工业炸药药卷传输姿态在线检测方法(1).pdf

2 0 1 2 年1 2 月 工业炸药药卷传输姿态在线检测方法徐海波等 d o j l O ．3 9 6 ’／j ．i 靖n ．1 ∞l ∞s 2 ．2 0 1 2 ．0 6 ．O ％ 工业炸药药卷传输姿态在线检测方法’ 徐海波①何小敏。刁建彬②许亮∞李秀喜③ ①广东工业大学自动化学院 广东广州，5 1 0 0 0 6 ②广东振声科技股份有限公司 广东梅州。5 1 4 7 9 5 D 华南理工大学化学与化工学院 广东广州，5 1 0 0 6 4 [ 摘要] 针对工业炸药自动包装过程药卷在线传输姿态异常问题，运用机器视觉检测技术，提出药卷传输姿态 在线检测方法。该方法提取药卷在传输过程中的特征线段，形成基于边缘直线检测和矩形定位的传输姿态检测方 法。利用V i s u a Is t u d i oc 和0 p e n c V 实现算法及仿真实验。实验结果表明，两种方法的检测速度可以满足包装生 产线速度．且可以快速准确地对异常姿态药卷识别与诊断。 [ 关键词] 工业炸药药卷机器视觉在线检测 [ 分类号] 1 D 2 3 5 ．2 1 耶1 3 引言 近年来，科技的发展使得民爆行业意识到必须 加快技术创新，大力提高生产线连续化、自动化水 平，减少危险工序在线作业人员，提高生产本质安全 水平。目前国内开发的工业炸药自动包装设备存在 不足，药卷在包装过程中，由于可能出现药卷与传输 带传输方向所成角度过大等传输姿态异常问题，如 果不能得到及时有效解决，出现异常状况的药卷就 会在后续工序中因挤压而堵塞、污染生产线．降低生 产效率”⋯。通过在线检测药卷的传输姿态，将可能 出现问题的药卷定位，然后通过采取人工或机械装 置将异常药卷分离，从而可避免以上异常情况发生。 目前，多数企业的现状是工人在生产线旁检查、调整 药卷传输姿态。由于工人本身技能和责任心有差 异，时有异常情况的发生，同时对人身安全也构成潜 在威胁。 针对上述存在的问题，在工业炸药包装生产线 上引入机器视觉技术，实现在线检测药卷传输姿态。 机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客 观事物的图像中提取信息，进行处理并加以运用，最 终用于实际检测、测量和控制。方法是通过c c D 相 机采集到药卷在线传输姿态的图像，将图像数据实 时传输到服务器，通过相关算法进行分析处理，在线 检测图像中药卷的传输姿态是否异常。 本文首先将采集的药卷图像进行预处理，通过 迭代法寻找最优阈值，分割药卷与皮带像素，得到药 卷的二值图像，然后提取药卷轮廓，利用H o u g h 变 换算法获取药卷特征线段；并研究利用矩形去逼近 药卷外轮廓，计算出药卷外轮廓矩形的特征参数，从 而可以检测到传输过程是否存在堆叠和姿态异常情 况，有效地解决了药卷传输过程中传输姿态异常问 题。 1 检测原理 1 ．1 模型建立 实际生产线中药卷形状为长圆柱状，包装外皮 成淡黄色，传输带 背景 深绿色，如图l a 所示。 由于药卷为圆柱形，药卷检测与识别的关键是从采 集的图像药卷中提取其轮廓信息后，将条形轮廓细 化成直线，因此可将每根药卷简化成直线模型，提取 药卷的中轴线和边缘直线等特征，再将图像坐标系 转换成笛卡尔坐标系”⋯，如图l b 、图l c 所示。 - 收稿日期2 叭1 - 0 5 0 6 资助项目广东省科技计划项目 2 0 1 0 8 0 1 0 7 0 0 0 0 5 ；国家科披支撑计划课题 2 0 1 2 B K 1 3 l j 0 2 ．2 0 1 0 年现代信息服务业发展专项资金．编号粤经信轼信 [ 2 0 1 0 ] 8 7 l 号 作者简介徐海渡 1 9 8 7 一 ，男，硕士．研究方向智能控制与信息处理技术。E ⋯I l 8 4 2 4 6 6 5 7 9 q q ⋯ 通信作者何小敏 1 9 6 1 一 ，女，副教授，研究方向嵌入式系统及传感器阿鼎。E m 且丑t e 舵h m ，m c 1 6 3 ⋯ 万方数据 爆破器材F 、f I o i 、t Ⅵ“ r i l 1 乒 刍 b a 传输带上的药卷； b 药卷模型； c 药卷细化直线模型 图l在线药卷姿态与药卷直线模型 在x o ．y 平面内的直线模型可用式 1 表示 f y h 6 ， t a n 日口≠詈 b。