一種基于多次隨機(jī)圓檢測及擬合度評估的啤酒瓶口定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)自動化檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于多次隨機(jī)圓檢測及擬合 度評估的啤酒瓶口定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國每年的啤酒瓶需求量巨大，據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2014年啤 酒行業(yè)累計(jì)產(chǎn)量高達(dá)4921. 85萬千升，按每瓶啤酒530ml的瓶裝容量計(jì)算，則需要多達(dá) 9. 28651 X 101°個(gè)啤酒瓶，其中80%以上的啤酒瓶使用回收舊瓶，存在著大量瓶口破損的 瓶，使用瓶口破損的瓶可能給生產(chǎn)線和消費(fèi)者帶來重大安全隱患，因此啤酒灌裝前必須檢 測啤酒空瓶瓶口質(zhì)量，目前國內(nèi)大部分啤酒企業(yè)使用基于機(jī)器視覺檢測的空瓶檢測機(jī)（國 外設(shè)備占主要市場）進(jìn)行空瓶質(zhì)量檢測，而在基于視覺的瓶口檢測過程中瓶口定位是一個(gè) 必要過程，如果瓶口定位誤差過大，將造成后續(xù)瓶口質(zhì)量檢測結(jié)果不正確。目前，已經(jīng)有大 量瓶口定位方法的有關(guān)研究。
[0003] 國外，早在20世紀(jì)60年代研制出了空瓶檢測機(jī)。1986年，《bottle mouth defect inspection apparatus》中提出使用一種弧形光源和光電傳感器獲取瓶口圖像，通過徑向 方向的掃描實(shí)現(xiàn)5種類型的瓶口缺陷檢測；1989年，《inspection device》中設(shè)種檢 測瓶口表面缺陷的裝置；2004 年，《fault detection and localization in empty water bottles through machine vision》中應(yīng)用Hough變換法實(shí)現(xiàn)空礦泉水瓶底定位；2012年， 《empty bottle inspection》中使用彩色相機(jī)和彩色環(huán)形光源設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)瓶口缺陷檢測，實(shí) 現(xiàn)各種顏色瓶的瓶口缺陷檢測。國外有關(guān)文獻(xiàn)，描述瓶口檢測設(shè)備的占大部分，而詳細(xì)描述 瓶口定位方法的文獻(xiàn)非常少。國內(nèi)，對空瓶檢測機(jī)的研究始于20世紀(jì)90年代末。1999年， 任謀在《玻璃空瓶檢測技術(shù)與應(yīng)用概念》最早公開對空瓶檢測系統(tǒng)的有關(guān)研究，但并未深入 研究瓶口定位的具體方法。2001年，段峰、王耀南等在《PLC在直線式空瓶檢測機(jī)中的應(yīng)用》 中最先展開對空瓶檢測系統(tǒng)和定位檢測算法具體研究，馬慧敏在《a glass bottle defect detection system without touching》中公開一種簡單高效的瓶口定位方法，首先獲取瓶 口圖像的Roberts邊緣，然后求邊緣的中心并將它作為瓶口中心，該方法在瓶口圖像干擾 少的情況下，定位精度滿足要求；2003年，湖南大學(xué)成功研制出我國首臺空瓶檢測機(jī)器人， 其中使用四種改進(jìn)的重心法實(shí)現(xiàn)瓶口定位（見文獻(xiàn)《基于機(jī)器視覺的智能空瓶檢測機(jī)器人 研究》）；2004年，段峰為改善定位算法抗干擾能力，提出逐次逼近法（見文獻(xiàn)《a real-time machine vision system for bottle finish inspection〉〉）、直方圖滑動窗口法（見文南犬 《empty bottle inspector based on machine vision》、《基于機(jī)器視覺的智能空瓶檢測 機(jī)器人研究》和《a machine vision inspector for beer bottle》）；2006年，李欣在《基 于機(jī)器視覺的啤酒瓶空瓶檢測機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)》中提中出采用等間隔網(wǎng)格點(diǎn)掃描的快速定位方 法，該方法能快速確定瓶口目標(biāo)區(qū)域大致位置，嚴(yán)筱永在《基于圖像的啤酒瓶瓶口與瓶底污 損自動檢測》中討論基于圖像匹配和Hough變換圓檢測的瓶口定位方法，并對Hough變化 法改進(jìn)，通過合理選擇邊緣點(diǎn)組數(shù)量以使改進(jìn)的Hough變化法滿足實(shí)時(shí)性要求；2007年，段 峰在《啤酒瓶視覺檢測機(jī)器人研究》中提出一種瓶口定位綜合方法，并比較重心法、逐次逼 近法及綜合方法定位精度和執(zhí)行時(shí)間，綜合方法首先通過閾值分割、重心計(jì)算和徑向掃描 獲取瓶口內(nèi)邊緣點(diǎn)，隨后將邊緣點(diǎn)均勻分組通過三點(diǎn)求圓得到一系列圓參數(shù)，隨后使用直 