CN106052792B - 一种基于机器视觉的pet瓶液位检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法及装置，该装置采用一台相机、两个面光源、五个反射镜面以及工业控制机和PLC控制单元，通过五个镜面的搭配使用，获取PET瓶多角度图像，该装置具有结构简单、调试方便、成本低以及速度快的优点；该检测方法采用简单高效的投影梯度法获取液位信息，实现PET瓶液位的检测，本发明所述的检测方法精度高、运算快，快速准确的实现了PET瓶的液位检测。

Description

一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法及装置

技术领域

本发明属于工业自动化检测技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法及装置。

背景技术

在饮料灌装过程中，因灌装机无法保证每次灌装量相等，会出现灌装量过大或过小的情况，灌装量过大会使企业利润减小，灌装量过少会影响企业形象，所以在饮料灌装后进行灌装量检测是一个必要环节，目前饮料生产线中灌装量检测方法通常为人眼检测和射线检测，目前现场中使用较多的是射线检测、红外线检测、声波检测、红外热检测和肉眼检测的方法。射线检测受外界环境影响大，且可能会对健康带来影响，并不适合在非无人车间使用，红外线检测原理简单，容易实现，但无法精确检测那些在灌装过程中产生大量泡沫的液体液位,因为浮于液面上方的泡沫同样也能吸收红外线,所以会对检测产生干扰；超声波液位检测受自身特点(如受温度变化影响较大、模拟量转换精度不足，受检测液面的波动影响较大)等因素的制约，超声波液位测量仪表在大量程范围内难以达到高精度，安装要求高，需要专业人员安装；红外热成像检测需要高效的硬件支持对灰度图像进行处理,价格较高；而人眼检测易疲劳，且无法保证检测的效率。随着科技的进步和经济的发展，基于机器视觉的产品质量检测系统越来越多地应用到高速自动化生产线中，为了适应高速满瓶检测自动化生产线的自动化要求，基于机器视觉的满瓶视觉检测系统逐步应用于饮料瓶满瓶检测应用中。

2010年山东大学马思乐等人在《一种饮料灌装后液位检测装置及方法》中，通过反复扫描液位线来获取液位信息。2011年山东明佳包装检测科技有限公司在《一种PET瓶瓶盖和液位的检测方法》中，提出阈值分割的方法判断PET瓶液位是否合格的方法等，这些方法均是通过对获取的液位图片进行处理，然而这些图片均是单角度图片，虽然速度快，但是只能检测到单个面的情况，瓶身液面不稳定时将影响检测效果。2011年湖南大学张帆等人在《一种基于机器视觉的液位检测装置及其方法》中，通过获取红外图像来检测液位，但该方法工序多速度慢。

发明内容

本发明提供了一种基于机器视觉的PET(Polyethylene terepthalate，聚对苯二甲酸乙二酯)瓶液位检测方法及装置，其目的在于，克服现有技术中定位PET瓶的液位时，稳定性不高与精度较低的问题。

一种基于机器视觉的PET瓶液位检测装置，包括成像系统、工业控制机及PLC控制单元；

所述成像系统和工业控制机均与所述PLC控制单元相连，成像系统设置于PET瓶传送带侧面；

所述成像系统包括工业CCD相机1、五个反射镜面以及两个LED面光源；

其中五个反射镜面依次为第一反射镜面2、第二反射镜面3、第三反射镜面4、第四反射镜面5以及第五反射镜面6；

两个LED面光源分别为第一LED面光源7、第二LED面光源8；

所述工业CCD相机、五个反射镜面与两个LED面光源以PET瓶检测工位为中心呈多角度设置。

两个LED面光源均为白色，设置为常亮模式，接通电源即保持光源点亮状态；

所述工业CCD相机设置于PET瓶检测工位正前方，工业CCD相机镜头与PET瓶底部齐平，相机机身与PET瓶底部所在平面垂直，第五反射镜面6位于工业CCD相机上方，与工业CCD相机机身所在水平面成45°夹角固定，斜靠在第三反射镜面4与第四反射镜面5上方；

