理管機(jī)機(jī)器視覺攝像機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒙春學(xué)，張團(tuán)善，張 帆，冀永樂，顏亞飛

（西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710048）

關(guān)鍵字 理管機(jī)；機(jī)器視覺；圖像處理；圖像采集

目前，在紡織行業(yè)中信息高速發(fā)展，紡織行業(yè)中對(duì)技術(shù)的要求越來越高，降低企業(yè)的成本提高生產(chǎn)效率對(duì)企業(yè)至關(guān)重要。理管機(jī)利用摩擦力和自身重心偏移，通過理管輪和紗管的摩擦，經(jīng)紗管輪的旋轉(zhuǎn)來整理紗管。這種理管機(jī)只能整理大小頭的紗管，但不能對(duì)不同顏色和帶殘線的紗管進(jìn)行識(shí)別。LGJ200B全自動(dòng)絡(luò)筒理管機(jī)是比較先進(jìn)的理管機(jī)。采用機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)判別細(xì)紗管顏色、方位和殘紗狀態(tài)，對(duì)細(xì)紗管分類，但采集圖像清晰度低，對(duì)殘線紗管以及殘管不能準(zhǔn)確檢測(cè)判斷，實(shí)際應(yīng)用中效率和準(zhǔn)確率較低。

本課題采用理管機(jī)對(duì)紗管采用機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)紗管圖像采集結(jié)構(gòu)，利用背景差分法處理圖像，通過控制電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)紗管的分揀，同時(shí)能準(zhǔn)確快速地檢測(cè)出紗管的大小頭、殘線管、斷管以及兩管的嵌套等問題，實(shí)現(xiàn)分揀。

1 理管機(jī)的工作原理

目前，針對(duì)紡織機(jī)械中，理管機(jī)主要整理分揀雜亂的紗管。自動(dòng)理管機(jī)效率高、正確率高、速度快和抗干擾性能強(qiáng)，但缺點(diǎn)是技術(shù)不夠成熟。理管機(jī)工作過程首先是把雜亂無章的紗管通過輸送機(jī)構(gòu)將紗管送進(jìn)理管機(jī)。利用紗管中心偏移和紗管的大小頭的特點(diǎn)，由理管輪先整理紗管大小頭統(tǒng)一，然后送至傳送帶，傳送帶將各種不同顏色的紗管經(jīng)過光照良好攝像機(jī)區(qū)域，攝像機(jī)采集視頻圖片傳送給圖像采集卡，再將數(shù)據(jù)傳送給圖像處理軟件，并將處理數(shù)據(jù)傳給控制系統(tǒng)?？刂齐姍C(jī)的動(dòng)作，將不同顏色紗管和殘管打進(jìn)相應(yīng)的通道。最后，用傳送帶將紗管框運(yùn)走[1-5]。

2 機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成

機(jī)器視覺檢測(cè)是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)，而理管機(jī)機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)利用光學(xué)和攝像機(jī)自動(dòng)地獲取紗管圖像并處理圖像獲取需要的信息用于控制理管機(jī)電機(jī)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)紗管的分揀。理管機(jī)機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)一般由光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡組成[6-8]。

2.1 光源選擇

系統(tǒng)中，照相機(jī)并不能看見物體而是看見物體表面反射出來的光。光源和光照方式是機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，直接影響輸入效果和圖像采集[9-12]。光源和光照方式?jīng)]有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,只能根據(jù)實(shí)驗(yàn)來選擇光源和光照方式。理管機(jī)機(jī)器視覺照明結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 照明結(jié)構(gòu)

圖1 采用雙LED光源能消除紗管的陰影，光源和傳送帶的夾角為45°，以保證有更多的反射光進(jìn)入攝像機(jī)鏡頭。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，光源到傳送帶的距離270mm，距攝像機(jī)230mm。光源的強(qiáng)度可以根據(jù)外界環(huán)境來調(diào)節(jié)達(dá)到最佳效果,使其采集到更清晰有效的圖像視頻。

2.2 鏡頭

鏡頭是系統(tǒng)的重要部分，功能是成像，鏡頭的質(zhì)量直接影響成像的質(zhì)量從而影響系統(tǒng)的整體性能。工業(yè)鏡頭的主要參數(shù)：焦距、光圈（相對(duì)孔徑）、視場(chǎng)、物距、相距、景深、分辨率、放大倍數(shù)、畸變、視野[13-14]。圖2為鏡頭的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2 鏡頭的結(jié)構(gòu)原理圖

攝影鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距、相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角這3個(gè)參數(shù)表征。因此，在選擇鏡頭時(shí)，首先需要確定這3個(gè)參數(shù)，然后考慮分辨率、景深、畸變、接口等。

2.3 相機(jī)

2.3.1 相機(jī)的選擇

工業(yè)用相機(jī)主要是CCD和CMOS兩種。CCD相機(jī)是以CCD芯片為核心將物理圖像經(jīng)光電轉(zhuǎn)化變成視頻圖像信號(hào)，CCD相機(jī)包括CCD傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理電路、外殼及機(jī)械光學(xué)接口。CMOS是和計(jì)算機(jī)接口集成在一塊的硅片上的圖像傳感器器件，該器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成品率高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但是成像質(zhì)量差、處理速度慢等,但CMOS有價(jià)格低、功耗小、尺寸大、集成電路多等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛。最終根據(jù)對(duì)比圖像的清晰度、速度，選擇德國(guó)生產(chǎn)的Balser acA640-120ucCCD工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)658px×492px，水平 /垂直像素 5.6μm×5.6μm,像素位深12bits,功率2.4W,幀速率120fps有通用接口，完全滿足傳送帶速度和光照設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 相機(jī)采集照片設(shè)計(jì)

