CN102778211B - 一种不规则形状眼镜架表面积检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种不规则形状眼镜架表面积检测装置，其特征在于：包括箱体，箱体底部设有检测平台，检测平台左右两侧对称设有四组LED白光光源，检测平台上方设有高精度CCD成像***，反射抑制膜通过镜头设于高精度CCD成像***下方；显示与控制器通过光源控制器与检测平台连接。本发明还提供了一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，其特征在于：通过采集镜架两侧面图像并获取其横截面图像，建立以单位像素为步长的镜架横截面图像序列，计算其各边缘像素和，进而计算出镜架表面总面积。本发明提供的一种检测装置及方法，基于机器视觉***和图像处理技术测量镜架表面面积，具有检测方便、实时性强、准确性高的特点。

Description

一种不规则形状眼镜架表面积检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种不规则形状眼镜架表面积检测装置及检测方法，属于眼镜质量检测技术领域。

背景技术

目前我国中、低端的金属镜架一般以铜合金、镍铜合金为主，只有少量的中、高端的镜架产品采用钛合金、纯钛或贵金属材料制成。由贵金属制造的眼镜架产品相对安全，但价格较高，只针对社会中少数的高端消费群体。对于普通大众消费群体，眼镜架主要是以中、低端镍铜合金或钛合金制成品为主。其制造一般是以某种金属为底材，然后对其表面进行电镀处理，电镀工艺能够使产品耐磨、防腐、美观。

中、低端的眼镜架多采用镀铬或镀镍工艺，这种工艺成本低，光泽度好，无须精磨就可达到使用要求。但铬和镍易释放出危害环境与人体健康的重金属元素，尤其是眼镜架，长期与皮肤接触，再遇上汗液侵蚀，活跃度更高，容易引发皮肤过敏，常常有一些消费者在佩戴金属类镜架时，会发生皮肤红肿甚至溃烂的现象，大多与重金属释放量超标有关，重者则可能致癌病的发生。

眼镜产品作为一个大众消费商品，低价、低质的产品在消费大众中有着巨大的市场，因为普通的消费人群对眼镜产品缺乏科学的消费知识，故而促使低端生产企业采用成本相对低廉的工艺和材质，以降低产品价格，提高销售量获得生存。产品质量问题，实质上已经与人们的健康息息相关，目前，中、低端金属类眼镜架产品中镍元素释放量，是评价眼镜架质量的一个重要，特别是镍析出量检测标准，已成为我国眼镜产品质量领域关注的话题。

欧盟标准化组织正在重新制定眼镜产品的标准，考虑到中国是全球眼镜产品的制造和出口大国，该组织的官员正通过各种渠道与中国标准化相关部门进行沟通。目前国际上对金属眼镜架的镍析出量有着严格的规定和检测标准，镍析出量不合格的产品，不允许销售给最终消费者。

在1994年6月，欧盟就颁布了94/27/EC指令，规定了产品相关镍析出量的标准。1997年7月，欧盟又发布了3个协调标准，明确了对镍析出量进行定性分析的方法。ISO/TS24348《眼镜架-对金属和合金镜架的模拟佩带以及镍析出量的检测方法》国际标准于2007年正式颁布，其中明确规定：眼镜架与佩带者的皮肤直接和长时间接触的金属和合金部分的镍析出量，不得超出0.5μg/cm²/每周，应把由镜片或镜架材料析出的可能伤害佩带者皮肤的危险降至最低。

随着科学技术的高速发展和社会的进步，对眼镜生产企业的要求也越来越高。根据眼镜的国际检测标准，需要检测眼镜镜架单位面积的镍析出量，因此需要精确检测眼镜架构件或某些部分的表面积。但由于不同生产眼镜架的企业，为满足市场的需求，所生产的镜架形状多种多样，以至无法采用现有仪器或专业设备对其表面积进行精确检测。目前检测镜架表面积的方法主要采用游标卡尺等接触性的直接测量方法，由于镜架体形状各异，规则性不强，其检测精确往往难于满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能方便、准确、快速地检测不规则形状眼镜架表面积的检测装置和检测方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是提供一种不规则形状眼镜架表面积检测装置，其特征在于：包括箱体，箱体底部设有检测平台，检测平台左右两侧对称设有四组LED白光光源，检测平台上方设有高精度CCD成像***，反射抑制膜通过镜头设于高精度CCD成像***下方；显示与控制器通过光源控制器与检测平台连接。