第一反射镜面2与第二反射镜面3分别竖直位于工业CCD相机两侧，且该两镜面所在平面夹角垂直；第三反射镜面4与第一反射镜面2所在平面成3-6°的夹角；第四反射镜面5与第二反射镜面3所在平面成3-6°左右的夹角；

第三反射镜面4与第四反射镜面5所在竖直平面之间的内角为80-90°，且第三反射镜面4与第四反射镜面5紧密设置；

第三反射镜面4和第四反射镜面5位于工业CCD相机和PET瓶检测工位之间，同时，位于第一反射镜面2和第二反射镜面3的中间；

第一LED面光源7和第二LED面光源8设置于传送带的另一侧，分别与第二反射镜面3和第一反射镜面2对立设置。

还包括与PLC控制单元相连的次品剔除机构，所述次品剔除机构包括旋转编码器、剔除工位光电传感器、检测工位光电传感器、电磁阀以及击出器；

所述检测工位光电传感器和剔除工位光电传感器沿PET瓶传送带的传送方向分别设置于检测工位前和剔除工位前；

所述电磁阀和击出器设置于剔除工位一侧，所述旋转编码器设置于传送带的减速器转轴上；

所述电磁阀受控于PLC控制单元。PET瓶在传送带上，首先通过PET瓶检测工位光电传感器，然后进入检测工位进行液位检测；出检测工位后，PET瓶通过剔除工位光电传感器，然后通过剔除工位，通过结果判断后，进行剔除操作。

旋转编码器给每一个在传送带上的PET瓶编码，它与之后的检测工位光电传感器、剔除工位光电传感器共同确定PET瓶在传送带上的位置；检测工位光电传感器同时也用于判断是否有待检测的PET瓶准备进入检测工位；剔除工位光电传感器同时也用于判断，是否有出检测工位的PET瓶准备进入剔除工位，剔除工位包括电磁阀和击出器，其中电磁阀是一个驱动器，而击出器是一个执行器，电磁阀驱动剔除器执行剔除动作(通过检测工位是否合格的结果，配合剔除工位光电传感器给出的是否有PET瓶准备进入剔除工位的信号，剔除工位执行剔除操作)。

PET瓶传送带的驱动单元上设置有变频器，所述变频器与传送带电机相连，且变频器受控于PLC控制单元。

一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法，采用上述的基于机器视觉的PET瓶液位检测装置，包括以下步骤：

步骤1：利用成像系统获取PET瓶的多角度图像，并对多角度图像进行二值化处理，获得二值化图像；

步骤2：对二值化图像进行左右图像粗定位，获得左图和右图分割图；

步骤3：采用投影梯度法依次对左图和右图进行液位信息提取，获得左图和右图中液面所在位置；

1)求取分割图中沿Y轴方向的投影，即求取每一行的图像的灰度值之和，形成沿Y轴方向的投影表；

2)对取得的投影表求取其Y轴方向上的Sobel投影梯度，得到投影梯度表；

3)扫描投影梯度表中预先设定好的扫描区域，找到投影梯度值最大的行数；

4)根据经验设定判定阈值，若坐标值所在行的投影梯度大于判定阈值，则该行为液面所在行，否则，继续进行下一行的扫描，直到扫描完所有的扫描区域；

灰度级为256的图像检测时，二值化操作时，阈值通常设定为200左右。

步骤4：根据左、右图像的处理结果，确定PET瓶液位是否合格；

若左、右图像检测出的扫描位置均在设定液面标准位置范围内，则其液面检测合格；否则，若左、右图中的液面有一个液面小于标准液面范围，则判断液面过低；若左、右图中的液面有一个液面大于标准液面范围，则判断液面过高；若无法搜索到液面，则判断为满瓶。

所述步骤2中对二值化图像进行左右图像粗定位的具体过程如下：

首先，以二值化图像的中心线为分割初始值，沿中心线向左从上往下扫描，扫描到第一个1不为0的灰度值点，记住其横坐标，停止该行的扫描，继续扫描下一行，直至扫描完所有行数，找到出现最多的横坐标；

