機(jī)器視覺在皮革收縮溫度測定儀中位移測量的應(yīng)用研究

亢潔，盧曉杰，寧鐸

（陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710021）

引言

收縮溫度（shrinkage temperature，以下簡稱Ts）是評(píng)定以膠原纖維為特征的有機(jī)材料的一個(gè)主要性能指標(biāo)，以皮革為例，具體指皮革在濕熱環(huán)境中收縮形變對(duì)應(yīng)的最低溫度[1]，通常還與鞣制工藝有關(guān)。我們通過皮革試樣在恒速升溫加熱的（水或甘油)介質(zhì)中開始收縮時(shí)介質(zhì)的溫度確定其可加工性，判斷革的鞣制程度和熱穩(wěn)定性，因?yàn)闊岱€(wěn)定性是皮革材料加工過程中的關(guān)鍵指標(biāo)之一[2]。因此，準(zhǔn)確地測定皮革的收縮溫度，了解皮革的耐濕熱穩(wěn)定性，對(duì)于正確判斷皮革的物理性能有重要的意義。根據(jù)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB/T 1271－2012《毛皮物理和機(jī)械試驗(yàn)收縮溫度的測定》中的規(guī)定，測定收縮溫度的定義是試樣從最大長度收縮0.3%時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度[3-4]。本次研制中試樣長度均按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用50 mm，因此0.3%對(duì)應(yīng)的長度即為0.15 mm。然而0.15 mm的微小位移測量一直是皮革收縮溫度測定儀的難點(diǎn)，目前使用較為廣泛的仍然是以霍爾傳感器作為位移檢測傳感器的皮革收縮溫度測定儀，然而霍爾傳感器存在自身的非線性和“磁飽和”的問題，其在0~0.15 mm范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎飽和并且變化很小，輸出電壓變化率小于正常值，因此該區(qū)間的電壓變化率并不能真實(shí)地反應(yīng)位移變化情況，給位移測量帶來了誤差[5]。也有研究者采用光柵式的位移傳感器，其精度雖然可以滿足要求，但由于成本過于高昂，無法推廣使用[6]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并且很快地用到了其它的學(xué)科領(lǐng)域，它是從采集的圖像或視頻中提取信息，根據(jù)需求進(jìn)行圖像處理后獲得目標(biāo)的數(shù)據(jù)并最終用于實(shí)際檢測、測量和控制[7-8]。曹繼春等通過視覺技術(shù)結(jié)合光學(xué)器件，在理論方面論證了視覺技術(shù)在皮革收縮溫度測定儀中高精度測量微小位移的可行性[9]，而由于技術(shù)條件的限制，僅停留在理論設(shè)計(jì)階段。相比其它傳感器，機(jī)器視覺在定位目標(biāo)和位移測量等方面具有不可比擬的優(yōu)勢，其最大的特點(diǎn)是精確度高，線性度好，不會(huì)像其它的電容式、電感式等傳感器受到溫度或電磁場的影響，具有更好的魯棒性和高性價(jià)比[10]。因此本文采用機(jī)器視覺技術(shù)測量皮革收縮的位移，旨在提高皮革收縮位移測量的精度，使得測定的材料收縮溫度更加準(zhǔn)確，為皮革的鞣制參數(shù)、使用定位方面提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，顯示屏上正常顯示初始化界面，待到掛好皮樣后按下開始檢測的按鍵，此時(shí)圖像處理器的GPIO口會(huì)收到觸發(fā)信號(hào)，開始控制圖像采集器（攝像頭）采集皮革試樣的受熱狀態(tài)，通過圖像處理算法得到皮革試樣的實(shí)時(shí)長度，同時(shí)完成對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（開始收縮、快速收縮、結(jié)束收縮等）進(jìn)行語音播報(bào)和溫度記錄，然后將其通過UI界面顯示出來并且生成一條連續(xù)不間斷的長度曲線，連續(xù)記錄皮革試樣的長度與對(duì)應(yīng)的溫度信息，從而準(zhǔn)確的得到皮革的收縮溫度，為專業(yè)技術(shù)人員探索和發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)在特征、影響因素與潛在規(guī)律創(chuàng)造了條件。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of the system

