石材大板图像采集系统

2015年度“石材行业技术革新奖”二等奖获奖项目：石材大板图像采集系统由泉州中轻石材公司为主研发的“石材大板图像采集系统”获得了2015年度二等奖。本项目名称由“石材大板”、“图像采集”、“系统”这三个词组成，准确概括了本项目的内容。图像采集是核心内容。其实说白了，采集图像就是拍个照片，为啥还咬文嚼字的称之为“图像采集”呢？石材生产厂家常干的一件事就是用数码相机拍下石材图像，把照片拿给设计师，发给采购商，或者拍得好一点，制版印刷做产品目录，做展板展示优势品种，不一而足。客户对石材的照片有两个基本要求，第一要真实；第二要全貌。第一点要求很好理解，不能看不到细节，不能灰底的拍成米黄的，就是说清晰度要好，色彩还原要好，要真实表现石材本来面目；第二点要求是因为很多石材品种纹理、色彩富于变化，存在天然瑕疵，仅从一块小样板不能看到大板全貌，甚至会留下完全不同的印象。而在石材生产过程中，大板产品都是重叠成“扎”存放的，要想拍摄大板照片就要动用起重设备和人力，逐张大板选出拍照，是很费时费力的事。这么麻烦的事情，如果在生产线上同步完成，无疑是最合理的了。涉及到板材产品的石材生产一般有二个阶段，1，矿山开采荒料2，工厂将荒料加工成各种产品。在第2个阶段中，又可分为一次加工和二次加工。将荒料加工成毛光板（也就是磨抛后的大板）属于一次加工范畴；将毛光大板加工成规格板并辅以异型加工则属于二次加工范畴。有些石材企业仅作一个阶段，比如开矿，比如开工厂；开工厂的企业有一次二次加工都做的，也有只作一个环节的。一次加工的企业生产的石材大板的品质、表面质量和规格尺寸，直接影响二次加工企业生产的产品质量和产出率，也就是效益。设计师也越来越重视石材大板的品质和视觉效果，而不是仅凭一件小样就下决断。这么重要的事情，如果在大板生产线上同步完成，无疑是最需要的。以前，无良厂商以次充好卖夹芯板，大板经销商买到夹芯板，都是因为现场看板也不可能每一片板都拆架一张张看。如果通过采集大板图像作为产品身份证明就能在很大程度上杜绝。电子商务的发展，互联网的迅速普及和提速，为交换石材大板产品信息提供了空前的方便，足不出户坐在电脑前，身在旅途拿起手机，都可以查询石材大板生产厂、大板商的产品图像，便捷、可靠的电子商务模式对于规范、促进石材行业发展将起到越来越重要的作用。二次加工企业还可以利用石材大板图像结合几何尺寸进行排版优化，从而满足客户对于板面分配、色差控制的要求，并可以从生产规划阶段控制出材率和预知版面效果，做到质量、效益可控，避免了将如此重大的控制项目几乎全都交给水平参差不齐忙于计件挣钱的操作工处理。这么关键的事情，如果在大板生产线上同步完成，无疑是最必须做的。合理、需要、必须，构成了大板图像采集项目的研发基础。回过头来，图像采集是不是就是拍张照片这么简单呢？我们将话题聚焦到“石材大板”这个词上。搞过摄影的，拍过石材照片的，都知道高反光物体摄影难度很大，抛光后的石材就是高反光物体。不锈钢、珠宝玉器等等这些高反光物体，拍摄时布光是个绝活，在摄影师手上这些物体表现得晶莹剔透、如梦如幻，这是由于侧光背光的运用使物体立体感增强，局部高光表现出晶莹质感；还有一个特点，这些都是小件物品。而石材大板是一个大平面，要求每个局部表现出石材本色，首先光照要求均匀，角度一致。其次相机、灯光不能在视野内成像，就是说板面图像不能出现光斑和相机自身的影像。也不能采用局部高光的表现手法，那样做会影响局部色彩及明暗，不能正确表现石材大板的原貌。一次加工工厂的现场一般光环境很恶劣，门窗、屋顶采光板、设备遮挡、人员走动都会对光场强度和均匀性造成影响，就会影像成像质量。所以，给石材大板拍照是个有学问的活。单张或数张石材大板拍照一般采取这样几种方法：1，放在阳光照射得到的地方，以上午10点到下午2点的晴朗天气为宜；2，在黄昏前的室内，无强光直射的空旷环境下，以闪光灯为主光源，加适当测光，以强闪光压制弱环境光；3，封闭的摄影棚内，以闪光灯作为主光源，最大限度排除环境光。