一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及金刚线的检测技术和机器视觉领域，特别涉及一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置及方法。

背景技术

金刚线是一种钢丝表面电镀了金刚石的切割线锯，主要用于切割太阳能硅材料、玻璃、宝石等硬脆的材料。金刚线表面的颗粒分布特征，特别是颗粒的大小和分布均匀程度决定了金刚线的质量。传统方法是利用高倍显微摄像机获取金刚线图像，再经过人工或计算机分析获得金刚线质量参数。周波等用科波尔KBXJ-I型金刚石线锯分析仪进行了离线金刚线质量检测和三维形貌分析。这种离线检测方法速度慢，抽检率低，阻碍了生产线的智能化水平的提高。因此，有必要开发基于机器视觉的金刚线质量检测技术及装置。

目前，基于机器视觉的金刚线颗粒检测的关键技术瓶颈是如何实现金刚线颗粒的精确分割。东野长旭等人给出了检测系统设备组成，并着重介绍了金刚线运动大于15m/s的情况下，采用Lucy-Richardson方法对金刚线运动图像复原，提高了金刚线颗粒分割的精度。王飞阳提出了基于游程码表搜索的连通区域标记算法，提高了金刚线颗粒几何参数统计精度。刘明宇等人不加以验证的还原了金刚线的三维表面形貌。张文晔等人采用凹点配对、支持向量机方法解决了金刚线粘连颗粒分割问题，但这几种方法比较复杂，不能满足在线检测的需要。

基于机器视觉的检测方法中，大多采用平滑滤波后二值化处理，由于金刚线颗粒大小不一，形状各异，灰度值差距大，无论采用固定阈值还是最大类间方差法(Ostu)，都不能得到最佳的处理效果，而二值化处理直接影响到后续金刚线颗粒提取的质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何解决目前基于机器视觉的金刚线颗粒检测方法中，既能实现在线快速检测，又能克服金刚线颗粒分割不精确而造成颗粒统计误差大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置，所述装置包括2套显微视觉系统、2套位置调节组件、高速以太网工业相机、远心镜头、第一LED点光源、支架、高度调节螺丝、水平偏角调节螺丝、俯仰调节螺丝、滑块、2个光源支架、金刚线、底板、2条滑轨、第一相机支架、第二相机支架、第二LED点光源、基体；

每一套显微视觉系统包括高速以太网工业相机和远心镜头；每一套位置调节组件包括高度调节螺丝、水平偏角调节螺丝、俯仰调节螺丝、滑块，基体下方连接高度调节螺丝，基体上方连接水平偏角调节螺丝，基体通过俯仰调节螺丝连接第一相机支架或第二相机支架，滑块设置在第一相机支架或第二相机支架的一侧；

2条滑轨平行排布在底板上；其中1条滑轨用于安装2套位置调节组件，2套位置调节组件对应安装第一相机支架和第二相机支架，第一相机支架和第二相机支架上分别安装1套显微视觉系统，2套显微视觉系统相对设置，且2套显微视觉系统的光轴重合；另1条滑轨用于安装2个光源支架，2个光源支架上分别安装第一LED点光源和第二LED点光源，

支架设置在底板上，且位于2套显微视觉系统之间，支架用于固定标定板和金刚线位置参考。

一种金刚线颗粒在线检测装置的金刚线颗粒在线检测方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、调整一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置的位置调节组件、光源支架，设置2套显微视觉系统为与金刚线垂直的方向；

步骤二、利用显微视觉系统获得金刚线和背景的原始图像；

步骤三、对上一步获得的原始图像进行ROI裁剪；

根据金刚线原始图像灰度统计特征，对其进行ROI裁剪，保留包含金刚线信息的图像区域；设一幅图像表示为I(x,y)，大小为M×N，x和y分别表示二维平面的横坐标和纵坐标，则对每行像素灰度值求平均值，即

步骤四、对ROI裁剪后图像进行高斯差分滤波；

高斯滤波是以高斯函数为基础的线性平滑滤波器，其二维高斯函数表达式为：

步骤五、将高斯差分滤波的图像像素取绝对值，采用最大类间方差法对图像二值化处理，并采用形态学开运算对图像进行优化处理，消除孔洞、割断和噪声；

步骤六、采用Canny边缘检测方法获取金刚线颗粒边缘，并根据边缘获取所有轮廓信息C＝{c

优选地，所述方法还包括以下步骤：

对ROI裁剪后图像做对比度增强处理后用于监视界面的显示；利用检测的颗粒位置和形状信息在ROI裁剪后的图像上标出相应的位置及形状特征，用于监视界面的显示。

本发明的有益效果为：

本发明是为了解决金刚线图像二值化处理过程中的问题，本发明提供一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测方法。具体地，在线检测装置包括工业相机和远心镜头构成显微机器视觉系统，沿金刚线垂直方向设置两套相对照射的显微成像系统，并调整金刚线成、显微视觉系统和LED光源之间的位置，以提高金刚线颗粒的对比度。检测方法为利用金刚线和背景的像素灰度统计特征对显微机器视觉系统采集的金刚线原始图像进行ROI裁剪，保留金刚线信息，对ROI裁剪后的图像进高斯差分滤波方法处理以增强颗粒边缘，对滤波后的图像进行形态学处理，以消除噪声和孔洞，图像进行轮廓检测，通过轮廓特征确定金刚线颗粒数，得到金刚线颗粒的参数统计。本发明的核心是采用高斯差分滤波的方法处理金刚线图像，从而有效的保留了金刚线颗粒的边缘，也避免了二值化阈值选择的弊端。本发明也提高了对粘连颗粒的检测的正确率。

