基于圖像處理的透明液體厚度均勻性測量

趙曉麗

（山東工藝美術學院，山東 濟南 250300）

在生產生活中，人們用到的很多產品都需要測量液體厚度的均勻性，本研究主要是為了采集圖像數據，并選取恰當的軟件進行數據處理分析。如在醫用手套的生產過程中，必須對手套澆筑后未冷卻的液體進行實時厚度的檢測，以保證澆筑后的產品質量[1]。以往對這種醫用手套的質量檢測大多采用澆筑后人工抽檢的方式進行，效率低、漏檢率高、不合格率高。本研究提出一種檢測方法，應用線性電荷耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）對透明液體厚度的均勻性進行檢測。該方法可以間接檢測醫用手套的質量，借助傳感器采集數據，再進行科學的數據分析，將分析結果傳入顯示屏，方便工作人員發現不合格品，達到高效率、高準確性的測量目的。

具體方法是在透明液體厚度測量實驗中，通過線性CCD采集透明液體折射后的光柵圖像，用Arduino編程采集數據并將數據包發送至上位機顯示，通過Matlab編程顯示圖像中需要的信息，可以通過顯示屏直接將不合格的數據傳送給工作人員，以便工作人員采取實時補救措施。

1 系統組成及工作原理

該透明液體厚度均勻性測量系統主要由光柵、線性光電傳感器模塊TLS1401CCD、Arduino UNO和計算機等部分組成，如圖1所示。通過光源補光燈對光柵打光，經線性CCD采集后，通過二值化處理，形成黑白條紋。由于光柵的直線都是平行直線，經過線性CCD采集的黑色條紋之間的距離也應該是相同的。光柵經透明液體折射后會形成另一組直線束。由于透明液體的厚度會直接影響折射后直線的位置，可以通過檢測折射后的直線束是否平行判斷液體的厚度是否均勻。實驗是否可行可以先通過驗證光柵直線束是否平行判定，經實驗驗證，該思路可行。

圖1 實驗系統

光柵有兩種：透射光柵和反射光柵，區別主要是光柵透射光的原理不同。光柵是由大量等寬等間距狹縫構成的光學器件，常用的光柵是在玻璃板片上雕刻出大量平行刻痕制成的，兩平行刻痕之間可以透光[2]，但是刻痕為不透光結構。在精制的光柵上排列的刻痕很多，幾千條甚至上萬條都能在1 cm寬度內刻出來。光柵這種技術在傳統印刷的基礎上加入了數碼科技的優點，在為光柵特別制備的膠片上，通過一些關鍵操作，就可以在膠片上顯示各式各樣的特殊效果。

CCD傳感器的作用是將光與電互相轉換，是一種新型裝置；光產生信號電荷之后，可以通過CCD傳感器存儲，功能非常強大；將特定時序的脈沖信號施加到CCD傳感器上，CCD傳感器存儲的信號電荷便可在內部定向傳輸，進而實現CCD傳感器自我掃描，主要由光敏單元、輸入結構和輸出結構等組成[3]，具有光電轉換、信息存儲和延時等功能。CCD傳感器的高集成度、低功耗特點非常明顯，在攝像領域能發揮價值。另外，信號處理和存儲的功能、圖像傳感器的應用也得到了越來越多人的關注[4]。CCD包括線陣和面陣，區別在于將CCD像素排成平面還是直線的元件。如果排成1個平面的元件，則稱為面陣；如果排成1個直線的元件，則稱為線陣。

Arduino是包含硬件和軟件的平臺，可供研發人員選用其提供的程序，也可供研發人員自行修改代碼或自行封裝命令，是開源電子原型平臺。其開發環境是在Processing/Wiring的基礎上開發，參照了Java、C語言。Arduino電路板的各種型號成為其硬件，硬件部分的作用是與電路相連。計算機中的程序開發環境（即Arduino IDE）就是該平臺的軟件。研發人員首先要在軟件Arduino IDE中，按照標準編寫程序代碼，Arduino電路板接收到編寫好的程序，即可作出下一步反應。外部環境信息能通過傳感器上傳給Arduino，然后Arduino通過控制馬達、燈光等其他裝置，反饋、影響外部的環境。Arduino的特點主要有：（1）Arduino IDE可以適應各種計算機系統，具有跨平臺的特點。（2）Arduino語言的靈活度高。（3）Arduino是開源電子原型平臺，在協議范圍內能隨意改寫代碼。（4）作為一個優秀的硬件開發平臺，發展迅速。

