CN108230385B - 单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置，该方法的步骤为：S1：根据烟标成像分辨率需求调节相机焦距，然后根据烟标叠层厚度调节相机各测量工位运动位置，使之运动采集的图像具有足够的重叠区域；S2：根据现场环境光源与纸张成像特征自动调节曝光时间与红绿蓝增益参数；每次开机采集的第一组运动图像，用于确定后续采集的图像组中各图像间的仿射矩阵；S3：利用单相机多次运动获取叠层纸张图像序列；S4：采集的图像经过仿射矩阵、垂直方向快速直线段检测、二值图像线拼接和垂直截线抽样统计计数处理，完成计数。该装置用来执行上述方法。本发明具有结构简单、操作简便、检测精度高等优点。

Description

单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置

技术领域

本发明主要涉及到印刷与包装技术领域，特指一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置。

背景技术

烟标是烟草制品的包装盒，属于高端印刷产品。烟标在印刷完成后，需要对批量产品进行精确计数和分装，这既是对存货量的控制，也是为了实现与下一工序的衔接。传统机械或气动计数装置存在损坏纸张、形成划痕等风险，所以较少应用于烟标计数。

基于机器视觉的方法由于无损耗、误差低等优点得到了广泛的运用。其中无损、超薄、超高叠层烟标实时数量检测装置有着迫切的需求。但是普通单一相机无法在高分辨率与大测量范围间平衡，无法实现对超高叠层烟标图像的全覆盖高分辨率采集，所以单一相机无法完成高叠层纸张的计数任务。另一方面，受相机本身体积、分辨率以及视场大小的限制，多相机阵列方式也无法满足超薄烟标高叠层无间隙测量需求，且叠层高度增加会导致相机数目增多，其成本会显著提高，因此相机阵列在超薄、超高叠层纸张计数中的应用受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的局限性，本发明提供一种结构简单、操作简便、检测精度高、量程宽、成本低、适用范围广的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量的方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其步骤为：

S1：设置成像与运动装置：根据烟标成像分辨率要求调节相机焦距，然后根据烟标叠层厚度调节相机各测量工位运动位置，使之运动采集的图像具有足够的重叠区域；

S2：首次开机自动调整参数：根据现场环境光源与纸张成像特征自动调节曝光时间与红绿蓝增益参数；每次开机采集的第一组运动图像，用于确定后续采集的图像组中各图像间的仿射矩阵；

S3：获取烟标叠层运动扫描图像：利用单相机多次运动获取叠层纸张图像；

S4：采集的图像经过仿射矩阵、垂直方向快速直线段检测、二值图像线拼接和垂直截线抽样统计计数处理，完成计数。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S1中包括镜头对焦、调节光圈和量程调整，并在保证相邻两次相机运动采集的图像存在足够的重叠区域的条件下，根据实际情况对运动装置进行初始化调节，其包括相机运动起始位置和相机每次运动移动距离。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S3中首先在叠层烟标夹具平台上摆放、固定好烟标叠层，启动采集，最后相机会按事先设定好的工位，在线性模组拖动下进行移动采集纸张端面图像，并将采集到的图像直接送至图像处理模块。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S2中进行相机与图像参数矫正，利用图像中单张纸张位置信息，获取当前图像的最优垂直仿射矩阵，使纸张图像旋转至垂直方向。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S4中进行水平扫描峰值检测，该水平扫描峰值检测即沿水平方向逐一扫描每个像素，并且判断该像素与邻近两个像素的大小关系；若该像素大于左侧像素且大于等于右侧像素，则该点就是检测到的峰值点；单张纸张每行峰值点不能超过一个，每检测出一个峰值点，扫描像素位置沿扫描方向跳过三个像素位置继续扫描；每行的波峰数目，即为检测到的直线数。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S4中进行二值图像线拼接，即对相机运动采集的多张图像进行参数矫正后，先利用图像标记区域，进行毗邻图像的粗略坐标匹配；然后将各图像进行水平扫描峰值检测，得到纸张二值化直线图像；利用粗略匹配的坐标，截取出毗邻图像的多组匹配模板和相应的较小的待匹配区域进行再一次匹配，精确的找出毗邻图像间的重叠直线。

作为本发明方法的进一步改进：在所述步骤S4中进行垂直截线抽样统计计数，对得到的条纹图像进行截取若干行进行遍历抽样，计算截取行计数结果中出现频率最高的数即众数，所得众数的结果就是最终的计数结果。