优选地，所述箱体为封闭结构。

优选地，所述高精度CCD成像***配有分辨率为10um的标准标定模板。

为了解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是提供一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，其特征在于：该方法分为以下8个步骤：

步骤1：采用自带标准模板对高精度CCD成像***进行畸变校正和***标定，并根据镜架形状的相似性，对镜架进行分段标记；

步骤2：将被检测的镜架放置在检测平台上预先固定的检测区域，通过高精度CCD成像***采集镜架两侧面图像；再对镜架按段进行物理截取，分别获取其横截面图像，并通过高精度CCD成像***的视频接口电路，将采集的图像分别送入显示与控制器的存储器等待处理；

步骤3：对步骤2中采集的各段镜架两侧面图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，然后通过亚像素定位方法，分别检测镜架两侧面图像的两对边缘；以单位像素为步长，沿镜架纵向方向计算不同位置两侧面图像边缘间的距离，作为长和宽用以构建不规则镜架体横截面外接矩形序列；

步骤4：利用图像边缘检测技术，对步骤2中采集的各段横截面图像进行处理，检测其镜架横截面封闭边缘；

步骤5：对同一段镜架，以该段所截取的横截面封闭边缘为基本形状图像，以单位像素为步长，相对应位置的外接矩形为约束，对基本形状图像进行膨胀或腐蚀操作，得到该段横截面边缘图像序列。

步骤6：依次对所有段按步骤5进行处理，得到所有段以单个像素为步长的横截面边缘图像序列。计算出所有段的横截面边缘图像序列像素，并进行累加，得到整个镜架表面像素总数。

步骤7：根据像素与实际面积的映射关系，最终计算出镜架表面面积。

步骤8：由显示与控制器的液晶显示器显示镜架表面面积结果。

本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测装置，基于机器视觉***和图像处理技术，采用嵌入式***设计方法，以处理器为中心，将图像采集、处理、眼镜架体切片建模及面积计算集中于一体；采用封闭的箱体结构作为检测平台，屏蔽外界杂光干扰，同时在箱体的内部采用四组LED白光光源构成照明***，以消除光照阴影，同时通过加装慢反射抑制膜，以抑制金属框架表面光反射，精确获取镜架表面积；并通过液晶触摸屏作为人机交互界面，实现镜架表面积检测控制与结果显示。

本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，通过机器视觉和图像处理技术，提取眼镜架的图像，以镜架形状的相似性对镜架进行分段，横截面形状建模等方法，将镜架外表面图像像素面积计算，转化为求以单位像素为步长的横截面边缘像素的总和，并根据单个像素与实际面积的映射关系，实现对镜架表面面积的精确测量。

本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测装置及检测方法，基于机器视觉***和图像处理技术测量镜架表面面积，具有检测方便、实时性强、准确性高的特点。

附图说明

图1为本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测装置示意图；

图2为本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测装置的***功能结构示意图；

图3为本实施例中标准棋盘图像；

图4为本实施例中镜架建模与表面积计算示意图；

附图标记说明

1-箱体；2-高精度CCD成像***；3-镜头；4-反射抑制膜；5-LED白光光源；6-检测平台；7-光源控制器；8-显示与控制器；9-横截面边缘；10-外接矩阵。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

图1为本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测装置示意图，所述的一种不规则形状眼镜架表面积检测装置包括封闭结构的箱体1，箱体1底部放有检测平台6，检测平台6左右两侧对称装有四组LED白光光源5，检测平台6上方装有高精度CCD成像***2，高精度CCD成像***配有分辨率为10um的标准模板。反射抑制膜4通过镜头3装在高精度CCD成像***2下方；显示与控制器8通过光源控制器7与检测平台6连接。

结合图2，装置以Cortex-A8处理器为核心，采用Android操作***，主要包括***接口电路、电容式触摸液晶显示器、LED白光光源、数字CCD及相应的光学***等。为了减少检测过程中，杂光对成像***的影响，精确获取镜架边缘，采用封闭的箱体结构，屏蔽外界杂光干扰，在箱体1的内部采用四组LED白光光源5构成照明***，以消除光照阴影；同时通过加装反射抑制膜4，以抑制金属框架表面光反射，精确获取镜架表面积。

