专利名称：基于机器视觉的宝石三维切工检测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种宝石切工检测领域，具体涉及一种机器视觉方法进行宝石 三维切工检测的方法及其装置。
技术背景在宝石的鉴定中切工等级直接影响该宝石商业价值，切工测量很重要，但 同时难度也很大。宝石切工检测系统需要对切磨石的几何尺寸、角度和比例准 确测定，并对其切工品质做出评价。目前存在的宝石测量系统主要有两类一 类用比例尺对宝石的投影图像进行人工测定，计算测量的效率较低、实用性差， 而且整个过程繁琐，耗时长， 一般需要几十分钟甚至数小时才能完成，并且结 果严重依赖检测者的经验，很难达到检测的精确度。另一类系统将宝石置于高 精度二维移动平台上，使用显微镜放大宝石，调节二维平台使宝石的尖角处于 显微镜的十字丝处，通过平台上的位置传感器记录宝石的各个尖角的二维坐 标，然后使用信号处理装置计算各个尖角之间的角度和距离进而确定宝石的参 数。该方法同样存在效率低的缺点，同时由于仅仅记录宝石尖角坐标，该系统 并不能真实反映宝石各个面的三维信息。发明内容本发明为了解决现有技术中计算测量的工序繁杂、效率较低、实用性差的 缺点，而提出了一种基于机器视觉的宝石三维切工检测装置及其方法。本发明的装置包括图像采集系统1、转动平台设备2和处理系统3，所述 图像采集系统1由采集装置1-1、图像采集卡1-2和照明装置1-3组成，采集 装置1-1的信号输出端连接图像采集卡1-2的信号输入端，图像采集卡1-2的 信号输出端连接处理系统3的信号输入端，所述采集装置l-l、待测宝石A和 照明装置1-3依次设置在同一条轴线上，所述转动平台设备2由平台机体2-l、 驱动电机2-2和设备控制卡2-3组成，所述处理系统3的信号输出端连接设备 控制卡2-3的信号输入端，设备控制卡2-3的第一控制端连接驱动电机2-2的 受控端，驱动电机2-2的传动输出端连接平台机体2-l上，所述装置中至少有 一个图像采集系统l。本发明检测方法的步骤如下步骤一启动系统将待测宝石A放置在转动平台设备2上，处理系统3 发出控制指令，启动图像采集系统1和转动平台设备2，通过设备控制卡2-3控制驱动电机2-2以指定速率驱动平台机体2-1进行高精度旋转；步骤二采集图像通过采集装置l-l在指定时间间隔采集当前角度的宝 石图像，采集的图像由图像采集卡l-2转化为多帧数字图像传入处理系统3中；步骤三图像预处理及分析将采集的多帧数字图像中的每帧数字图像及 对应角度参数经过处理系统3中进行预处理，之后将处理后多帧数字图像进行 每一层面的图像分析；步骤四判断采集是否完毕判断平台机体2-l是否旋转一周；是，图像 采集过程完成，进入步骤五；否，返回步骤二继续采集图像；步骤五三维图像计算与检测通过三维检测算法得到待测宝石A的三 维表面和形状参数；步骤六对比待测宝石A的三维表面和形状参数与保存在处理系统3 中标准数据库中的宝石标准类型的参数相比较，进一步计算得到待测宝石A 形状及切工参数；歩骤七得到类型及切工参数得到最终待测宝石A的类型及切工参数 结果。本发明的特点在于(1) 宝石切工的整个检测过程完全自动化，无需人工干预。系统检测时间 短，每颗宝石检测时间仅在10秒左右；测量方便，仅需将宝石随意置于旋转 平台上，无需手工校准位置，因而可方便的进行宝石批量检测。(2) 直接计算宝石的三维切工和形状参数，并以三维方式直观的显示检测 结果，用户查看方便。同画面、三维显示检测宝石与标准宝石，用户可直观的 进行宝石整体和任意局部刻面的切工和参数对比。(3) 系统基于机器视觉原理，使用商业化的摄像机、控制卡、辅助光源等 元件设备，相对同类系统，无需专门测量器具，因而使用便捷，性价比高。(4) 可以检测其它任意类型的小型多面体形工件。 (5)具有保存、查询，以及报表的生成与打印的功能，从而提供日后调出 使用和查询。
图1是本发明装置的结构示意图；图2是发明方法的流程图；图3是发明 方法步骤三的流程图；图4是发明方法步骤五的流程图。
具体实施方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式的装置由图像采 集系统1、转动平台设备2和处理系统3组成，所述图像采集系统1由采集装 置1-1、图像采集卡1-2和照明装置1-3组成，采集装置1-1的信号输出端连接 图像采集卡1-2的信号输入端，图像采集卡1-2的信号输出端连接处理系统3 的信号输入端，所述采集装置l-l、待测宝石A和照明装置l-3依次设置在同 一条轴线上，所述转动平台设备2由平台机体2-l、驱动电机2-2和设备控制 卡2-3组成，所述处理系统3的信号输出端连接设备控制卡2-3的信号输入端， 设备控制卡2-3的第一控制端连接驱动电机2-2的受控端，驱动电机2-2的传 动输出端连接平台机体2-l上，所述装置中至少有一个图像采集系统1。
具体实施方式
