一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统及其测量方法与流程

1.本发明涉及机器视觉领域，尤其是视觉测量技术，特别涉及实时测量物体尺寸的技术，具体的是一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.轮胎生产过程中所使用的橡胶片经过裁断工序后，需要对胶片的几何尺寸包括长度、宽度、角度等几何参数进行测量，以确定是否符合生产要求。胶片良好的尺寸精度对轮胎成品的质量有着重要意义，现有生产线中多采用人工抽检的方式，检测效率低，精度较差，不能满足企业生产高质量轮胎的需求。
3.随着生产效率的提高，胶片输送带工作速度加快，现有视觉测量系统存在反射光源无法提供充足的进光量，图像采集质量较差；使用3d传感器进行图像采集导致系统复杂度高、测量速度慢等问题。同时，现有视觉测量方法中对相机的标定和校准较为复杂，存在标定过程中需要大量辅助设备且设备昂贵且难以操作等问题。如何在保证成像质量、测量速度与精度的同时设计一种简便易用的胶片测量系统与方法成为急需解决的问题。


技术实现要素：

4.鉴于以上内容，有必要提供一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统及其测量方法，以解决现有技术中检测胶片成像质量差、测量速度慢、标定方法复杂的技术问题。
5.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统，包括主架、输送带组件、红外led背光源、相机、精密滑台、控制装置；所述输送带组件安装在主架上，其输送面的正下方设置红外led背光源，所述输送带组件的输送面的正上方设置有相机，所述相机连接控制装置，所述相机的采集部正对输送面和红外led背光源设置，所述相机安装在精密滑台上，所述精密滑台安装在主架上。
7.优选地，所述相机为工业线阵相机，所述的控制装置为工业控制计算机。
8.优选地，所述精密滑台通过相机支架安装在主架上。
9.此外，本发明还提供一种输送带上胶片尺寸视觉测量方法，利用上述的一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统进行测量，所述测量方法包括如下步骤：
10.s1、对所述相机进行校准及标定，具体包括角度校准和长度校准，步骤如下：
11.s1.1、进行角度校准：
12.s1.1.1、所述输送带组件低速运转，其输送面上放置一块棋盘格标定板，所述棋盘格标定板随输送带组件的运转而运动至相机采集部的正下方；
13.s1.1.2、通过所述精密滑台调整相机绕x、y轴旋转，当所述棋盘格标定板位于图像中心且成像清晰时，所述相机光轴所在平面与输送带组件的输送面平行；
14.s1.1.3、粗调所述精密滑台沿z轴方向在
±
5度范围内旋转，每次旋转1度，每次旋转后所述相机采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置；然后，在控制装
置中，使用角点检测算法获取棋盘格标定板上角点u点、v点、w点像素坐标，根据所得像素坐标计算uv连线、vw连线、uw连线的间距，再使用余弦定理计算uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角θ最接近90度的两张并记录其对应的所述精密滑台旋转角度为x1、x2。
15.s1.1.4、在x1、x2区间内，使用千分尺精调精密滑台绕x、y轴的旋转，每次旋转0.1度，且每次旋转后所述相机采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置；然后，采用s1.1.3步骤中的计算方法计算棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角θ最接近90度的两张并记录其对应的所述精密滑台旋转角度为x3、x4；
16.s1.1.5、在x3、x4区间内，使用千分尺精调精密滑台绕x、y轴的旋转，每次旋转0.01度，且每次旋转后所述相机采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置；然后，采用s1.1.3步骤中的计算方法计算棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角最接近90度的精密滑台旋转角度为角度校准结果；
17.s1.2、进行长度校准：
18.s1.2.1、将所述输送带组件调整至额定工作转速；
19.s1.2.2、利用图像的交比不变性计算图像在速度方向上的畸变：取棋盘格标定板平面上共线的任意四个方格角点a、b、c、d的世界坐标带入公式计算世界坐标交比；