接着，沿中心线向右从上往下扫描，扫描到第一个不为0的灰度值点，记住其横坐标，停止该行的扫描，继续扫描下一行，直至扫描完所有的行数，找到出现最多的横坐标；

最后，分别取沿中心线向左扫描时出现最多的横坐标和沿中心线向右扫描时出现最多的横坐标的平均值，其平均值即为左右图分割线所在直线的横坐标值，沿分割线将二值化图像，获得左图与右图。

有益效果

本发明提供了一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法及装置，采用一台相机、两个面光源、五个反射镜面以及工业控制机和PLC控制单元，通过五个镜面的搭配使用，获取PET瓶多角度图像，并采用简单高效的投影梯度法获取液位信息，实现PET瓶液位的检测，系统的结构简单、调试方便、成本低速度快。

该装置对PET瓶采用多角度拍摄，克服了PET瓶中的液体在传送带上运动时，由于速度不均可能产生的液位不稳，导致液位出现倾斜、波动等带来的液位检测不准确的问题；PET瓶检测时采用的光源模式是常亮模式，无需特定的光源控制器对其控制配合，稳定性更佳；PET瓶检测结构中的多镜面反射配合光源的常亮模式，通过光滞留增强检测工位中的光强度，使穿透PET瓶的光线更强，液体与气体的分界线更清楚，液位判定更准确，整个装置性能稳定。

该检测方法首先通过对多角度图像二值化分割后进行多向扫描，实现PET瓶粗定位，其次，利用投影梯度特征快速准确的获取液位信息，最后，采用多角度液位信息综合判断灌装液位是否合格；检测方法精度高、运算快，快速准确的实现了PET瓶的液位检测。

附图说明

图1为本发明所述装置的电器连接示意图

图2为PET瓶液位检测装置结构示意图；

图3为本装置的工作总体流程示意图；

图4为本发明中使用的镜面成像方案示意图；

图5为本发明中PET瓶多角度液位图像；

图6为应用本发明所述方法的检测结果示意图；

图7为基于投影梯度法的液位检测流程示意图；

标号说明，1-工业CCD相机，2-第一反射镜面，3-第二反射镜面，4-第三反射镜面，5-第四反射镜面，6-第五发射镜面，7-第一LED面光源，8-第二LED面光源。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1和图2所示，一种基于机器视觉的PET瓶液位检测装置，包括成像系统、工业控制机及PLC控制单元；

所述成像系统和工业控制机均与所述PLC控制单元相连，成像系统设置于PET瓶传送带侧面；

所述成像系统包括工业CCD相机1、五个反射镜面以及两个LED面光源；

其中五个反射镜面依次为第一反射镜面2、第二反射镜面3、第三反射镜面4、第四反射镜面5以及第五反射镜面6；

两个LED面光源分别为第一LED面光源7、第二LED面光源8；

所述工业CCD相机、五个反射镜面与两个LED面光源以PET瓶检测工位为中心呈多角度设置。

如图4所示，所述工业CCD相机设置于PET瓶检测工位正前方，工业CCD相机镜头与PET瓶底部齐平，相机机身与PET瓶底部所在平面垂直，第五反射镜面6位于工业CCD相机上方，与工业CCD相机机身所在水平面成45°夹角固定，斜靠在第三反射镜面4与第四反射镜面5上方；

第一反射镜面2与第二反射镜面3分别竖直位于工业CCD相机两侧，且该两镜面所在平面夹角垂直；第三反射镜面4与第一反射镜面2所在平面成3-6°的夹角；第四反射镜面5与第二反射镜面3所在平面成3-6°左右的夹角；

