定是縱向邊緣，向左傾斜。

水平線上部，ρ為負：90°～135°區(qū)域內出現直線一定是橫向邊緣向右下傾斜；135°～180°區(qū)域內出現直線一定是縱向邊緣，向左傾斜。

由此可以看出，0°～45°區(qū)域內出現直線一定是縱向邊緣向右傾斜，此時ρ為正；90°～135°區(qū)域內出現直線一定是橫向邊緣向右下傾斜，ρ分正負；135°～180°區(qū)域內出現直線一定是縱向邊緣，向左傾斜，ρ分正負。以90°～135°區(qū)域為例，水平線上部ρ為負，下部ρ為正，在對該區(qū)域的橫向邊緣組成管狀區(qū)域時，先在霍夫直線上部畫直線，對水平線上部來說ρ是增加的，但此時ρ為負，所以此時ρ應該減去一個數值；對水平線下部來說ρ是減少的，但此時ρ為正，所以ρ應該減去一個數值。即90°～135°區(qū)域不管水平線上部還是下部具有相同的情況。同理，135°～180°區(qū)域不管水平線上部還是下部也具有相同的情況。所以，只要保證管狀區(qū)域總寬度一致，移動管狀區(qū)域可實現直線矯正。圖6是誤差直線和矯正直線。

(a)誤差直線

(b)矯正直線

3.5 結果矯正

經過上述一系列校準之后，還會存在一系列的誤差，長時間使用該裝置之后振動和灰塵等還會導致誤差逐漸增大，直到不滿足使用條件。為此需要對最終的計算結果進行校準。只需將同一規(guī)格的黑晶面板的每次測量結果都記錄下來，重復測試并計算出補償量，具體式(3)如下：

(3)

4 實驗結果及分析

4.1 系統(tǒng)標定

基于機器視覺的在線測量系統(tǒng)中，需要找到像素點和實際尺寸的一一對應關系，即系統(tǒng)標定[6]。本文采用的系統(tǒng)標定方法是根據已知的相機固定高度、像元尺寸、鏡頭、分辨率計算出此時相機的視野范圍，由此視野范圍與分辨率的比值即是像素點與實際尺寸的對應關系。最終得到每個像素對應實際尺寸是0.062 100 1 mm。

4.2 黑晶面板尺寸測量結果

為了驗證本文算法的可行性，在圖1所示檢測平臺下，基于VS2010開發(fā)環(huán)境編寫了黑晶面板幾何參數測量軟件。圖7示出了360 mm×290 mm4個角的擬合情況。

(a)1號相機第一次拍的左上角

(b)2號相機第一次拍的右上角

(c)1號相機第二次拍的左下角

(d)2號相機第二次拍的右下角

(e)3號相機拍的右下角

對該尺寸的不同黑晶面板進行了多次測量，表2是黑晶面板四條邊的測量結果及對角線之差?？梢钥闯霰疚乃惴▽呴L的測量精度可達到0.1 mm，兩對角線之差精度可達0.3 mm。

4.3 測量誤差分析

(1)采集圖像時邊緣處存在的灰塵沒有去除，可能會造成邊緣不穩(wěn)，引起誤差。

(2)采集圖像時由于黑晶面板的厚度不一、相機不能保證在黑晶面板圓角的正上方，導致在邊緣會出現陰影，采集圖像之后會引起較大誤差。

(3)利用最小二乘法進行邊緣擬合[15]時會存在擬合誤差。

5 結論

本文針對當前黑晶面板尺寸測量之不足，提出了一種基于機器視覺的黑晶面板幾何參數測量方法。

表2 黑晶面板四條邊的測量值 mm

首先對黑晶面板各個角的圖像進行預處理，然后進行Canny邊緣檢測，在此基礎上進行霍夫直線檢測，并在霍夫直線附近設置管狀區(qū)域，再對該管狀區(qū)域進行調整，然后對該區(qū)域內所有點進行直線擬合，最終根據公式計算黑晶面板的幾何參數。在實際的尺寸測量中，對黑晶面板的邊長測量精度可達到0.1 mm，兩對角線之差測量精度可達0.3 mm，與人工檢測相比，在測量精度上能達到更好的測量效果。