圖2為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)流程，通過硬件平臺(tái)的選擇，編譯環(huán)境的搭建和軟件算法的編寫來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

圖2 位移測量系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖Fig.2 The overall structure of the system Overall design of displacement measurement system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括樹莓派開發(fā)板、圖像傳感器、位移采集環(huán)境及機(jī)械結(jié)構(gòu)等。樹莓派開發(fā)板Raspberry Pi-4B有4個(gè)USB接口，此處使用其中的2個(gè)USB口分別驅(qū)動(dòng)圖像傳感器（攝像頭）和喇叭。當(dāng)樹莓派接收到來自GPIO口的觸發(fā)信號(hào)后，開始啟動(dòng)圖像傳感器進(jìn)行拍攝，拍攝周期為500 ms，然后利用內(nèi)置的圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，最后將處理后的結(jié)果通過曲線的形式顯示在顯示屏上。系統(tǒng)位移采集環(huán)境中光學(xué)部件組成的光路結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 測量位移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of measuring displacement system

圖3為位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組成部分，皮革試樣被置于燒杯中的加熱介質(zhì)中，加熱介質(zhì)通常為每分鐘上升2℃的甘油?？紤]到此類介質(zhì)的顏色和光透射率不佳等因素對(duì)發(fā)光目標(biāo)的浸沒，不利于獲得清晰準(zhǔn)確的標(biāo)志邊界，進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)圖像采集和處理等操作后所獲得的位移信息存在偏差，因此本設(shè)計(jì)采用導(dǎo)出式的非接觸式位移測量方式，通過皮革試樣受熱收縮后拉起位移導(dǎo)出桿，然后攝像頭采集到導(dǎo)出桿上的標(biāo)志物信號(hào)，經(jīng)過圖像處理和計(jì)算后得到皮革試樣的實(shí)時(shí)長度。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四個(gè)位移導(dǎo)出桿，不僅提高了檢測效率，可一次性測試四個(gè)皮革試樣的收縮溫度，還通過導(dǎo)出桿本身的3 g質(zhì)量來對(duì)皮革試樣進(jìn)行自然配重，實(shí)現(xiàn)了皮革試樣在檢測過程中要受到3 g恒定張力的檢測條件。

此外，若采用常規(guī)的黑色標(biāo)志物和白色自發(fā)光光源背景板，固然也可實(shí)現(xiàn)圖像信號(hào)的處理與計(jì)算，但由于圖像信號(hào)采集環(huán)境復(fù)雜，測量時(shí)攪拌電機(jī)與攝像頭同在采集盒內(nèi)，極易帶起雜質(zhì)飛濺到白色光源背景板上，從而出現(xiàn)干擾信號(hào)。為了使得采集到的圖像信號(hào)更加穩(wěn)定，在此設(shè)計(jì)了一種新的采集方式，即將數(shù)據(jù)采集盒里的圖像采集環(huán)境設(shè)置為圖3所示的黑暗環(huán)境，然后在導(dǎo)出桿標(biāo)志物凹槽上涂抹需要特定波長的激勵(lì)光源照射才能發(fā)出單色可見光的無機(jī)熒光粉，再將圖像采集算法設(shè)置為僅采集單色通道圖像，這樣空間中由于攪拌而可能產(chǎn)生的雜質(zhì)就算落到了背景板或?qū)С鰲U的標(biāo)志物上，只要不是全遮擋標(biāo)志物，也會(huì)因?yàn)椴话l(fā)單色光而被忽略掉，不僅非常有效地處理了背景噪聲的干擾，還使得目標(biāo)特征的標(biāo)志物信號(hào)易于識(shí)別，信噪比有效增大，大大提升了視覺檢測的效率和穩(wěn)定性。

2.1 樹莓派開發(fā)板Raspberry Pi-4B

綜合考慮各模塊性能需求，系統(tǒng)中圖像處理器選用樹莓派開發(fā)板Raspberry Pi-4B作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心控制器。Raspberry Pi-4B較之上一代樹莓派3B+性能有了更大的提升，主板采用BCM2837芯片組，運(yùn)行頻率為1.5 GHz，四核ARM Cortex-A72。它還具有2 GB的LPDDR4存儲(chǔ)器，4個(gè)USB連接口以及HDMI視頻/音頻連接器，這些豐富的外設(shè)接口完全滿足了此次的性能需求和接口要求。

