基于機(jī)器視覺的液位檢測器設(shè)計(jì)

朱小青 祝海鵬 李臻愷 楊宇琛 王思怡 溫昕瑜

摘要：本系統(tǒng)通過工業(yè)相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集產(chǎn)品圖像，從而實(shí)現(xiàn)對液體液位的非接觸性檢測。通過OpenCV開源平臺對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理，并檢索出液體區(qū)域的輪廓，提出了一種適用于液位檢測的包圍圈取高算法，從而得到液位高度，實(shí)現(xiàn)了不借助外部測量儀器就能對液位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

1.前言

在工業(yè)及商業(yè)的眾多領(lǐng)域，液量液位檢測是必須的檢驗(yàn)步驟，如針對醫(yī)療方面，液位檢測常用于輸液，試管等，針對于這類場景，液位檢測的精度往往要求更高，同時(shí)對于檢測手段也往往只能采用非接觸式，同時(shí)又需要檢測設(shè)備具有高通量得到特點(diǎn)。而針對礦業(yè)行業(yè)，液位檢測常常用于礦下滲水問題。

在已有研究中提出的液位自動檢測方法主要有聲波法，光電傳感器法，電容式傳感器法和基于機(jī)器視覺檢測等。而基于機(jī)器視覺的檢測由于其非接觸性和無損性，受到了人們的廣泛關(guān)注。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的液位檢測系統(tǒng)平臺的硬件組成主要包括數(shù)字相機(jī)、LED點(diǎn)光源和用于圖像處理的樹莓派微型計(jì)算機(jī)等。實(shí)驗(yàn)采用裝有適量液體的礦泉水瓶為檢測對象，使用CCD相機(jī)獲取初步圖像，截取感興趣的瓶身部分圖像，再依次做閾值化、形態(tài)學(xué)等操作，最終通過算法實(shí)現(xiàn)輪廓檢索，獲得液位高度。

（1）檢索二值圖像中的輪廓

為了滿足硬實(shí)時(shí)任務(wù)要求，從而進(jìn)一步減少工程計(jì)算量，同時(shí)突顯液體區(qū)域的整體輪廓，我們采用取二進(jìn)制閾值化方式對圖像進(jìn)行閾值分割。其操作原理為先按照灰度等級對像素集合進(jìn)行劃分，結(jié)果將得到N個(gè)子集，每個(gè)子集即代表與現(xiàn)實(shí)景物相對應(yīng)的一塊區(qū)域，同一區(qū)域內(nèi)部擁有相同的灰度屬性。具體的劃分可以從灰度等級出發(fā)， 根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選取一個(gè)合適的閾值，再通過公式（1）實(shí)現(xiàn)。閾值分割后的圖像如圖1所示。

在閾值分割后的圖像中的白色區(qū)域中仍存在一些小型黑色區(qū)域，并且在黑色區(qū)域內(nèi)還存在一些小型的白色團(tuán)塊。為了保證之后輪廓識別結(jié)果的唯一性，我們通過形態(tài)學(xué)運(yùn)算將此圖像分劃為兩個(gè)獨(dú)立且完整的區(qū)域。

（2）檢索二值圖像中的輪廓

OpenCV提供了Freeman鏈碼、多邊形頂點(diǎn)的序列這兩種方法來表示輪廓。多邊形定點(diǎn)序列是用多邊形以任意精度來近似的方法。簡而言之，多邊形近似的目的就是使用盡量少的線段數(shù)來獲取給定邊界的基本形狀。對于一條閉合邊界，當(dāng)多邊形的邊數(shù)越接近邊界上的點(diǎn)數(shù)時(shí)，這種近似會變得越精確，此時(shí)每一對相鄰的點(diǎn)定義了多邊形的一條邊。雖然相比于Freeman鏈碼，多邊形近似的求解過程更為復(fù)雜，需要采用耗時(shí)嚴(yán)重的迭代搜索來尋找頂點(diǎn)，但它所描繪的輪廓準(zhǔn)確度相對更高。

在經(jīng)過預(yù)處理的二值圖像中，只存在一個(gè)完整而獨(dú)立的區(qū)域，所以我們選擇只檢測最外層的輪廓作為進(jìn)行輪廓檢索時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，實(shí)現(xiàn)大幅減少計(jì)算量。這之后我們得到了存放著輪廓檢索后得到的一系列點(diǎn)的輸出序列。而為了能更準(zhǔn)確地獲得圖像中液體區(qū)域的輪廓信息，我們采用上述的多邊形近似方法。

（3）提取包圍圈及液位的檢測

在本系通過OpenCV來計(jì)算輪廓的邊界框（又稱包圍圈），得到包圍圈的高度即為液體的液位高度。此包圍圈的提取方法基于Douglas-Peucker算法。

對于一條給定的閉合曲線，得到包圍圈的詳細(xì)步驟如下：

1）在一段曲線的首尾之間連接一條直線，計(jì)算曲線上各點(diǎn)到此直線的距離;

2）取閾值dmax，將曲線上的點(diǎn)到直線最遠(yuǎn)距離與閾值做比較，若某點(diǎn)到此直線的距離大于閾值則將該點(diǎn)保留，反之則將該點(diǎn)舍去;

3）當(dāng)閾值越小，多邊形的擬合結(jié)果就越接近真實(shí)的輪廓?，F(xiàn)取較小閾值，根據(jù)保留下來的點(diǎn)，將曲線輪廓分成兩部分處理，重復(fù)1、2步的操作，進(jìn)行迭代計(jì)算，不斷地將最遠(yuǎn)的點(diǎn)添加到結(jié)果中，最后得到符合給定精度限差的曲線點(diǎn)的坐標(biāo);

4）最終包含曲線信息最多的關(guān)鍵點(diǎn)將被保留下來，過上下左右最遠(yuǎn)的點(diǎn)分別做出水平或豎直直線，它們相交所得的矩形即為輪廓的包圍圈，如下圖2所示。

3.結(jié)束語

基于OpenCV的這個(gè)液位檢測系統(tǒng)可以不借助外部的測量儀器，實(shí)現(xiàn)對透明瓶裝無色液體的液位檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此方法穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性令人滿意，檢測精度較高 ，符合設(shè)計(jì)的期望要求。該系統(tǒng)若應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，可在生產(chǎn)過程中大大降低產(chǎn)品檢測所需時(shí)間，節(jié)約勞動力成本。本系統(tǒng)安全穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保 ，具有很好的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，因而可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)或醫(yī)用中各種透明瓶裝的無色液體的液位檢測，具有很大的市場價(jià)值和應(yīng)用前景。

資助項(xiàng)目：衢州學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目Q20X036