瓶装液体中异物的检测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及超声成像自动检测【技术领域】，具体公开一种用于检测瓶装液体中异物的方法及系统。本发明的方法包括步骤S1使用空气耦合超声成像技术，采集待测瓶装液体的超声图像；S2对采集得到的待测样超声图像进行预处理，以去除干扰；以及S3通过将经预处理的待测样超声图像与不含异物瓶装液体的标准超声图像进行对比处理，检测待测瓶装液体中的异物。本发明利用空气耦合超声成像技术，通过将待测样超声图像与标准超声图像对比处理，自动检测瓶装液体中的异物。实现客观、实时、快速、准确检测，且还可应用于高浓度、不透明液体。本发明的方法和系统相对价格低廉，易于实现自动化，可适用于大部分瓶装液体生产线的自动检测。
【专利说明】瓶装液体中异物的检测方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声成像自动检测【技术领域】，具体涉及基于超声图像检测瓶装液体中异物的方法及系统。
【背景技术】
[0002]巨大的市场需求使矿泉水、啤酒、饮料及注射液等瓶装液体产品生产行业保持着平稳快速的发展，科技的进步促使产品生产和包装设备的自动化程度越来越高。目前，瓶装液生产厂家均采用机械设备对瓶子进行自动封口。由于很多因素导致瓶中可能掺入颗粒状异物，例如金属、玻璃、木头碎屑、头发。因此必须对已经封口的瓶装液采用一定的检测手段，找到不合格的产品，将其剔除。如何透过瓶体快速、准确、清晰地检测出已经封口的瓶装液体的内部特性，是判断瓶内是否有异物的首要任务。
[0003]目前对于瓶装液体中异物的常用检测方法有人工灯检法、高效液相色谱法和基于图像处理的液体杂质检测。其中人工灯检的检测效率低、速度慢、精度低、漏检率高、检测人员容易疲劳、对于不透明瓶体或者液体无能为力，不适用于现代化大型生产线。高效液相色谱法检测速度慢；因技术含量较高，市场主要为国外的品牌占有，国产品牌一直处于压制状态；而且仪器价格昂贵、维修难、费用高，一直不能作为专门的检测仪器。基于图像处理的液体杂质检测技术同样效率较低，此外这种基于光学透射的方法(采用光源照射待检瓶，摄像机成像）由于实际上很多待检液体颜色较深、浓度较高且有的瓶体是不透明的，导致该方法的实际使用效果很不理想。
[0004]空气耦合超声成像，利用空气作为耦合介质，实现对材料快速无损扫描成像。是一种实时、无创、简洁的成像方法，自面世以来已被广泛应用于科研领域。超声可以准确的反映材料内部的空间形态，是研究材料内部形态特性非常有效的工具。且采取超声图像检测瓶内异物的方法少之又少。
【发明内容】
[0005]本发明旨在克服现有技术检测瓶装液体异物时应用范围受限的缺点，提供一种基于空气耦合超声成像的检测方法和系统。
[0006]本发明的技术方案包括一种用于检测瓶装液体中异物的方法，包括步骤：S1使用空气耦合超声成像技术，采集待测瓶装液体的超声图像；S2对采集得到的待测样超声图像进行预处理；以及S3通过将经预处理的待测样超声图像与不含异物瓶装液体的标准超声图像进行对比处理，检测待测瓶装液体中的异物。
[0007]—些实施例中，步骤SI可以包括在垂直于所述待测瓶装液体的侧面或底面的方向采集待测样超声图像。
[0008]一些实施例中，步骤S2可以包括对所述待测样超声图像去除噪声，以及进行灰度变换。
[0009]一些实施例中，步骤S3可以包括分别对标准超声图像和待测样超声图像进行快速傅立叶变换，获得标准变换域图像和待测样变换域图像，并根据所述变换域图像的对比分析，所述待测瓶装液体中的异物。
[0010]一些实施例中，步骤S3的对比分析操作包括：S31使标准变换域图像和待测样变换域图像的中心亮度归一化，并保持各自图像中各像素点与中心像素点亮度比值不变；S32以所述中心像素点为中心，上下左右各取一定像素数量的长度划分出一个矩形，并分别统计在各自矩形外的部分中，亮度超过阈值Gl的像素点的个数Nia和Nita ;以及S33比较待测样变换域图像与标准变换域图像中N—与Not的值，当Ν·> 时，则认为所述待测瓶装液体中包含异物。
[0011]一些实施例中，使用多个标准超声图像以及相应的多个标准变换域图像，并且在步骤S302中，将所述多个标准变换域图像中N的最大值定义为