善 。’ 式中 为药卷中轴线的斜率；6 为药卷所在直线与 y 轴的截距；口定义为药卷所在直线与* 轴的夹角。 1 ．2 在线检测处理 药卷传输姿态在线检测处理过程包括检测图 像预处理、提取药卷轮廓和特征线段、传输姿态异常 的识别与诊断等步骤。 1 ，2 ．1 图像预处理 第l 步，对图像进行阈值分割。由图1 可以看 出，药卷和皮带的像素值存在很大不同，通过图2 中 的图像直方图统计可知，直方图中存在两个波峰分 别为皮带与药卷像素的灰度值，图像的前后景很容 易区分，可利用阈值分割法对图像进行处理，按式 2 进行。 ， 。，y ≥r f 2 “* ，y r 、7 其中“x ，y 二维图像中坐标为 z ，y 点所对应 的像素值，阚值r 是通过迭代方法获得，将自动计 算出最合适的分割闯值。 第2 步．分割之后得到图像二值图，由于噪声的 存在使得边缘有很多锯齿，运用开运算处理，其实质 是对图像进行腐蚀、膨胀处理，操作核为参考点位于 中心的3 3 核”⋯。 1 ．2 ．2 药卷轮廓和特征线段提取 药卷特征线段反映了药卷在传输过程中与皮带 速度方向所形成的角度及药卷所处具体位置等相关 信息，通过特征线段可准确判断药卷在线传输姿态 是否异常。该步骤目的是提取药卷的中轴线和边缘 线段。采用轮廓提取算法提取药卷轮廓，针对特征 线段的提取，本文提出两种方法边缘直线检测法和 矩形定位法。 1 ．2 ．2 ．1 边缘直线检测法 药卷轮廓中直接包含有药卷的边缘线段。首先 将图像进行轮廓提取处理，使用c a n n y 算法选取适 当的上下限阈值之后可以得到药卷图像的轮廓图， 其中包含有要检测的线段，可采用H o u g h 变换检测 线段，该变换是一种在图像中寻找直线的方法”’。 1 ．2 ．2 ．2 矩形定位法 考虑药卷为条状物体且形体较粗。使用普通的 细化算法难以得到精确的药卷中轴线。但药卷轮廓 比较接近矩形，可利用一个矩形无限逼近药卷轮廓， 得到的图形即为最小面积并全部包含药卷的矩形。 具体方法是应用旋转卡壳算法，确定药卷轮廓凸包， 计算凸包最大直径，从而得到外接矩形，再通过矩形 各参数决定图像药卷的传输异常情况，对异常药卷 进行在线检测与定位。 1 ．2 ．3 药卷传输姿态诊断 本文主要研究传输皮带上药卷的位置和姿态与 皮带运动方向不一致的诊断方法。传输姿态异常药 卷的判定是根据药卷中轴线与传输皮带运动方向所 形成的夹角区间，所以只需要检测并计算该夹角，若 角度超出了正常范围，则认定为异常．具体诊断方法 如下。 检测到药卷的线段 特征 后，计算线段上两端 点坐标 w ，，y ， ， * ，y ，代人式 3 ，即可求得直线 的夹角日。 f 8 t a n “f 笠尘1 x 1 ≠x i 。予、。2 一。1 ’；，。 3 ’ 、八 一 ／／＼趁 万方数据 2 0 】2 年J 2 月工业炸药药卷传输姿态在线检测方法徐海渡等 再利用式 4 诊断此药卷的姿态是否正常，然 后进行药卷传输姿态的诊断检测。 药卷中轴线{ 姜；关孟仇‘吼 。 2 仿真实验 2 ．1 实验平台搭建 仿真实验平台如图3 所示，具体硬件包括数字 图像采集卡、计算机、c c D 工业相机、光源，药卷皮 带传送速度为4 0 0m n ∥s 。图像采集卡安装在计算 机P c I 接口上，由图像采集卡驱动程序驱动调用。 选用的相机型号为A V Tg L I p p yf 0 3 3 b ，最大3 3 万像 素，镜头的型号为C o m p t u a rM 0 8 1 4 一M P ，焦距为8 m m ，相机视野必须覆盖皮带宽度，相机的数据通过 1 3 9 4 数据线传输给图像采集卡”J 。 糍霪鬻孙* 图3 实验仿真平台 0 p e n c V 是一个基于 开源 发行的跨平台计算 机视觉库，它由一系列c 函数和少量c 类构成，同 时提供了P y 山o n 、R u b y 、M A T 【A B 等语言的接口， 实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算 法。 2 ．2 实验结果 由于特征提取方法的不同，仿真实验分为两种 边缘直线检测法和矩形定位法。 2 ．21 边缘直线检测法 边缘直线检测法针对的是药卷的两条平行的长 边。