20.s1.2.3、在图像信息上提取对应a、b、c、d四个方格角点的图像坐标a1、b1、c1、d1，计算其图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)；
21.s1.2.4、计算当前图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)与世界坐标交比cr(a,b；c,d)之差c。
22.s1.2.5、对所述相机信号采集频率进行分频处理，当c《0时每次增加0.1倍的信号采集频率使图像拉伸；当c》0时每次减小0.1倍的信号采集频率使图像压缩，直至交比之差c的绝对值最小，完成长度校准；
23.s1.3、计算棋盘格标定板的长和宽在像素坐标系下与世界坐标系下的比值作为尺寸计算的比例系数k1；
24.s2、所述输送带组件运转，开始输送胶片；
25.s3、所述红外led背光源发出红外光照亮胶片背景；
26.s4、所述相机采集输送带组件上胶片的图像信息，并将所采集的图像信息发送至控制装置；
27.s5、所述控制装置对图像信息进行图像处理，计算胶片的尺寸信息，然后显示出所得的结果。
28.进一步地，步骤s5中，所述控制装置通过如下步骤计算胶片的尺寸信息：
29.s5.1、对所述图像信息进行滤波，去除图像噪声；
30.s5.2、对所述图像信息进行二值化处理；
31.s5.3、使用prewitt算子对图像信息进行边缘检测，获取胶片单像素边缘；
32.s5.4、使用霍夫变换拟合边缘直线，得到直线方程；
33.s5.5、求解直线方程得到交点坐标，然后进行角点检测去掉多余的交点坐标；
34.s5.6、通过剩余的交点坐标计算交点间距离，然后得出像素坐标系下胶片尺寸；
35.s5.7、像素坐标系下胶片尺寸与所述比例系数k1的乘积即为胶片实际尺寸；
36.s5.8、通过直线方程的斜率，计算得到直线间的夹角，然后计算得到胶片的内角值。
37.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
38.1、本发明所提供的一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统通过使用高速线阵相机配合红外led背光源可以实现在输送带高速运转时对胶片尺寸实时测量的需求，有利于后续生产且有利于产品质量的提高。
39.2、本发明的测量系统无需对现有生产线进行改动，可以直接加装，具有很好的经济效益，市场前景较佳。
40.3、本发明所提供的一种输送带上胶片尺寸视觉测量方法可以准确的测量胶片的几何尺寸，并将不合格胶片检测出来，便于后续生产且有利于产品质量的提高。
附图说明
41.图1为本发明一种输送带上胶片尺寸测量系统的结构示意图；
42.图2为红外led背光源工作示意图；
43.图3为精密滑台机械结构示意图；
44.图4为本发明一种输送带上胶片尺寸测量系统的测量方法的工作流程图；
45.图5为相机的角度校准步骤流程图；
46.图6为相机的长度校准步骤流程图；
47.图7为棋盘格标定板示意图；
48.图8为尺寸校准原理图；
49.图9为胶片测量尺寸示意图。
50.主要元件符号说明
51.图中：1-控制装置、2-图像采集装置、3-精密滑台、4-相机支架、5-输送带、6-胶片、7-红外led背光源。
52.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
53.请参阅图1至图3，在本发明的一种较佳实施方式中，一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统，包括主架、输送带组件5、红外led背光源7、相机2、精密滑台3、控制装置1；所述输送带组件5安装在主架上，其输送面的正下方设置红外led背光源7，所述输送带组件5的输送面的正上方设置有相机2，所述相机2连接控制装置1，所述相机2的采集部正对输送面和红外led背光源7设置，所述相机2安装在精密滑台3上，所述精密滑台3安装在主架上，优选通过相机支架4安装在主架上。
54.在本发明中，所述精密滑台3在x、y、z三个方向的旋转可实现对所述相机2俯仰角、偏航角、滚转角的调节，从而调整所述相机2的位置姿态，以保证成像准确不发生变形。所述相机2用于采集胶片6的图像信息，并将所采集的图像信息发送至控制装置1中，所述控制装
置1对图像信息进行处理并计算得出胶片6尺寸，从而判断胶片6尺寸是否合格，并将不合格胶片6显示出来。优选地，在本实施方式中，所述相机2为工业线阵相机，所述的控制装置1为工业控制计算机，所述工业线阵相机与工业控制计算机相连。