第三反射镜面4与第四反射镜面5所在竖直平面之间的内角为80-90°，且第三反射镜面4与第四反射镜面5紧密设置；

第三反射镜面4和第四反射镜面5位于工业CCD相机和PET瓶检测工位之间，同时，位于第一反射镜面2和第二反射镜面3的中间；

第一LED面光源7和第二LED面光源8设置于传送带的另一侧，分别与第二反射镜面3和第一反射镜面2对立设置。

还包括与PLC控制单元相连的次品剔除机构，所述次品剔除机构包括旋转编码器、剔除工位光电传感器、检测工位光电传感器、电磁阀以及击出器；

所述检测工位光电传感器和剔除工位光电传感器沿PET瓶传送带的传送方向分别设置于检测工位前和剔除工位前；

所述电磁阀和击出器设置于剔除工位一侧，所述旋转编码器设置于传送带的减速器转轴上；

所述电磁阀受控于PLC控制单元。

PET瓶在传送带上，首先通过PET瓶检测工位光电传感器，然后进入检测工位进行液位检测；出检测工位后，PET瓶通过剔除工位光电传感器，然后通过剔除工位，通过结果判断后，进行剔除操作。

旋转编码器给每一个在传送带上的PET瓶编码，它与之后的检测工位光电传感器、剔除工位光电传感器共同确定PET瓶在传送带上的位置；检测工位光电传感器同时也用于判断是否有待检测的PET瓶准备进入检测工位；剔除工位光电传感器同时也用于判断，是否有出检测工位的PET瓶准备进入剔除工位，剔除工位包括电磁阀和击出器，其中电磁阀是一个驱动器，而击出器是一个执行器，电磁阀驱动剔除器执行剔除动作(通过检测工位是否合格的结果，配合剔除工位光电传感器给出的是否有PET瓶准备进入剔除工位的信号，剔除工位执行剔除操作)。

PET瓶传送带的驱动单元上设置有变频器，所述变频器与传送带电机相连，且变频器受控于PLC控制单元。

一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法，采用上述的基于机器视觉的PET瓶液位检测装置，包括以下步骤：

记原始图像为Original(x,y)，初次二值化分割后的图像为Binary(x,y)，二值化分割后的左图为Binary_l(x,y)，二值化分割后的右图为Binary_r(x,y)，获取的左图图像宽度为width_l，右图的图像宽度为width_r，图片的高度为height；粗分割阈值为T1，界面判定灰度阈值为T2；标准液面范围为[y1,y2]；

步骤1：利用成像系统获取PET瓶的多角度图像，获取的图像如图5所示，通过镜面反射成像，实现一张图包含两个角度的PET瓶图像；对多角度图像进行二值化处理，获得二值化图像；

依据分割阈值，对图像进行二值化分割，得到的灰度值小于阈值点全部置为0，大于阈值的全部置为1，分割后的图像可以清晰地区分反射区域和无反射区域。

步骤2：对二值化图像进行左右图像粗定位，获得左图和右图分割图；

根据获取的二值化图像，分别对左图右图进行粗分割。以图像中心线，即坐标x＝width/2所在直线为分割初始值，从上往下扫描。先从中心线向左侧扫描，设扫描线在第n行扫描到的第一个不为0的灰度值点，记录其横坐标x_l(n)，停止该行扫描，跳至下一行。共得到x_l(1),x_l(2),...,x_l(height)共计height个横坐标；比较这些横坐标出现的次数，找到出现次数最多的横坐标,记录该横坐标的值为x_l；接着，类似的从上至下，从中心线向右侧进行扫描，设扫描线在第n行扫描到的第一个不为0的灰度值点，记录其横坐标x_r(n),停止改行扫描，跳至下一行。共得到x_r(1),x_r(2),...,x_r(height)共计height个横坐标；比较这些横坐标出现的次数，找到出现次数最多的横坐标x_r。取x_l与x_r的平均值，此横坐标x＝(x_r+x_l)/2所在直线即为图像粗分割的分割线；