[0012]本发明另一方面提供一种使用以上方法，用于检测瓶装液体中异物的系统，所述系统包括：空气耦合超声图像采集设备，其采集待测瓶装液体的待测样超声图像；存储器，其预存有一个或多个不含异物的瓶装液体的标准超声图像数据；数据处理设备，其接收待测样超声图像，预处理所述待测样超声图像，并进行所述待测样超声图像与标准超声图像的对比分析，以检测所述待测瓶装液体中的异物；以及分拣设备，其根据数据处理设备的检测结果，剔除含异物的待测瓶装液体。[0013]一些实施例中，所述待测瓶装液体为流水线上的瓶装液体。
[0014]本发明利用空气耦合超声成像技术，非接触地采集超声图像，并通过将待测样超声图像与标准超声图像对比处理，自动检测瓶装液体中的异物。本法的检测方法和系统客观、实时、快速、准确，且应用范围广，不仅能检测透明液体，还可检测现有光学检测难以适用的高浓度、不透明液体。本发明的方法和系统相对价格低廉，易于实现自动化，可适用于大部分瓶装液体生产线的自动检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图I为根据本发明用于检测瓶装液体中异物的方法原理示意图。
[0016]图2为空气耦合超声探头的结构示意图。
[0017]图3示意性示出根据本发明的检测系统的框图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应理解，尽管以下附图和实施例中，针对流水线上瓶装液体中的异物检测进行描述，本发明的系统和方法还适用于其他环境下对瓶装液体中异物的检测。
[0019]参考图I和图3，分别示意性地示出本发明用于检测瓶装液体中异物的方法原理和系统结构框架。从图中可见本发明基于空气耦合超声成像技术的检测系统主要包括：空气耦合超声图像采集设备，其用于采集待测瓶装液体的待测样超声图像；存储器，其预存有一个或多个不含异物的瓶装液体的标准超声图像数据；数据处理设备，其接收待测样超声图像，预处理所述待测样超声图像，并进行所述待测样超声图像与标准超声图像的对比分析，以检测所述待测瓶装液体中的异物；以及分拣设备，其根据数据处理设备的检测结果，剔除含异物的待测瓶装液体。[0020]其中空气耦合超声图像采集设备包括超声探头和成像系统。空气耦合超声探头可以被垂直固定在瓶装液体附近合适的位置(如侧面或底部)，以在垂直于待测瓶装液体的侧面或底部的方向采集超声图像。可以调整空气耦合超声探头的位置，来以优化的对比度，显示超声图像中瓶内液体的细节。
[0021]参考图2，为空气耦合超声探头的结构示意图。该探头主要由设置在密封壳2内的背衬吸收块4、复合材料晶片5、保护膜6 (耦合层)及电极7构成。接头I在密封壳外，通过信号线3连接电极。由于超声波的传播主要受三方面影响:超声波在空气中的衰减、气固表面超声波的大量反射、超声换能器的转换效率。前两者为自然现象且无法改变。这里采用复合材料晶片可以大幅提高超声换能器转换效率，实现非接触式检测。
[0022]存储器和数据处理设备可以是同一计算机中的部件，或位于不同的计算机中。此夕卜，空气耦合超声图像采集设备中的成像系统也可以是计算机中的部件。
[0023]根据本发明用于检测瓶装液体中异物的方法，主要包括以下步骤:首先使用空气耦合超声成像技术，采集待测瓶装液体的超声图像；继而对采集得到的待测样超声图像进行预处理，以去除干扰；最后使用图像处理算法，比较经预处理的待测样超声图像与不含异物瓶装液体的标准超声图像，以检测待测瓶装液体中的异物。
[0024]本发明中通过空气耦合超声检测系统获取瓶装液体的超声图像，然后通过图像对比处理算法，对采样得到的连续图像进行处理及检测，以判断液体中是否有异物。
[0025]空气耦合超声成像采用高灵敏度的非接触式空气耦合超声检测装置，来获得瓶装液体的超声图像。此系统是由超高功率超声波发射接收器、高灵敏度空气耦合探头和PC机组成，彻底突破了传统的超声波检测方法，使不能用于多孔渗水材料、对水或其他耦合剂敏感的材料、禁止接触的工件等检测成为现实。开创了超声波无损检测行业在21世纪的新纪元，实现了超声波非接触式各种材料的音速测定及缺陷检出。
[0026]由于采用空气耦合超声成像设备采集超声图像，可以显示出瓶子的内部特性，克服了现有技术中基于光学透射原理的自动测量方法的局限性，特别是克服了对于待检液体颜色较深、浓度较高或瓶体不透明的情况检测效果不理想的缺陷。能够自动、客观、准确地检测出瓶装液体中是否存在异物，而且，本发明的还能够实时对连续多帧瓶装液体的超声图像进行自动检测，实现了该自动测量方法的实时性。
[0027]在图1所示流水线瓶装液体中异物检测的实施例中，可以通过调节该空气耦合超声成像设备，例如，以与流水线产品速率一致的采样频率，连续地采集生产线上的瓶装液体的图像。
