一種機(jī)器視覺調(diào)定玻璃量器液面的方法*

張曉鳳，蔡永洪，趙書顯，傅憶賓

（廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣州 510663）

0 引言

近年來，機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用研究[1-5]，大大推動(dòng)了檢測(cè)自動(dòng)化、信息化、智能化和無人化發(fā)展。目前，關(guān)于常用玻璃量器（主要有分度吸量管、單標(biāo)線吸量管和容量瓶等）的機(jī)器視覺計(jì)量檢定技術(shù)研究的報(bào)道較少[6]。根據(jù)常用玻璃量器國家檢定規(guī)程，彎月面的最低點(diǎn)應(yīng)與分度線上邊緣的水平面相切，視線應(yīng)與分度線在同一水平面（平視面）上[7]。通過調(diào)節(jié)注水量使彎月面達(dá)到與分度線相切的過程，即為液面調(diào)定。顯然，這是一種物位式讀數(shù)方法，測(cè)量結(jié)果受操作者的習(xí)慣和眼視力影響巨大。對(duì)此，機(jī)器視覺能有效消除這些影響。太原理工大學(xué)宋建成、張寧[8]開發(fā)了一套基于圖像識(shí)別的量出式玻璃量器自動(dòng)檢定裝置，該裝置由單片機(jī)系統(tǒng)、抽水和放水控制系統(tǒng)、橫向和縱向位置控制系統(tǒng)，以及測(cè)溫和稱量系統(tǒng)組成，能夠完成1 ～25 mL吸量管、滴定管的自動(dòng)檢定，液面識(shí)別精度達(dá)0.1 mm。該裝置通過運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將被檢量器移入相機(jī)鏡頭視窗，但不做平視調(diào)整，注水（抽水）時(shí)利用檢測(cè)區(qū)域灰度變化來判定液面是否經(jīng)過，調(diào)定（放水）時(shí)則不斷檢測(cè)液面與刻度線的像素高度差，通過PID 控制凹液面最低點(diǎn)與刻度線相切。不同型號(hào)的玻璃量器對(duì)應(yīng)的PID 控制參數(shù)不一樣，需要個(gè)性化設(shè)置；實(shí)際檢測(cè)時(shí)，刻度線和管壁文字信息等也將對(duì)凹液面的識(shí)別產(chǎn)生干擾。陶心雅等[9]公開了一種量出式玻璃量器容量自動(dòng)檢定裝置的方案，與張寧[8]所述裝置相似，該方案需輸入待檢玻璃量器的型號(hào)以確定合適的檢測(cè)參數(shù)，包括移動(dòng)距離和注水高度，以及抽放水的速度等；在調(diào)定液面時(shí)，圖像采集設(shè)備檢測(cè)放水液位，當(dāng)檢測(cè)到凹液面最底端與待檢刻度線相切時(shí)，停止放水。液面的識(shí)別是通過統(tǒng)計(jì)二值圖像在豎直方向上投影的黑色像素?cái)?shù)量是否達(dá)到閾值來實(shí)現(xiàn)的。然而，方案中就相機(jī)觀察和調(diào)定液面的某些細(xì)節(jié)未盡詳實(shí)，如觀察位置的調(diào)整和調(diào)定過程的控制。

本文對(duì)常用玻璃量器無人檢定關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[10-12]，提出了基于機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)水平觀察液面方法和模擬人工灌注的自動(dòng)調(diào)定液面方法。本文將探討機(jī)器視覺調(diào)定量入式玻璃量器液面的實(shí)現(xiàn)方案。

1 機(jī)器視覺液面調(diào)定系統(tǒng)

基于機(jī)器視覺的量入式玻璃量器液面調(diào)定系統(tǒng)包括電子天平、注射單元、圖像采集單元、計(jì)算機(jī)4 個(gè)組成部分，如圖1所示。電子天平設(shè)為連續(xù)測(cè)量工作模式，實(shí)時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳給計(jì)算機(jī)。注射單元采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)注射器的結(jié)構(gòu)，電機(jī)脈沖數(shù)量與注射流量成正比，轉(zhuǎn)速則與流速成正比，具有多種注水速度設(shè)置。圖像采集單元由工業(yè)相機(jī)及其運(yùn)動(dòng)裝置組成。計(jì)算機(jī)作為運(yùn)算控制中心，不僅進(jìn)行圖像處理和機(jī)器視覺檢測(cè)，還完成執(zhí)行決策，與其他設(shè)備通信數(shù)據(jù)與指令。同時(shí)，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，提供了過程控制與顯示，以及參數(shù)設(shè)置的交互界面。

圖1 機(jī)器視覺液面調(diào)定系統(tǒng)

