基于計(jì)算機(jī)視覺的細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量的研究

楊淇鈞+鎖雪萍+邱鴻帥+王以忠

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量系統(tǒng)。該重量測(cè)量系統(tǒng)主要包括攝像系統(tǒng)和細(xì)小顆粒團(tuán)體積測(cè)量模塊兩部分，利用計(jì)算機(jī)視覺的方法，通過(guò)細(xì)小顆粒團(tuán)體積的測(cè)量實(shí)現(xiàn)其重量的測(cè)量，該細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量系統(tǒng)可用于顆粒類藥品包裝、枕式包裝等。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量系統(tǒng)的正確性。

【關(guān)鍵詞】重量測(cè)量 計(jì)算機(jī)視覺 細(xì)小顆粒團(tuán) 圖像處理

隨著時(shí)代的進(jìn)步與發(fā)展，計(jì)算機(jī)視覺[1-2]已經(jīng)成為人工智能領(lǐng)域的重要組成部分，其研究使得計(jì)算機(jī)具有通過(guò)二維圖像認(rèn)知三維環(huán)境信息的能力。計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，經(jīng)過(guò)處理后的輸出圖像的質(zhì)量得到改善，既改善圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。

顆粒作為物質(zhì)存在一種表現(xiàn)形式，在自然界、工業(yè)生產(chǎn)及日常生活的方方面面都存在。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)于顆粒狀物質(zhì)的包裝重量的精確度要求越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的顆粒狀物品包裝是通過(guò)直接稱重的方式進(jìn)行的[3]，這種人工稱重的方式既浪費(fèi)人力，又需要一定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)且精度不夠、效率低。基于這種直接稱重方式的缺陷，本文在計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)體積的測(cè)量進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的測(cè)量。

1 基于體積的細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量原理

基于計(jì)算機(jī)視覺的細(xì)小顆粒團(tuán)的重量測(cè)量系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量測(cè)量的系統(tǒng)。其原理是在細(xì)小顆粒團(tuán)包裝之前，通過(guò)測(cè)量其在底面積已知的灌裝器中的高度，進(jìn)而得到顆粒團(tuán)的體積，通過(guò)一定的比重計(jì)算出顆粒團(tuán)物質(zhì)的重量，在此過(guò)程中，攝像機(jī)與灌裝器的相對(duì)位置保持不變，對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行攝像，計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)高度的測(cè)量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于計(jì)算機(jī)視覺的細(xì)小顆粒團(tuán)的重量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、灌裝器、計(jì)算機(jī)三部分組成。灌裝器在灌裝過(guò)程中，攝像機(jī)進(jìn)行攝像，并將圖像數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)圖像處理實(shí)現(xiàn)灌裝器中物質(zhì)的高度測(cè)量，得到高度信息后計(jì)算體積大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重量的測(cè)量。

2.2 攝像機(jī)選型

系統(tǒng)中選用的攝像機(jī)是PointGrey系列——FL2G-13S2C-C。是加拿大PointGrey公司的工業(yè)相機(jī)，加拿大PointGrey公司的工業(yè)相機(jī)以體積小，高性價(jià)比而著稱，被廣泛應(yīng)用于中國(guó)的半導(dǎo)體、太陽(yáng)能、激光加工、食品藥品和工程自動(dòng)化等領(lǐng)域。該攝像機(jī)實(shí)物圖如圖2所示，其尺寸僅有29×29×72mm，最大分辨率/幀頻為1288×964@30fps。

3 稱重灌裝模擬器

本文設(shè)計(jì)的細(xì)小顆粒團(tuán)灌裝器如圖3（a）和（b）所示。由圖可知，灌裝器的灌裝口底面積是已知的，即只要測(cè)得灌裝器中顆粒團(tuán)的高度，就可以通過(guò)體積計(jì)算得出其重量。細(xì)小顆粒團(tuán)由灌裝口進(jìn)入灌裝器，此時(shí)抽動(dòng)板將灌裝器隔開成上下兩部分，如圖3（a）所示，當(dāng)顆粒團(tuán)達(dá)到要求的高度時(shí)，抽動(dòng)板通過(guò)抽動(dòng)使顆粒團(tuán)下落進(jìn)入包裝環(huán)節(jié)，如圖3（b）所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)了一套基于計(jì)算機(jī)視覺的細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4所示。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性，對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)取出一些板藍(lán)根顆粒，將板藍(lán)根顆粒灌入灌裝器中測(cè)得其在灌裝器中的高度為0.55cm，如圖5所示，將攝像機(jī)拍攝結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行圖像處理，得到灌裝器內(nèi)板藍(lán)根顆粒的重量為20.207g。

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，對(duì)實(shí)驗(yàn)用到的板藍(lán)根顆粒放入電子天平進(jìn)行稱重驗(yàn)證。首先進(jìn)行去皮稱量，稱量得到實(shí)驗(yàn)中用到的小包裝袋的重量為0.447g，如圖6（a）所示，去皮后稱量板藍(lán)根的重量為 20.000g，如圖6（b）所示。與電子天平稱量后的質(zhì)量之間的誤差為 1.035%。板藍(lán)根顆粒在包裝過(guò)程中的要求的誤差為±4.5%，實(shí)驗(yàn)得到的誤差小于規(guī)定的誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺的細(xì)小顆粒團(tuán)重量測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)及計(jì)算機(jī)視覺處理，計(jì)算機(jī)視覺處理得到的結(jié)果為20.207g，這與電子天平直接稱重得到的結(jié)果之間的誤差為1.035%，小于規(guī)定的誤差范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳旭，呂小俊，賈志洋.淺談?dòng)?jì)算機(jī)視覺的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技信息，2013，（16）：6-6.

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[3賈麗娜，張輝，陳文慶.顆粒狀物料自動(dòng)稱重機(jī)研究[J].機(jī)電工程，2012，29（01）：46-48.