作为本发明方法的进一步改进：还包括步骤S5：在计数完成后，将计数结果存入日志，并同时在人机交互界面上显示；随后操作人员选择再一次摆放纸张进行记数，如此达到机器持续循环运行检测的工作状态。

一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量的装置，其包括仪器框架、工控机、人机交互触摸显示器以及固定于仪器框架底板上并位于被测烟标下方的线性运动图像采集组件、光源；所述线性运动图像采集组件包括线性模组控制器、线性模组驱动器、线性运动模组、线性模组运动平台以及固定于线性模组运动平台上的工业相机、镜头和光圈，所述被测叠层烟标放置于叠层烟标夹具平台上。

作为本发明装置的进一步改进：所述叠层烟标夹具平台的下方安装有控制LED光源开启或关闭的光源控制器，直接由工控机控制。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置，结构简单、操作简便、检测精度高，测量烟标厚度可调节且在不改变相机参数的情况下能检测更薄的烟标。

2、本发明的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置，能够自动检测烟标叠层范围，满足不同叠层厚度的记数任务。

3、本发明的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法及装置，采用实时性快且检测精度高的线检测算法和拼接精度更高的二值图像线拼接算法，改进了检测的精度与误差。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明装置的结构原理示意图。

图3是本发明在具体实施例中相机移动采集的示意图。

图4是本发明在具体实施例中采集的单幅叠层纸张图像的示意图。

图5是本发明在具体实施例中毗邻图像仿射矩阵校正示意图。

图6是本发明在具体实施例中的纸张图像某行一维信号示意图。

图7是本发明在具体实施例中峰值检测后直线叠加在原图上的示意图。

图8是本发明在具体实施例中毗邻图像粗略匹配的示意图。

图 9是本发明在具体实施例中二值图像精匹配的示意图。

图10是本发明在具体实施例中截线抽样统计计数的示意图。

图例说明：

1、仪器框架；2、工控机；3、线性模组控制器；4、线性模组驱动器；5、线性模组；6、线性模组运动平台；7、工业相机；8、镜头和光圈；9、电源；10、光源控制器；11、LED光源；12、触摸显示器；13、叠层烟标纸张夹具；14、叠层烟标纸张。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其步骤为：

S1：设置成像与运动装置：根据烟标成像分辨率要求调节相机焦距，然后根据烟标叠层厚度调节相机各测量工位运动位置，使之运动采集的图像具有足够的重叠区域；其主要包括镜头对焦、调整光圈和量程调整，并在保证相邻两次相机运动采集的图像存在足够的重叠区域的条件下，根据实际情况对运动装置进行初始化调节，其包括相机运动起始位置和相机每次运动移动距离。

S2：首次开机自动调整参数：根据现场环境光源与纸张成像特征自动调节曝光时间与红绿蓝增益参数。每次开机采集的第一组运动图像，用于确定后续采集的图像组中各图像间的仿射矩阵。

S3：获取烟标叠层运动扫描图像：利用单相机多次运动获取叠层纸张图像，采集到的图像传送到图像处理模块；即，首先在叠层烟标夹具平台上摆放、固定好烟标叠层，然后在触摸显示屏上点击程序采集开始按钮。最后相机会按事先设定好的每次移动距离进行移动采集纸张端面图像，并将采集到的图像直接送往图像处理模块。

S4：采集的图像经过仿射矩阵、垂直方向快速直线段检测、二值图像线拼接和垂直截线抽样统计计数处理，完成计数。

在具体应用实例中，本发明于上述步骤S2中进行相机与图像参数矫正，由于不同环境光源与纸张端面色度影响，将会导致相机成像时纸张质量不一。所以，本发明利用每次开机前的环境自检，自动调节相机曝光时间与红绿蓝增益参数，保证成像质量当前环境最优。人工安装、调节相机位置后，只能大致确保相机拍摄方向与叠层端面垂直。但后续二值图像线拼接算法要求原始图像具有相对严格的垂直性，故利用图像中单张纸张位置信息，获取当前图像的最优垂直仿射矩阵，使纸张图像旋转至垂直方向。解决后续图像拼接时，毗邻图像因方向不垂直导致水平扫描峰值检测的二值图像重叠区域信息差异过大问题。

在具体应用实例中，本发明于上述步骤S4中进行水平扫描峰值检测，该水平扫描峰值检测即沿水平方向逐一扫描每个像素，并且判断该像素与邻近两个像素的大小关系。若该像素大于左侧像素且大于等于右侧像素，则该点就是检测到的峰值点。单张纸张每行峰值点不能超过一个，为防止干扰，每检测出一个峰值点，扫描像素位置沿扫描方向跳过三个像素位置继续扫描。每行的波峰数目，即为检测到的直线数。

