胶料表面用先进计算机视觉检测技术的粘性测量研究

贾瑛

摘 要：胶料作为汽车轮胎的重要组成部分，其表面粘性直接决定轮胎气密性与粘合性。传统胶料表面黏度测量过程中应用门尼粘度计、塑性计以及橡胶加工分析仪较多，此模式下的测量效率较低，不能为新产品的创新与定量化统计分析提供便利条件。针对当前测量胶料表面黏度过程中复杂、低效的相机标定流程，结合计算机视觉检测技术，对胶料表面黏度测量方式进行改进。通过优化光源并引入关注区域，可以提高测量精度并降低图像处理的复杂性;通过引入一维校准板，可以简化校准过程，有效降低硬件成本与安装难度。

关键词：计算机视觉检测;滚球法;表面黏度;胶料

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）11-0102-04

Research on Adhesive Measurement of Rubber Surface Using Advanced Computer Vision Inspection Technology

Jia Ying

（Baoji Vocational & Technical College， Baoji 721000， China）

Abstract：As an important part of the surface adhesive directly determines the air tightness and adhesion. In the process of traditional rubber surface viscosity measurement， many Menni viscometer， plastic meter and rubber processing analyzer are used. The measurement efficiency in this mode is low， which cannot provide convenient conditions for the innovation and quantitative statistical analysis of new products. Pointing at the complex and inefficient camera calibration process in the measurement of the adhesive surface viscosity. By optimizing the light source and introducing the region of attention， we can improve the measurement accuracy and reduce the complexity of the image processing. By introducing a one-dimensional calibration board， the calibration process can be simplified and effectively reduce the hardware cost and installation difficulty.

Key words：computer vision detection; rolling ball method; surface viscosity; glue

0 引言

膠料表面黏度粘接决定轮胎的气密性和安全性，因此研究胶粘剂表面黏度的测量方法具有现实意义。固有的胶料表面黏度测量需要顶着压力把两个一样的胶粘剂表面进行摩擦一段时间以后并去除压力即可，然后测量拉开胶粘剂材料所需的张力，以表征胶粘剂表面黏度。此测量方法需要的时间长，效率较低，不利于产品改进和定量分析。基于此，通过研究分析得出了一种以计算机技术为基础的滚球方法来测量胶粘剂表面的黏度。虽说此方法给测量带来了一定的效率性，但存在照相机标定过程复杂、硬件安装要求高等缺点。基于此，研究一种全新的方案，通过优化之前的方案并引入校准板来完善上述方案中的不足。这种方法用于测量站和材料表面的黏度的优点是速度更快，调试和维护更加便捷简单。

1 改进计划

1.1 黏度测量算法

首先根据系统来获取相关的数据，再根据数据找到水平胶料上的第一帧图像，并按顺序以此进行处理即可。利用图像预处理，来获取激光投影的间断位置，再利用测量算法来推算滚球的实际位置。黏度测量方法如图1所示。

进行改进后的设备结构包括计算机、背光源、CMOS、Arduino控制器等设备组成。背光源的色温为6 500 K，以创造最佳的拍摄环境，来捕捉球滚动的图像。该相机是MER-131-210U3M的高速CMOS相机，具有220帧/s的帧频和全局快门。高帧率可确保采样率满足计算要求，全局快门可保证采集图像清晰明显[1]。

1.2 光源的改进

光源布置的同时应注意两个方向：首先是光源的照射方向，可分为漫射和直射;其次，光源是根据相机以及物体的具体位置，可以分为前灯和后灯。因为被测物体是具有一定厚度的球体，所以如果使用明场漫射背光，则被测物体在相机侧面的部分将被照亮。在这样的图像中，球的边缘模糊，这样难以提取出球中心的准确位置，如图2（b）所示。而使用平行照明可以避免球在相机侧反射，并获得具有锐利边缘的球的图像，如图2（a）所示。

1.3 提取感兴趣区域

如图3所示，此图像为测试前拍摄。在进行测试的过程中，球被牢固在白色区域中，此白色区域在当中被称为关注区域。如果图像处理算法仅限于此区域，则可以有效地提高处理效率[2]。

为了提取感兴趣区域，对图3进行分析。根据行来看，感兴趣区域中的大多数像素为白色，而非感兴趣区域中的像素为黑色。根据列来看，在感兴趣的区域白色像素占有一定的比例，而所有非感兴趣区域都是黑色像素。通过遍历图像中的行和列并计算其平均灰度值，可以获得感兴趣区域顶部和底部的行以及感兴趣区域左侧和右侧的列[3]。

