基于圖像處理的透明液體厚度均勻性測(cè)量

趙曉麗

（山東工藝美術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250300）

在生產(chǎn)生活中，人們用到的很多產(chǎn)品都需要測(cè)量液體厚度的均勻性，本研究主要是為了采集圖像數(shù)據(jù)，并選取恰當(dāng)?shù)能浖M(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。如在醫(yī)用手套的生產(chǎn)過程中，必須對(duì)手套澆筑后未冷卻的液體進(jìn)行實(shí)時(shí)厚度的檢測(cè)，以保證澆筑后的產(chǎn)品質(zhì)量[1]。以往對(duì)這種醫(yī)用手套的質(zhì)量檢測(cè)大多采用澆筑后人工抽檢的方式進(jìn)行，效率低、漏檢率高、不合格率高。本研究提出一種檢測(cè)方法，應(yīng)用線性電荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）對(duì)透明液體厚度的均勻性進(jìn)行檢測(cè)。該方法可以間接檢測(cè)醫(yī)用手套的質(zhì)量，借助傳感器采集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果傳入顯示屏，方便工作人員發(fā)現(xiàn)不合格品，達(dá)到高效率、高準(zhǔn)確性的測(cè)量目的。

具體方法是在透明液體厚度測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，通過線性CCD采集透明液體折射后的光柵圖像，用Arduino編程采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至上位機(jī)顯示，通過Matlab編程顯示圖像中需要的信息，可以通過顯示屏直接將不合格的數(shù)據(jù)傳送給工作人員，以便工作人員采取實(shí)時(shí)補(bǔ)救措施。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

該透明液體厚度均勻性測(cè)量系統(tǒng)主要由光柵、線性光電傳感器模塊TLS1401CCD、Arduino UNO和計(jì)算機(jī)等部分組成，如圖1所示。通過光源補(bǔ)光燈對(duì)光柵打光，經(jīng)線性CCD采集后，通過二值化處理，形成黑白條紋。由于光柵的直線都是平行直線，經(jīng)過線性CCD采集的黑色條紋之間的距離也應(yīng)該是相同的。光柵經(jīng)透明液體折射后會(huì)形成另一組直線束。由于透明液體的厚度會(huì)直接影響折射后直線的位置，可以通過檢測(cè)折射后的直線束是否平行判斷液體的厚度是否均勻。實(shí)驗(yàn)是否可行可以先通過驗(yàn)證光柵直線束是否平行判定，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該思路可行。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

光柵有兩種：透射光柵和反射光柵，區(qū)別主要是光柵透射光的原理不同。光柵是由大量等寬等間距狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件，常用的光柵是在玻璃板片上雕刻出大量平行刻痕制成的，兩平行刻痕之間可以透光[2]，但是刻痕為不透光結(jié)構(gòu)。在精制的光柵上排列的刻痕很多，幾千條甚至上萬(wàn)條都能在1 cm寬度內(nèi)刻出來。光柵這種技術(shù)在傳統(tǒng)印刷的基礎(chǔ)上加入了數(shù)碼科技的優(yōu)點(diǎn)，在為光柵特別制備的膠片上，通過一些關(guān)鍵操作，就可以在膠片上顯示各式各樣的特殊效果。

CCD傳感器的作用是將光與電互相轉(zhuǎn)換，是一種新型裝置；光產(chǎn)生信號(hào)電荷之后，可以通過CCD傳感器存儲(chǔ)，功能非常強(qiáng)大；將特定時(shí)序的脈沖信號(hào)施加到CCD傳感器上，CCD傳感器存儲(chǔ)的信號(hào)電荷便可在內(nèi)部定向傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CCD傳感器自我掃描，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成[3]，具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和延時(shí)等功能。CCD傳感器的高集成度、低功耗特點(diǎn)非常明顯，在攝像領(lǐng)域能發(fā)揮價(jià)值。另外，信號(hào)處理和存儲(chǔ)的功能、圖像傳感器的應(yīng)用也得到了越來越多人的關(guān)注[4]。CCD包括線陣和面陣，區(qū)別在于將CCD像素排成平面還是直線的元件。如果排成1個(gè)平面的元件，則稱為面陣；如果排成1個(gè)直線的元件，則稱為線陣。