步骤3：采用投影梯度法依次对左图和右图进行液位信息提取，获得左图和右图中液面所在位置；

1)求取分割图中沿Y轴方向的投影，即求取每一行的图像的灰度值之和，形成沿Y轴方向的投影表；

2)对取得的投影表求取其Y轴方向上的Sobel投影梯度，得到投影梯度表；

3)扫描投影梯度表中预先设定好的扫描区域，找到投影梯度值最大的行数；

4)根据经验设定判定阈值，若该坐标值所在行的投影梯度大于判定阈值，则该行为液面所在行，否则，继续进行下一行的扫描，直到扫描完所有的扫描区域；

灰度级为256的图像检测时，二值化操作时，阈值通常设定为200左右，本实例中采用210。

步骤4：通过投影梯度法对PET瓶进行液位检测；

求取步骤3中获得的投影表S(y)的Sboel算子在Y方向上的梯度响应，记为G(y)。

设第n行的梯度响应为G(n)，则G(n)＝S(n)-S(n-1)；首行的梯度响应为0。扫描完成后，求取投影的梯度响应的最大值，记为G_max，G_max＝Max(G(y))；

若该投影梯度值大于分割阈值T2，则记录该行的纵坐标y为液面位置Level_l，即Level_l＝arg{Max(G(y))}，求取液面完成，转到步骤5；否则，除掉该行，重复步骤4；若始终未找到满足条件的纵坐标y，则记录左侧液面Level_l＝0；

步骤5：对于右图重复步骤3～步骤4，求取右图液面Level_r；然后依照上述步骤对左图进行处理，提取左图液面Level_l；

步骤6：液面合格判定；

根据左、右侧图像的处理结果，判定液位是否合格：

若左侧、右侧图像检测出的扫描位置均在设定标准位置范围内，即level_r∈[y1,y2]且level_l∈[y1,y2],则标记液面合格；否则标记为不合格；综合判定后，在原始图像中标出左图与右图的液面，同时给出是否合格的标识，综合判定结果如图6所示。

基于投影梯度法的液位检测流程示意图如图7所示。通过与图像处理系统连接的剔除装置对PET瓶液位不合格的瓶子进行剔除。

考虑到PET瓶的透光性，以及对于液体和空气的不同的反射、折射效果，背光照射光源在通过无液体的区域时透射，得到灰度值较高的区域；背光照射光源在通过液体区域时发生折射，得到的灰度值相较于无液体区域灰度值较低，利用这一特性即可区分开无液体区域与有液体区域获得液面位置。考虑到PET瓶在传送带上的运动，由于惯性的影响，获得液位界面可能不平整，利用270°多角度的检查，可以减少由于传送带运动带来的液面检测不准的误差。本发明利用镜面反射的原理，通过第一反射镜面、第二反射镜面、第三反射镜面、第四反射镜面以及第五反射镜面这五个玻璃镜面的反射，能够将不同角度的PET瓶瓶身集合到最后一幅图上。第一镜面和第二镜面用于取原始左角度与右角度成像图像，第三反射镜面4、第四反射镜面5分别将第一反射镜面2、第二反射镜面3获取到的原始图片集中反射到第五反射镜面6上，实现多角度图像在一张图像上的集合处理。

图3是本发明的整体流程图，通过检测工位，结合多角度的背光检测，将不同角度的液位进行标定，利用液体与气体对光线灰度值折射效果不同的特点，获取PET瓶液位，判定是否符合PET液位灌装标准，判定待测产品是否合格，不合格产品执行剔除动作。

值得注意的是，以上所述仅以较佳实施例来说明本发明的技术内容，但并非因此限定本发明的专利保护范围，任何依上述发明所做的技术改进或再创造，皆包含于本发明所涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种基于机器视觉的PET瓶液位检测装置，其特征在于，包括成像系统、工业控制机及PLC控制单元；

所述成像系统和工业控制机均与所述PLC控制单元相连，成像系统设置于PET瓶传送带侧面；

所述成像系统包括工业CCD相机(1)、五个反射镜面以及两个LED面光源；

其中五个反射镜面依次为第一反射镜面(2)、第二反射镜面(3)、第三反射镜面(4)、第四反射镜面(5)以及第五反射镜面(6)；

两个LED面光源分别为第一LED面光源(7)、第二LED面光源(8)；

所述工业CCD相机、五个反射镜面与两个LED面光源以PET瓶检测工位为中心呈多角度设置；所述工业CCD相机设置于PET瓶检测工位正前方，工业CCD相机镜头与PET瓶底部齐平，相机机身与PET瓶底部所在平面垂直，第五反射镜面(6)位于工业CCD相机上方，与工业CCD相机机身所在水平面成45°夹角固定，斜靠在第三反射镜面(4)与第四反射镜面(5)上方；