[0028]在预处理步骤中，预处理可以包括对采集到的待测瓶装液体的超声图片，首先去除图像噪声等干扰(例如，采用加权均值滤波等方法)，以及对图像使用例如灰度变换函数，进行灰度变换，调整图像对比度。对超声图像的这些预处理方法，在本领域是已知的。本领域技术人员可以选择采用适当的算法进行处理。
[0029]在对比处理步骤中，可以采用一个或多个标准瓶装液体(该液体被认为是不含异物的)的超声图像作为比较对象。可以将超声图像中的亮点视作异物，当待测瓶装液体的超声图像中的亮点数目大于标准瓶装液体超声图像中的亮点数目时，则可以认为该待测瓶装液体中含有异物。
[0030]为了便于比较，以及提高检测的准确度，该步骤中的图像处理操作可以首先分别对标准超声图像和待测样超声图像进行快速傅立叶变换(FFT )，获得标准变换域图像和待测样变换域图像。FFT可以提高图像高频分量，增强原始图像中纹理特征，便于下一步的异物识别。经FFT变换的一个或多个标准变换域图像可以被预先存储在存储器中。
[0031]接着根据变换域图像，通过比较识别异物。具体地，使标准变换域图像和待测样变换域图像的中心亮度归一化，即令待区分的两幅变换域图像中心亮度相等，同时保持各自图像中各像素点与中心像素点亮度比值不变。该步骤可以有效排除因光线环境等外界因素引起的两幅图像间整体灰度差异。
[0032]然后以中心像素点为中心，上下左右各取一定像素数量的长度，具体地，可以根据实际超声图像的大小，以多次试验的最佳结果确定长度，从而划分出一个矩形，并分别统计在各自矩形外的部分中，亮度超过阈值Gl的像素点的个数Nia(针对标准变换域图像)和N
针对待测样变换域图像)。
[0033]阈值Gl可以依据标准瓶装液体超声图像的灰度值来确定，例如根据式
【权利要求】
1.一种用于检测瓶装液体中异物的方法，其特征在于，包括步骤: Si使用空气耦合超声成像技术，采集待测瓶装液体的超声图像； S2对采集得到的待测样超声图像进行预处理；以及 S3通过将经预处理的待测样超声图像与不含异物瓶装液体的标准超声图像进行对比处理，检测待测瓶装液体中的异物。
2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤SI包括在垂直于所述待测瓶装液体的侧面或底面的方向采集待测样超声图像。
3.如权利要求1所述的方法，其中，步骤S2包括对所述待测样超声图像去除噪声，以及进行灰度变换。
4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤S3包括分别对标准超声图像和待测样超声图像进行快速傅立叶变换，获得标准变换域图像和待测样变换域图像，并根据所述变换域图像的对比分析，检测所述待测瓶装液体中的异物。
5.如权利要求4所述的方法，其中，步骤S3的对比分析操作包括: S31使标准变换域图像和待测样变换域图像的中心亮度归一化，并保持各自图像中各像素点与中心像素点亮度比值不变； S32以所述中心像素点为中心，上下左右各取一定像素数量的长度划分出一个矩形，并分别统计在各自矩形外的部分中，亮度超过阈值Gl的像素点的个数Nia和Nita ； S33比较待测样变换域图像与标准变换域图像中与Nm的值，当Not> 时，则认为所述待测瓶装液体中包含异物。
6.如权利要求5所述的方法，其中，使用多个标准超声图像以及相应的多个标准变换域图像，并且在步骤S302中，将所述多个标准变换域图像中N的最大值定义为
7.一种使用权利要求1至6所述的方法，用于检测瓶装液体中异物的系统，其特征在于，所述系统包括: 空气耦合超声图像采集设备，其采集待测瓶装液体的待测样超声图像； 存储器，其预存有一个或多个不含异物的瓶装液体的标准超声图像数据； 数据处理设备，其接收待测样超声图像，预处理所述待测样超声图像，并进行所述待测样超声图像与标准超声图像的对比分析，以检测所述待测瓶装液体中的异物；以及分拣设备，其根据数据处理设备的检测结果，剔除含异物的待测瓶装液体。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述待测瓶装液体为流水线上的瓶装液体。
【文档编号】G01N29/06GK103543205SQ201310493153
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】李晓龙, 樊建平, 周永进, 李济舟, 刘瑶利, 陈星
申请人:中国科学院深圳先进技术研究院