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摘 要: 为了防止香烟装箱过程中烟箱缺条现象,提出了一种新的基于机器视觉的禁忌模式匹配算法。算法可以避免现场图像中存在的随机性反射高光对检测结果的影响,在根据定义的准则得到禁忌区域后,依据模式匹配结果判定是否存在缺条。另外,算法还可以自动校正图像并获取模板图像,检出结果与烟箱的图案和颜色无关。实际系统的运行结果表明提出的算法具有更低的误检出率,为其他装箱过程中的缺陷检测提供可借鉴的思路。
关键词:镜面反射;禁忌匹配;缺陷检测;机器视觉
中图分类号: TP391.413 文献标志码:A
Abstract: To avoid the problem of the carton missing in the process of cigarette production, this paper introduced a new method of pattern matching based on machine. Using the method could avoid the effects of the random reflecting light on images. After getting the taboo area of the image, the result of the pattern matching was used to determine whether some cartons miss or not. In addition, the taboo matching method could also adjust the image and get the template image automatically without considering the pattern or color of the carton. The taboo matching would reduce the error detection rate in a real system and provide a way of solving problems of the similar kind.
Key words: specular reflection; taboo matching; fault detection; machine vision
0 引言
在产品最后的装箱环节中,由于机械或者操作等原因可能造成少装或者错装,这样的产品进入市场后,对企业的负面影响极大。目前所使用的烟箱缺条检测方式主要有涡流检测方式、称重检测方式和射线检测方式和电容检测方式。涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法,它适用于导电材料[1]。涡流检测方式是利用导体自身各种因素(如电导率、磁导率、形状、尺寸和缺陷等)的变化会导致感应电流的变化,从而判知导体性质、状态的检测方法。称重检测是被检测物品在运送过程中,通过称重“秤重”是否应该为“称重”?请明确。机制检测对象的重量,再借助分析机制将称重“秤重”是否应该为“称重”?请明确。结果的误差与数据库中预先储存的该对象所需物品的重量等规格资料进行分析对比,分析出该误差值可能是因何种物料的配装错误所造成的检测方法[2]。射线检测方式则是通过各种射线来穿透物体的一种无损检测方法,应用简便,检测准确率高,但是对人体会造成一定的放射性危害[3]。电容检测是利用平行板电容的电容值与其极板间介质之间的关系,通过比较电容传感器的检测值与标准值来判断烟箱中是否出现缺条[4]的检测方式。而相比之下,机器视觉技术通过光学装置和非接触传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像,以获得所需信息[5],以其适用性强且可实现无接触、无损检测等优点,应用在装箱缺陷检测这个问题上可以发挥更好的作用。