二结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于采集装置1-1由镜头1-1-1和摄像机1-1-2组成，摄像机1-1-2的 成像平面设置在镜头1-1-1的焦平面上，摄像机1-1-2为SONY 1/3" 600线高 清晰摄像机。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。通过镜头1-1-1将 信息汇聚到摄像机1-1-2上，使采集到的图像信息更加精确。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于照明装置1-3由辅助光源1-3-1和菲涅尔透镜1-3-2组成，辅助 光源1-3-1设置在菲涅尔透镜1-3-2的焦点上。其它组成和连接方式与具体实 施方式一相同。在图像采集过程中，通过菲涅尔透镜1-3-2将辅助光源1-3-1 提供的宝石检测背光变成平行光。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
三不同点在于设备控制卡2-3的第二控制端连接辅助光源1-3-1的受控端,达到 自动控制的目的。其它组成和连接方式与具体实施方式
三相同。
具体实施方式
五结合图1说明本实施方式，本实施方式与
具体实施例方式
一不同点在于转动平台设备2增加了气泵2-4，气泵2-4设置在平台机体2-1 上，设备控制卡2-3的第三控制端连接气泵2-4的受控端，通过气泵2-4的气 体抽流的功能，在平台机体2-l与待测宝石A的冠面之间产生负压，保持旋转 过程中待测宝石A与平台机体2-1相对固定。其它组成和连接方式与具体实施 方式一相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于增加了显示装置4，处理系统3的输出端连接显示装置4的输入 端。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七结合图2说明本实施方式，本实施方式的方法步骤如下步骤一启动系统将待测宝石A放置在转动平台设备2上，处理系统3发出控制指令，启动图像采集系统1和转动平台设备2，通过设备控制卡2-3 控制驱动电机2-2以指定速率驱动平台机体2-1进行高精度旋转；步骤二采集图像通过采集装置l-l在指定时间间隔采集当前角度的宝 石图像，采集的图像由图像采集卡l-2转化为多帧数字图像传入处理系统3中；步骤三图像预处理及分析将采集的多帧数字图像中的每帧数字图像及 对应角度参数经过处理系统3中进行预处理，之后将处理后多帧数字图像进行 每一层面的图像分析；步骤四判断采集是否完毕判断平台机体2-l是否旋转一周；是，图像 采集过程完成，进入步骤五；否，返回步骤二继续采集图像；步骤五三维图像计算与检测通过三维检测算法得到待测宝石A的三 维表面和形状参数；步骤六对比待测宝石A的三维表面和形状参数与保存在处理系统3 中标准数据库中的宝石标准类型的参数相比较，进一步计算得到待测宝石A 形状及切工参数；步骤七得到类型及切工参数得到最终待测宝石A的类型及切工参数 结果。
具体实施方式
八结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
七不同点在于步骤三图像预处理及分析，图像预处理及分析的步骤如下步 骤A:进行图像预处理通过去除噪声、阈值化和图像分割将不同角度的每帧
数字图像进行处理；步骤B:宝石轮廓直线拟合从处理后每帧数字图像中提 取出宝石轮廓，使用Douglas-Peucker算法进行直线拟合；步骤C:分割各层面将拟合后的轮廓直线案序编号，然后分组分层。其它步骤与具体实施方式
七相同。
具体实施方式
九结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
七不同点在于步骤五:三维图像计算与检测，三维图像计算与检测的步骤如下: 步骤a:匹配各层面轮廓将多帧数字图像各层面上相同的轮廓拟合直线进行 对应；步骤b:数据滤波及分割各空间平面将对应的轮廓拟合直线进行极大 极小值的数据滤波判断，从而判断出空间平面之间的交线，通过交线组合成各 个空间平面；步骤C:计算宝石基准中心及各空间平面几何尺寸；步骤d:计 算各空间平面参数，步骤e:结果优化删除过小空间平面，修正衔接平面， 从而得到待测宝石A的三维表面和形状参数。其它步骤与具体实施方式
七相 同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
七不同点在于步骤七中的待 测宝石A的三维形状和切工参数与标准宝石的三维形状和切工参数显示在显 示装置4上，达到三维形状进行旋转和局部放大，方便查看和对比作用。以及 通过处理系统3以报表形式输出和存储所有数据，供日后调出使用和査询。其 它步骤与具体实施方式
七相同。
权利要求
1、 基于机器视觉的宝石三维切工检测装置，它包括图像采集系统(l)、转动平台设备(2)和处理系统(3)，其特征在于所述图像采集系统(l)由采集装置 (1-1)、图像采集卡(l-2)和照明装置(l-3)组成，采集装置(l-l)的信号输出端连接 图像采集卡(l-2)的信号输入端，图像采集卡(l-2)的信号输出端连接处理系统(3) 的信号输入端，所述采集装置(l-l)、待测宝石(A)和照明装置(l-3)依次设置在 同一条轴线上，所述转动平台设备(2)由平台机体(2-l)、驱动电机(2-2)和设备 控制卡(2-3)组成，所述处理系统(3)的信号输出端连接设备控制卡(2-3)的信号 输入端，设备控制卡(2-3)的第一控制端连接驱动电机(2-2)的受控端，驱动电机 (2-2)的传动输出端连接平台机体(2-l)上，所述装置中至少有一个图像采集系统 (1)。
