基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置和方法
【专利摘要】本发明涉及一种乒乓球直径和偏心的检测方法和系统，为提供一种乒乓球直径和偏心的检测方法和系统，用于乒乓球的在线检测和质量评估。为此，本发明采用的技术方案是，基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置包括：相机、气浮平台、计算机；气浮平台，用于使乒乓球在悬浮状态中被测量；相机，用于清楚的拍摄到乒乓球，并连续采集和储存乒乓球图像；计算机，用于处理相机拍摄到的乒乓球图像，并计算出乒乓球直径和偏心。本发明主要应用于乒乓球直径和偏心的检测。
【专利说明】基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种乒乓球直径和偏心的检测方法和系统，用于乒乓球的在线检测和质量筛选，具体讲，涉及基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置和方法。
【背景技术】
[0002]乒乓球作为中国国球，在各类比赛中都有广泛的影响。随着乒乓球运动的不断发展，竞技技术的不断提高，对乒乓球的质量要求也越来越高。但是，目前还没有适合乒乓球在线检测的综合手段和方法，所以作为顶级赛事的高级别乒乓球都是从大量的产品中优选产生的，合格率非常低，并且需要大量的人力。
[0003]根据国标GB/T20045-2005中40mm乒乓球的规定，对于乒乓球直径的测量采用圆度仪，圆度仪的主要部分为一个百分表，百分表下端装置一个直径为10_的平面卡轴，卡轴距平面底座约38mm，并装有右调节器和中心调节器，用来固定被测定球的位置。圆度仪采用相对测量的方法，先用标准钢球(直径39.80mm?40.0Omm)校正百分表和试验球的位置，然后右手将百分表上端的把柄向上提起，左手将球放置在底座中心，紧贴中心调节器及右调节器。试验时球的接缝线应水平，即与百分表卡轴成90°角，放松右手，待百分表卡轴垂直的落在球面的最高一点上为A，记下百分表指针读数直径Dl (精确到0.01mm)，再提起百分表上端把柄，把球平稳旋转90°，用同样方法量出其最高一点为B，记下百分表指针读书直径D2。
[0004]根据以上40mm乒乓球国标中的对直径测量方法的描述，不难发现该测量方法存在以下缺陷:单次测量只能够得到一个点的数据，总测量点数也是有限的；寻找最高点时采用目测的方法，会引入额外的误差；由于乒乓球的球壳是一层很薄的弹性材料，百分表前段压到乒乓球上时，不可避免的会产生形变，造成误差。
[0005]根据国标中40mm乒乓球的规定，对于乒乓球偏心的检测使用偏心仪。偏心仪的主要部分是一块长1.2m，宽Im的扇形平面的玻璃，标有明显刻度线表示偏离中心线距离，玻璃板保持水平，在玻璃板的顶端安装一块斜形槽板，槽板的斜度与水平成15°角，球在玻璃上滚动，引距为Im (球在接触玻璃板到中心出口处距离为lm)。测量时，将乒乓球以两顶端为转轴，放在斜形槽板顶端紧贴基准面，自由滚下，球在出口处所测得的偏离中心线距离为该球的偏心。很显然，这种测试方法具有随机性，因此需要进行大量的重复实验才能够获得较为准确的乒乓球偏心情况，不仅耗费大量的时间和人力，而且不方便用于在线测量。
[0006]使用基于机器视觉的检测方法，能够实现非接触式测量，且能够获得乒乓球表面大量点的信息。其中的关键问题在于如何标定相机，以及如何处理图像信息以获得满足精度要求的直径、圆心坐标和乒乓球偏心情况。
【发明内容】
[0007]本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供一种乒乓球直径和偏心的检测方法和系统，用于乒乓球的在线检测和质量评估。为此，本发明采用的技术方案是，基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置包括:相机、气浮平台、计算机；
[0008]气浮平台，用于使乒乓球在悬浮状态中被测量；