在装箱检测中,假设待检测面的图案和颜色相同。基于上述原因,本文提出了一种新的禁忌模式匹配算法来实现装箱过程中缺陷的检测。该算法首先获取烟箱图片中纹理最丰富的子图作为匹配的模板,在考虑高光的影响下,利用模板对图片的各个子图进行差异匹配,当差异超过设定阈值时检测到有问题的烟箱照片。应用该算法,系统可根据图像中设定箱体检测面的位置校正图像,在输入当前箱体中M(行)和N(列)数值后,软件自动分割出每个物品,无需手动分割图像。另外,在切换产品线时,只要包装箱的尺寸和每箱所装物品的件数不变,也可以完成检测功能,无需手动指定产品的具体特征。
本文的核心是基于图像禁忌模式匹配的检测算法,靠模式的一致性判别是否存在包装缺陷。
1 匹配算法
实际中,大多数商品外部都包有一层塑料纸,该塑料纸具有镜面反射特性,因此如果直接利用摄像机拍到的图像进行模式匹配,则可能出现误检测。如何消除塑料纸的反光对模式匹配的影响是本系统的主要工作。本文提出了一种新的匹配算法――禁忌匹配算法(taboo matching)方法来解决这类具有不确定性的问题。
1.1 光学上的反射随机性
镜面反射是物体表面的一种反射特性,本文采用Phong模型分析反射随机性,其原因是Phong模型更形式化了非导体材料的镜面反射分量和漫反射分量与视角位置的关系,这对于场景参数固定的视频监控环境尤为适合[6]。根据Phong模型进行镜面反射的亮度分析。图1为镜面反射强度的三维示意图,其中:v为单位视向量;r为单位反射向量,称其为主反射分量;n为单位法向量;l为单位入射向量。记向量r,v的点积为ω,则v方向得到的单位镜面反射亮度为(cos(w))ExpN,其中ExpN其中的“Exp”是指数吗,还是ExpN是一个变量名?需明确。为镜面反射系数。
由于装箱设备不能保证所有物品的被拍摄面在同一平面,因此即使当光源和摄像机的位置固定时,有的物品所覆盖塑料纸的主反射分量可能进入摄像机,引起局部过度曝光出现高光情形,如图2所示。另外由于物品表面覆盖的塑料纸不可能和物体表面完全接触,可能出现起包、起皱等现象,进一步使物体表面的反射光的位置难以确定,比较图2、3发现,当光源和相机位置固定时,A点和B点塑料纸的形状决定了相机观察到的亮度不同。
1.2 禁忌匹配算法
基于上述的原因,算法所要解决的问题就是如何处理反射高光对匹配的影响。本文提出了禁忌匹配方法,首先分割图片为若干子区域,获取匹配模板,最后根据高光处灰度值饱和特性进行高光检测,在模式匹配中不考虑高光区域的影响,目的在于提高检测的准确性。
1.2.1 预处理
现场采集的图片往往会存在一些问题,比如会有一些噪声影响图片的质量,或者由于摄像机拍摄的问题,图片中物体会产生一定的形变。
针对图片噪声的影响可以对图片先进行滤波处理,增强对比度以提升图片质量,以及在相机硬件上加滤光片或更换更好镜头来解决。而后者形变的问题可以通过仿射变换来解决,仿射变换是一种仿射链或平行投影链。经过仿射变换不改变的性质称为仿射不变性[7],在实际系统中利用Homograph变换来矫正[8]。
1.2.2 模板自动获取
为了能够检测有缺陷的装箱,首先要获取检测的模板。对采集到的图形进行Homograph变换得到矫正后的图像。由于校正后的图像是规则矩形,而且箱体的行数M和列数N是根据实际情况确定的,所以就可以得到M×N个子块,如图4(a)所示,其中存在5×5个子图。由于照明的原因,这些子块的亮度情况是不相同的,如果仅仅对整幅图片做处理的话,各个子区域的细节会被破坏。所以本文针对每一个子区域做对比度增强后,利用Otsu方法找出的最佳阈值[9]。在实际情况中,还要考虑一些问题,在烟箱缺失的子区域往往会形成一块暗区,如图4(a)中的第1排第2个子区域,对这种区域做对比度增强有可能产生噪声的纹理,所以针对这种情况,本文先计算各自区域的平均灰度,滤去暗区的子区域。烟箱之间的缝隙会形成暗区,而且实际情况中箱子堆叠可能略有偏差,所以要滤掉各子块的边缘。经过去噪、增强对比度和阈值二值化后得到了图4(b)结果。选择图4(b)中图案面积最大的子图作为模板,如图4(b)中所框出的。
1.2.3 缺条的检出