第一反射镜面(2)与第二反射镜面(3)分别竖直位于工业CCD相机两侧，且该两镜面所在平面夹角垂直；第三反射镜面(4)与第一反射镜面(2)所在平面成3-6°的夹角；第四反射镜面(5)与第二反射镜面(3)所在平面成3-6°左右的夹角；

第三反射镜面(4)与第四反射镜面(5)所在竖直平面之间的内角为80-90°，且第三反射镜面(4)与第四反射镜面(5)紧密设置；

第三反射镜面(4)和第四反射镜面(5)位于工业CCD相机和PET瓶检测工位之间，同时，位于第一反射镜面(2)和第二反射镜面(3)的中间；

第一LED面光源(7)和第二LED面光源(8)设置于传送带的另一侧，分别与第二反射镜面(3)和第一反射镜面(2)对立设置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与PLC控制单元相连的次品剔除机构，所述次品剔除机构包括旋转编码器、剔除工位光电传感器、检测工位光电传感器、电磁阀以及击出器；

所述检测工位光电传感器和剔除工位光电传感器沿PET瓶传送带的传送方向分别设置于检测工位前和剔除工位前；

所述电磁阀和击出器设置于剔除工位一侧，所述旋转编码器设置于传送带的减速器转轴上；

所述电磁阀受控于PLC控制单元。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，PET瓶传送带的驱动单元上设置有变频器，所述变频器与传送带电机相连，且变频器受控于PLC控制单元。

4.一种基于机器视觉的PET瓶液位检测方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的基于机器视觉的PET瓶液位检测装置，包括以下步骤：

步骤1：利用成像系统获取PET瓶的多角度图像，并对多角度图像进行二值化处理，获得二值化图像；

步骤2：对二值化图像进行左右图像粗定位，获得左图和右图分割图；

步骤3：采用投影梯度法依次对左图和右图进行液位信息提取，获得左图和右图中液面所在位置；

1)求取分割图中沿Y轴方向的投影，即求取每一行的图像的灰度值之和，形成沿Y轴方向的投影表；

2)对取得的投影表求取其Y轴方向上的Sobel投影梯度，得到投影梯度表；

3)扫描投影梯度表中预先设定好的扫描区域，找到投影梯度值最大的行数；

4)根据经验设定判定阈值，若坐标值所在行的投影梯度大于判定阈值，则该行为液面所在行，否则，继续进行下一行的扫描，直到扫描完所有的扫描区域；

步骤4：根据左、右图像的处理结果，确定PET瓶液位是否合格；

若左、右图像检测出的扫描位置均在设定液面标准位置范围内，则其液面检测合格；否则，若左、右图中的液面有一个液面小于标准液面范围，则判断液面过低；若左、右图中的液面有一个液面大于标准液面范围，则判断液面过高；若无法搜索到液面，则判断为满瓶。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2中对二值化图像进行左右图像粗定位的具体过程如下：

首先，以二值化图像的中心线为分割初始值，沿中心线向左从上往下扫描，扫描到第一个1不为0的灰度值点，记住其横坐标，停止该行的扫描，继续扫描下一行，直至扫描完所有行数，找到出现最多的横坐标；

接着，沿中心线向右从上往下扫描，扫描到第一个不为0的灰度值点，记住其横坐标，停止该行的扫描，继续扫描下一行，直至扫描完所有的行数，找到出现最多的横坐标；

最后，分别取沿中心线向左扫描时出现最多的横坐标和沿中心线向右扫描时出现最多的横坐标的平均值，其平均值即为左右图分割线所在直线的横坐标值，沿分割线将二值化图像，获得左图与右图。