Arduino是包含硬件和軟件的平臺(tái)，可供研發(fā)人員選用其提供的程序，也可供研發(fā)人員自行修改代碼或自行封裝命令，是開源電子原型平臺(tái)。其開發(fā)環(huán)境是在Processing/Wiring的基礎(chǔ)上開發(fā)，參照了Java、C語(yǔ)言。Arduino電路板的各種型號(hào)成為其硬件，硬件部分的作用是與電路相連。計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境（即Arduino IDE）就是該平臺(tái)的軟件。研發(fā)人員首先要在軟件Arduino IDE中，按照標(biāo)準(zhǔn)編寫程序代碼，Arduino電路板接收到編寫好的程序，即可作出下一步反應(yīng)。外部環(huán)境信息能通過傳感器上傳給Arduino，然后Arduino通過控制馬達(dá)、燈光等其他裝置，反饋、影響外部的環(huán)境。Arduino的特點(diǎn)主要有：（1）Arduino IDE可以適應(yīng)各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有跨平臺(tái)的特點(diǎn)。（2）Arduino語(yǔ)言的靈活度高。（3）Arduino是開源電子原型平臺(tái)，在協(xié)議范圍內(nèi)能隨意改寫代碼。（4）作為一個(gè)優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺(tái)，發(fā)展迅速。

Matlab在本質(zhì)上是一款數(shù)學(xué)軟件，也被稱為矩陣工廠（矩陣實(shí)驗(yàn)室）。在復(fù)雜繁多的數(shù)值分析計(jì)算面前，Matlab的優(yōu)勢(shì)逐漸顯露。集多功能于一體的Matlab軟件能將人們的科學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次在線數(shù)據(jù)仿真，進(jìn)而分析數(shù)據(jù)的可信度及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的走勢(shì)，同時(shí)達(dá)到節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本的目的。Matlab主要為數(shù)值分析、矩陣計(jì)算提供更快、更精準(zhǔn)的計(jì)算平臺(tái)，使科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、更直觀地展現(xiàn)在人們面前；非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真、交互式程序設(shè)計(jì)功能給科研人員提供了易操作的計(jì)算環(huán)境。Matlab為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)等需要進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算的科學(xué)領(lǐng)域提供了完美的解決方案。Matlab與傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編輯模式不同，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：（1）數(shù)值計(jì)算效率高、準(zhǔn)確度高，減輕了研發(fā)人員的工作負(fù)擔(dān)。（2）圖形處理功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程過程及結(jié)果的可視化，降低了用戶學(xué)習(xí)難度，輸出更加形象。（3）自然化語(yǔ)言接近數(shù)學(xué)表達(dá)式，用戶界面簡(jiǎn)單易學(xué)，對(duì)新手而言容易接受。（4）應(yīng)用工具箱功能強(qiáng)大，工具可滿足用戶進(jìn)行各種仿真的需求。

該方法對(duì)透明液體厚度均勻性的測(cè)量主要通過CCD傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，再通過編程的方式將采集的圖片數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從分析結(jié)果中即可了解透明液體厚度的均勻性。

1.1 算法實(shí)現(xiàn)圖像采集

圖像數(shù)據(jù)采集工作首先應(yīng)用Arduino板編程，將程序調(diào)試好后，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過手動(dòng)對(duì)CCD調(diào)焦，在上位機(jī)獲得清晰的黑邊條紋后，即可得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖片，開始實(shí)驗(yàn)。