如果直接利用模板来匹配各个子图去检测出有问题的区域的话,由于箱子上的塑料包装纸的反光影响,匹配的结果往往得不到很好的效果。图5白色部分是检测图片的高光部分。由于存在反光,所以待检测的图片的高光部分会对检测产生噪声影响。从图中可以发现待检测图片的右上部分存在反射现象(反光部分),将检测图片划分成25张子图,如图6所示,显然图中标号为4、9、14的子图受到高光反射的情况严重。当用得到的模板去匹配的时候,原本没有缺失的图片在高光的影响下有可能被误检测成有缺失的情况。所以针对这种存在反射高光的检测图片本文设计的检测方法如下。
本文中禁忌匹配是指为了消除高光部分的影响,处于高光部分的点在匹配的时候不予考虑。在禁忌匹配中设在高光部分的像素点区域为式(1)所示:
Area_high(x,y):Gray_value(x,y)=255(1)
考虑了处理高光反射的情况以后,接下来就要利用之前得到的模板来与各个子图匹配以检测有问题区域。这就是一个图片的匹配问题了,具体来讲,图像匹配关键要素有四点:特征空间、相似性度量、图像匹配变换类型和变换参数的搜索[10]。而图像匹配算法分类大致有三种:基于灰度相关的匹配、基于特征的匹配和基于模型的匹配。本文所采取的办法是基于灰度相关的匹配。图像mask是自动获取的模板图片,由于箱体的行数和列是根据实际情况确定的,所以整幅图片可以分割成P张子图,模板与每张子图匹配的方法是滑动模板找到每张子图与模板最匹配的位置计算出差异距离,最后找出差异最大的子图。
设图像yt,t∈{1,2,…,P}是检测图片Y的第t个分割的子图,即:∪yt=Y且∩yt=。mask是得到的模板,设yt中的除去高光部分的有限点集如式(2)所示,其中高光区域的定义参见式(1):
A={a1,a2,…,am}; ai={1,2,…,m}Area_high(x,y)(2)
mask中的有限点集为:
B={b1,b2,…,bn}(3)
在式(2)、(3)的基础上,本文中用式(4)定义子图与模板的距离:
D(yt)=mina-b; a∈A,b∈B(4)
分别计算各个子图与模板的差异D(yt)。计算差异最大的子图,如式(5)所示:
t=arg max{D(yt)}; t∈{1,2,…,P}(5)
当这个最大的差异值大于所设定的阈值时,待检测图片为出现缺箱的图片,该子图的位置就是缺箱的位置。为了对比图片中高光对检测结果的影响,图7(a)是未考虑高光的情况下各个子图与模板匹配得到的差异,图7(b)是在考虑了高光的情况下子图与模板的差异,图7(a)、图7(b)中的行列与图6的标号对应。对比表6与图7(a)、图7(b)可以发现,在受高光影响严重的区域会出现可能的误检测部分。当设定缺条的阈值为500时,分析图7(a),可以看出其中第1、2、3行第4列均大于该值,意味着图6中第4、9、14、15子图出现缺条,显然被误检。但当考虑到高光影响的时候,对出现高光的点本文并不去判断这个点是否与模板匹配,这样就可以在一定程度上减弱高光的影响。图7(b)就是在考虑了高光影响后计算得到的子图差异。图7(c)、图7(d)分别为图7(a)、图7(b)的3维立体图。对比两张图可以发现考虑高光影响的禁忌匹配(图7(d))变化较为均匀。实际上查看图7(b)也可以发现对应序号为4、9、14、15的子图受高光的影响减弱。
2 软件系统的设计与实验结果分析
目前专门针对图像处理的开发工具有多种,本文采用美国Intel公司开发的OpenCV,这是由于开源库OpenCV可以免费地帮助开发人员更加便捷地设计更复杂的机器视觉相关应用程序[11],进而在Microsoft Visual Studio 2008下实现了基于烟箱缺条检测的模式的匹配算法的测试系统。整个系统的流程如图8所示。
根据Homograph变换得到矫正后的图像。图9(a)为摄像机拍摄到的区域,手动选取烟箱整体的4个顶点(如图11中的白点所示),经Homograph变换后得到的图像如图9(b)所示,可见图像矫正后,恢复了物品的图案和它们之间正常的间距。
为检测本文算法的有效性,基于上述演示系统,本文对比两组实验结果分别是不考虑高光影响的算法和考虑了高光影响的禁忌匹配算法。
截取四幅原始的检测图片进行检测。
实验1 选取缺箱的图片进行检测实验,如图10、11所示。
实验2 选取未缺箱但有高光的检测图片进行检测实验,如图12、13所示。