55.此外，需要说明的是，现有视觉测量系统多使用可见光作为背光源或反射光源进行照明，但随着相机2采集速度的上升，相机2曝光时间已经缩短至微秒级。由于输送带组件5输送面的阻隔以及橡胶胶片6的吸光特性，可见光无论作为背光源或者反射光源均无法提供充足的进光量以满足相机2的拍摄需要，且易受输送带脏污影响，难以保证测量精度。而红外光相较于可见光，具有更好的穿透性，且相机2对红外光与可见光有着相近的吸收率。在输送带组件5输送面的阻隔下，使用红外led背光源7依旧能为相机2提供充足的进光，满足相机2曝光时间在微秒级情况下的拍摄需要，即，本发明的所述红外led背光源7布置在输送带组件5输送面的正下方，其发出的红外光可透过所述输送带组件5的输送面而无法透过胶片6进入相机2镜头，且使得相机2获取图像时受到输送带脏污影响较小，从而采集到的图像信息中胶片边缘更加清晰，有益于降低后期算法复杂度。
56.请参阅图4-图9，基于上所述一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统，本发明给出了一种输送带上胶片尺寸视觉测量方法，其利用上述的一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统进行测量，所述测量方法包括如下步骤：
57.s1、对所述相机2进行校准及标定，具体包括角度校准和长度校准，步骤如下：
58.s1.1、进行角度校准：
59.s1.1.1、所述输送带组件5低速运转，其输送面上放置一块棋盘格标定板，所述棋盘格标定板随输送带组件5的运转而运动至相机2采集部的正下方；
60.s1.1.2、通过所述精密滑台3调整相机2绕x、y轴旋转，当所述棋盘格标定板位于图像中心且成像清晰时，所述相机2光轴所在平面与输送带组件5的输送面平行；
61.s1.1.3、粗调所述精密滑台3沿z轴方向在
±
5度范围内旋转，每次旋转1度，每次旋转后所述相机2采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置1；然后，在控制装置1中，使用角点检测算法获取棋盘格标定板上角点u点、v点、w点像素坐标，根据所得像素坐标计算uv连线、vw连线、uw连线的间距，再使用余弦定理计算uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角θ最接近90度的两张并记录其对应的所述精密滑台3旋转角度为x1、x2。
62.s1.1.4、在x1、x2区间内，使用千分尺精调精密滑台3绕x、y轴的旋转，每次旋转0.1度，且每次旋转后所述相机2采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置1；然后，采用s1.1.3步骤中的计算方法计算棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角θ最接近90度的两张并记录其对应的所述精密滑台3旋转角度为x3、x4；
63.s1.1.5、在x3、x4区间内，使用千分尺精调精密滑台3绕x、y轴的旋转，每次旋转0.01度，且每次旋转后所述相机2采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置1；然后，采用s1.1.3步骤中的计算方法计算棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角最接近90度的精密滑台3旋转角度为角度校准结果。
64.s1.2、进行长度校准：
65.s1.2.1、将所述输送带组件5调整至额定工作转速；
66.s1.2.2、利用图像的交比不变性计算图像在速度方向上的畸变：取棋盘格标定板平面上共线的任意四个方格角点a、b、c、d的世界坐标带入公式计算世界坐标交比；
67.s1.2.3、在图像信息上提取对应a、b、c、d四个方格角点的图像坐标a1、b1、c1、d1，计算其图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)，该四个方格角点的世界坐标交比与图像坐标交比在图像无畸变时应当相等，即cr0(a1,b1；c1,d1)＝cr(a,b；c,d)；
68.s1.2.4、计算当前图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)与世界坐标交比cr(a,b；c,d)之差c。
69.s1.2.5、对所述相机2信号采集频率进行分频处理，当c《0时每次增加0.1倍的信号采集频率使图像拉伸；当c》0时每次减小0.1倍的信号采集频率使图像压缩，直至交比之差c的绝对值最小，完成长度校准；
70.s1.3、计算棋盘格标定板的长和宽在像素坐标系下与世界坐标系下的比值作为尺寸计算的比例系数k1。
71.s2、所述输送带组件5运转，开始输送胶片6。
