一种基于机器视觉的液体自动灌装技术应用

因为灌装容器的加注口都是圆形口，有着明确 的先验知识，只要知道圆心坐标（ｚ。，弘）和半径ｒ就 可以将圆确定下来，所以适于采用参量式变形模板 进行匹配。在变形模板匹配中，定义参量模板的能 量函数是进行匹配检测的关键，根据边缘特性可以 给出能量函数公式：
【，Ｅ＝
乏：［Ｉ ＶＩ｝（ｉ，歹）×Ｉ Ｐ（ｉ，歹）Ｖ Ｊ（ｉ，歹）Ｉ］
［ＥＢ／０Ｌ］．ｈｔｔｐ：／／Ⅵ删．ｒｎｉｎｔｒｏｒＬ ｃｏ札ｔｗ／ｐｒｏｄｕｃｔ／ｃａｍ—
ｅｒａ／ｈｔｎｌ／ｈｔｎｌ／ＭＴＶ一５３ＸｌＯＨ．ｈｔｒＩｌ，２００６一０８—２４． ［３］ 北京大恒公司ＤＨ—ＱＰ３００图像采集卡［ＥＢ／０Ｌ］．ｈｔ—
ｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄａｈｅｎｇ—ｉｍａｇｅ．ｃｏｍ／ｐｒｄ—ｃａｒｄ—ｑｐ３００．
使用ＤｉｒｅｃｔＳｈｏｗ方式进行编程实现增强现实 系统时，可将所有主程序与视频硬件之间的操作封 装到类ＡＲＦｒａｍｅＧｒａｂｂｅｒ中。在其中提供对视频 硬件的检测、连接与初始化，视频图像的抓取、控制 和信息获取等接口。使用ＡＲＴ００１Ｋｉｔ编程实现ＡＲ 系统，主要工作如图３所示。
图３软件实现流程
ａ．初始化。调用Ｉｎｉｔ函数来完成２件事，一是 装载标识库范本，并初始化视频相机参数；二是调用 ＡＲＦｒａｍｅＧｒａｂｂｅｒ：：Ｉｎｉｔ（）函数构造ＣＯＭ接口直 接，初始化视频设备。
（６）
通过式（２）求出的是图像中像素点的梯度值，
Ｖｊ：（ｉ，歹），Ｖ Ｉ。（ｉ，歹）分别为像素点在Ｘ和ｙ方向
的梯度值。式（３）中所求的是像素点的梯度单位向 量，它表征了梯度的方向。式（４）表示的是像素点到
圆心的单位向量。由式（１）可看出，其分子中第１项 为像素梯度值，它在边缘处取得极大值；第２项为梯
中图分类号：ＴＮ９１１．７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２２５７（２００７）０６一００５８一０３ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ， ｕｓｉｎｇ ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ ｔｏ ｇａｔｈｅｒ ｔｈｅ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｏｉｎｔ，ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｍｅ— ｄｉａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｗｅ ｃａｎ ｇｅｔ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｏｉｎｔ．Ｔｈｅ ｃｈａｒｇｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｒｒｅｌ ｏｆ １ｉｑｕｉｄ ｃａｎ ｂｅ ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｌｙ ｄｅｔｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｎｄｓ ｏｕｔ ｉｍｐｕｌｓｅ ｄｉｃｔａｔｅｓ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｔｈｒｅｅ— ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｉｎｊ ｅｃｔｉｏｎ—ｇｕｎ ｔｏ ｆｉｎ— ｉｓｈ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐｏｉｎｔｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ；ＣＣＤ ｃａｍｅｒａ；ｍｅｄｉ— ａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ；ｔｈｒｅｅ—ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