在具体应用实例中，本发明于上述步骤S4中进行二值图像线拼接，即对相机运动采集的多张图像进行参数矫正后，先利用图像标记区域，进行毗邻图像的粗略坐标匹配。然后将各图像进行水平扫描峰值检测，得到纸张二值化直线图像。利用粗略匹配的坐标，截取出毗邻图像的多组匹配模板和相应的较小的待匹配区域进行再一次匹配，精确的找出毗邻图像间的重叠直线。由于二值图像上重叠直线具有一定的相似度，且相邻直线间具有距离信息，多组模板匹配结果中的大多数具有一致性。对多组精确匹配结果取众数，就定位到了毗邻图像的相同直线。从而在二值图像上完成了拼接。解决由于标记点不能紧贴叠层端面造成的纸张图像拼接的误差问题。

在具体应用实例中，本发明于上述步骤S4中进行垂直截线抽样统计计数，即线检测和图像拼接后得到了二值单像素条纹图像，但仍可能存在局部间断、毛刺干扰等情况，为了使结果更加准确，本文采用截线抽样统计计数算法计算直线总数。对得到的条纹图像进行截取若干行进行抽样遍历，计算截取行计数结果中出现频率最高的数即众数（mode），所得众数就是最终的计数结果。

在具体应用实例中，本发明还包括步骤S5：在计数完成后，将计数结果存入日志，并同时在人机交互界面上显示。随后操作人员可以选择再一次摆放纸张进行记数，如此达到机器持续循环运行检测的工作状态。

如图2所示，本发明进一步提供了一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量的装置，包括仪器框架1、工控机2、人机交互触摸显示器12以及固定于仪器框架2底板上并位于被测烟标14下方的线性运动图像采集组件、光源11。其中，线性运动图像采集组件包括线性模组控制器3、线性模组驱动器4、线性运动模组5、线性模组运动平台6以及固定于线性模组运动平台6上的工业相机7、镜头和光圈8，被测叠层烟标14放置于叠层烟标夹具平台13上，该叠层烟标夹具平台13的下方安装有控制LED光源11开启或关闭的光源控制器10，它直接由工控机2控制。

进一步，作为优选方案，本发明的装置还包括电源9和触摸显示器12，以便于更好的进行操作和控制。

本发明采用单相机运动采集图像的方式对超薄烟标、超高叠层纸张进行计数，通过控制每次相机移动的步长距离获取具有足够的重叠区域的图像序列。然后对图像序列进行拼接。如图3所示，为相机运动采集图像的重叠区域示意图。

如图4所示，为本发明在具体应用实例中具体采集的单幅图像，所采集图像的分辨率是2048*1536，灰度等级为0-255。

人工安装、调节相机位置后，只能大致确保相机拍摄方向与叠层端面垂直。但后续二值图像线拼接算法要求原始图像具有相对严格的垂直性，故利用图像中单张纸张位置信息，获取当前图像的最优垂直仿射矩阵，使纸张图像旋转至垂直方向。仿射矫正前后图像如图5所示。

如图6所示，为本发明在具体应用实例中，纸张图像中某行的一维像素信号，其每两个波谷之间的信号都代表纸张图像中的一张纸张图像。由图中信号可以看出波峰是比较稳定的，故通过检测波峰数目（即水平扫描峰值检测），从而确定纸张数。为了方便查看检测效果，故对原纸张图像进行峰值检测，然后将检测到的直线叠加到原纸张图上，其效果如图7所示。从图中可以看出，其很好的检测出了每张纸张的端面峰值。

如图8所示，为两幅毗邻图像首次粗略标记点匹配示意图，即在模板图像中选取带有标记点的模板块，然后在待匹配图像的搜索区域中寻找相似的区域。图中，上图中小矩形标记块区域为模板区域，下图中大矩形区域为待匹配图像中搜索区域，搜索区域中的与上图相同小矩形框为已匹配的区域。上下两图对比可知，其标签不能紧贴于纸面之上，用标签进行匹配时，拼接成的纸张端面图像会有明显的误差，不利于后期纸张计数，故利用接下来精确的二值图像匹配来解决该问题。

如图9所示，为本发明在具体应用实例中二值图像精匹配示意图。图9中左图中灰色框为利用粗略匹配坐标选取的二值图像中模板区域，右图中相应的大灰色框为搜索区域，由于已粗略匹配过一次，故搜索区域不宜过大。大框中的小框为已经匹配上的模板框。由图9所示，其匹配的大部分区域在同一位置，就认为它是正确匹配位置。然后就其匹配位置，在二值图像上拼接。