該系統(tǒng)影響液面調(diào)定的主要誤差源包括成像器件、測(cè)量原理，以及檢測(cè)算法與參數(shù)設(shè)置等。成像器件的影響來自于像元大小和鏡頭景深等，圖像將產(chǎn)生一定程度的邊緣模糊現(xiàn)象，為機(jī)器視覺在邊緣檢測(cè)時(shí)引入誤差。其次，由于測(cè)量原理不符合阿貝原則，當(dāng)相機(jī)偏離平視面時(shí)，圖像將產(chǎn)生視差。作為一種基于圖像處理和邏輯算法的計(jì)算機(jī)程序，機(jī)器視覺檢測(cè)結(jié)果受個(gè)性化編程思想和參數(shù)設(shè)置的影響較顯著。對(duì)于采用滴注的調(diào)定方式，水珠質(zhì)量將是調(diào)定的最小分辨力。因此，為了提高系統(tǒng)檢測(cè)精度，不僅需要合理地賦予平視閾值以減小視差，還應(yīng)盡量減小滴注水珠的質(zhì)量以提高調(diào)定分辨力。

2 機(jī)器視覺液面調(diào)定方法

總體上，機(jī)器視覺液面調(diào)定過程分為大流速注水、小流速注水、快速滴注、慢速滴注4 個(gè)階段。大流速連續(xù)注水直至剩余約r0（g）時(shí)，注水管向上移動(dòng)，到達(dá)距離調(diào)定刻度線上方一定高度后停下，進(jìn)入小流速注水；小流速連續(xù)注水直至剩余r1（mL）時(shí)，進(jìn)入快速滴注；持續(xù)快速滴注，達(dá)到調(diào)定刻度線下邊緣時(shí)，進(jìn)入慢速滴注；當(dāng)慢速滴注達(dá)到調(diào)定刻度線上邊緣時(shí)，調(diào)定結(jié)束。流程框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)器視覺液面調(diào)定流程

具體注水前的準(zhǔn)備：待檢玻璃量器放于電子天平秤盤中央，調(diào)整相機(jī)高度使其平視調(diào)定刻線，注水管對(duì)準(zhǔn)并插入量器瓶口，使管口低于調(diào)定刻線下方一定距離。首先，以大流速往瓶中注水，同時(shí)天平連續(xù)測(cè)量并將純水質(zhì)量數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷此時(shí)的注水量是否足夠接近調(diào)定示值（擬調(diào)定刻度的標(biāo)稱值）。當(dāng)大流速注水量達(dá)到調(diào)定示值的最大允許下限與預(yù)留量r0的差值時(shí)，停止大流速注水，注水管移向刻線上方，準(zhǔn)備小流速注水。計(jì)算機(jī)判定大流速注水結(jié)束的依據(jù)是：

式中：V0為調(diào)定示值（建議取最大允許下限值），mL；K（t）為水溫t℃時(shí)純水體積與質(zhì)量換算關(guān)系，mL∕g；M為注入量器中的純水質(zhì)量，g；r0為大流速注水的預(yù)留量，g。

滿足條件（1）后，開始小流速注水。這時(shí)，預(yù)先調(diào)至與調(diào)定刻度線水平對(duì)齊的工業(yè)相機(jī)開始連續(xù)采集圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，檢測(cè)調(diào)定刻度線下方r1容量（mL）對(duì)應(yīng)區(qū)域的灰度，計(jì)算當(dāng)前圖像的灰度相比小流速注水開始時(shí)刻的灰度的增量。當(dāng)增量達(dá)到閾值時(shí)，小流速注水結(jié)束。計(jì)算機(jī)程序的判定依據(jù)：

式中：Gi、G1分別為小流速注水階段第i幅和第1 幅圖像中調(diào)定刻度線以下容量r1對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)指定特征的灰度矩陣；max（G）為取矩陣G中最大元素；δ為灰度閾值。這里的指定特征可以是r1區(qū)域一組水平線段或者其他圖形陣列。當(dāng)G只包含一個(gè)元素時(shí)，可取整個(gè)r1區(qū)域的灰度值或區(qū)域底部邊界的灰度值。

式（2）的成立表明液面進(jìn)入了r1區(qū)域，注水量約為（V0-r1）。當(dāng)G是一組水平線段（如圖3中l(wèi)0、l1…lj…lN）的灰度數(shù)組G[j]（數(shù)組大小為N）時(shí)，max（Gi[j]-G1[j]）不僅返回這組線段中灰度變化的最大值，還有最大值對(duì)應(yīng)的線段索引號(hào)jmax。于是，式（2）的成立則表明液面已進(jìn)入r1區(qū)域內(nèi)并處于水平線段jmax所在位置，注水量約為（V0-r1×jmax∕N）。顯然，采用水平線段陣列圖形進(jìn)行小流速水位控制的方法就如同在r1區(qū)域內(nèi)沿豎直方向水平掃描液面，具有較高的準(zhǔn)確度。