2.2 圖像傳感器

綜合考慮圖像采集環(huán)境等因素，我們選用索尼的自動(dòng)對(duì)焦4K高清IMX415攝像頭，該款攝像頭可在2 s內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)到最清晰畫質(zhì)，從而捕捉導(dǎo)出桿的綠色標(biāo)志物信息，該攝像頭通過USB接口與樹莓派開發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，像素高達(dá)800萬，完全滿足系統(tǒng)的監(jiān)測要求。

2.3 可觸摸顯示屏

選用智顯達(dá)11.6寸高清工業(yè)觸摸屏，采用12 V電壓供電與樹莓派通過HDMI接口連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重要組成部分之一，配置Qt的編譯環(huán)境后，系統(tǒng)程序利用C++語言編寫。在樹莓派燒錄的Linux系統(tǒng)安裝Qt軟件，編寫人機(jī)互動(dòng)界面程序，然后配置OpenCV庫開發(fā)圖像處理算法，主要包括攝像頭的驅(qū)動(dòng)和獲取圖像后的處理算法等。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 位移測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of software design of displacement measurement system

系統(tǒng)接收到啟動(dòng)檢測信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)攝像頭進(jìn)行周期為0.5 s的拍攝，即每秒鐘拍攝兩組圖像并對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后把處理后獲得的皮革試樣長度數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示到開發(fā)的界面上，一直等到待測試樣全部結(jié)束收縮（試樣長度不再發(fā)生變化）后系統(tǒng)停止工作，最終得到待測試樣的長度變化曲線和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)（開始收縮、快速收縮、結(jié)束收縮）。軟件設(shè)計(jì)部分主要由兩個(gè)核心模塊組成：圖像處理模塊與用戶界面模塊。

3.1 圖像處理模塊

作為系統(tǒng)最為重要的功能部分，主要負(fù)責(zé)接收啟動(dòng)指令后對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行特定處理，具體的處理流程如圖5所示。

圖5 圖像處理流程圖Fig.5 Image processing flow chart

3.1.1 圖像采集階段

圖像采集要求采集到的圖像清晰穩(wěn)定，目標(biāo)特征與背景特征對(duì)比度足夠大，且目標(biāo)特征具有可識(shí)別性。設(shè)定為實(shí)驗(yàn)過程中每500 ms采集一張圖像，然后對(duì)采集的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與可靠性。

為了使獲得的目標(biāo)和背景的對(duì)比度更大，易于進(jìn)行二值化圖像分割、邊緣檢測、目標(biāo)識(shí)別，相較于傳統(tǒng)的白背景黑色標(biāo)志物的采集環(huán)境，此次采集環(huán)境設(shè)計(jì)為在黑暗環(huán)境中采集需特定波長的紫外線照射才能發(fā)出綠色可見光的圖像位移信號(hào)，然后設(shè)置圖像處理算法為僅采集設(shè)定單色通道的信號(hào)，這種方式較之前者具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

3.1.2 圖像預(yù)處理階段

一幅完整的RGB圖像均是由紅色綠色藍(lán)色三個(gè)通道組成的，而在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)，常常需要將一個(gè)多通道圖像分離成單通道圖像。在本文的應(yīng)用場景下，若選取正常的彩色圖像做位移測量，則通過各種圖像處理操作之后得到標(biāo)志物位移的灰度圖，這樣的方法可以測量出皮革試樣收縮的位移，但很容易背景噪聲的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常進(jìn)行測量工作。

因此，我們經(jīng)過對(duì)標(biāo)志物的處理后，分離并僅提取圖像的單色通道，以此來確保標(biāo)志物圖像信號(hào)的穩(wěn)定性。圖6為紫外線照射下的發(fā)出單色可見光的標(biāo)志物原圖，此次測試的樣品數(shù)為四個(gè)，在紫外線的照射下，圖中的四個(gè)位移導(dǎo)出桿上的四組標(biāo)志物發(fā)出清晰的可見光，并以每組發(fā)光標(biāo)志物的間隔7 mm作為參考物高度，進(jìn)行后續(xù)階段的位移計(jì)算；三通道分離工作由Opencv的split函數(shù)完成，然后提取到的單色通道圖像如圖7所示；經(jīng)過圖像的二值化、形態(tài)學(xué)處理和Canny邊緣檢測后，圖6中的發(fā)光標(biāo)志物原圖最終處理效果如圖8所示。