如图4所示，通过绘制由4条线包围的矩形来获得感兴趣区域。从图4可以看出，感兴趣区域的所占比例为20%，并将算法限制在该范围内将大大减少计算时间和处理器计算量，由此来提高效率。

2 测量算法设计

2.1 用于提取球质心的摄像头系统

在本研究中，所收集的图像不可避免地包含噪声，这直接导致灰度值将在图像中随机变化，并且可以利用平滑处理来对噪声进行有效控制。高斯滤波器的特性拥有着旋转对称性，并且通过滤波器处理，根据不同的物体所处理的结果均为一致。利用高斯滤波器进行预处理，并由式（1）给出二维高斯滤波器[4]。

式（1）中，gσ（r，c）代表高斯滤波器模板中的值;σ代表噪声方差;r和c分别代表高斯滤波器的行号与列号。球质心的计算需要首先抓住物体的边缘，对象物体的边缘像素是图像中其灰度变化的像素，边缘检测的使用可以有效地避免摄像头识别其他物品，在进行对主要信息保留的情况下，减少了无用信息的录入，提升了对球质心检测的效率。Canny检测系统错误率降低、定位高和相应最小的特点，可以排除非边缘因素并准确找到边缘。因此，通过Canny方式来进行计算，并由式（2）给出Canny滤波器卷积阵列[5-6]。

式（2）中，在x方向上使用Gr;Gy沿y方向使用。通过Canny算法检测到的球的边缘如图5（a）所示。可以调用OpenCV提供的轮廓矩函数来获得球质心的像素位置，如图5（b）所示。

2.2 相机系统的校准

要想机械来精准测量，必须对机械上的摄像头进行校准。鉴于設备中的摄像头曲度都略有差异[7]。因此必须对摄像头系统进行统一校准。由于在摄像机安装时不能保证摄像头与被测物体完全保持垂直，因此获取的图像会具有透射失真。如果不进行校正，则测量结果会有较大的偏差。在实际测量过程中，需要计算球在一个尺寸上的位移以简化校准过程，该方法使用校准板来进行统一校准。经过校定后，摄像机提取校定板图像的一维边缘，建立相应的像素槽位置和真实距离图。在计算球的位置时，可以利用映射将球的像素位置转换为实际位移。

从图6中可知，图像出现桶形失真，这反映出对于相同的行距尺寸，两端较短而中间较长的特征。从图6的真实范围线图中可以看出，尽管图像有一些透视失真，但是在校准和转换后，测量结果仍然是准确的。所提出的校准方案比原始校准方案更简单、更准确[8]。

3 结果与讨论

为了验证改进方案的实际时间消耗和测量是否准确，分别采用两种方法测量了100片胶料。在此基础上获得了两组实验数据，结果如图7所示。

3.1 实验数据处理

通过对两组实验数据进行统计分析，计算出原始方案和改进方案测得的胶粘剂黏度的最大值、最小值、范围以及标准偏差，为后续Grubbs试验奠定基础。平均值和标准偏差分别在式（3）和式（4）中示出[9]。

式（3）、（4）中：xi代表样本值;n代表样本总数;是平均值;S代表标准偏差。同时在测量过程中对两种方法的算法时间进行了计数，结果如表1所示。

3.2 Grubbs测试

为了消除异常数据，使用了Grubbs测试方法来测试收集的值。原始数据按顺序依次排列后，计算其平均值和标准偏差，然后计算统计量Ti。

最后，将Chaglubbs测试值表中的临界值Tα（α为显著性水平）与统计量Ti进行比较。如果Ti>Tα，xi则表示是一个异常值，需要删除;否则，应保留数据。计算后，分别获得两方案最大和最小统计量：

TAmin=1.739，TAmax=2.656;TBmin=1.803，TBmax=2.688。

因此，可以得出TAmin≤TA≤TAmax，TBmin≤TB≤TBmax，将α设定为0.05，T0.05，100=3.21;由此可得TAmin、TAmax、TBmin、TBmax的数值都比T0.05，100小，这说明测试计算得出的数据是有效的[10]。

4 结语

（1）通过分析研究出滚球法来进行测量胶粘剂的年代，根据球厚大的特点，改进了光源方案。在白光下色温为6 500 K的场景下依次收集图像，这增强了球的边缘清晰度，提高了球质心质量提取的准确性。

（2）通过关注区域来重新对图像处理定义，并提高了测量效率。通过控制实验，发现全新的方法，将其使用时间缩短到原来方法的6.7%。

（3）优化标定方案并引入一维校定板来降低设备调试难度。

（4）两种方案的Grubbs测量结果全部真实有效，并且准确性和平均值没有显著差异。因此，该方法可以快速而准确地测量粘合剂黏度。

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