瓷磚幾何尺寸在線檢測方法研究

魏成娟 孫永 陳建超

摘 要：瓷磚幾何尺寸檢測系統對瓷磚生產廠家發展非常重要。本文提出了一種基于線陣CCD的一種在線視覺檢測系統，對整個系統進行了分析和設計，提出系統標定方法。在線檢測當中，利用激光位移傳感器檢測，結合亞像素定位算法對瓷磚邊緣進行精準定位，并根據邊緣點數據得出瓷磚角點，從而獲取每個瓷磚的尺寸參數。

關鍵詞：瓷磚;幾何尺寸;在線檢測;激光位移傳感器;方法

瓷磚作為一種十分重要的建筑材料，在全國各地的應用都十分廣泛。當今瓷磚的生產技術更加成熟，建筑市場也在不斷擴大，很多瓷磚廠家都已經步入了大規模生產模式，提升了生產廠家的經濟效益。但是大規模生產給瓷磚在線檢測方法提出了更高要求，如何提升在線檢測系統運行效率、檢測精度是需要重點考慮的問題。而CCD的在線視覺檢測系統結合了激光位移傳感器可以精確度檢測到精細的差異，可以實現全自動化檢測功能，通過發射激光進行視覺定位，不需要接觸瓷磚即可完成高精度檢測，具有十分廣闊的應用前景。

1 瓷磚幾何尺寸在線檢測系統運行原理

如下圖，整個在在線檢測系統通過激光位移傳感器能夠精準的測量非接觸測量瓷磚的位置、位移變化，大體上來說，該系統可以有效檢測物體位移、厚度、振動、直徑、距離等等幾何參數。結合測量原理，激光位移傳感器多數都是采用激光三角測量，可以實現高精度、短距離測量。

在線檢測系統運行當中，激光發射器會通過鏡頭把可見紅色激光射到物體表面上，此時瓷磚會反射激光，接收器鏡頭將反射激光傳輸到CCD線性相機，結合不同的距離，CCD線性相機可以從多個角度觀測到這個點，根據光電的角度和激光與相機距離，通過數字信號處理設備即可檢測出傳感器和被測物體之間的距離以及幾何參數。光束在接收元件位置通過模擬以及數字電路處理方法，系統處理器對數據進行分析，將計算出的數值輸出，在用戶設定的模擬量窗口內，按照比例輸出標準信號。

采用該檢測方法，激光位移傳感器的線性度最高能夠達到1um，分辨率水平達到0.1um，適應惡劣的工作環境。

1-激光位移傳感器，2-線陣CCD，3-編碼器，4-傳送帶，5-光電開關，6-瓷磚，7-光源，8-電機

瓷磚在線檢測系統圖

2 測量系統標定

線陣CCD視覺檢測系統采用激光位移傳感器，可以實現二維視覺測量，該測量系統標定能夠獲得某個平面上激光點和圖像物體的對應關系。在標定之前系統會調整靶標，讓物體豎線與傳送帶前進方向保持水平，并調整相機位置，從而通過高精度的評價函數判定靶標是否在成像系統正焦面上。在系統自動調整完畢后，會對靶標掃描圖像通過處理器進行預處理，采用二值化、邊緣提取法對瓷磚邊緣紅外線點進行粗略定位，根據紅外線點和相機映射圖像，即可對邊緣點定位，獲得靶標各個激光點（線）的位置，這些部位可以直接得到標定參數。

由于行距標定不會產生畸變，所以可以采用線性模型進行行距標定，設兩條橫線在靶標上的實際距離為L，設與圖像間距為La，則系統行距標定參數K=L/La。雖然紅外線測量不會出現畸變，但是需要考慮鏡頭帶來的畸變影響，所以列距標定時需要從兩個方面出發：（1）采用線性標定模型標定激光檢測無畸變的靶標中心區域，假設豎線條坐標為y，圖像坐標為ya，則二者之間的線性關系為y=k1ya+k2（k為畸變值，k1為第一個測點畸變、k2為第二個測點畸變……）;（2）在畸變校正當中，需要結合該方程得出靶標豎線在圖像中的理想位置，假設yf是畸變情況下較為理想的坐標，將豎線坐標數據帶入到非線性畸變表達公式中yf=y+k3+k4y+k5y2，通過最小二乘法將數據擬合，即可持續獲得k3、k4、k5等畸變參數。

3 瓷磚尺寸參數提取

3.1 邊緣點提取

計算瓷磚的幾何參數，需要獲取到瓷磚的邊緣點。傳統的邊緣檢測方法無法滿足測量精度要求，而采用激光檢測法可以有效進行精準定位。在使用在線檢測系統當中，需要考慮到瓷磚具有邊緣簡單、對比度高的特點，通過線性CCD相機以及激光位移傳感器獲得邊緣點坐標粗略值，在進行激光點定位方法，初期處理主要是獲得二值化、邊緣激光點提取。為了提高后期處理的便捷性，激光還會對瓷磚邊緣進行定位跟蹤以及位移跟蹤。