实验中,缺条检测的阈值设为500,白色框表示选取的模板,当黑色框出现时表示烟箱出现了缺条。分析实验结果可发现:当烟箱有缺条且高光影响不严重的时候,考虑高光与否的检测方法都检测到了烟箱的缺条;但是在存在反射高光影响的条件下,不考虑高光有可能会出现误检测。
所以在光照条件变化不大的情况下,本算法可以很好地检测出不一致的烟箱,对模板的选取上选择纹理最丰富、反光性最小的烟箱子图作为匹配模板,检测准确性较高而且不易发生误检测。
3 结语
目前机器视觉检测技术已经在烟草行业的小包外观的图像检测、烟叶杂物剔除视觉系统、大条外观图像检测系统成功应用[12],基于此本文提出了一种针对装箱缺陷检测的算法。考虑到在实际问题中,大多数商品外部都包有一层塑料纸,而塑料纸具有镜面反射特性,因此如果直接利用摄像机拍到的图像进行模式匹配,则可能出现误检测。因此本算法根据高光处灰度值饱和的特性进行高光检测,在模式匹配中不考虑高光区域的影响,利用模板匹配的方法检测出不一致的烟箱提高了检测准确性,另外,在切换产品线时,只要包装箱的尺寸和每箱所装物品的件数不变,也可以完成检测功能,无需手动指定产品的具体特征。
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收稿日期:2011-06-27;修回日期:2011-08-08。
白驹过隙,时光荏苒。橡皮筋早己远离了我的生活,可我依然能够感受到它的存在。时光倒流回两年前:伴随着优美动听的下课铃声,我们一窝蜂的从教室里窜出来,我们的手里都拿着一条带红带白的橡皮筋。我们跳着各种花样的玩法,不断地挑战着新难度。突然,有一个人不小心被橡皮筋所缠住,再加上地的滑,没站稳,一屁股坐在了地上,“哄”的一声,大家都笑翻了,有的笑倒靠在了墙上,有的直接笑倒在了地上,而橡皮筋也一直不停地被我们扯来扯去……如今,这些景象已不复出现。别了,橡皮筋!别了,童年!
我不能再有儿时的那种无拘无束的心情与自由自在的玩耍了。记得上次与妹妹及妹妹的同学一块跳橡皮筋,我依然是技艺高超,可我却发现,这一点儿也不好玩,感受不到了橡皮筋给我带来的快乐。别了,橡皮筋!别了,童年!
现在的我有了很大的不同。我迎来了更为重要的学业,一刻不停!整天整天的学习。我已没有什么空闲、休闲的时间,更谈不上跳橡皮筋了。我感到我的想法在发生改变,我变了!我已找不回那种无忧无虑的生活,所以我只能在梦中,在那少得可怜的课间十分钟中回忆着曾经的橡皮筋。
别了,橡皮筋!
杨老师竟然还让我们跳绳,跳了一会儿,他说:“你们拿绳子练习上节课的跳高动作,记住,还是到膝盖为止。”我们都觉得:哎哟,到膝盖为止,把绳子拿的这个位置很低,肯定都能跳过去。
过了一会儿,杨老师看我们练得差不多了,就说:“好!你们站成一排,按学号!”蒋小潇就是第一个。杨老师在沙坑边弄了一个真正的跳高的架子,就是两根竹竿,中间还有一根橡皮筋。他说:“你们要跳过这根橡皮筋,每跳一轮,我们都会增加高度。如果你跳过去的时候,一不小心手碰到了,或者身体什么部位碰到了,这个橡皮筋抖了一下,或者姿势不标准的话,那就得到旁边去,找两个人自己去练!”
我们一听,心里就凉了半截,因为你不要以为跳高架子后面是沙发垫什么的,后面全是沙子!你一跳过去,鞋子里全是沙子,而且一不小心,还会吃到沙子。
我们开始一轮一轮地跳了,蒋小潇“活”得还满长的,我也“活”得还满长的,因为我们动作标准,没有碰到绳子,所以我们就留在队伍里跳高,没有到旁边去练。
我跳第一根绳子的时候跳得很高,像飞过去一样,他们都叫:“哇!飞人刘翔!”可是,一轮一轮,很快地,转眼间,男生只剩6个!女生也只剩6个!转眼间,男生只剩3个!女生只剩2个!其他人都在旁边“勤学苦练”去了。再一转眼,只有我和许小阳两个孤独的男生,还有一个黄小昀!这个女生!
这次,我看到那个绳子的高度,心里凉了半截。我先量了一下:这么高哇!我赶紧助跑,拚尽全力一跳,可是一不小心,可能是我的小脚趾头吧?一不小心点了一下那根橡皮筋,那根不争气的橡皮筋就像一条倔强的鱼一样,晃,晃,使劲地晃!我真郁闷啊,这根橡皮筋难道经过特别加工,里面加了很多摇晃剂吗?我就那么轻轻地一点,它就那么晃晃地干晃!他们都大叫起来:“啊!你‘死’了!‘死’了!”