圖6 紫外線照射下發(fā)出單色光的標(biāo)志物原圖Fig.6 Original image of markers that emit monochromatic light under ultraviolet irradiation

圖7 分離出的單色通道標(biāo)志物圖Fig.7 Isolated single-color channel marker map

圖8 圖像預(yù)處理后發(fā)光標(biāo)志物圖Fig.8 The luminescent marker map after image preprocessing

3.1.3 位移計(jì)算階段

在進(jìn)行目標(biāo)尺寸測量時(shí)，為了確定實(shí)際物體的大小，我們需要設(shè)置一個(gè)參考目標(biāo)，而這個(gè)參考物應(yīng)滿足以下的兩個(gè)基本屬性：

（1）參考物的實(shí)際尺寸；

（2）參考物需要具有唯一的可識(shí)別性，例如獨(dú)特的顏色等。

本文此次設(shè)定的參考物是在四個(gè)位移導(dǎo)出桿上分別加工四組間隔為7 mm的發(fā)光點(diǎn)，代表每次實(shí)驗(yàn)最多可測四個(gè)試樣，且在

紫外線照射下才可發(fā)出可見單色光，完全滿足上述的兩個(gè)條件。然后我們使用它來定義一個(gè)度量指標(biāo)K，將其定義為：

K=object_height/know_height

其中，object_height表示參考目標(biāo)的高度（以像素為單位），即參考目標(biāo)在圖像中占據(jù)的像素個(gè)數(shù)；而know_height表示參考物體的實(shí)際高度，本文設(shè)定的參考物的實(shí)際高度是7.00 mm，假設(shè)我們的object_height為248個(gè)像素，則K=248 px/7.00 mm=35.428 px，即在我們的待測的位移圖像中，每1.00 mm大約有35.428個(gè)像素。利用這個(gè)比率，我們可以計(jì)算圖像中皮革收縮的長度。即在實(shí)際的皮革受熱測量中我們可以根據(jù)標(biāo)志物像素的變化個(gè)數(shù)結(jié)合度量指標(biāo)K，計(jì)算出實(shí)際位移的變化長度，得到皮革收縮的實(shí)時(shí)長度。

3.2 用戶界面模塊

該模塊用于向系統(tǒng)輸入控制指令，以及在界面上動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)曲線、介質(zhì)實(shí)時(shí)溫度和皮革試樣的實(shí)時(shí)長度，界面主要包括曲線顯示區(qū)域和主菜單功能區(qū)域。曲線顯示區(qū)域主要顯示實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)與試樣的長度數(shù)據(jù)曲線，并實(shí)時(shí)顯示檢測狀態(tài)、檢測時(shí)間與溫度數(shù)值。