首先对输入的药卷图像进行轮廓提取，使用 c a n n y 算法，该算法通过适当的选取上限下限阈值 可以将独立边的候选像素拼装成轮廓，再通过累计 概率H o u g h 变换检测药卷的边缘直线。 图4 a 是单层完整稀疏排列的药卷图像。取上 限阈值、下限阈值分别是6 0 、1 2 0 时，通过H o u g h 检 测边缘并画线，H o u g h 变换需要调整3 个参数，包括 阈值 t h r e s h o I d 、返回线段的最小长度 p a m m1 和 直线的分隔像支点数 p a m m2 。图4 b 为相应的 输出检测图像，此图说明对于单层完整稀疏药卷可 完整地检测到两条平行的边缘直线。 a 源图像 b 检测后图像 图4 边缘直线算法检测效果图 2 ．2 ．2 矩形定位法 矩形定位算法对被检测图像进行灰度直方图 计算．获取最佳阈值，先进行二值化，后进行开运算， 然后通过二值图像轮廓跟踪算法提取药卷轮 廓”“⋯，从而画出药卷边缘的外接矩形框及长轴中 轴线，计算药卷中心坐标、倾斜角度、药卷的长宽等 特征信息，进而判断药卷的传输姿态是否异常。图 5 a 表示药卷为单侧不完整随机排列图像的输人 图，图5 b 表示通过矩形定位算法检测的效果输出 图。 a b a 源图像； b 检测后图像 图5矩形定位算法检测效果图 23 两种检测算法实验对比 2 ．3 ．1基于不同药卷分类的两种检测算法对比 图6 选取的图像药卷为单层完整稀疏排列时两 种检测算法的仿真效果，药卷中轴线近似平行，且药 卷之间存在间隙，这种情况下两种算法均很好检测 到药卷的轮廓特征。图7 中的药卷随机性较大，药 卷中轴线之间平行度差，且边缘药卷的双侧边缘未 完全显现。用边缘直线法检测，未完全显示的药卷 边缘未被检测，而矩形定位法可检测到未完全显示 的边缘药卷图像。图8 为单层单侧不完整密集排列 的药卷图像，药卷之间相切且中轴线平行，边缘直线 I 童I ．釜1 l 璺璺曹■上 墼美 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e a l s 第4 1 卷第6 期 图8 单侧不完整密集排列两种算法检测输出图 检测算法可以检测到完整的药卷图像边缘，因边缘 药卷的单侧边缘未显示在图像中，故存在一边未被 检测，通过调整适当阈值可分辨出相邻两个药卷的 边界线。矩形定位法可检测绝大部分的药卷边缘。 边缘直线检测法的不足当参数选择不匹配时， 识别容易受到包装字迹影响，不能统计药卷数量．只 能检测图像中是否有异常药卷，大多情况下可调整 参数阈值的滑动条使轮廓线显示，有时调整参数仍 然不可被检测，如图9 a 所示。可以看出靠近上边 缘上的药卷的一侧边缘未被检测出，可能原因 1 未被检测的药卷边缘显示部分不足完整边 缘的一半； 2 药卷包装的文字落在边缘侧线上。 矩形定位法的不足易受重叠药卷和不完整药 卷的影响，对于单侧不完整且药卷姿态倾斜的图像， 该算法可以检测到矩形，但是中轴线有误差，导致药 卷与传输带的角度检测失效，见图9 b ，但能检测 到图像是否存在大量药卷重叠。 L8J lbJ a 边缘直线检测异常； b 矩形定位检测异常 图9 出现异常检测结果的药卷图像 通过以上3 组仿真实验可知，对于单层药卷边 缘完整或近似完整时两种方法均可较好地检测图像 药卷特征线．从而判断姿态是否异常；当图像药卷为 单层双侧边缘不完整随机排列时，用边缘直线检测 法失效 图7 左 ；当图像药卷为单层单侧不完整密 集排列时，矩形定位算法对于边缘不完整且倾斜药 卷检测出现异常 图8 右 ，用边缘直线检测法优于 矩形定位法。 2 ．3 ．2 基于效率、识别率的两种检测算法对比 算法的效率需通过依据该算法编制的程序在计 算机上运行时所消耗的时间来度量。从样本为 1 0 0 0 的无堆叠药卷图像中随机抽取7 0 张，并不对 药卷图像分类考虑，在图像分辨率相同时通过两种 方法检测的结果如表1 。表中边缘直线检测法的识 别率是指检测到边缘直线的比例，药卷外矩形定位 法的识别率为识别到整根药卷的比例；矩形定位法 检测时间包含计算并显示药卷直方图、阈值分割、开 运算、查找轮廓等各部分所用时间。对于药卷图像 样本来讲最终的时间是指样本的均值检测时间。 