本发明提供的一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，先获取眼镜架两侧面图像，并检测其边缘；沿镜架纵向方向，以单位像素为步长，分别计算两侧面图像边缘间的距离，构建不规则镜架体横截面外接矩形序列；根据镜架形状的变化规律，将镜架分成具有形状相似的若干段，每段截取一个横截面图像，并检测其边缘；以镜架外接矩形序列为约束，各段截面的边缘图像为基本图像，通过膨胀和腐蚀操作生成以单个像素为步长的镜架横截面边缘图像序列；对获取的边缘序列图像，计算出每一帧图像边缘像素个数，并进行累加，得到镜架表面像素总和；通过像素点与实际物理尺寸的对应关系，精确计算出不规则镜架的表面面积。不规则眼镜架表面积检测详细实施方法如下：

步骤1：采用自带标准模板对高精度CCD成像***2进行畸变校正和***标定，并根据镜架形状的相似性，对镜架进行分段标记，以获取成像***单个像素所对应的实际物理面积。

本发明采用标准棋盘图像校正方法，对高精度CCD成像***2的畸变进行校正。标准棋盘图像如图3所示，在棋盘的横向和纵向分别有8个和12个黑白相间的棋盘格，形成了77个内角点(横向7个，纵向11个)，根据这些内角点在世界坐标平面中的位置关系信息和与之对应的图像坐标平面中的位置关系信息，我们即可求出高精度CCD成像***2的畸变参数，从而对高精度CCD成像***2进行校正。

在校正过程中，先把标准棋盘图像放置在镜头3下，使其所在的平面与镜头3的成像平面保存水平，并且处于镜头3的焦平面上，以便获得最清晰的棋盘图像；获取该位置棋盘图像内每个内角点的世界位置坐标；对获取的标准棋盘图像进行图像处理，采用直线拟合的方式获取其像素级别的全部内焦点，并在此基础上进一步确定亚像素级别的内焦点信息，获取内角点在图像坐标平面的位置信息；通过内角点的世界位置坐标信息与图像中对应的图像坐标信息，算出摄像头的畸变校正参数；最后，根据该校正参数在摄像头采集图像时进行图像校正。

步骤2：将被检测的镜架放置在检测平台6上预先固定的检测区域，通过高精度CCD成像***2采集镜架两侧面图像；再对镜架按段进行物理截取，分别获取其横截面图像，并通过视频接口电路，将采集的图像分别送入存储器等待处理。

步骤3：对步骤2中采集的各段镜架两侧面图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，然后通过亚像素定位方法，分别检测镜架两侧面图像的两对边缘；以单位像素为步长，沿镜架纵向方向计算不同位置两侧面图像边缘间的距离，作为长和宽用以构建不规则镜架体横截面外接矩形序列；

通过几何校正，能使整个检测区域不同位置检测目标的实际表面面积与其相对应的图像像素保持严格一致的比例关系。另外，考虑成像环境和内部电路产生噪声的原因，摄取的镜架图像往往存在随机分布的噪声，即高斯噪声，为了能准确地检测镜架图像侧面边缘和横截面边缘，需要对采集的图像去噪处理。本发明采用滤波的方法去除图像噪声。由于频域滤波是通过滤掉图像的高频成份而去掉噪声，它在去除噪声的同时也会丢失图像的纹理特征信息，使图像变模糊，不利于纹理特征的提取。另外，频域变换运算量较大，难于实现实时性。本发明在实施过程中，采用改进的均值和中值滤波算法对图像进行预处理，去除眼镜架图像的噪声。

线性滤波缺点在于降低噪声的同时也模糊了整个图像，特别是图像的边缘和图像的纹理细节，因此直接使用均值滤波不利于高频纹理信号的保留。均值滤波操作是依次对操作像素点邻域的像素值取均值而使图像模糊，如果有条件保留原来像素点的值，即只有当像素点的值比邻域均值大于某一阈值时，才取邻域均值为该点的值，否则该点的值保持不变。这种处理方法，可使图像不模糊，同时又能去除噪音。

同样的，由于中值滤波算法的操作是以一定的操作顺序，选取其滤波窗口内经过排序后中间像素的值，而与原来像素点的值没什么必然联系。如果图像中某些特征尺寸较小，排序后该物体没有像素点排在中间，那么滤波后该物体就会被腐蚀甚至消失。所以采用先设定一个阈值，只有该点的值与邻域中值的差大于预先设定的阈值时，才取邻域的中值，否则就保留该点的值。这样处理，如果某像素点为噪声，它和邻域的中值就会相差较大，就可以把它去掉。如果是图像信息对象，邻域中还有物体本身的点，所以邻域的中值和该点的像素值就不会相差太大，只要设置合适的阈值，就可以保留该点的值，从而保留更多的图像细节特征。