理管機(jī)中，紗管是經(jīng)過傳送帶運(yùn)送的經(jīng)過攝像機(jī)被攝像機(jī)拍照采取圖像信息，傳送帶速度設(shè)計(jì)0.1m/s，每分鐘3～6m。由于紗管自身重量輕，傳送帶在傳送的過程中紗管有自傳現(xiàn)象，對(duì)圖像的采集結(jié)果影響不大,攝像頭固定不變，該設(shè)計(jì)攝像頭固定在傳送帶的正上方，距紗管中心420mm，鏡頭對(duì)準(zhǔn)紗管，不同顏色的紗管隨傳送帶經(jīng)過攝像頭區(qū)域，攝像機(jī)將采集的圖像傳送到圖像處理單元，后處理的信息傳送到上位機(jī)。

2.4 圖像采集卡

圖像采集卡是對(duì)攝像機(jī)輸出的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集提供與計(jì)算機(jī)的接口。圖像采集卡有兩種形式PCI和PXI總線，而PXI產(chǎn)品是基于PCI總線的，而PCI總線抗震動(dòng)、撞擊，而且對(duì)環(huán)境的溫度、濕度有極強(qiáng)的適應(yīng)性。

3 軟件方法設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到圖像處理。圖像處理主要運(yùn)用python-opencv來處理圖像，理管機(jī)紗管主要是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，運(yùn)動(dòng)檢測(cè)有幀差分法、運(yùn)動(dòng)模塊法、背景差分法等。背景差分法[15-17]主要針對(duì)靜態(tài)背景的應(yīng)用，而理管機(jī)紗管傳送帶背景一直不變。本系統(tǒng)采用背景差分法建模算法。

背景差分法是一種對(duì)靜止場(chǎng)景進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分割的通用方法，它將當(dāng)前獲取的圖像幀與背景圖像做差分運(yùn)算，得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)區(qū)域的灰度圖，對(duì)灰度圖進(jìn)行閾值化提取運(yùn)動(dòng)區(qū)域。為避免環(huán)境光照變化影響，背景圖像根據(jù)當(dāng)前獲取圖像幀進(jìn)行更新。 考慮到檢測(cè)目標(biāo)快、檢測(cè)準(zhǔn)確、易于實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)背景變化差異極小，光照變化差異不大，機(jī)械振動(dòng)不大，故采用該方法。對(duì)視頻圖像采集處理算法流程圖，如圖3。

圖3 視頻圖像采集處理算法流程圖

首先，只對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳送帶采集圖像對(duì)傳送帶進(jìn)行背景建模，接著對(duì)放有各種不同顏色的傳送帶采集圖像，用背景差分法處理后，用采集到的有紗管的視頻圖減去背景圖取絕對(duì)值，若像素點(diǎn)大于閾值則為前景圖。得到了想要的紗管彩色圖后，對(duì)紗管的RGB圖像進(jìn)行濾波、閾值和灰度處理圖，提取紗管輪廓。最后，對(duì)紗進(jìn)行顏色識(shí)別、保存參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)核對(duì)完成識(shí)別。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試和分析

本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用光源攝像頭對(duì)理管機(jī)不同顏色紗管檢測(cè)，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。采用雙LED光源和攝像頭對(duì)紗管進(jìn)行圖像采集，并運(yùn)用背景差分法對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，最終對(duì)得到的紗管圖像進(jìn)行灰度處理和閾值化處理提取輪廓。采集到的圖像和經(jīng)過處理的圖像,如圖4。圖5則是原始的光源和攝像機(jī)設(shè)計(jì)采集的圖像視頻。

圖4 新系統(tǒng)采集和處理的圖像

圖5 原始系統(tǒng)采集和處理的圖像

對(duì)采集圖像對(duì)比，紗管視頻圖和前景圖沒有大的差別，從顏色識(shí)別圖像觀測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采集到的圖像更接近紗管本身顏色。調(diào)整理管機(jī)的傳送速度、采集圖像的方式和圖像處理方法，采集到的圖像更清晰，能更準(zhǔn)確地判定出紗管的顏色。同時(shí)，采用圖像處理的方法簡(jiǎn)單，傳輸數(shù)據(jù)量小速度快能，使系統(tǒng)能快速地做出響應(yīng)，提高效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本課題以理管機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種圖像采集系統(tǒng)，采用的的是機(jī)器視覺采集視頻圖像的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了大量的檢測(cè)時(shí)間，運(yùn)用新的檢測(cè)方法和圖像處理相結(jié)合，達(dá)到穩(wěn)定采集視頻圖像，快速處理圖像，控制分揀紗管的作用。通過對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)滿足對(duì)理管機(jī)的要求，攝像機(jī)可以快速穩(wěn)定地采集圖像視頻。與傳統(tǒng)的理管機(jī)相比較，機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。