[0009]相机，用于清楚的拍摄到乒乓球，并连续采集和储存乒乓球图像；
[0010]计算机，用于处理相机拍摄到的乒乓球图像，并计算出乒乓球直径和偏心。
[0011]气浮平台具体结构为:包括一个或多个环形管道，或者成环形对称排列的气管，环型的直径小于乒乓球直径，在环型管道的对称位置上开有直径相同的气孔，气孔方向指向圆环法线并偏向上方，气孔的倾斜角度都是相同的，故喷射出来的气体能够使乒乓球在中心位置附近保持悬浮状态，并达到平衡，环型管道由供气装置提供稳定且符合要求的气流，使乒乓球悬浮起来，在气浮平台正下方一定距离处，安装有一个能够调整方向的气管。
[0012]基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测方法，借助于前述装置实现，并包括下列步骤:
[0013]在计算机上进行:
[0014](I)图像预处理:对相机采集到的图像进行预处理，过滤掉会带来误差的噪声点等，并对图像进行增强；
[0015](2)边缘提取:得到乒乓球轮廓边缘的坐标点；
[0016](3)直径计算:根据最小二乘法拟合出乒乓球的直径，然后根据标定参数，将其转换为兵兵球的实际直径，并存储；
[0017](4)圆心拟合:根据最小二乘法拟合出乒乓球的圆心坐标，并存储，多帧图像计算得到的直径求平均后，所得直径值作为乒乓球的实际直径；
[0018](5)偏心率计算:计算每帧图像中，乒乓球轮廓边缘上各个点到圆心的距离，并且求出该距离与拟合得到的乒乓球半径的差值，计算多帧图像中对应数据的标准方差，作为反映外形偏心的参数；计算多帧图像中，乒乓球圆心位置点的最小包络圆的直径。
[0019]图像预处理采用中值滤波处理图像，然后再对图像增强，使乒乓球轮廓边缘信息更加突出。
[0020]边缘提取是选用凯促(Canny)算子边缘提取、选用罗伯茨(Roberts)边缘提取、索贝尔(Sobel)边缘提取方法中的一种，每帧图像经过处理后，都能够得到一个存储有乒乓球轮廓边缘坐标点数据的文档。
[0021]还包括将计算得到的乒乓球直径和偏心显示在计算机屏幕上的步骤，以及，将乒乓球直径和偏心数据传输到其它装置的步骤。
[0022]本发明的技术特点及效果:
[0023]采用机器视觉技术，单帧图像就能够得到乒乓球上大量的轮廓边缘信息，多帧图像综合处理后的数据，能够更为科学的反应乒乓球的直径和偏心。
[0024]采用机器视觉技术，能够实现非接触式测量，解决了国标中传统检测方法不能满足在线测量的问题，使得本发明能够应用在乒乓球生产线上的快速在线测量和质量评估。
[0025]利用计算机处理数据，速度快，准确度高，节省了大量人力物力，并能够实现检测的自动化。
[0026]采用气浮平台稳定乒乓球，避免了接触式夹具造成的弹性形变带来了的误差。
【专利附图】
【附图说明】[0027]图1是本发明的结构示意图。
[0028]图2、3是气浮平台的一种实施例。
[0029]图中:1为相机，2为气浮平台，3为背景板，4为相机支架，5为底座，6为示例乒乓球，7为对称分布的气孔，8为气浮平台的一种实施例，9为气浮平台的底部气孔。
【具体实施方式】
[0030]本发明是一种基于机器视觉和气浮平台的乒乓球直径和偏心检测方法和系统，其特征在于，包括以下步骤:
[0031](I)采用连续图像测量手段。
[0032](2)利用气浮装置，使乒乓球在悬浮状态中被测量；
[0033](3)对相机进行标定，利用高速相机采集乒乓球的图像，并将图像传输到计算机进行处理
[0034](4);计算机处理程序包括以下模块:图像预处理模块、边缘提取模块、直径计算模块、圆心拟合模块、偏心计算模块；
[0035](5)处理结果将以窗口形式显示在屏幕上或者传输到其他设备中。
[0036]所述的气浮装置的作用是承载乒乓球，使其保持在一个与相机距离固定的位置上，其他能够实现该功能的装置也能用于此检测方法。
[0037]所述的气浮平台，上部和中部有对称分布的气孔或者气管，能够使乒乓球处于悬浮稳定状态。这里所述的气孔或者气管，其特征在于，包含能够对称排出空气的各种外形的装置。底部的气孔能够调整方向，以便调整乒乓球的姿态或者运行方式。