线检测拼接后得到的二值单像素条纹图像仍可能存在局部间断的情况，为了使结果更加准确，本发明采用截线抽样统计计数算法计算直线总数。对得到的条纹图像进行截取若干行进行抽样遍历，计算截取行计数结果中出现频率最高的值即众数（mode）作为最终的计数结果。如图10所示。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其特征在于，步骤为：

S1：设置成像与运动装置：根据烟标成像分辨率需求调节相机焦距，然后根据烟标叠层厚度调节相机各测量工位运动位置，使之运动采集的图像具有足够的重叠区域；

S2：首次开机自动调整参数：根据现场环境光源与纸张成像特征自动调节曝光时间与红绿蓝增益参数；每次开机采集的第一组运动图像，用于确定后续采集的图像组中各图像间的仿射矩阵；

S3：获取烟标叠层运动扫描图像：利用单相机多次运动获取叠层纸张图像序列；

S4：采集的图像经过仿射矩阵、垂直方向快速直线段检测、二值图像线拼接和垂直截线抽样统计计数处理，完成计数；

在所述步骤S2中进行相机与图像参数矫正，利用图像中单张纸张位置信息，获取当前图像的最优垂直仿射矩阵，使纸张图像旋转至垂直方向；

在所述步骤S4中，采集的图像经过仿射矩阵变换后，将纸张图像校正至垂直方向，检测垂直方向的直线段，计算相邻图像重叠区域中的最佳匹配点，完成图像拼接，对图像若干行进行垂直截线抽样统计，获得直线段条数，所遍历图像行中出现频率最高的直线段数目作为最终的纸张计数结果；

在所述步骤S4中进行水平扫描峰值检测，该水平扫描峰值检测即沿水平方向逐一扫描每个像素，并且判断该像素与邻近两个像素的大小关系；若该像素大于左侧像素且大于等于右侧像素，则该像素点就是检测到的峰值点；单张纸张每行峰值点不能超过一个，每检测出一个峰值点，扫描像素位置沿扫描方向跳过三个像素位置继续扫描；每行的波峰数目，即为检测到的直线数；

在所述步骤S4中进行二值图像线拼接，即对相机运动采集的多张图像进行参数矫正后，先利用图像标记区域，进行毗邻图像的粗略坐标匹配；然后将各图像进行水平扫描峰值检测，得到纸张二值化直线图像；利用粗略匹配的坐标，截取出毗邻图像的多组匹配模板和相应的较小的待匹配区域进行再一次匹配，精确的找出毗邻图像间的重叠直线。

2.根据权利要求1所述的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其特征在于，在所述步骤S1中包括镜头对焦、调整光圈和量程调整，并在保证相邻两次相机运动采集的图像存在足够的重叠区域的条件下，根据实际情况对运动装置进行初始化调节，其包括相机运动起始位置和相机每次运动移动距离。

3.根据权利要求1所述的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其特征在于，在所述步骤S3中首先在叠层烟标夹具平台上摆放、固定好烟标叠层，启动采集，最后相机会按事先设定好的每次移动距离进行移动采集纸张端面图像，并将采集到的图像直接送至图像处理模块。

4.根据权利要求1或2或3所述的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其特征在于，在所述步骤S4中进行垂直截线抽样统计计数，对得到的条纹图像进行截取若干行进行遍历抽样，计算截取行计数结果中出现频率最高的数即众数，所得众数的结果就是最终的计数结果。

5.根据权利要求1或2或3所述的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法，其特征在于，还包括步骤S5：在计数完成后，将计数结果存入日志，并同时在人机交互界面上显示；随后操作人员选择再一次摆放纸张进行记数，如此达到机器持续循环运行检测的工作状态。

6.一种用于实施权利要求1至5中任意一项所述的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量方法的单相机运动检测超高叠层、超薄烟标数量的装置，其特征在于，包括仪器框架(1)、工控机(2)、人机交互触摸显示器(12)以及固定于仪器框架(2)底板上并位于被测烟标(14)下方的线性运动图像采集组件、光源(11)；所述线性运动图像采集组件包括线性模组控制器(3)、线性模组驱动器(4)、线性运动模组(5)、线性模组运动平台(6)以及固定于线性模组运动平台(6)上的工业相机(7)、镜头和光圈(8)，所述被测叠层烟标(14)放置于叠层烟标夹具平台(13)上；

所述叠层烟标夹具平台(13)的下方安装有控制LED光源(11)开启或关闭的光源控制器(10)，直接由工控机(2)控制。

Images