基于計算機視覺的常用玻璃量器自動檢定裝置

陳 潔，張 巍，李 斌，田芙蓉

（上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200444）

常用玻璃量器有單標線容量瓶、單標線吸量管、分度吸量管、滴定管、量筒、量杯等玻璃計量器具[1]。2021 年全球常用玻璃量器計量校準業(yè)務(wù)量約為40 萬只，且以每年至少30%的增幅持續(xù)增長。以中國上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院為例，2021 年檢測量器數(shù)量約4 萬只。目前玻璃量器校準都是人工檢測，且量器出廠前和使用前都要進行校準。

液位檢測廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)之中，常用的液位檢測方法主要包括通過傳感器檢測液位以及基于機器視覺的方法檢測液位等[2-4]。本文研究設(shè)計的常用玻璃量器自動檢定裝置，使用灰度化、中值濾波、二值化、開運算等進行圖像處理，解決液位自動識別、自動加液的難題。該裝置已在上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院正式投入使用。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 常用玻璃量器與檢定方法

本文設(shè)計要求來源于上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院的《常用玻璃量器自動檢定裝置》項目，符合中國標準《JJG192-2006 常用玻璃量器檢定規(guī)程》[5]。本文研究設(shè)計的常用玻璃量器自動檢定裝置主要適用范圍為量筒、量杯以及單標線容量瓶，3 種量器的材質(zhì)一般都是玻璃，刻度單位都為毫升，但是刻度線分布不同。量筒是一個均勻的圓柱形，刻度也是均勻的。量杯的形狀是下小上大，刻度通常是下疏上密。容量瓶是帶有磨口玻璃塞的細長頸、梨形的平底玻璃瓶，僅在瓶頸處有一條刻度線[6-8]。

單標線容量瓶僅需要檢定1 條刻度線，而對于待檢量筒和量杯，則需要有3 個檢定點。選取檢定點的規(guī)范：①總?cè)萘康?/10 處，若待檢量器上沒有總?cè)萘康?/10 分度線，則從量器的底部開始，選擇總?cè)萘康?/10 點作為檢定點；②半容量，即從量器底部開始，到量器總?cè)萘康?/2 處；③總?cè)萘刻帯?/p>

常用玻璃量器檢定方法有容量比較法以及衡量法2 種，本文選用衡量法，衡量法通常采用20℃時量器的容量作為標稱容量[2]。

根據(jù)當前溫度t 和加水質(zhì)量m，計算得到在標準溫度20℃時的實際容量V20，并將實際容量V20與標稱容量比較，如果兩者的誤差在檢定規(guī)程的允許誤差范圍內(nèi)，則待檢定量器合格，反之則不合格。V20計算公式如下[9]：

式中：V20為在20℃時被檢量器的實際容量，mL；ρB為砝碼密度，取8.00 g/cm3；ρA為檢定時環(huán)境空氣密度，取0.0012 g/cm3；ρW為t ℃時蒸餾水的密度，g/cm3；β1為被檢量器的體脹系數(shù)，℃-1；t 為檢定時蒸餾水的溫度，℃；m 為被檢量器內(nèi)所能容納的水的質(zhì)量，g。

1.2 玻璃量器自動檢定裝置技術(shù)指標

系統(tǒng)設(shè)計要求及技術(shù)指標具體如下：對各種口徑量筒、量杯、單標線容量瓶各個范圍（5 mL～2000 mL）進行檢定；實現(xiàn)自動讀數(shù)功能、自動加液功能并且自動計算測量不確定度；裝置對量器的擴展不確定度需滿足如表1 所示的精度要求。

表1 容量允差與擴展不確定度要求Tab.1 Capacity tolerance and expanded uncertainty requirements

1.3 系統(tǒng)框圖

在以上測量要求下，設(shè)計裝置主要分為自動讀數(shù)檢測單元、自動加液單元以及數(shù)據(jù)采集單元。本文設(shè)計的常用玻璃量器自動檢定裝置基本框架如圖1 所示。