表l两种算法的实验效果对比 药卷图像分辨率相同时，因图像中药卷数量、灰 度值不同等导致两种方法检测时间长短不同，通常 药卷数量在4 根以上时两种方法的检测时间均超过 3 5 m s ．对于药卷边缘局部较小显示时检测效果不 佳。从表l 可得，矩形定位法对于药卷的检测时间 比边缘直线检测法平均时问略长，但识别率较强。 3 结论 本文基于机器视觉技术对工业炸药生产传输过 程中药卷传输姿态异常问题，提出两种在线检测方 法边缘直线检测法和矩形定位法。边缘直线检测 法通过选取恰当阈值利用H o u g h 变换检测药卷边 缘直线，从而确定药卷传输姿态是否异常，当参数选 择不匹配时，识别容易受到包装字迹影响；矩形定位 法通过药卷外接矩形的长边中线判断传输姿态，容 易受重叠药卷和不完整药卷的影响。利用两种检测 算法在药卷姿态图像的不同分类下进行检测试验， 当图像分辨率相同时．对于无堆叠的药卷图像两种 检测算法均可以有效地检测出药卷的传输姿态，识 别率均在9 6 ％以上，矩形定位法的检测时间比边缘 直线检测平均时间略长．但识别率较强。 参考文献 [ 1 ] 杨民剐，刘茂后．工业炸药全自动包装系统研究与应 用[ J ] ．爆破器材，2 0 0 8 ，3 7 2 3 5 - 3 8 ． 下转第2 6 页 万方数据 ．2 6 爆破器材E 【p l o s i v eM a t e 丑l s第4 1 卷第6 期 [ 4 ] 韩民园，贾新娟．粉体炸药动态计量技术研究[ J ] ．台[ 7 ] 张幺玄，张秋杰，胡秀娟，等R D x 干燥过程影响因素 能材料，2 0 0 7 ，1 5 5 5 4 7 _ 5 5 0 ．的综合分析[ J ] ．爆破器材，2 0 1 l ，4 0 5 1 5 一1 7 ，2 1 ． [ 5 ] 李洁云．粉体自动加料系统的设计[ D ] 北京北京 [ 8 ] 董玉秀，宋珍鹏，崔索娟对休止角测定方法的讨论 邮电大学，2 0 1 1 ．[ J ] ．中国药科大学学报，2 0 0 8 ，3 9 4 3 1 7 ．3 2 0 ． [ 6 ] 张建．粉体定量加料器及应用研究[ D ] 镇江江苏 [ 9 ] 张荣善．散料输送与贮存[ M ] 北京化学工业出版 大学，2 0 0 8 ．社，1 9 9 4 ． S t u d yo nC o n n n u o u sM e t e r i n ga n dF e e d j n gT e c h n o l o g yo fI U XP o w d e r D E N GG u o d o n 产，u uH o “钉i n g ①，G u ox i a o d 一，G uz h i m i “g 。，L VF e 严，W A N GY o n g h o “g 窜 ①N “o r l a ls p e 嘎a ls “p e l f i n eP d w d e r 笋n 舀n e e d “gR e s e a r c hc e n t r e ， N a n j i “gu n i v e r 8 i t y0 fs c i e n c e ＆T e c h n o b 蹦 J i a “g s u №n j j “g ，2 1 0 0 9 4 ②s h 删【iN o n hx i “g ’蚰c h e m i c a lI n d u s ‘r yc b ．，L t d ． s h a n x iT a i y u a n ，0 3 0 0 0 8 [ A B 譬r R A c T ]R D x i n h e 佗n t l yp r e s e n t 5h 讪打s k 帅op o o r Ⅱu x i o ip r o p e r 【y ，w h i c hw o I l l d 百v ed s e t op o t e n t i 8 ls 如y h a z - a r da n di m p r e c i s em e f e d “gd u d “gE h ec o n t i n u o u sm e t ““ga n df e e d 竹gp m c e s s ．T os d v et h e s 。P m b l e m s ，8n 。wd e s 唔} 甜 t h ea n t i e l e c t r o s t a f i ce l e c t r o n i cb e I ts c a l i “g 。