本发明的优点和有益效果是，利用相对的两套显微机器视觉系统对金刚线进行360度颗粒检测，并运用高斯差分滤波的方法提高颗粒检测的质量，该方法实现简单、快速，如图5所示，对粘连颗粒也有一定的处理能力。从而提高了金刚线的检测质量和速度，提高了金刚线产出的自动化水平。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的系统结构图侧视图和俯视图；

图3是本发明中工作站图像处理流程图；

图4是原始图像及其灰度直方图；

图4(a)是原始图像ROI裁剪图像；

图4(b)是高斯滤波后图像；

图4(c)是与原图像差值图像；

图4(d)是形态学处理；

图4(e)是轮廓检测；

图4(f)是图像处理效果图；

图5是局部放大效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置，如图1所示，所述装置包括2套显微视觉系统、2套位置调节组件、高速以太网工业相机1、远心镜头2、第一LED点光源3、支架4、高度调节螺丝5、水平偏角调节螺丝6、俯仰调节螺丝7、滑块8、2个光源支架9、金刚线10、底板12、2条滑轨13、第一相机支架14、第二相机支架15、第二LED点光源16、基体17；

每一套显微视觉系统包括高速以太网工业相机1和远心镜头2；每一套位置调节组件包括高度调节螺丝5、水平偏角调节螺丝6、俯仰调节螺丝7、滑块8，基体17下方连接高度调节螺丝5，基体17上方连接水平偏角调节螺丝6，基体17通过俯仰调节螺丝7连接第一相机支架14或第二相机支架15，利用俯仰调节螺丝7调节第一相机支架14、第二相机支架15的俯仰角度，从而调整显微视觉系统的俯仰角度，滑块8设置在第一相机支架14或第二相机支架15的一侧；

2条滑轨13平行排布在底板12上；其中1条滑轨13用于安装2套位置调节组件，2套位置调节组件对应安装第一相机支架14和第二相机支架15，第一相机支架14和第二相机支架15上分别安装1套显微视觉系统，2套显微视觉系统相对设置，且2套显微视觉系统的光轴重合，并能随时通过位置调节组件调整显微视觉系统的位置及角度；另1条滑轨13用于安装2个光源支架9，2个光源支架9上分别安装第一LED点光源3和第二LED点光源16，

支架4设置在底板12上，且位于2套显微视觉系统之间，支架4用于固定标定板和金刚线位置参考。

金刚线运动速度的范围为5-10m/min；被检测金刚线外径范围为0.10-0.5mm；金刚线颗粒粒径范围为10-60μm；故选用500万像素的工业相机，其像元尺寸为2.2μm。为保证清晰成像，远心镜头放大倍率选择为6倍时可保证0.37μm的成像精度。

具体实施方式二：

本实施方式的一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置，所述方法包括以下步骤：

步骤一、调整一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测装置的位置调节组件、光源支架9，设置2套显微视觉系统为与金刚线垂直的方向，并进一步调整金刚线、使2套显微视觉系统与第一LED点光源3和第二LED点光源16之间的位置，以提高金刚线颗粒的对比度；

步骤二、利用显微视觉系统获得金刚线和背景的原始图像；

步骤三、对上一步获得的原始图像进行ROI裁剪；

根据金刚线原始图像灰度统计特征，对其进行ROI裁剪，保留包含金刚线信息的图像区域；原始图像中金刚线信息只占整副图像的一小部分，为了加快处理速度，有必要对其裁剪。设一幅图像表示为I(x,y)，大小为M×N，x和y分别表示二维平面的横坐标和纵坐标，则对每行像素灰度值求平均值，即

步骤四、对ROI裁剪后图像进行高斯差分滤波；

高斯滤波是以高斯函数为基础的线性平滑滤波器，其二维高斯函数表达式为：

步骤五、将高斯差分滤波的图像像素取绝对值，采用最大类间方差法对图像二值化处理，并采用形态学开运算对图像进行优化处理，消除孔洞、割断和噪声；

步骤六、采用Canny边缘检测方法获取金刚线颗粒边缘，并根据边缘获取所有轮廓信息C＝{c

具体实施方式三：

本实施方式的一种基于显微机器视觉的金刚线颗粒在线检测方法，所述方法还包括以下步骤：

对ROI裁剪后图像做对比度增强处理后用于监视界面的显示；利用检测的颗粒位置和形状信息在ROI裁剪后的图像上标出相应的位置及形状特征，用于监视界面的显示。