圖1 玻璃量器自動檢定裝置系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of automatic device for working glass container verification

自動讀數(shù)檢測單元由相機、光源、托臺直線模組、相機直線模組、脈沖控制卡組成。自動加液單元由高精度微量泵、高流速蠕動泵、水箱等組成。數(shù)據(jù)采集單元由工控機、數(shù)據(jù)采集卡、液位傳感器、溫度傳感器、電子天平組成。

2 自動檢定裝置的不確定度分析

與人工觀察液位信息相同，使用相機觀察液位信息時，也必須保證相機中心線、刻度線上邊緣以及液位凹液面三線合一才能保證讀數(shù)的準確性。

引入液面觀察與調(diào)定部分的標準不確定度uauto（v）。uauto（v）由相機平視刻度線引起的不確定度ucam（v），液位檢測引起的不確定度ulev（v），以及加液誤差引起的不確定度uadd（v）組成，計算公式如下：

2.1 相機平視刻度線引起的不確定度

定義矩形框平視刻度線方法，相機平視刻度線的過程如圖2 所示。相機中心線可能位于刻度線上方或者下方，其尋找方法相同。以相機中心線位于刻度線上方為例介紹該方法，相機需向下移動才能平視刻度線。圖中每個虛線正方形小格代表1 個像素，在相機中心線處定義高度為5 個像素的矩形框，陰影部分是矩形框與刻度線的相交部分。當矩形框僅有下方2 行像素與刻度線相交時，判斷相機平視刻度線，否則繼續(xù)向下移動1 個步長。

圖2 相機平視刻度線方法Fig.2 Camera head up scale line method

已知步進電機移動一個步長需1/3 個像素，最大誤差是當陰影部分即將到達2 個像素，相機會繼續(xù)向下移動1 個步長，產(chǎn)生1/3 個像素高度誤差。因此，相機在平視刻度線會產(chǎn)生的最大誤差體積Vcam為

由相機平視刻度線部分引入的不確定度采用B類方法進行評定，屬均勻分布，置信因子故相機平視刻度線引起的不確定度ucam（v）為

2.2 液位檢測引起的不確定度

定義矩形框?qū)ふ乙何坏姆椒ǎ鄼C檢測到液位位置的過程如圖3 所示。已知相機已經(jīng)平視刻度線，液位位于中心線下方，取相機中心線下方高度為5 個像素的矩形框向下移動。如圖白色部分為液位橫截面，陰影部分為矩形框與液位相交部分，當矩形框除最下方一行像素之外均與液位相交時，判斷尋找到液位位置為矩形框第四行像素位置。

圖3 液位檢測方法Fig.3 Liquid level detection method

在液位檢測過程中，最壞的情況是矩形框下邊沿移出液位的高度大于1 個像素但未到達2 個像素。此時，會產(chǎn)生1 個像素高度誤差，檢測液位過程的最大誤差體積Vlev為

由液位檢測部分引入的不確定度采用B 類方法進行評定，屬均勻分布，置信因子液位檢測引起的不確定度ulev（v）為

2.3 加液誤差引起的不確定度

判斷液位是否達到目標刻度線的條件是，判斷液位與相機中心線相差的像素個數(shù)是否小于最小一滴水在成像面上升像素個數(shù)的一半，否則繼續(xù)加液檢測液位。加液誤差與加液泵精度有關(guān)，以量筒內(nèi)最小一滴水液位上升高度建立模型，如圖4 所示。

圖4 最小一滴水液位上升高度Fig.4 Minimum drop of water level rise

圖中，L0為初始液位最低點，L1為微量泵加最小一滴水之后的液位最低點，液位上升的實際高度為hadd。假設(shè)精確加液時最小滴出一滴純水的體積為Δv，一滴水Δv 加入到量筒中引起的液位實際高度變化為hadd，式中r 為量筒半徑：