[0038]所述的高速相机曝光时间很短或者具有很高的帧率，满足采样定理，能够清楚的拍摄到乒乓球。同时系统运行时高速相机按设计要求连续采集和储存图像。
[0039]所述的图像预处理模块能够过滤掉图像中的噪声点等；所述的边缘提取模块能够精确的提取出图像中乒乓球的轮廓边缘，并生成含有轮廓边缘上各个点坐标的文档；所述的直径计算模块和圆心拟合模块利用最小二乘法或者其他算法，对轮廓边缘上点的坐标进行处理，获得圆的直径和圆心坐标；所述的偏心计算模块，能够根据圆心和轮廓边缘坐标计算偏心。
[0040]所述的偏心计算模块，其特征在于，主要包括两种处理方法:(1)计算每帧图像中，乒乓球轮廓边缘上各个点到圆心的距离，并且求出该距离与拟合得到的乒乓球半径的差值，该数值的变化情况反映了乒乓球直径截面上的形貌变化，即乒乓球表面的凹凸变化。计算N帧图像中对应数据的标准方差，作为反映外形偏心的参数。(2)当乒乓球质心与形心不重合时，乒乓球会发生震动，因此每帧中乒乓球的位置会发生一些变化，拟合出来的圆心位置也不同。计算N帧图像中，乒乓球圆心位置点的最小包络圆的直径，该直径反应了乒乓球质心偏心的大小，即质心偏心越大，包络圆直径也越大。
[0041]程序处理的结果将显示在设计的窗口中，同时该系统具有通讯功能，能够将数据传输给其他设备。
[0042]下面结合附图和【具体实施方式】进一步详细说明本发明。参照附图1，结合实施例说明一种基于机器视觉和气浮平台的乒乓球直径和偏心率检测方法的具体运行:
[0043]所述的相机标定，目的是为了能够将图像信息还原为乒乓球的实际尺寸信息。[0044]图2和图3所示为气浮平台的一种典型形式，图中8为环型管道，环型的直径小于乒乓球直径，在管道的对称位置上开有直径相同的气孔，气孔方向指向圆环法线并偏向上方，气孔的倾斜角度都是相同的，故喷射出来的气体能够使乒乓球在中心位置附近保持悬浮状态，并达到平衡。环型管道由供气装置提供稳定且符合设计要求的气流。在气浮平台正下方一定距离处，安装有一个能够调整方向的气管，如图3中的9所示。
[0045]安装好平台后，开通气路开关通气，经过气路的降压和稳压过程后，输出符合压力和流速要求的稳定气流。
[0046]将平台底部的气孔方向调整为竖直向上，将乒乓球放在平台上，待其稳定后，在乒乓球的最高点处做一个标记，然后轻轻将乒乓球拨动到一个位置，与原位置大概夹角为90度到120度，然后放开乒乓球，如果乒乓球迅速回归到原位，并且以原来位置为中心进行摆动，那么乒乓球具有较大的偏心率，如果乒乓球旋转速度缓慢甚至停留在新的位置上，那么乒乓球的偏心率很小。
[0047]调整气浮平台底部的中心孔的方向，使其与竖直方向成一个小夹角，吹动乒乓球开始转动，待乒乓球运动状态稳定后，高速相机开始采集图像，并将图像传递到计算机进行存储，采集完N帧图像后，停止采集，该乒乓球的采集工作完成。
[0048]计算机存储好图像后，开始运行软件进行处理。程序分以下几个模块依次运行:
[0049](I)图像预处理模块。相机采集到的图像一般不能够直接用于数据计算，应该先对其进行预处理，过滤掉会带来误差的噪声点等，并对图像进行增强。本发明中采用典型的中值滤波处理图像，然后再对图像增强，使乒乓球轮廓边缘信息更加突出。
[0050](2)边缘提取模块。为了计算乒乓球的尺寸，需要得到乒乓球轮廓边缘的坐标点，即需要进行边缘提取。图像边缘提取的方法有很多种，这里选用精度较高的凯促(Canny)算子边缘提取，每帧图像经过处理后，都能够得到一个存储有乒乓球轮廓边缘坐标点数据的文档。
[0051](3)直径计算模块。该模块能够对存储有图像信息的文档进行自动处理，根据最小二乘法拟合出乒乓球的直径，然后根据标定参数，将其转换为乒乓球的实际直径，并存储。
[0052](4)圆心拟合模块。该模块能够对存储有图像信息的文档进行自动处理，根据最小二乘法拟合出乒乓球的圆心坐标，并存储，N帧图像计算得到的直径求平均后，所得直径值作为乒乓球的实际直径。计算精度能够达到0.01mm，如果采用亚像素细分技术进一步处理图像，计算精度能够达到0.002mm。