许小阳也是,他更夸张,连一根竹竿都给他踢倒了。这时,黄小昀竟然跳过去了。如果没看到她跳过这么高的英勇姿态,只看到她落沙坑的姿势,就很好玩儿,感觉她是跑得太快了,“啪”地一摔,摔了个四脚朝天嘴啃呢,摔了个大屁墩,屁股朝天!
力的作用有两方面。力能使物体的运动状态发生变化,如运动或静止,变快或变慢;力也能使物体的形状和体积发生变化,如伸长或缩短,弯曲或变直等形变。
一、 安装用橡皮筋驱动的小车
把橡皮筋的圈连接起来,一端固定在前车架上。将橡皮筋的另一端固定在车轴上,转动车轮,橡皮筋就会缠绕在车轴上。松开转动车轮的手,车轮就会转动。使车轮转动的力来自橡皮筋。
要使小车向前运动,橡皮筋在后车轴上,向后缠绕。这样橡皮筋才能使小车向前行驶。
二、橡皮筋缠绕的圈数与小车行驶的距离
1、实验时注意观察。
橡皮筋缠绕一圈时和缠绕多圈时,橡皮筋产生的力大小不一样。橡皮筋缠绕一圈时和缠绕多圈时,橡皮筋产生的力作用在小车上的时间不一样。
2、按要求实验。
橡皮筋缠绕的圈数与小车行驶距离关系的实验记录表
3、小结:橡皮筋缠绕的圈数越多,小车行驶的距离越长;橡皮筋缠绕的圈数越少,小车行驶的距离越短。
试一试,怎样使小车行驶的距离更长?在能缠绕橡皮筋的基础上,缠绕更多的圈数。为什么会有这样的关系呢?到底是什么力让小车行驶得这么远?
三、橡皮筋的力是怎样产生的?是一种什么力呢?
1、两手握住“拉簧”用力向两边拉,“拉簧”的长短、粗细有变化,会变成长的、细的。慢慢减小拉力,会看到“拉簧”的长短、粗细有变化,会变成短的、粗的。
2、两手握住“橡皮筋”用力向两边拉,“橡皮筋”的长短、粗细有变化,会变成长的、细的。慢慢减小拉力,会看到“橡皮筋”的长短、粗细有变化,会变成短的、粗的。
3、把“压簧”放在桌面上,用手掌向下压,会看到“压簧”的高度、粗细有变化,会变成矮的、粗的。慢慢减小压力,会看到“压簧”的高度、粗细有变化,会变成高的、细的。
4、左手把“锯条”的一端按在桌上,右手把“锯条”的另一端向下压,“锯条”的形状有变化。右手慢慢减小压力,会看到“锯条”的形状也有变化。
5、用手握“弹簧片”,“弹簧片”的形状会变化;慢慢减小握力,“弹簧片”的形状也会变化。
6、把注射器的活塞拉出,用橡皮堵住注射器的出口,先用手指把活塞往下压,然后逐渐减小手指的压力,反复几次,会看到活塞逐渐向上移动,直至空气的力消失。
7、以上六种现象有什么相同点?
物体受到外力后,形状或体积发生变化;去掉外力后,能恢复原来的形状或体积。
8、当你拉弹簧、拉橡皮筋、按压簧、弯锯条、握弹簧片、压注射器的活塞时,手有什么感觉?