假設(shè)最小一滴水引起液位上升的像素高度為hadd′，則有：

在檢測到當前液位與相機中心線像素差大于hadd′/2 個像素時，繼續(xù)向量器內(nèi)加液。因此，最壞的情況是當前液位與相機中心線像素差剛好不到hadd′/2個像素，或者剛好大于hadd′/2 個像素需要再加一滴液，此時液位檢測環(huán)節(jié)最大誤差體積為

由加液部分引入的不確定度采用B 類方法進行評定，屬均勻分布，置信因子，加液誤差引起的不確定度uadd（v）為

3 檢測流程

3.1 刻度線識別

3.1.1 圖像預(yù)處理

本文利用OpenCV 開源計算機視覺庫進行圖像處理[10]。下文以100 mL 量筒為例，介紹圖像預(yù)處理過程，如圖5 所示。

圖5 圖像預(yù)處理過程Fig.5 Image preprocessing

圖5（a）為原始圖像；圖5（b）為經(jīng)過灰度化處理之后變成灰度圖像；圖5（c）為經(jīng)過中值濾波去除了圖像中無用的噪聲信息；圖5（d）為對比度增強使得圖像對比度得到了提升，刻度線以及液位信息在圖像中更加突出；圖5（e）為二值化處理后圖像僅僅剩下黑白2 種顏色；圖5（f）為開運算處理后已經(jīng)過濾了絕大部分小點，刻度線以及液位輪廓清晰可見[11-13]。

完善園內(nèi)外的綜合交通規(guī)劃，打造便捷快速的交通連接系統(tǒng)，確保游客的可出入性，展會期間可設(shè)置公交專線，做好高峰客流組織預(yù)案。充分考慮游客、兒童、老人、殘疾人等不同群體的需求，設(shè)置好相應(yīng)的設(shè)施設(shè)備及服務(wù)。注重互聯(lián)網(wǎng)VR實景展示、交互式展覽設(shè)計、手機APP等技術(shù)手段應(yīng)用，服務(wù)于園博會網(wǎng)絡(luò)預(yù)定、園區(qū)導(dǎo)航、停車、餐飲等游客需求［4］；儀征棗林灣地理位置優(yōu)越，提前做好統(tǒng)籌規(guī)劃，以省園博園為主，統(tǒng)籌周邊景點和餐飲配套服務(wù)，整合周邊生態(tài)旅游和運動休閑景區(qū)，在開園期間形成組合，為游客提供看點多、參與性強的旅游套餐，為棗林灣創(chuàng)建國家級旅游度假區(qū)和打造寧鎮(zhèn)楊都市圈后花園、長三角旅游目的地做好準備。

3.1.2 相機平視刻度線

以尋找最高刻度線為例，方法如下：首先相機位于初始位置E0處，如圖6（a）所示，然后取一個高度為height（大于1 個刻度線間距，小于2 個間距）的矩形框，從下到上移動；在找到最高刻度線之前，矩形框內(nèi)像素灰度值之和必然大于矩形框內(nèi)半條刻度線寬度灰度值之和T1，當灰度值之和小于T1，此時就找到了刻度線上方的空白區(qū)域Yh，然后計算將相機從E0移動到Y(jié)h所需的脈沖數(shù)并將相機移動到Y(jié)h；最后，使用以矩形框平視刻度線的方法找到最高刻度線的上邊沿位置Ehigh，并將相機移動到Ehigh，如圖6（b）所示。

圖6 尋找最高刻度線示意圖Fig.6 Schematic diagram of searching for the highest tick mark

3.2 自動加液

3.2.1 快速加液

為了提高自動檢定裝置的效率，需要使用快速加液泵。根據(jù)選定的檢定點，計算出待檢容量的90%左右，使用快速加液泵在短時間內(nèi)加液至檢定點附近。

3.2.2 高精度加液

采用高精度微量泵可以保證最小加液的精度。高精度加液過程中，每加一滴水，需要相機拍攝并檢測當前液位位置。

3.3 液位檢測

3.3.1 圖像預(yù)處理

在液位檢測之前也需先對圖像進行預(yù)處理，其過程與上文一致。但在完成圖像預(yù)處理步驟后，液位信息會和刻度線信息互相影響，以至于很難完美地區(qū)分開液位信息。