72.s3、所述红外led背光源7发出红外光照亮胶片6背景。
73.s4、所述相机2采集输送带组件5上胶片6的图像信息，并将所采集的图像信息发送至控制装置1。
74.s5、所述控制装置1对图像信息进行图像处理，计算胶片6的尺寸信息，然后显示出所得的结果，在该步骤中，所述控制装置1通过如下步骤计算胶片6的尺寸信息：
75.s5.1、对所述图像信息进行滤波，去除图像噪声；
76.s5.2、对所述图像信息进行二值化处理；
77.s5.3、使用prewitt算子对图像信息进行边缘检测，获取胶片6单像素边缘；
78.s5.4、使用霍夫变换拟合边缘直线，得到直线方程；
79.s5.5、求解直线方程得到交点坐标，然后进行角点检测去掉多余的交点坐标；
80.s5.6、通过剩余的交点坐标计算交点间距离，然后得出像素坐标系下胶片6尺寸；
81.s5.7、像素坐标系下胶片6尺寸与所述比例系数k1的乘积即为胶片6实际尺寸；
82.s5.8、通过直线方程的斜率，计算得到直线间的夹角，然后计算得到胶片6的内角值。
83.在步骤s5中，控制装置1计算出胶片6的尺寸信息后，可根据尺寸信息是否超出公差要求来判断胶片6是否合格，当超过公差要求时判定胶片6不合格，控制装置1能够将不合格的胶片6显示出来，便于挑选。
84.基于上述测量方法，本发明进行了实例验证，首先，利用精密滑台3配合步骤s1.1.1-s1.1.5进行相机2的角度校准，角度校准时，计算得到棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ为90.069
°
，而实际理论值为90
°
，角度相对误差为0.07％；精度
±
0.035
°
，该相对误差和精度满足测量需求，完成对相机2的角度校准；其次，利用相机2内部分频器配合步骤s1.2.1-s1.2.5进行相机2的长度校准，长度校准时，计算得到棋盘格标定板上四个方格角点的图像坐标a1、b1、c1、d1的图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)为1.33396，而世界坐标交比cr(a,b；c,d)理论值为1.33333，长度相对误差为0.05％，满足测量需求，完成
对相机2的长度校准；然后，相机2配合红外led背光源7，可以清晰的采集到输送带组件5输送面上胶片6随输送组件高速运动时的图像信息，相机2将所采集的图像信息发送给控制装置1，控制装置1对图像信息进行处理并计算得到如图,9所示的胶片6的宽度测量值h＝284.52mm，斜边长测量值a＝328.53mm，角度测量值θ＝61
°
，而胶片6的宽度实际值h＝285mm，斜边长理论值a＝330mm，角度实际值θ＝60
°
；则胶片6的宽度误差绝对值为0.48mm，误差率0.17％，斜边长误差绝对值为1.47mm，误差率0.45，角度误差为1
°
，误差率1.67％，误差均较小，在允许的误差范围内，因此，采用本发明所给的测量方法是能够较为精确的测量胶片6的尺寸，较为实用且便于后续生产。
85.上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

技术特征：
1.一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统，包括主架、输送带组件、红外led背光源、相机、精密滑台、控制装置；其特征在于：所述输送带组件安装在主架上，其输送面的正下方设置红外led背光源，所述输送带组件的输送面的正上方设置有相机，所述相机连接控制装置，所述相机的采集部正对输送面和红外led背光源设置，所述相机安装在精密滑台上，所述精密滑台安装在主架上。2.如权利要求1所述的一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统，其特征在于：所述相机为工业线阵相机，所述的控制装置为工业控制计算机。3.如权利要求1所述的一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统，其特征在于：所述精密滑台通过相机支架安装在主架上。4.一种输送带上胶片尺寸视觉测量方法，利用如权利要求1-3任一项所述的一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统进行测量，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：s1、对所述相机进行校准及标定，具体包括角度校准和长度校准，步骤如下：s1.1、进行角度校准：s1.1.1、所述输送带组件低速运转，其输送面上放置一块棋盘格标定板，所述棋盘格标定板随输送带组件的运转而运动至相机采集部的正下方；s1.1.2、通过所述精密滑台调整相机绕x、y轴旋转，当所述棋盘格标定板位于图像中心且成像清晰时，所述相机光轴所在平面与输送带组件的输送面平行；s1.1.3、粗调所述精密滑台沿z轴方向在