手能感受到有一种要恢复原来形状或体积的力。
9、小结:拉簧、橡皮筋、压簧、锯条、弹簧片、空气(注射器里被压缩的空气)这样的物体,在受到外力作用时,形状很容易改变,在形状改变时,它们会产生一个要恢复原来形状的力,这个力叫做弹力。
10、我们说:拉簧、橡皮筋、压簧、锯条、弹簧片、空气都能产生弹力。
四、物体都能产生弹力
1、先看看手心、手掌的形状,然后用力鼓掌,再看看手心、手掌的形状,手心、手掌能恢复原来的形状,手心、手掌能产生弹力。
2、看看脚下的地面,然后用力跺脚,再看看地面、鞋底的形状,地面、鞋底能恢复原来的形状,地面、鞋底能产生弹力。
3、再试试其它物体能否产生弹力。我们试过的物体都能产生弹力。就连空气、水都能产生弹力。
4、总结:物体都能产生弹力。
五、人们利用弹力可以做很多的事情
例如:服装上的松紧带、鞋帽上的松紧带、手套上的松紧带、票夹上的弹簧、弓箭上的弓和弦、皮球里的空气、减震器里的金属、弹簧床、测力计、拉力器和各式各样的弹簧等等,都利用了物体产生的弹力。
六、我们人体上也有多处利用了弹力
例如:心脏有规律的收缩和舒张,能把血液收回到心脏,又能把血液送出心脏,是利用了心脏产生的弹力。当肱二头肌收缩时,我们作屈臂运动;当肱二头肌舒张时,我们作伸臂运动。肱三头肌和肱二头肌正好相反,当肱三头肌收缩时,我们作伸臂运动;当肱三头肌舒张时,我们作屈臂运动。三角肌俗称“虎头肌”,因为它的形状凸出上臂,酷似虎头,而且发达的三角肌体积比较大,显得很威猛,所以它也是力量的象征,它产生的弹力更强。大腿肌肉前面有股四头肌,后面有股二头肌,内侧有缝匠肌、内收大肌等。要使大腿强壮,首先是发展股四头肌,因为股四头肌是人体最大、最有力的肌肉之一。它是由股直肌、股中肌、股外肌和股内肌组成。股四头肌的功能是使小腿伸和屈,大腿伸和屈,伸膝屈髋,并维持人体直立姿势。人类是用这些肌肉的收缩和舒张,也就是利用肌肉产生的弹力行走和奔跑的。
七、假如世界万物都不能产生弹力
弹力对我们的影响非常大。如果没有弹力,那世界是个什么样子了。
你到大街上一看,啊,大街上安静极了。只看见运动的汽车、摩托车、自行车跑着跑着不知哪去了,谁也找不到他们。每个人都像“土行孙”似的,遁到地里,但永远也不能回到地面生活了。
小羊、老牛、大马低头吃着草喝着水,一下子掉进了万丈深渊,再也不能吃草喝水了。
小鸟、小燕子、蜻蜓、蝴蝶在空中飞来飞去,突然翅膀不动了,他们都掉在地上,钻进地里。
小鱼、青蛙正在水里游泳、嘻戏,小鱼的鱼鳍不动了,青蛙的四肢停止了,一下沉到水底,钻到泥土中,再也找不到了。
田野的小花、庄稼在微风中晃来晃去,高山上的大树、小草轻轻摇摆,他们一边唱歌一边跳舞,多么逍遥自在。可是弹力突然没了,一个个都趴在地上,再也站不起来了。
……
世界失去了控制,世界没有办法控制了!
唉,有弹力存在的世界真好!
从“古”至今,我们班上一直遭受着时尚“龙卷风”的“袭击”,搞得同学们心神不定,精神恍惚,连上课都在玩。若想治好这类病,须找到罪魁祸首,才可以治愈。
作案者之一:篮球风。2006年到2007年之间,我班男生大部分被篮球风“偷袭”,变得天天都想要快点到中午,好去打篮球。可是以前,蒋老师是不准打篮球,于是男生就拉上家长来“助威”,让蒋老师的铁石心肠软了一半。在上个寒假时,陈佰良还写了一封可怜巴巴的信交给蒋老师,其内容石头读了也要掉眼泪。于是蒋老师只好变得睁一只眼闭一只眼了。而篮球风也更猖狂了,许多男生都是上课铃打了以后几分钟才回到教室。
作案者之二:橡皮筋风。这回是许多女生被“偷袭”,于是在下课时的操场上到处都看得见我班女生跳橡皮筋的身影。橡皮筋虽然没有什么害,但那些女生想要早点儿玩它,所以在上课时心就是慌的,什么也听不进去了。
作案者之三:校园书风。这家伙是最讨厌的了,全校大概有40%的人数遭受袭击。为了看这类书,不惜一切代价。这类书不仅仅对学习没有益处,还对看书的人的心理产生不好的影响。所以,校园书风会导致某些人不好好学习、视力下降等问题。