3.3.2 提取液位特征

為了區(qū)分開液位信息以完成后續(xù)液位識別的步驟，本文采用一種圖像作差的方法，如圖7 所示。

圖7 加液前后對比圖Fig.7 Comparison diagram before and after adding liquid

圖7（a）和圖7（b）分別為加液前后的示意圖，可以看出相對于空量器圖像信息，加液后量器圖片中僅增加了液位信息，將兩張圖片作差得到液位信息（圖7（c））。

3.3.3 液位識別

根據(jù)作差法得到僅剩液位信息的圖片，然后根據(jù)第三節(jié)中矩形框檢測液位方法定位液位位置。圖8 為液位檢測過程示意圖。

圖8 液位檢測過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of liquid level detection process

4 實驗

本文按照項目技術(shù)指標要求，完成了常用玻璃量器自動檢定裝置設(shè)計，實物如圖9 所示。本章基于NI 公司的LabWindows/CVI 軟件進行開發(fā)設(shè)計，對各種型號量器進行自動檢定裝置與人工對比實驗，判斷裝置是否滿足設(shè)計技術(shù)指標要求。

圖9 自動檢定裝置實驗場景Fig.9 Experimental scenario of automatic device

4.1 自動檢定裝置應(yīng)用軟件設(shè)計

基于LabWindows/CVI 平臺設(shè)計自動檢定裝置應(yīng)用軟件，實現(xiàn)常用玻璃量器的標定監(jiān)控以及原始記錄與證書生成等功能。標定設(shè)置與監(jiān)控界面中顯示了量器檢定的基本設(shè)置信息、標定操作步驟信息以及數(shù)據(jù)存儲表格等相關(guān)信息，如圖10 所示。

圖10 標定設(shè)置與監(jiān)控界面Fig.10 Verification settings and monitoring interface

4.2 不同規(guī)格量器不確定度計算及人工對比實驗

根據(jù)玻璃量器的檢定流程，本文使用自動檢定裝置對不同規(guī)格量器進行檢定實驗。根據(jù)檢定結(jié)果計算不確定度，判斷待檢定量器是否合格。然后將同一批樣品在同一實驗室內(nèi)用同一種方法，人工進行檢定實驗，根據(jù)檢定結(jié)果判斷待自動檢定裝置是否滿足下式：

式中：y1為人工檢定實驗中測得的量器實際體積；y2為自動檢定裝置檢定實驗中測得的量器實際體積；U1為人工檢定的測量不確定度；U2為自動檢定裝置的測量不確定度。

圖11 所示為在不同規(guī)格下人工和自動檢定裝置的不確定度，圖中橫軸表示檢定點（mL），縱軸表示擴展不確定度（k=2），根據(jù)檢定結(jié)果可以看出，不同規(guī)格量器的自動檢定不確定度均低于人工檢定不確定度，且自動檢定裝置的不確定度要求均滿足表1 所示的裝置技術(shù)指標要求，根據(jù)測得的實際體積與測量不確定度的計算結(jié)果均滿足式（11）。

圖11 人工檢定與自動檢定裝置擴展不確定度Fig.11 Extension of uncertainty for manual and automatic verification devices

5 結(jié)語

本文采用機器視覺對常用玻璃量器進行檢定，通過圖像處理方法實現(xiàn)不同型號規(guī)格量器的自動讀數(shù)以及自動加液的功能。通過相機采集量器以及液位的圖像，根據(jù)特征信息的不同，提取到了目標刻度線信息以及液位信息，根據(jù)液位信息控制加液泵自動加液。根據(jù)裝置的技術(shù)指標，完成了裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計并研究設(shè)計了電路控制系統(tǒng)，利用LabWindows/CVI 開發(fā)了自動檢定裝置的上位機軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了量器的標定設(shè)置與監(jiān)控、原始記錄與證書生成等功能。