步骤4：利用图像边缘检测技术，对步骤2中采集的各段横截面图像进行处理，检测其镜架横截面封闭边缘；

步骤5：对同一段镜架，以该段所截取的横截面封闭边缘为基本形状图像，以单位像素为步长，相对应位置的外接矩形为约束，对基本形状图像进行膨胀或腐蚀操作，得到该段横截面边缘图像序列。

步骤6：依次对所有段按步骤5进行处理，得到所有段以单个像素为步长的横截面边缘图像序列。计算出所有段的横截面边缘图像序列像素，并进行累加，得到整个镜架表面像素总数。

步骤7：根据像素与实际面积的映射关系，最终计算出镜架表面面积。

由于拍摄的眼镜架体两个侧面图像，均只能反应出眼镜架体单侧面的平面信息，并不能完全反映镜架体的三维立体形状。本发明针对该问题，提出了一种以眼镜架体三维建模的方法，模拟出眼镜架的三维立体模型。通过计算镜架三维立体模型的表面像素面积，根据像素点所对应实际物理面积计算出镜架的表面积。

本发明采用计算镜架表面像素总面积的方法计算器表面积。一般地说，镜架的形状虽各式各样，但具有分段相似性。对指定检测的镜架，我们以镜架体形状的相似度为准则，将其分成若干段，每一段镜架体，其外部形状基本相似，即其横截面边缘图像具有相似性，只是其大小尺寸随轴向方向有所变化。所以检测镜架的表面积，可采用以单位像素为步长，计算出所有镜架横截面边缘像素的方法。

如图4所示为一形状相似镜架段，该相似段沿纵轴方向所有位置的横截面图像具有相似性，只是其边缘所包围面积的大小不同。设该段在位置x₁处进行物理截取，并获镜架边缘图像表示为s(x₁)，则在该段的任一位置x_i，其横截面边缘图像可表示为s(x_i)，s(x_i)为一不规则封闭图像，在这里我们用f(x_i)表示s(x_i)不规则图像边缘的长度，则求径向位置为x_i，间隔为一小量的Δx_i表面积可近似地表达为：

ΔS_i＝f(x_i)*Δx_i                                              (1)

如将该段其径向分成L个小区间(L→∞)，则求该段整个表面积，实际就是对ΔS_i从0到L进行累加，表示为：

$S=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{S}_i=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}f\left(x_i\right)*\mathrm{\Δ}{x}_i---\left(2\right)$

从微积分的角度看，理想镜架的像素表面积可看作一系列不规则图像边缘周长f(x)在纵径方向的积分。即：

S＝∫_Lf(x)dx                                                   (3)

考虑到所获取的图像是由离散的图像数据组成，且当径向步长Δx_i取最小值时，即取单位(一个)像素时，其要测试像素表面积的大小，实际就是横截面边缘9的图像像素个数f(x_i)。因此，当Δx_i＝1时，定义像素表面积总和为：

$S=\underset{x=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}f\left(x_i\right)---\left(4\right)$

在公式(4)中l为该段图像在径向高度，单位为像素，f(x_i)为位置x_i处横截面镜架边缘像素。所以计算镜架的表面积就可以对所建立的模型从径向以一个像素为步长，依次求出其横截面镜架边缘的像素的个数，最后进行累加求和，就可得到镜架表面积像素总数。

镜架每一个位置横截面的图像s(x_i)，均是是s(x₁)的相似图像，其大小由该位置的外接矩形10限制，并通过对s(x₁)进行膨胀或腐蚀操作得到。在获取该段的表面的像素面积后，利用先前的对测量***的标定，即单个像素所代表的面积，就可精确计算镜架该段表面的全面积。每一段均通过类似的处理，将每一段获取的表面积相加，就可得到镜架的全面积。

步骤8：由液晶显示器显示镜架表面面积结果。

在实施过程中，采用下列器材：

(1)Cortex-A8处理器及***处理电路。采用Rreal210型号的开发板，其主要参数为：内核为处理器Cortex-A8的三星蜂鸟处理器S5PV210，主频为1GHz，支持NEON指令，支持3D图形加速(Power VR SGX540)和OpenGL-1.1&2.0、OpenVG1.0，支持JPEG硬件编解码，最大支持8192×8192分辨率，内存为4G bits DDR2。支持RGB 24Bit接口及TVOUT视频输出。