±
5度范围内旋转，每次旋转1度，每次旋转后所述相机采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置；然后，在控制装置中，使用角点检测算法获取棋盘格标定板上角点u点、v点、w点像素坐标，根据所得像素坐标计算uv连线、vw连线、uw连线的间距，再使用余弦定理计算uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角θ最接近90度的两张并记录其对应的所述精密滑台旋转角度为x1、x2。s1.1.4、在x1、x2区间内，使用千分尺精调精密滑台绕x、y轴的旋转，每次旋转0.1度，且每次旋转后所述相机采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置；然后，采用s1.1.3步骤中的计算方法计算棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角θ最接近90度的两张并记录其对应的所述精密滑台旋转角度为x3、x4；s1.1.5、在x3、x4区间内，使用千分尺精调精密滑台绕x、y轴的旋转，每次旋转0.01度，且每次旋转后所述相机采集一次棋盘格标定板的图像信息，并传输给所述控制装置；然后，采用s1.1.3步骤中的计算方法计算棋盘格标定板上uv连线和vw连线之间所成的夹角θ；取图像信息中夹角最接近90度的精密滑台旋转角度为角度校准结果；s1.2、进行长度校准：s1.2.1、将所述输送带组件调整至额定工作转速；s1.2.2、利用图像的交比不变性计算图像在速度方向上的畸变：取棋盘格标定板平面上共线的任意四个方格角点a、b、c、d的世界坐标带入公式计算世界坐标交比；
s1.2.3、在图像信息上提取对应a、b、c、d四个方格角点的图像坐标a1、b1、c1、d1，计算其图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)；s1.2.4、计算当前图像坐标交比cr0(a1,b1；c1,d1)与世界坐标交比cr(a,b；c,d)之差c。s1.2.5、对所述相机信号采集频率进行分频处理，当c<0时每次增加0.1倍的信号采集频率使图像拉伸；当c>0时每次减小0.1倍的信号采集频率使图像压缩，直至交比之差c的绝对值最小，完成长度校准；s1.3、计算棋盘格标定板的长和宽在像素坐标系下与世界坐标系下的比值作为尺寸计算的比例系数k1；s2、所述输送带组件运转，开始输送胶片；s3、所述红外led背光源发出红外光照亮胶片背景；s4、所述相机采集输送带组件上胶片的图像信息，并将所采集的图像信息发送至控制装置；s5、所述控制装置对图像信息进行图像处理，计算胶片的尺寸信息，然后显示出所得的结果。5.如权利要求4所述的一种输送带上胶片尺寸视觉测量方法，其特征在于：步骤s5中，所述控制装置通过如下步骤计算胶片的尺寸信息：s5.1、对所述图像信息进行滤波，去除图像噪声；s5.2、对所述图像信息进行二值化处理；s5.3、使用prewitt算子对图像信息进行边缘检测，获取胶片单像素边缘；s5.4、使用霍夫变换拟合边缘直线，得到直线方程；s5.5、求解直线方程得到交点坐标，然后进行角点检测去掉多余的交点坐标；s5.6、通过剩余的交点坐标计算交点间距离，然后得出像素坐标系下胶片尺寸；s5.7、像素坐标系下胶片尺寸与所述比例系数k1的乘积即为胶片实际尺寸；s5.8、通过直线方程的斜率，计算得到直线间的夹角，然后计算得到胶片的内角值。

技术总结
本发明提供一种输送带上胶片尺寸视觉测量系统及其测量方法，其中，该测量系统包括主架、输送带组件、红外LED背光源、相机、精密滑台、控制装置；所述输送带组件安装在主架上，其输送面的正下方设置红外LED背光源，所述输送带组件的输送面的正上方设置有相机，所述相机连接控制装置，所述相机的采集部正对输送面和红外LED背光源设置，所述相机安装在精密滑台上，所述精密滑台安装在主架上。所述测量方法采用该测量系统进行测量，其具有较高尺寸测量精度的同时，更加方便快捷，易于操作，本发明可以解决现有技术中检测胶片成像质量差、测量速度慢、标定方法复杂的技术问题。标定方法复杂的技术问题。标定方法复杂的技术问题。


技术研发人员：黄鹏 刘程浩 方晓 方常耀 易冬旺 欧哲学 邓广平 钟志贤 李德昌 岳芳
受保护的技术使用者：桂林中昊力创机电设备有限公司
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2022/3/8