[0053](5)偏心率计算模块。计算每帧图像中，乒乓球轮廓边缘上各个点到圆心的距离，并且求出该距离与拟合得到的乒乓球半径的差值，该数值的变化情况反映了乒乓球直径截面上的形貌变化，即乒乓球表面的凹凸变化。计算N帧图像中对应数据的标准方差，作为反映外形偏心的参数。当乒乓球质心与形心不重合时，乒乓球会发生震动，因此每帧中乒乓球的位置会发生一些变化，通过拟合出来的圆心位置也不同。计算N帧图像中，乒乓球圆心位置点的最小包络圆的直径，该直径反应了乒乓球质心偏心的大小，即质心偏心越大，包络圆直径也越大。根据这两个参数，能够较全面的反应乒乓球的偏心情况。
[0054](6)显示和数据通信模块。计算得到的乒乓球直径和偏心将显示在程序窗口中，并可以传递给其他设备。
【权利要求】
1.一种基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置，其特征是，包括:相机、气浮平 台、计算机； 气浮平台，用于使乒乓球在悬浮状态中被测量； 相机，用于清楚的拍摄到乒乓球，并连续采集和储存乒乓球图像； 计算机，用于处理相机拍摄到的乒乓球图像，并计算出乒乓球直径和偏心。
2.如权利要求1所述的基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测装置，其特征是，气浮平台具体结构为:包括一个或多个环形管道，或者成环形对称排列的气管，环型的直径小于乒乓球直径，在环型管道的对称位置上开有直径相同的气孔，气孔方向指向圆环法线并偏向上方，气孔的倾斜角度都是相同的，故喷射出来的气体能够使乒乓球在中心位置附近保持悬浮状态，并达到平衡，环型管道由供气装置提供稳定且符合要求的气流，使乒乓球悬浮起来，在气浮平台正下方一定距离处，安装有一个能够调整方向的气管。
3.一种基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测方法，其特征是，借助于前述装置实现，并包括下列步骤: 在计算机上进行: (O图像预处理:对相机采集到的图像进行预处理，过滤掉会带来误差的噪声点等，并对图像进行增强； (2)边缘提取:得到兵兵球轮廓边缘的坐标点； (3)直径计算:根据最小二乘法拟合出乒乓球的直径，然后根据标定参数，将其转换为乒乓球的实际直径，并存储； (4)圆心拟合:根据最小二乘法拟合出乒乓球的圆心坐标，并存储，多帧图像计算得到的直径求平均后，所得直径值作为乒乓球的实际直径； (5)偏心率计算:计算每帧图像中，乒乓球轮廓边缘上各个点到圆心的距离，并且求出该距离与拟合得到的乒乓球半径的差值，计算多帧图像中对应数据的标准方差，作为反映外形偏心的参数；计算多帧图像中，乒乓球圆心位置点的最小包络圆的直径。
4.如权利要求3所述的基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测方法，其特征是，图像预处理采用中值滤波处理图像，然后再对图像增强，使乒乓球轮廓边缘信息更加突出。
5.如权利要求3所述的基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测方法，其特征是，边缘提取是选用凯促(Canny)算子边缘提取、选用罗伯茨(Roberts)边缘提取、索贝尔(Sobel)边缘提取方法中的一种，每帧图像经过处理后，都能够得到一个存储有乒乓球轮廓边缘坐标点数据的文档。
6.如权利要求3所述的基于机器视觉的气浮式乒乓球直径和偏心检测方法，其特征是，还包括将计算得到的乒乓球直径和偏心显示在计算机屏幕上的步骤，以及，将乒乓球直径和偏心数据传输到其它装置的步骤。
【文档编号】G01B11/08GK103615983SQ201310618796
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】裘祖荣, 刘佳琛, 吕大力, 许绍发 申请人:天津大学