2、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测装置，其特 征在于采集装置(l-l)由镜头(l-l-l)和摄像机(l-l-2)组成，摄像机(l-l-2)的成像 平面设置在镜头(l-l-l)的焦平面上。
3、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测装置，其特 征在于照明装置(l-3)由辅助光源(l-3-l)和菲涅尔透镜(l-3-2)组成，辅助光源 (l-3-l)设置在菲涅尔透镜(l-3-2)的焦点上。
4、 根据权利要求3所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测装置，其特 征在于设备控制卡(2-3)的第二控制端连接辅助光源(l-3-l)的受控端。
5、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测装置，其特 征在于转动平台设备(2)增加了气泵(2-4)，气泵(2-4)设置在平台机体(2-l)上， 设备控制卡(2-3)的第三控制端连接气泵(2-4)的受控端。
6、 根据权利要求1所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测装置，其特 征在于还包括显示装置(4)，处理系统(3)的输出端连接显示装置(4)的输入端。
7、 基于机器视觉的宝石三维切工检测方法，其特征在于它步骤如下 步骤一启动系统将待测宝石(A)放置在转动平台设备(2)上，处理系统(3)发出控制指令，启动图像采集系统(1)和转动平台设备(2)，通过设备控制卡 (2-3)控制驱动电机(2-2)以指定速率驱动平台机体(2-l)进行高精度旋转；步骤二.'采集图像通过采集装置(l-l)在指定时间间隔采集当前角度的宝 石图像，采集的图像由图像采集卡(l-2)转化为多帧数字图像传入处理系统(3) 中；步骤三图像预处理及分析将采集的多帧数字图像中的每帧数字图像及对应角度参数经过处理系统(3)中进行预处理，之后将处理后多帧数字图像进 行每一层面的图像分析；步骤四判断采集是否完毕判断平台机体(2-l)是否旋转一周；是，图像 采集过程完成，进入步骤五；否，返回步骤二继续采集图像；步骤五三维图像计算与检测通过三维检测算法得到待测宝石(A)的三 维表面和形状参数；步骤六对比待测宝石(A)的三维表面和形状参数与保存在处理系统(3) 中标准数据库中的宝石标准类型的参数相比较，进一步计算得到待测宝石(A) 形状及切工参数；步骤七得到类型及切工参数得到最终待测宝石(A)的类型及切工参数 结果。
8、 根据权利要求7所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测方法，其特征在于步骤三图像预处理及分析，图像预处理及分析的步骤如下步骤A: 进行图像预处理通过去除噪声、阈值化和图像分割将不同角度的每帧数字图 像进行处理；步骤B:宝石轮廓直线拟合从处理后每帧数字图像中提取出宝 石轮廓，使用Douglas-Peucker算法进行直线拟合；步骤C:分割各层面将拟合后的轮廓直线案序编号，然后分组分层。
9、 根据权利要求7所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测方法，其特征在于步骤五三维图像计算与检测，三维图像计算与检测的步骤如下步骤 a:匹配各层面轮廓将多帧数字图像各层面上相同的轮廓拟合直线进行对应; 步骤b:数据滤波及分割各空间平面将对应的轮廓拟合直线进行极大极小值 的数据滤波判断，从而判断出空间平面之间的交线，通过交线组合成各个空间 平面；步骤C:计算宝石基准中心及各空间平面几何尺寸；步骤d:计算各空 伺平面参数，步骤e:结果优化删除过小空间平面，修正衔接平面，从而得 到待测宝石(A)的三维表面和形状参数。
10、 根据权利要求7所述的基于机器视觉的宝石三维切工检测方法，其特 征在于步骤七中的待测宝石(A)的三维形状和切工参数与标准宝石的三维形状 和切工参数显示在显示装置(4)上，以及通过处理系统(3)以报表形式输出和存 储所有数据。
全文摘要
基于机器视觉的宝石三维切工检测装置及其方法，它涉及宝石切工检测领域，本发明为解决现有技术中工序繁杂、效率较低、实用性差、设备成本高的缺点。本发明的装置由采集装置信号输出端连图像采集卡信号输入端，图像采集卡信号输出端连处理系统信号输入端，采集装置、照明装置和待测宝石放在同一直线上，处理系统信号输出端连设备控制卡信号输入端，设备控制卡的第一控制端连驱动电机受控端，驱动电机传动输出端连平台机体上。方法步骤如下1.启动系统；2.采集图像；3.图像预处理及分析；4.判断采集完毕；5.三维图像计算与检测；6.对比；7.类型及切工参数。本发明具有完全自动化、检测时间短、直接得出参数、成本低廉的优点。
文档编号G01B11/00GK101144704SQ20071007277
公开日2008年3月19日 申请日期2007年9月6日 优先权日2007年9月6日
发明者屈桢深 申请人:许 焱;邵诚训;叶成淳;许 卉