２ 桶口视觉识别 、
图２为由工业摄像机ＣＣＤ所采集到的桶口原 始图像，背景为检测台表面，桶盖上的偏心加注口是
《机械与电子》２００７（６）
要识别的目标图像。从图中可以看到有随机噪声的 存在，效果不够理想。
图２灌装桶表面原始图像
２．１ 中值滤波
对图像进行预处理的主要目的就是要改善图像
的视觉效果，提高图像的清晰度，使其更有利于计算 机处理卜２｜。图像信号在获取、传输过程中由于环 境因素、人为因素和传感器件等电气信号干扰，会形
万方数据
２．２偏心桶加注口参量模板设计 传统的圆检测主要是指对圆形状的提取和确
定，较少在有缺陷的情况下对其进行定位，其抗干扰 能力也较差。常用的圆检测技术有形状分析法、环 路积分微分法和圆Ｈｏｕｇｈ变换法（ＣＨＴ）等。ＣＨＴ 是目前应用最广泛的圆检测方法，该方法的最大特 点是可靠性高，在噪声、变形、甚至部分区域丢失的 状态下仍然能取得理想的结果。但该法的缺点是计 算复杂，资源需求大。因此，提出了一种新的基于连 续曲线段的参量式变形模板检测方法，能很好地满 足对先验知识较明确的圆形物体的检测，可以快速 地进行圆的定位，而且有很好的抗干扰能力［５］。
ｂ．获取视频图像。调用ＡＲＦｒａｍｅＧｒａｂｂｅｒ：： ＧｒａｂＦｒａｍｅ（）获取视频图像数据。
ｃ．标识检测。直接调用ＡＲＴ００１Ｋｉｔ中的接口 函数ａｒＤｅｔｅｃｔＭａｒｋｅｒ（）检测标识，并回馈出相机相 对标识的位置和方向。
ｄ．矩阵变换。根据得到的相机方位参数，来调 用ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ中的ａｒＧｅｔＴｒａｎｓＭａｔ（）等接口函数， 以得到变换矩阵。
一种基于机器视觉的液体自动灌装技术应用
韩立强１’２，安静３，岳晓峰３ （１．长春工程学院，吉林长春１３００１２；２．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３；
３．长春工业大学机电工程学院，吉林长春１３００１２）
Ａ Ｓｏｒｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ａｕｔｏ—ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ
＾／∑Ｉ Ｖ¨（ｉ，Ｊ）＾／∑［９（ｉ，ｊ）ＶＩ（ｉ，掰
Ｖ（ｉ，Ｊ）∈ｃ
Ｖ（ｉ，Ｊ）∈‘
（２）
ＶＩ（ｉ，Ｊ）。雨南［ＶＬ（ｉ，歹），ＶＩ，（ｉ，＿ｆ）］ Ｖ工ｌ（ｉ，ｊ；）＝√ＶＥ（ｉ，歹）＋Ｖ Ｊ；（ｉ，ｊ）
（３）
１
驴（ｉ，歹）一１斋［（ｚｉ一面），（ｙｔ—ｙ。）］（（５４））
Ｉ伊（ｉ，Ｊ）Ｉ＝√（ｚ；一ｚ。）２＋（ｙ；一３，。）
参考文献： ［１］ Ａｚｕｍａ Ｒ Ｔ．Ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ［Ｊ］．Ｐｒｅｓ—
ｅｎｃｅ：Ｔｅｌｅｐｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，１９９７，６ （４）：３５５—３８５．
［２］ 台湾敏通公司ＭＴＶ一５３ｘ１０Ｈ的彩色单板ＣＣＤ摄像机
成噪声，导致图像退化。高斯噪声、椒盐噪声和均匀
分布噪声等都是较为常见的噪声。为了稳定地进行
特征抽出等处理，必须消除噪声，和相近的低通线性