通過選用合適的LED補(bǔ)光燈對(duì)CCD補(bǔ)光，能夠有效減少頻閃的現(xiàn)象。將搭建好的試驗(yàn)臺(tái)調(diào)試之后，將下位機(jī)Arduino的程序錄入即可開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[5]。利用上位機(jī)顯示的圖像選擇合適的二值化閾值，如圖2所示，對(duì)光柵進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明，平行直線經(jīng)CCD處理后，二值化的黑色條紋之間的距離也相等，即直線束相互平行。

圖2 CCD在無透明液體時(shí)的圖像顯示

在光柵上涂需要測(cè)試的透明液體，本實(shí)驗(yàn)選擇膠水演示透明液體。一方面，膠水有一定的表面張力，不會(huì)像水一樣到處流動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；另一方面，膠水有較強(qiáng)的透光能力，能夠?qū)崿F(xiàn)所需要的功能，而且沒有腐蝕性，不會(huì)對(duì)光柵有影響，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。對(duì)不同部位的透明液體厚度進(jìn)行CCD測(cè)量，通過觀察二值化圖（圖3），初步了解透明液體厚度不均勻的位置[6]。如圖3所示，選取3個(gè)不同的位置，分別為光標(biāo)在0.206、0.260、5.000處，設(shè)置好二值化的閾值，即可得到3個(gè)位置的波形圖、灰度圖和二值化圖。從波形圖、灰度圖和二值化圖中可知這3個(gè)位置上的液體均勻度情況。

圖3 不同部位透明液體CCD圖像

1.2 算法實(shí)現(xiàn)圖像處理

按以上步驟得到圖像數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)包保存，導(dǎo)入Matlab軟件，進(jìn)行分析處理，分析黑色條紋之間的距離；編寫程序識(shí)別條紋間的距離，用Matlab軟件計(jì)算出經(jīng)透明液體折射后的直線束間的距離，根據(jù)Matlab軟件的可視化結(jié)果輸出判斷異常部位，計(jì)算出液體的均勻性[7]。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab軟件中，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成圖像顯示在圖表中，如圖4所示。根據(jù)處理后的圖像可知，數(shù)據(jù)的兩邊存在異常。

圖4 數(shù)據(jù)包經(jīng)Matlab處理后的圖像

將數(shù)據(jù)包進(jìn)一步處理，用柱狀圖顯示有液體時(shí)和無液體時(shí)直線間的距離，從中能夠直觀地看出異常點(diǎn)的位置和距離，如圖5所示。從圖片處理結(jié)果可知，第1、第2、第4、第11、第12光柵是存在異常點(diǎn)的位置，其中，第4光柵有液體和無液體時(shí)差距較大。

圖5 有液體和無液體時(shí)的距離對(duì)比

經(jīng)分析可知，CCD采集的是13根直線組成的直線束，由于光柵受溫度和其他因素的影響，發(fā)生了一定量的翹邊，兩邊的數(shù)據(jù)會(huì)有一定的異常，將邊緣的數(shù)據(jù)舍棄，繼續(xù)用Matlab進(jìn)行定量分析。

用Matlab進(jìn)一步定位異常距離的像素點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算出透明液體的均勻度。部分編程顯示如圖6所示。經(jīng)過Matlab軟件分析可知，第32和36像素之間不均勻，第36和40像素之間不均勻，第80和84像素之間不均勻，第84和88像素之間不均勻。通過數(shù)據(jù)分析，最后的結(jié)果是被測(cè)液體的厚度均勻性為69.230 8%。

圖6 編程計(jì)算透明液體厚度均勻性

2 結(jié)語(yǔ)

利用線性CCD對(duì)透明液體進(jìn)行厚度均勻性的測(cè)量，通過編程分析數(shù)據(jù)，從而提取出圖像中所需要的透明液體厚度信息，檢測(cè)醫(yī)用手套上的液體厚度是否符合標(biāo)準(zhǔn)。該方法完全滿足實(shí)驗(yàn)的要求，能實(shí)現(xiàn)高效率、高準(zhǔn)確的檢測(cè)目的。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以有效檢測(cè)透明液體厚度的均勻性，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和廣闊的應(yīng)用前景。