圖3 液面調(diào)定示意圖

小流速注水結(jié)束后轉(zhuǎn)入快速滴注階段，注水管以較短間隔時(shí)間（約2 s）將水珠一滴一滴注入量器中。與此同時(shí)，工業(yè)相機(jī)不斷采集圖像并上傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺檢測(cè)程序識(shí)別圖像中調(diào)定刻度線的上邊緣和下邊緣，并檢測(cè)邊緣灰度值。由于液面對(duì)光線有較強(qiáng)鏡面反射，所以液面的成像通常具有較大灰度。當(dāng)液面經(jīng)過下邊緣的時(shí)候，下邊緣的灰度隨之增大。因此，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序檢測(cè)到下邊緣灰度出現(xiàn)由增大轉(zhuǎn)為減小的趨勢(shì)時(shí)，拐點(diǎn)確立，程序判定液面剛好經(jīng)過下邊緣。這時(shí)，再轉(zhuǎn)入慢速滴注階段，水珠以較長間隔時(shí)間（約3 s）逐一滴入量器中。同理，當(dāng)上邊緣灰度出現(xiàn)由增大轉(zhuǎn)為減小的趨勢(shì)時(shí)，拐點(diǎn)確立，程序判定液面與上邊緣相切，于是結(jié)束注水，調(diào)定結(jié)束。這時(shí)，計(jì)算機(jī)記錄天平示值。根據(jù)當(dāng)時(shí)測(cè)得的水溫和干瓶質(zhì)量，按規(guī)程計(jì)算公式可以換算得到注入的純水的體積，從而得知量瓶的實(shí)際容積。

3 應(yīng)用驗(yàn)證與分析

設(shè)備：容量瓶校準(zhǔn)機(jī)器人，由廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院研制，如圖4所示。該設(shè)備選用2 000萬像素工業(yè)相機(jī)（1″CMOS，F(xiàn)ixed 16 mm 1″Lens），圖像大小為2 048×1 536 像素，物距W=200 mm。該設(shè)備滴注的一滴水質(zhì)量約為0.02 g。

圖4 容量瓶校準(zhǔn)機(jī)器人樣機(jī)

樣品：某品牌1 000 mL容量瓶，A級(jí)（±0.4 mL）。

介質(zhì)：純凈水，水溫24.8 ℃。

軟件：容量瓶校準(zhǔn)機(jī)器人系統(tǒng)v1.0。

圖5所示為注水過程幾個(gè)階段臨界狀態(tài)的軟件界面截圖，圖中綠色框?yàn)镽OI區(qū)域，紅色粗線為調(diào)定刻度線，黃色線為刻度線邊緣。圖5（a）為大流速注水的注水量達(dá)到預(yù)留量r0（對(duì)應(yīng)圖5（a）中綠色ROI 區(qū)域）時(shí)的圖像，隨后進(jìn)入小流速注水階段；在小流速注水時(shí)，程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)r1區(qū)域內(nèi)（對(duì)應(yīng)圖5（b）中綠色ROI 區(qū)域）水平線段陣列的灰度增量，當(dāng)陣列中某線段的灰度增量達(dá)到閾值時(shí)（圖5（b）），轉(zhuǎn)入滴注階段，這時(shí)程序開始檢測(cè)調(diào)定刻度線下邊緣（圖5（b）中黃色線）灰度。當(dāng)程序檢測(cè)到液面經(jīng)過下邊緣（灰度產(chǎn)生由大變小的歷程）后，程序繼而檢測(cè)刻度線上邊緣灰度（圖5（c）中黃色線），一旦灰度變化拐點(diǎn)確立后即判定調(diào)定結(jié)束（圖5（d））。

圖5 注水過程軟件界面截圖

4 結(jié)束語

綜上所述，文中提出的機(jī)器視覺調(diào)定量入式玻璃量器液面的方法具有如下特點(diǎn)。

（1）采用天平衡量法實(shí)現(xiàn)快速大流量初階段注水控制。通過連續(xù)采集天平測(cè)量數(shù)據(jù)獲得實(shí)時(shí)注水量，最大注水量等于調(diào)定示值的最大允許下限減去預(yù)留量r0（剩余容量）。

（2）采用機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)慢速小流量注水控制。通過連續(xù)采集圖像并檢測(cè)圖像中調(diào)定刻度線下方預(yù)留量r1區(qū)域內(nèi)指定目標(biāo)特征的灰度增量矩陣，判定液面所在位置。以r1區(qū)域內(nèi)一組均布的水平線段為目標(biāo)特征，能夠較準(zhǔn)確的檢測(cè)出液面位置。

（3）采用機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)滴注調(diào)定控制。通過連續(xù)采集圖像并檢測(cè)圖像中調(diào)定刻度線邊緣的灰度，根據(jù)灰度變化趨勢(shì)判定液面與邊緣的關(guān)系。

（4）利用液面高灰度的特點(diǎn)，將液面經(jīng)過邊緣時(shí)引起邊緣灰度先增大后減小的變化作為液面經(jīng)過邊緣的依據(jù)，并將變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)確立作為液面與邊緣相切的判定依據(jù)和調(diào)定結(jié)束條件。