q u i p m e n tw a sc o n s t 兀l c t e d 蚰dam t i o n a lh o p p e rw 船d e s i g n e da k ob ym e a s u n g t h e 阴d eo fr e p o s e0 fR D xp o w d e r ．I t ss t r L l c t u r ea n dw o r k i “gp d n c i P l ew e r ec l a i 6 e di nd e t a i l ，a n da e d e s0 f 硼e t e n n ge x p e 五m e n t sf o rR D XP o w d e rw e r ec o n d u c t e d ．T } 记他s u h ss h o w e d 胁tc h i sa u t o m a t i cm e t e “g 。q u i P 珊e n tc o u I dt 掣8 p o nR D x p o w d e rs t e a d i l ya n de v e n 坤w i t hh l g hs a f e t yp e d o m l a n c e ，t h e1 1 0 p p e rc o u l dn o tb eb d g e d ，8 n dt h em e 地d “ge n D r si sl e s 8 t h 踊1 ．0 ％．I tc a nm e e I l h er e q ■r e m e n to fc o n t i n u o u 8p r e c i s e m e t e d “go f R D Xp o w d e rd u d ”g f e e d i n g ． [ K E Yw 0 R D s ]R D xp o w d e r ，a n 【i ．d e c t r o s 州ce l e c ￡功I l i cb e l t8 c a l i “g 。q u i p m en l ，c o n d n u o u sm e t e d “g ，e l e e 啪s t a t i c ， m e t e d “ge 玎o r 上接第2 2 页 [ 2 ] 何楠，李昌满．我国乳化炸药生产现状及对策[ J ] ．矿 业快报，2 0 0 8 ，2 4 5 2 4 彩． [ 3 ] 杨民刚．工业炸药包装工艺设备现状及发展方向[ J ] ． 煤矿爆破。2 0 0 4 2 2 3 _ 2 5 ‘ [ 4 ] 林泽梅，黄志平，张国全．工业乳化炸药装药机与码 夹装置工作参数不协调性分析[ J ] ．包装与食品机械， 2 叭0 ，2 8 2 1 4 - 1 6 ． [ 5 ] 章毓晋．图像工程 中册 图像分析[ M ] ．2 版．北京 清华大学出版社。2 0 0 5 ． [ 6 ] 何传龙，何小敏，许亮，等．药卷传输姿态快速识别与 诊断方法研究[ J ] ．计算机测量与控制，2 0 1 2 ，2 0 2 3 0 7 - 3 1 0 ． [ 7 ] 冈萨雷斯．数字图像处理[ M 1 阮秋琦，等译．2 版．北 京电子工业出版社．2 0 0 7 4 2 0 4 3 3 ， [ 8 ] 孙即样图像分析[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 7 【9 ] 徐长青，许志闻，郭晓新，等．计算机图形学[ M ] ．2 版．北京机械工业出版社．2 0 l o [ 1 0 ]s t r o u t h o p o u l oc ．，P 8 p 锄a r k o sNT e x tI d e n t 击e a t i o nh 、[ 帅u m e n tI m 8 驴A n 由s i su s i “gaN e u m lN e t w o r k [ J ] I m 8 9 ea n dV i 8 i o nC o m p u t j “g ，1 9 粥，1 6 1 2 8 7 6 8 9 6 ． [ 1 1 ] B r a d s k i ．c ．，l c a e I d e rA ．k 唧O p e n c V [ M ] ．于仕琪， 等译．