主菜單功能區(qū)域則包括通信檢測界面、曲線放大縮小、參數(shù)設(shè)置界面、操作規(guī)程界面和曲線保存與查看界面。參數(shù)設(shè)置為核心功能界面，主要負(fù)責(zé)相機(jī)的校準(zhǔn)，升溫速率的選擇，最高溫度的限定以及修改參數(shù)設(shè)置密碼。通信檢測則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測與外部上位機(jī)的連接。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖9所示的該組實(shí)驗(yàn)測量的是四種不同材質(zhì)的皮革試樣在甘油為加熱介質(zhì)時(shí)以2℃/min的速率受熱的狀態(tài)曲線，上限溫度為130℃，圖中L1、L2、L3、L4分別為測試皮樣的長度變化曲線，T為溫度變化曲線，橫軸為測試時(shí)間（s），左縱軸為溫度數(shù)據(jù)（℃），右縱軸為皮樣的實(shí)時(shí)長度（mm），圖的右半部分為數(shù)據(jù)區(qū)域。從圖中可以看出，柔性材料干皮在浸入甘油介質(zhì)中由于物理?xiàng)l件溫濕度的變化，首先出現(xiàn)了長度大于初始長度50 mm的情況，而隨著介質(zhì)溫度的升高，達(dá)到其收縮溫度后皮革開始產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的收縮，最終在達(dá)到設(shè)定上限溫度130℃時(shí)，逐漸停止收縮。由虛線框起來的紅色數(shù)據(jù)為四個(gè)皮樣對(duì)應(yīng)的收縮溫度，1號(hào)~4號(hào)皮革試樣結(jié)束檢測時(shí)收縮溫度分別為103.0、102.0、109.6、71.9℃，皮革試樣長度分別為40.8、34.9、36.4、34.0 mm（為使檢測時(shí)試樣長度變化有較為穩(wěn)定的視覺效果，此處對(duì)試樣長度的顯示僅保留0.1 mm），且由此數(shù)據(jù)可以看出它們的收縮溫度有明顯差異，并且各自的收縮趨勢也有很大差異，圖中快速收縮溫度對(duì)應(yīng)的曲線斜率最大的一點(diǎn)，即在該點(diǎn)皮革的長度收縮最快。實(shí)驗(yàn)得到的溫度和長度數(shù)據(jù)如表1所示。

圖9 四種不同皮革試樣的收縮曲線圖Fig.9 Shrinkage curves of four different leather samples

由表1可以得出，試樣由開始受熱逐漸收縮到結(jié)束收縮的測量時(shí)間為59 min 0 s，即3540 s，共獲取7080組數(shù)據(jù)。

表1 四種不同試樣實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental measurement data of four different samples

圖10所示的該組實(shí)驗(yàn)測量的是四種相同材質(zhì)的皮革試樣在甘油為加熱介質(zhì)時(shí)以2℃/min的速率受熱的狀態(tài)曲線，上限溫度為130℃，圖中L1、L2、L3、L4分別為測試皮樣的長度變化曲線，T為溫度變化曲線，由虛線框起來的紅色數(shù)據(jù)為四個(gè)皮樣對(duì)應(yīng)的收縮溫度，1號(hào)~4號(hào)皮革試樣結(jié)束檢測時(shí)的收縮溫度分別為109.6、108.5、109.9、109.1℃，皮革試樣長度分別為34.5、36.9、36.4、34.6 mm，收縮溫度數(shù)值相近，收縮后的長度也大致相同，由此數(shù)據(jù)可以看出它們的特性基本相同，各自的收縮長度變化趨勢有明顯的一致性。

從上述兩組實(shí)驗(yàn)可以看出，以圖像處理的方式得到的位移數(shù)據(jù)精度都可達(dá)到0.01 mm，可以看出采用機(jī)器視覺的技術(shù)測量皮革收縮位移具有更高的精度。以上兩組實(shí)驗(yàn)均是一次性測試四個(gè)皮革試樣，而本系統(tǒng)還可測試單個(gè)皮革試樣，也可測試兩個(gè)或三個(gè)不同皮革試樣，從而對(duì)比不同的皮革材料隨溫度升高時(shí)的收縮特性。

5 結(jié)論

本文開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的測定皮革收縮溫度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以高性價(jià)比的嵌入式平臺(tái)樹莓派為控制核心，為其設(shè)計(jì)相應(yīng)的激勵(lì)光源、發(fā)光標(biāo)志、導(dǎo)出型位移測量結(jié)構(gòu)等部件組成的圖像采集專用光路，然后將圖像處理技術(shù)和界面開發(fā)技術(shù)運(yùn)用到皮革收縮溫度測定儀上，一次性實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮革試樣收縮過程中微小位移的非接觸式高精度測量和其始終處于3 g恒定張力狀態(tài)下的檢測條件，檢測精度也達(dá)到0.01 mm，有效地解決了以往的測量方法精度不足和線性度差的問題，展現(xiàn)了機(jī)器視覺在測量微小位移領(lǐng)域的高性價(jià)比，該系統(tǒng)可靈活地運(yùn)于皮革行業(yè)，為檢測材料的熱穩(wěn)定性參數(shù)和進(jìn)行專業(yè)分析研究創(chuàng)造了條件。