滤波器相比，中值滤波可滤除图像中的点、粗线噪 声，可很好地去除二值噪声、脉冲噪声和颗粒噪声，
能够在抑制随机噪声的同时不使边缘模糊，可以克 服线性滤波带来的图像细节模糊旷引。通常，二维
摘要：液体灌装机桶口自定位系统以机器视觉 原理为基础，利用ＣＣＤ摄像机采集灌装桶口图像， 经中值滤波降噪，得到加注口位置信息，成功地实现 了加注口的识别与空间定位。控制系统发出脉冲指 令驱动三坐标机械手，带动注射枪完成定位加注。 讨论了该系统的工作原理和技术关键。
关键词：机器视觉；ＣＣＤ摄像机；中值滤波；三 坐标机械手
ＨＡＮ Ｌｉ—ｑｉａｎ９１¨，ＡＮ Ｊｉｎ矿，ＹｕＥ ｘｉａｏ—ｆｅｎ矿 （１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２，Ｃｈｉｍ；２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ
Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕ １３００１２，Ｃｈｉｎａ）
情况下的中值滤波可定义为：
ｙｄ＝ｍｅｄｉａｎＸ加一ｍｅｄｉａｎ［Ｘｉ＋。．Ｊ；（ｍ，７２）∈
ｗ］｛Ｘｄ；（ｉ，歹）∈ｚ２）
（１）
其中，ｗ为平面窗口尺寸；仇为窗口水平尺寸；
咒为窗口垂直尺寸；Ｘｄ为被处理的图像平面上的１
个像素点，坐标为（ｉ，Ｊ）；Ｌ为以Ｘｄ为中心、窗口Ｗ 所套中范围内像素点灰度的中值，即中值处理的输
度单位向量和法向单位向量的点乘积，当二者的方
向一致时取得最大值。根据圆的特性，当模板和圆
完全匹配时能量函数取得最大值。 根据式（２），可知图像梯度值准确与否会影响模
板匹配的最终精度，由于边缘检测时的主要判断依
据是图像的梯度值，所以可以根据图像检测算法的
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ＤｉｒｅｃｔＳｈｏｗ是微软Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上的流式媒 体体系结构，与其它ＤｉｒｅｃｔＸ技术集成于一体，能自 动感觉及使用视频和音频硬件加速，同时也支持没 有硬件加速的系统。由于ＣＯＭ的二进制特性，使 得基于ＣＯＭ技术基础之上的ＤｉｒｅｃｔＳｈｏｗ能够有 很高的运行效率，能够很好地保证增强现实系统的 实时性要求。另外，ＣＯＭ的可扩展性使得用Ｄｉ— ｒｅｃｔＳｈｏｗ采集图像的增强现实系统在以后的开发 中有更好的可扩展性，能够向网络功能等其它方面 扩展。基于上述缘由，实验中采集图像选用的是Ｄｉ— ｒｅｃｔＳｈｏｗ编程方法行效果 软件流程来进行标识检测，若识别成功，则根据此标 识计算出来的位置信息，将用户绘制的虚拟：笏景经 过相应的位置变换后显示在标识位置。
３ 结束语
在搭建硬件平台时，性能和价格是一对矛盾，有 的性能稍有提升，价格就成倍上扬，主要是因为这一 领域相关设备都是处于试研制阶段，在满足实验条 件的情况下，性价比是考虑的首选因素。在软件编 程方面，采集得来的视频图像的处理速度和精度也 是一对矛盾，对图像处理的实时性和定位精度都是 实验的指标参数，偏颇一方，容易造成输出合成视频 图像的不连续或者虚拟场景闪烁不定。在进行ＡＲ 实验时，如何平衡这２个矛盾，是工作的关键。
ｅ．绘制虚拟对象。在基于ＭＦＣ的ＳＤＩ应用程 序的视类中添加绘制虚拟场景的函数ＤｒａｗＳｃｅｎｅ （），并在ＯｎＤｒａｗ（）中调用。将绘制的虚拟场景按 照计算得到的变换矩阵添加到真实视频图像中，并 与标识对齐。
ｆ．关闭视频。调用Ｃ１ｅａｎｕｐ（）函数关闭视频。 按照上面所述搭建起来的硬件平台和软件编程 方法，可以进行简单的ＡＲ实验，如图４所示，在实 验环境中人为地放置ＡＲＴｏｏｌＫｉｔ附带的角形标识， 经视频采集系统输入到计算机系统后，按照上面的 《机械与电子》２００７（６）