魏成娟 孙永 陈建超

摘 要：瓷砖几何尺寸检测系统对瓷砖生产厂家发展非常重要。本文提出了一种基于线阵CCD的一种在线视觉检测系统，对整个系统进行了分析和设计，提出系统标定方法。在线检测当中，利用激光位移传感器检测，结合亚像素定位算法对瓷砖边缘进行精准定位，并根据边缘点数据得出瓷砖角点，从而获取每个瓷砖的尺寸参数。

关键词：瓷砖;几何尺寸;在线检测;激光位移传感器;方法

瓷砖作为一种十分重要的建筑材料，在全国各地的应用都十分广泛。当今瓷砖的生产技术更加成熟，建筑市场也在不断扩大，很多瓷砖厂家都已经步入了大规模生产模式，提升了生产厂家的经济效益。但是大规模生产给瓷砖在线检测方法提出了更高要求，如何提升在线检测系统运行效率、检测精度是需要重点考虑的问题。而CCD的在线视觉检测系统结合了激光位移传感器可以精确度检测到精细的差异，可以实现全自动化检测功能，通过发射激光进行视觉定位，不需要接触瓷砖即可完成高精度检测，具有十分广阔的应用前景。

1 瓷砖几何尺寸在线检测系统运行原理

如下图，整个在在线检测系统通过激光位移传感器能够精准的测量非接触测量瓷砖的位置、位移变化，大体上来说，该系统可以有效检测物体位移、厚度、振动、直径、距离等等几何参数。结合测量原理，激光位移传感器多数都是采用激光三角测量，可以实现高精度、短距离测量。

在线检测系统运行当中，激光发射器会通过镜头把可见红色激光射到物体表面上，此时瓷砖会反射激光，接收器镜头将反射激光传输到CCD线性相机，结合不同的距离，CCD线性相机可以从多个角度观测到这个点，根据光电的角度和激光与相机距离，通过数字信号处理设备即可检测出传感器和被测物体之间的距离以及几何参数。光束在接收元件位置通过模拟以及数字电路处理方法，系统处理器对数据进行分析，将计算出的数值输出，在用户设定的模拟量窗口内，按照比例输出标准信号。

采用该检测方法，激光位移传感器的线性度最高能够达到1um，分辨率水平达到0.1um，适应恶劣的工作环境。

1-激光位移传感器，2-线阵CCD，3-编码器，4-传送带，5-光电开关，6-瓷砖，7-光源，8-电机

瓷砖在线检测系统图

2 测量系统标定

线阵CCD视觉检测系统采用激光位移传感器，可以实现二维视觉测量，该测量系统标定能够获得某个平面上激光点和图像物体的对应关系。在标定之前系统会调整靶标，让物体竖线与传送带前进方向保持水平，并调整相机位置，从而通过高精度的评价函数判定靶标是否在成像系统正焦面上。在系统自动调整完毕后，会对靶标扫描图像通过处理器进行预处理，采用二值化、边缘提取法对瓷砖边缘红外线点进行粗略定位，根据红外线点和相机映射图像，即可对边缘点定位，获得靶标各个激光点（线）的位置，这些部位可以直接得到标定参数。

由于行距标定不会产生畸变，所以可以采用线性模型进行行距标定，设两条横线在靶标上的实际距离为L，设与图像间距为La，则系统行距标定参数K=L/La。虽然红外线测量不会出现畸变，但是需要考虑镜头带来的畸变影响，所以列距标定时需要从两个方面出发：（1）采用线性标定模型标定激光检测无畸变的靶标中心区域，假设竖线条坐标为y，图像坐标为ya，则二者之间的线性关系为y=k1ya+k2（k为畸变值，k1为第一个测点畸变、k2为第二个测点畸变……）;（2）在畸变校正当中，需要结合该方程得出靶标竖线在图像中的理想位置，假设yf是畸变情况下较为理想的坐标，将竖线坐标数据带入到非线性畸变表达公式中yf=y+k3+k4y+k5y2，通过最小二乘法将数据拟合，即可持续获得k3、k4、k5等畸变参数。

