基于频域和信号相关性分析的薄片叠层视觉计数方法研究

摘要

薄片产品（如纸张、烟标、PCB板材等）制造完成后及产品交付客户前，都需要进行快速精确的统计和分装。如果产品出入库数量统计不准确和不及时，将给企业造成直接的经济损失。
　　针对前述工业需求，本文采用机器视觉技术研制了一款低成本高叠层薄片产品数量检测仪器。当前机器视觉薄片叠层检测主要面临三大难题：
　　（1）受硬件成本限制，在成像分辨率不提高的前提下，如何满足更薄产品的数量检测需求；
　　（2）数据异常和变形：产品破损、端面厚度变化、光照不均、摆放不齐等导致的检测难题；
　　（3）成像视场与分辨率相互制约、叠层端面图像特征不明显等因素造成的相机阵列图像拼接难题。针对上述难题，本文分别从成像系统设计、端面条纹检测和同质图像拼接等角度提出一种新的叠层薄片产品成像方案和计数算法。
　　主要的研究内容如下：
　　（1）从机器视觉的角度分析了检测对象的成像特点，并综合考虑工厂数量检测生产线上的实际需求和仪器整体结构设计的可行性，针对单相机视场与成像分辨率无法同时提高的问题，提出了基于多相机交错阵列的成像系统方案。
　　（2）在大量数据统计分析的基础上，针对实际产品图像中的典型异常和变形，提出一种全局周期约束与局部模式相关性度量相结合的鲁棒条纹检测算法：首先利用频域梳状滤波器对各层高方向1维信号去噪，并借助波峰找寻算法确定候选纸张位置；然后构造优化波峰模板，提出一种改进非零均值互相关(NCC)函数与原信号进行局部匹配。基于改进NCC函数的相关系数计算，能有效消除毛边、排列不齐、厚度和间隙变化等因素造成的虚检；最后利用沿纸张方向的波形相似性和共线性，进一步消除干扰，并根据不同剖面计数结果进行统计优化，得到最终测量数据；
　　（3）针对叠层端面同质图像间拼接难题，提出了一种1维相关性测量的快速配准算法：首先利用层高方向剖面信号的基波相位偏移信息获取图像的旋转角，并通过仿射变换消除图像间的角度差异；然后对角度矫正后的图像再进行基波频率提取，利用图像间基波频率的线性关系再次通过仿射变换消除尺度差异；最后对矫正后的图像进行相关性度量，并通过Hough变换获取匹配度最高的直线，接着将匹配直线反变换到原图像中，最终确定重叠直线精确位置。
　　本文分别针对0.08mm、0.1mm、0.11mm、0.23mm厚度的不同烟标叠层进行了批量在线检测。经统计仪器能够在查准率为100％的情况下确保查全率达到99.9%，且不同厚度叠层产品切换无需调整参数。同时该仪器已销售并投入到工厂车间的实际运行检测中，通过后期的产品跟踪调查显示，该仪器大大减小人力物力的投入并提高了生产效益，完全满足工业应用要求。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题的来源背景和意义

1.2叠层薄片产品数量检测设备国内外研究现状

1.3薄片叠层数量检测相关图像处理算法

1.4本文的主要内容和结构安排

第2章 硬件系统设计

2.1硬件平台设计

2.2器件选型

2.3本章小结

第3章 叠层图像条纹检测与数量统计

3.1数据属性与检测难题分析

3.2基于频域与相关性的数量检测算法

3.3相关线检测算法

3.4实验与比较

3.5本章小结

第4章 多相机图像拼接

4.1拼接难题分析

4.2频域分析与相关性度量相结合的直线配准算法

4.3实验与分析

4.4本章小结

第5章 应用软件设计

5.1客户需求及软件模块结构

5.2软件系统总体设计

5.3仪器测试与结果评估

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