北京清华大学出版社，2 0 0 9 1 7 5 1 8 1 ． O n - U n eI I l s p e c 廿蚰M e t h o df o rt h eT r a 璐I n i s s i o nP r o 脚eo fI n d u s t n a lE x p l o s i V eC a r 啊d g e s x uA a i b o 中，H E Ⅺa o 脚i n o ，D I A OJ i a n b i n o ，x u “a “g ∞，ux i u x i o ①s c h o o l0 f A u t o m 小i o n ，c u a l l g d j “gu n i v e 挹畸0 fT e c h n o l o 科 c u 蚰g d o n gc u a n 9 2 h o u ，5 1 】0 0 6 ②c u 柚g d o “gz h e n s h e “gs c i e n c e ＆T e c l l l l o l o g yc 0 ．，L t d ． c u a n g d o “gM e i z h o u ，5 1 4 7 9 5 ③s c h o o lo fc h e l I l i s ‘r ya n dc h e m i c a lE n 舀 e e d “g ，s o u t hc h i n au n i v e 鹤j t y0 f T e c h n 。l o g y G u a I l o “gG L 帅g z h o u ，5 I O “0 L [ 蛐s T R A c T ] T os 山et h ep r o b l e m 。f ‰n o m a lp T 湖ef o rh d 璐t n a le x 计峙h ec a 商d g e sd u 五n ga u t o m “cp a c k i “g p 删s ，蚰o nl i n ei n 8 p ∞t i o n m e l h o di 3P r e s e n l db y 蚴n gm a c h ；n c Ⅵs i o ni n 8 p c c d o nk c hn o l o 影，D u “gt h el ㈣m 诂薪o n p r D c e s g ，l h ef e a I u r el i n eo f i n d u s 研a le l p l o s i v ec a n d d 舻s1 nl h e s ei m 3 9 e sa r ee x t r a c t e d ，a n db o 山t h et r a n s m i s 8 i o nd e t e c d “g m e t h o db 越e do ne d g e - l i n ed e t e c t i ”ga n dr e c t a n d e1 0 c a t i n gm e t l l o da r ec o n s t 兀l c 地dA l g o d 山m sa n ds i m l l l a t i o ne l p e d m e n 协 8 砰P 。也丌n e db yu s i “gV 1 3 u 且lS t u d i oc 什蛐dO p e n c V ．E x p e 五抽肌心r e 辄h ss h o Wt h 8 td e t e c t l 。矗3 p e e d eo fb o l hm e t h o d s 蚀1 s 出s f ，t h er e q u i 础n e n t0 fap a c k 硒n gp r o d u c t i o nl i n e ，8 n dc 曲i d e n t i f ya r I dd i 8 印。舱f o ra b n o 兀T l mp r 0 6 1 ef o ri n d u s t d e x - P l o s i v ec a r L d d g e 8a c c u r a t e l y 蛐d 平l i c k l y ． 1 E Yw o R D s 】 i n d u se d a Ie x p2 0 s i v e ，c a r t d d g e ，m a c h h 屺v i s j o n ，o n 一王i n e 沁p e c t i o n 万方数据