方圖滑動窗口法得到瓶口中心，該方法定位誤差最小，但執(zhí)行速度稍慢，逐次逼近法和綜合 方法都選擇瓶口內(nèi)邊緣擬合，因?yàn)槎畏逖邪l(fā)的空瓶檢測機(jī)器人獲得的瓶瓶口源圖像的內(nèi)邊 緣比外邊緣清晰且干擾少，馬思樂、黃彬等在《一種空瓶瓶口缺陷的檢測方法及裝置》中應(yīng) 用最小二乘法實(shí)現(xiàn)啤酒瓶口定位，羅琳在《可樂瓶口缺陷快速檢測系統(tǒng)的研制》中針對可樂 瓶口缺陷檢測問題，采用最小二乘橢圓擬合法對瓶口內(nèi)外邊緣擬合，隨后取圓心均值作為 瓶口中心；2009年，張偉東、張?zhí)锾锓謩e在《在線空瓶檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)》和《基于機(jī)器 視覺的啤酒瓶瓶口檢測系統(tǒng)的研究》中分析Hough圓檢測、重心法、最小二乘法，張偉東還 提出一種簡易精圓檢測法，其中Hough變化法計(jì)算量大，中心法和最小二乘法速度快，但抗 干擾能力差，簡易精圓檢測法首先使用與段峰相同的方法得到一系列圓參數(shù)，隨后根據(jù)瓶 口、瓶底結(jié)構(gòu)參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)過濾后求均值圓心和半徑作為瓶口中心，該法執(zhí)行速度和抗 干擾性能兼顧，李麗在《酒瓶檢測中的機(jī)器視覺檢測技術(shù)研究》中為提升最小二乘法抗干擾 能力，采用內(nèi)、外圓定位結(jié)合的方法，此方法與單次最小二乘法相比執(zhí)行速度有較大程度降 低，因?yàn)楫?dāng)外圓定位不準(zhǔn)確時(shí)，需要從新進(jìn)行徑向掃描獲取內(nèi)圓邊緣點(diǎn)，因此耗時(shí)長；2013 年，王貴錦在《瓶口定位方法》中提出一種隨機(jī)算采樣一致性算法與最小二乘法結(jié)合的瓶口 定位方法，該法采用與隨機(jī)圓檢測法（見文獻(xiàn)《an efficient randomized algorithm for detecting circles》）類似的圓檢測法（區(qū)別是王貴錦從邊緣點(diǎn)中隨機(jī)采樣三點(diǎn)，而隨機(jī) 圓檢測法隨機(jī)采樣四點(diǎn)），同時(shí)也綜合最小二乘執(zhí)行速度快以及內(nèi)、外圓定位方法相結(jié)合抗 干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，與之前所有定位算法相比抗干擾能力更強(qiáng)，不過當(dāng)瓶口出現(xiàn)缺失或存 在大量連續(xù)干擾時(shí)，需要兩次檢測瓶口邊緣點(diǎn)，耗時(shí)長。
[0004] 上述各種定位方法存在著一個(gè)共同難題：當(dāng)瓶口邊緣部分缺損或存在大量干擾 時(shí)，如圖2所示，其中邊緣缺損或干擾邊緣均用閉合虛線區(qū)域標(biāo)出，無法實(shí)現(xiàn)高速高精度瓶 口定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有瓶口定位方法在瓶口嚴(yán)重缺損和存在大量干擾時(shí)定位誤差大的 問題，提出了一種基于多次隨機(jī)圓檢測及擬合度評估的啤酒瓶口定位方法，通過多次提取 隨機(jī)圓并計(jì)算隨機(jī)圓的擬合度，基于隨機(jī)圓擬合度來定位瓶口，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問 題。
[0006] 一種基于多次隨機(jī)圓檢測及擬合度評估的啤酒瓶口定位方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :采集啤酒瓶口圖像，獲取啤酒瓶口外邊緣點(diǎn)；
[0008] 步驟I. 1 :對瓶口圖像進(jìn)行全局閾值分割，得到瓶口目標(biāo)區(qū)域；
[0009] 步驟1. 2 :根據(jù)瓶口目標(biāo)區(qū)域坐標(biāo)值計(jì)算出重心坐標(biāo)；
[0010] 步驟1. 3 :以上述步驟得到的重心為圓心，進(jìn)行徑向掃描獲取瓶口外邊緣點(diǎn)；
[0011] 步驟2 :用三點(diǎn)隨機(jī)圓評估法進(jìn)行圓檢測，確定啤酒瓶口中心；
[0012] 步驟2. 1 :從步驟1獲得的啤酒瓶口外邊緣點(diǎn)中任意選擇三個(gè)點(diǎn)
，以所選擇的三個(gè)外邊緣點(diǎn)確定一個(gè)圓，記 作隨機(jī)圓，并記隨機(jī)圓心坐標(biāo)為c_八）和半徑為C_Rle;
[0013] ie表示第i e次選取外邊緣點(diǎn)中的任意三個(gè)點(diǎn)，得到的第i e個(gè)隨機(jī)圓；
[0017] 其中，z表示任意選取的取值為1，2, 3 ;
[0018] 步驟2. 2 :計(jì)算隨機(jī)圓的擬合度并判斷該隨機(jī)圓擬合度是否大于給定擬合度閾值 Tgf，若大于，則執(zhí)行下一步，否則，返回步驟2. 1 ;
[0019] 其中，Tgf彡30%，為大于10的整數(shù)。
[0020] 所述隨機(jī)圓的擬合度記作gf，為所有外邊緣點(diǎn)到隨機(jī)圓圓上的距離小于給定距離 閾值的外邊緣點(diǎn)的數(shù)目與外邊緣點(diǎn)總數(shù)的比值；
[0021] 步驟2.3 :將上述步