(2)数字CCD：采用的CMOS型号为OV3460，2048*1536像素，成像区域大小为3626μm x 2709μm，像素大小为1.75μm x 1.75μm，最高速度可达30帧每秒。

(3)光源型号：条形白光源YBL-86-29，电气参数24v/8.6w，光强可控，外形尺寸86mm×29mm×18mm，LED排数为5，带漫射片。环境温度为25℃时，以50％白色光源亮度连续可靠工作超过30000小时(衰减量为50％时)，并使用频闪控制时可延长光源的使用寿命。

(4)光学镜头：M3Z1228C-MP FA工业300万象素镜头，规格Format：2/3″；接口方式：C；焦距(mm)：12～36(可变)；光圈(F)：2.8～16C；视场角(水平HOR)°：41.0～13.6；最近物像距离(M)：0.2；有效口径：前27.2；后12.1；前置滤光镜螺纹35.5×0.5；外形尺寸41.6×53；重量(g)：105。

(5)电容式液晶显示触摸显示屏。显示屏采用型号为EK070TN937的TFTLCD，尺寸大小为7寸，分辨率为800*480，接口信号为Parallel RGB，显示对比度为500∶1(Typ)。

金属眼镜架的镍析出量有着严格的规定和检测标准，镍析出量不合格的产品，不允许销售给最终消费者。其中单位面积镍析出量是重要的检测标准，因此如何快速、精确地检测眼镜架各部分表面面积，直接关系到眼镜质量评价的科学性。本发明利用图像检测技术，实现对镜架表面面积快速、精确的测量，有助于对眼镜架质量进行实时、准确的分析与检测，对我国眼镜生产企业控制眼镜质量、实现眼镜质量检测与评价体系与世界标准接轨具有重大意义。

Claims (3)

1.一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，其特征在于：采用不规则形状眼镜架表面积检测装置，不规则形状眼镜架表面积检测装置包括箱体（1），箱体（1）底部设有检测平台（6），检测平台（6）左右两侧对称设有四组LED白光光源（5），检测平台（6）上方设有高精度CCD成像***（2），反射抑制膜（4）通过镜头（3）设于高精度CCD成像***（2）下方；显示与控制器（8）通过光源控制器（7）与检测平台（6）连接；

该方法分为以下8个步骤：

步骤1：采用自带标准模板对高精度CCD成像***（2）进行畸变校正和***标定，并根据镜架形状的相似性，对镜架进行分段标记；

步骤2：将被检测的镜架放置在检测平台（6）上预先固定的检测区域，通过高精度CCD成像***（2）采集镜架两侧面图像；再对镜架按段进行物理截取，分别获取其横截面图像，并通过高精度CCD成像***（2）的视频接口电路，将采集的图像分别送入显示与控制器（8）的存储器等待处理；

步骤3：对步骤2中采集的各段镜架两侧面图像进行滤波处理，消除成像过程中引入的光反射噪声，然后通过亚像素定位方法，分别检测镜架两侧面图像的两对边缘；以单位像素为步长，沿镜架纵向方向计算不同位置两侧面图像边缘间的距离，作为长和宽用以构建不规则镜架体横截面外接矩形序列；

步骤4：利用图像边缘检测技术，对步骤2中采集的各段横截面图像进行处理，检测其镜架横截面封闭边缘；

步骤5：对同一段镜架，以该段所截取的横截面封闭边缘为基本形状图像，以单位像素为步长，相对应位置的外接矩形为约束，对基本形状图像进行膨胀或腐蚀操作，得到该段横截面边缘图像序列；

步骤6：依次对所有段按步骤5进行处理，得到所有段以单个像素为步长的横截面边缘图像序列；计算出所有段的横截面边缘图像序列像素，并进行累加，得到整个镜架表面像素总数；

步骤7：根据像素与实际面积的映射关系，最终计算出镜架表面面积；

步骤8：由显示与控制器（8）的液晶显示器显示镜架表面面积结果。

2.如权利要求1所述的一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，其特征在于：所述箱体（1）为封闭结构。

3.如权利要求1所述的一种不规则形状眼镜架表面积检测方法，其特征在于：所述高精度CCD成像***（2）配有分辨率为10um的标准标定模板。