3 瓷砖尺寸参数提取

3.1 边缘点提取

计算瓷砖的几何参数，需要获取到瓷砖的边缘点。传统的边缘检测方法无法满足测量精度要求，而采用激光检测法可以有效进行精准定位。在使用在线检测系统当中，需要考虑到瓷砖具有边缘简单、对比度高的特点，通过线性CCD相机以及激光位移传感器获得边缘点坐标粗略值，在进行激光点定位方法，初期处理主要是获得二值化、边缘激光点提取。为了提高后期处理的便捷性，激光还会对瓷砖边缘进行定位跟踪以及位移跟踪。

传统的灰度矩亚像素定位方法计算量非常大，在线检测会给系统带来很大压力，因此可以采用精度更高、速度更快的基于灰度矩定位亚像素定位算法。算法流程为：确定瓷砖边缘方位，并沿着瓷砖边缘方向拓展像素，设置单调序列意义对应像素灰度值，选取像素个数，根据整个序列前三阶灰度矩，得出亚像素边缘的瓷砖定位。

3.2 尺寸参数提取

结合建材行业提出的瓷砖边长、边直度、直角度检测标准。在线检测系统主要是应用角点拟合方法提出相机模拟参数以及红外激光定位参数，为了避免瓷砖边缘不精准出现的误差问题，将瓷砖角点通过直线拟合的方式实现瓷砖两侧边拟合，系统会自动得出两条边交点，得到最终的瓷砖角点。对瓷砖4个角点位置即可自动获得边长、直角度、边直度等参数。在实际应用当中，在瓷砖的一个角点上选择合适数量的激光点，之后采用最小二乘法对2条直线进行拟合，结合两条直线斜率、两条直线在y轴方向截距，从而获得直线交点，这个交点作为后续拟合角点。采用相应的方法可以得到剩余3个角点。在4个角点确定完毕后，采用点到点直线距离的方法测量瓷砖四面边长。如在左边测量当中，得到左下角点、坐上角点，并结合点到点之间的距离即可测量瓷砖左边长度。

直角度是瓷砖一个角和直角之间的偏差，采用百分比的表示方法。通过计算机自动测量计算可以获得二条直线之间的夹角a，这个角度则是瓷砖角的角度值，角度值=丨a-90°丨/90°*100%。边直度是瓷砖各个边和中央偏离所对应的直线偏差，通常是使用百分比的方式表示。在瓷砖边计算当中，需要事先处理边缘点数组，并得到左边界中央边缘点，在线分析系统会直接得到两个角点的直线距离。根据上述计算方法得到边长，拟合瓷砖的4个角点，得出瓷砖4个边长、直角度、边直度。

3.3 直线度测量

直线度测量需要采用2-3个激光位移传感器组合进行测量。以3个激光位移传感器为例，将激光位移传感器同时排列在一条直线上，结合检测精度得出3个传感器之间的距离。此时需要将测量瓷砖采用平行于传感器安装线的方向前进。在产线与传感器安装线保持平衡的基础上，此时3个传感器所获得的瓷砖参数数据越大，则代表瓷砖的直线度越差;反之，三个传感器检测的距离差距越小，则瓷砖的直线度越高，根据所测量瓷砖长度和3个传感器间距，得到直线度百分比，并通过在线检测系统实现信号量化输出，从而检测瓷砖的直线度。

4 影响测量精度的因素

影响激光位移传感器测量精度的因素包括：（1）激光位移传感器设备本身的测量精度，会直接影响瓷砖y轴测量精度;（2）此状本身的特性也会对测量精度造成影响，例如瓷砖散射特性会直接影响传感器测量精度。如果此状表面十分光滑，则会降低激光光束的漫反射，探测器的接受光强度不足，可能会影响最终测量;（3）整体系统检测平台安装精度也会影响最终的测量精度;（4）坐标系误差问题是最大的影响因素，如果传感器测量方向和导轨之间垂直度存在偏差，导致坐标系是非直角坐标系，这一点需要重点考虑，必须要求二者垂直。

5 结语

综上所述，本文提出了一种基于线性CCD的激光位移检测系统，在瓷砖检测中可以实现非接触、在线检测的功能，可以有效提升瓷砖几何检测效率、精度。该检测方案具有良好的工业生产前景，在实际应用中也有不错的效益。

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