Matlab在本質上是一款數學軟件，也被稱為矩陣工廠（矩陣實驗室）。在復雜繁多的數值分析計算面前，Matlab的優勢逐漸顯露。集多功能于一體的Matlab軟件能將人們的科學實驗進行多次在線數據仿真，進而分析數據的可信度及預測數據的走勢，同時達到節約實驗成本的目的。Matlab主要為數值分析、矩陣計算提供更快、更精準的計算平臺，使科學數據可視化、更直觀地展現在人們面前；非線性動態系統的建模和仿真、交互式程序設計功能給科研人員提供了易操作的計算環境。Matlab為科學研究、工程設計等需要進行大量數值計算的科學領域提供了完美的解決方案。Matlab與傳統非交互式程序設計語言的編輯模式不同，優點主要表現在：（1）數值計算效率高、準確度高，減輕了研發人員的工作負擔。（2）圖形處理功能強大，可實現計算機編程過程及結果的可視化，降低了用戶學習難度，輸出更加形象。（3）自然化語言接近數學表達式，用戶界面簡單易學，對新手而言容易接受。（4）應用工具箱功能強大，工具可滿足用戶進行各種仿真的需求。

該方法對透明液體厚度均勻性的測量主要通過CCD傳感器進行數據的采集，再通過編程的方式將采集的圖片數據利用Matlab軟件進行數據分析，從分析結果中即可了解透明液體厚度的均勻性。

1.1 算法實現圖像采集

圖像數據采集工作首先應用Arduino板編程，將程序調試好后，搭建實驗臺，通過手動對CCD調焦，在上位機獲得清晰的黑邊條紋后，即可得到相應的數據圖片，開始實驗。

通過選用合適的LED補光燈對CCD補光，能夠有效減少頻閃的現象。將搭建好的試驗臺調試之后，將下位機Arduino的程序錄入即可開始對數據進行采集[5]。利用上位機顯示的圖像選擇合適的二值化閾值，如圖2所示，對光柵進行驗證。實驗證明，平行直線經CCD處理后，二值化的黑色條紋之間的距離也相等，即直線束相互平行。

圖2 CCD在無透明液體時的圖像顯示

在光柵上涂需要測試的透明液體，本實驗選擇膠水演示透明液體。一方面，膠水有一定的表面張力，不會像水一樣到處流動，影響實驗的準確性；另一方面，膠水有較強的透光能力，能夠實現所需要的功能，而且沒有腐蝕性，不會對光柵有影響，進而影響實驗的結論。對不同部位的透明液體厚度進行CCD測量，通過觀察二值化圖（圖3），初步了解透明液體厚度不均勻的位置[6]。如圖3所示，選取3個不同的位置，分別為光標在0.206、0.260、5.000處，設置好二值化的閾值，即可得到3個位置的波形圖、灰度圖和二值化圖。從波形圖、灰度圖和二值化圖中可知這3個位置上的液體均勻度情況。

圖3 不同部位透明液體CCD圖像

1.2 算法實現圖像處理

按以上步驟得到圖像數據之后，將數據包保存，導入Matlab軟件，進行分析處理，分析黑色條紋之間的距離；編寫程序識別條紋間的距離，用Matlab軟件計算出經透明液體折射后的直線束間的距離，根據Matlab軟件的可視化結果輸出判斷異常部位，計算出液體的均勻性[7]。

將數據導入Matlab軟件中，將數據包轉換成圖像顯示在圖表中，如圖4所示。根據處理后的圖像可知，數據的兩邊存在異常。

圖4 數據包經Matlab處理后的圖像

將數據包進一步處理，用柱狀圖顯示有液體時和無液體時直線間的距離，從中能夠直觀地看出異常點的位置和距離，如圖5所示。從圖片處理結果可知，第1、第2、第4、第11、第12光柵是存在異常點的位置，其中，第4光柵有液體和無液體時差距較大。

圖5 有液體和無液體時的距離對比

經分析可知，CCD采集的是13根直線組成的直線束，由于光柵受溫度和其他因素的影響，發生了一定量的翹邊，兩邊的數據會有一定的異常，將邊緣的數據舍棄，繼續用Matlab進行定量分析。

用Matlab進一步定位異常距離的像素點坐標，計算出透明液體的均勻度。部分編程顯示如圖6所示。經過Matlab軟件分析可知，第32和36像素之間不均勻，第36和40像素之間不均勻，第80和84像素之間不均勻，第84和88像素之間不均勻。通過數據分析，最后的結果是被測液體的厚度均勻性為69.230 8%。

圖6 編程計算透明液體厚度均勻性

2 結語

利用線性CCD對透明液體進行厚度均勻性的測量，通過編程分析數據，從而提取出圖像中所需要的透明液體厚度信息，檢測醫用手套上的液體厚度是否符合標準。該方法完全滿足實驗的要求，能實現高效率、高準確的檢測目的。實驗證明，該系統可以有效檢測透明液體厚度的均勻性，具有很好的環境適應性和廣闊的應用前景。