面向叠层纸张数量测量的线检测与图像拼接算法研究

摘要

在包装印刷行业，对高端纸张印刷产品的数量进行准确统计具有重要意义，其计数精度将直接影响企业经济效益。传统测高、称重等物理参数测量方法存在误差大、效率低等缺陷，而基于视觉成像的计数方法因其非接触、无物理损伤、实时测量等优点，在高端印刷产品质量控制中得到了广泛的应用。
　　机器视觉纸张数量检测技术发展面临两大难题：(1)在保持不降低成像分辨率前提下，满足高叠层纸张测量需求；(2)复杂成像条件：颜色差异、光照不均、排列不齐、倾斜等所造成的检测难题。针对上述高叠层纸张测量难题，设计了一种双相机阵列方案；为改善复杂成像条件下纸张数量检测，采用并改进了一种水平线方向引导增长的直线段提取算法，以提高单张纸张识别精度；最后在重叠区域实现了线特征图像拼接和频率数统计。具体研究内容包括：
　　(1)为满足高叠层纸张计数和实时测量需求，搭建了一个稳定可靠的系统成像平台。对视觉成像系统中的镜头、工业相机、光源、工控机、支撑平台等核心组件选型，组成了一个完整的双相机阵列成像系统。
　　(2)针对复杂成像条件下的纸张端面图像检测难题，详细介绍了一种改进LSD线检测算法。首先通过具有相似梯度方向直线支持区域的梯度场方向进行判断，并引入单向梯度算子，消除了同一条纹多重响应的问题；然后组合梯度幅值和水平线方向信息，根据区域增长和概率误差控制等步骤，改善线支持区域增长，将每一张叠层纸张条纹提取出来；最后结合Bresenham算法对断裂的线段进行连接分析，弥补条纹局部断裂异常，填补局部间隔，得到完整叠层条纹。
　　(3)根据叠层纸张端面线条纹特点，设计了基于线特征的图像拼接和加权数投票统计方法。其中对双相机阵列错位问题，使用了自动对齐预处理。介绍了重叠区域定位、线特征提取及拼接方法，并通过实验分析验证了本文方法性能。此外，计数统计采用了频率直方图加权统计方法得到了最终计数结果。
　　目前该仪器已成功投入到工厂车间检测应用中，通过大量不同类型印刷纸张的实际测量实验结果表明：长期测量误差小于0.75‰，并可对多种不同颜色和厚度的叠层纸张进行计数统计，完全可以满足工厂应用要求。可以大大减小人力物力的投入，提高生产效益。同时，本文方法也有利于相关行业纸张数量统计水平的提高。

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第1章 绪论

1.1 课题的来源背景和意义

1.2 纸张计数检测仪器国内外研究现状

1.3 机器视觉纸张数量检测方法

1.4 本文的主要内容和结构安排

第2章 相机阵列成像方案设计

2.1 被测对象需求分析

2.2 成像系统方案设计

2.3 成像系统器件

2.4 成像系统平台搭建

2.5 本章小结

第3章 纸张叠层端面图像线检测算法

3.1 线检测算法流程

3.2 图像采集与预处理

3.3 线检测算法

3.4 线检测算法之间的比较

3.5 本章小结

第4章 相机阵列图像拼接与计数算法

4.1 叠层纸张图像拼接流程设计

4.2 叠层纸张图像拼接

4.3 叠层纸张数量统计方法

4.4 实验结果

4.5 本章小结

第5章 应用软件设计与仪器测试

5.1 软件开发工具

5.2 软件框架和功能

5.3 软件界面设计与运行结果

5.4 仪器测试与结果评估

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文和参与的科研项目成果