傳統的灰度矩亞像素定位方法計算量非常大，在線檢測會給系統帶來很大壓力，因此可以采用精度更高、速度更快的基于灰度矩定位亞像素定位算法。算法流程為：確定瓷磚邊緣方位，并沿著瓷磚邊緣方向拓展像素，設置單調序列意義對應像素灰度值，選取像素個數，根據整個序列前三階灰度矩，得出亞像素邊緣的瓷磚定位。

3.2 尺寸參數提取

結合建材行業提出的瓷磚邊長、邊直度、直角度檢測標準。在線檢測系統主要是應用角點擬合方法提出相機模擬參數以及紅外激光定位參數，為了避免瓷磚邊緣不精準出現的誤差問題，將瓷磚角點通過直線擬合的方式實現瓷磚兩側邊擬合，系統會自動得出兩條邊交點，得到最終的瓷磚角點。對瓷磚4個角點位置即可自動獲得邊長、直角度、邊直度等參數。在實際應用當中，在瓷磚的一個角點上選擇合適數量的激光點，之后采用最小二乘法對2條直線進行擬合，結合兩條直線斜率、兩條直線在y軸方向截距，從而獲得直線交點，這個交點作為后續擬合角點。采用相應的方法可以得到剩余3個角點。在4個角點確定完畢后，采用點到點直線距離的方法測量瓷磚四面邊長。如在左邊測量當中，得到左下角點、坐上角點，并結合點到點之間的距離即可測量瓷磚左邊長度。

直角度是瓷磚一個角和直角之間的偏差，采用百分比的表示方法。通過計算機自動測量計算可以獲得二條直線之間的夾角a，這個角度則是瓷磚角的角度值，角度值=丨a-90°丨/90°*100%。邊直度是瓷磚各個邊和中央偏離所對應的直線偏差，通常是使用百分比的方式表示。在瓷磚邊計算當中，需要事先處理邊緣點數組，并得到左邊界中央邊緣點，在線分析系統會直接得到兩個角點的直線距離。根據上述計算方法得到邊長，擬合瓷磚的4個角點，得出瓷磚4個邊長、直角度、邊直度。

3.3 直線度測量

直線度測量需要采用2-3個激光位移傳感器組合進行測量。以3個激光位移傳感器為例，將激光位移傳感器同時排列在一條直線上，結合檢測精度得出3個傳感器之間的距離。此時需要將測量瓷磚采用平行于傳感器安裝線的方向前進。在產線與傳感器安裝線保持平衡的基礎上，此時3個傳感器所獲得的瓷磚參數數據越大，則代表瓷磚的直線度越差;反之，三個傳感器檢測的距離差距越小，則瓷磚的直線度越高，根據所測量瓷磚長度和3個傳感器間距，得到直線度百分比，并通過在線檢測系統實現信號量化輸出，從而檢測瓷磚的直線度。

4 影響測量精度的因素

影響激光位移傳感器測量精度的因素包括：（1）激光位移傳感器設備本身的測量精度，會直接影響瓷磚y軸測量精度;（2）此狀本身的特性也會對測量精度造成影響，例如瓷磚散射特性會直接影響傳感器測量精度。如果此狀表面十分光滑，則會降低激光光束的漫反射，探測器的接受光強度不足，可能會影響最終測量;（3）整體系統檢測平臺安裝精度也會影響最終的測量精度;（4）坐標系誤差問題是最大的影響因素，如果傳感器測量方向和導軌之間垂直度存在偏差，導致坐標系是非直角坐標系，這一點需要重點考慮，必須要求二者垂直。

5 結語

綜上所述，本文提出了一種基于線性CCD的激光位移檢測系統，在瓷磚檢測中可以實現非接觸、在線檢測的功能，可以有效提升瓷磚幾何檢測效率、精度。該檢測方案具有良好的工業生產前景，在實際應用中也有不錯的效益。

參考文獻：

[1]墨昭瑾.建筑瓷磚幾何尺寸檢測方法研究[D].

[2]張蘇英，墨昭瑾，馬賀明.建筑瓷磚幾何尺寸在線檢測新方法[J].自動化技術與應用，2016（11）：523-524.

[3]許重川，范彥斌，盧清華.一種基于機器視覺的大幅面瓷磚幾何量測量方法研究[J].佛山科學技術學院學報（自然科學版），2012，30（6）：19-23.

[4]王偉.高速高精度瓷磚平整度檢測方法研究及裝置研制[D].哈爾濱理工大學，2012.