当然，也可以就在现场，以相机自动曝光拍照。3种拍照方法中，以第1种效果最好，在这里光源的质量起到了很大的作用。既然在线石材大板图像采集这么有用，就一定有人用各种方法进行尝试。最容易想到的也最容易做的，是将相机置于大板生产线上方，通过遥控或通过专用软件实现拍照。比如笔者就曾用奥林帕斯相机，具有放大功能的USB数据线，笔记本电脑和奥林帕斯专用的软件，在生产线在线拍照单项工程所用的石材大板，经处理后用于排版追纹。用网络高清安监摄像头，配合无畸变镜头，在工厂千兆局域网环境下实现实时大板图像采集，也一直在用。一定还有厂家在用不同的方式解决这个问题，比如当下板车台面抬起时进行拍照，等等。这些办法简单易行，成本低，门槛低，容易实现。但是存在一个很难克服的弊端，就是环境对于成像质量的影响。因此有人尝试在拍照工位进行遮挡以期解决环境光干扰的问题。比如福建溪石的生产线现在还有一个封闭尖塔没拆除，估计就是当年做拍照进行的尝试。此装置的缺点后面再讲。将拍照现场环境封闭，是一个必然的想法，但是有2点：1，如何封闭；2，环境是否允许封闭。尖塔式封闭是不科学的，这一点从几何光学的原理很容易看出来。图（1）是说明反射定律的简图。左边的入射光经底部的物体反射，形成右边的出射光。中间的垂直线是反射物体表面的法线，反射光与法线的夹角等于入射光与法线的夹角。再看图（2）左右外侧的斜线代表各自一边的入射光，两边的垂直线为物体边缘处的表面的法线。反射光依照反射定律到达相机。在两个代表入射光的射线之间的区域的物体，都会被相机看到，即使在相机平面以上很高的地方，比如车间屋面的阳光板透过来的强光。如果不想让相机看到，比如光源，就要安排在代表入射光线的最外面的2条射线之外。这也就说明了尖塔形遮罩是不科学的。那么，有没有解决的办法，获得二等奖的本项目又是如何解决的呢？深入分析之前，必须强调一点，在此之前我们谈到的种种拍照方法，都是基于面阵相机的。图（1）图（2）什么是面阵相机，与之对应的又是什么相机呢？面阵相机：一次采集整幅图像。日常生活接触的照相机就是一种面阵相机。面阵相机最大的优点就是一次采集完毕。与面阵相机对应的是线阵相机或称为线扫描相机。线阵相机：线阵相机一次采集一排像素，通过相机（扫描器）移动或待采集物体移动，连续采集的单排像素组合成整幅图像。相比于面阵相机，使用线阵相机采集石材大板图像最大的优点就是垂直于扫描线方向的体积可以做得很小，这就可以营造一个相对封闭的环境，最大限度排除外部光源的干扰。让我们来看一下线阵相机采集图像示意图图（3）线扫描示意图很容易辨认出图中的线阵相机。被采集物体上的实线就是一次采集的物体的图像，宽度为一个像素。（对于彩色相机而言，是分色的2线或3线{红黄绿3原色}或4线[红黄绿+近红外]，由相机物理传感器决定。）图中实线两端各有一条虚线指向相机镜头，代表相机传感器通过镜头的聚焦所看到的最远端的像素点。根据几何光学原理，将光源放置在实线与虚线构成的三角形两边，就不会被相机看到，就是说就不会形成光斑。但是正对采集线的相机还是会被看到的，但是成像出来不是远镜头方机身的样子，因为每次看到的都是同一个样子。通过技术处理，就可以将相机“隐藏”，将相机包括镜头与周边衬底都做成不反光的黑色就可以了。图（3）所示采集系统的工作流程是这样的：编码器随待采集物体的线性移动发出脉冲信号，触发采集卡从而控制线扫描相机采集像素线。传感器探测到一件待采集物体采集完毕，发出信号，整幅图像采集完毕。使用线阵相机还要配备线阵专用光源。首先光源必须具有足够的的强度。这是因为线扫描相机处在高频率采集工作状态，每条像素线采集时间都非常短，远远短于正常光照下面阵相机所需的曝光时间，为保证合适的曝光量，就要增大光强。即使是目前发光效率最高的LED光源，也需要很强的发光功率，这就要求很高效率的芯片，良好的散热设计，稳定供电的电源。因此线阵光源具有较高的技术含量。不管是面阵相机还是线阵相机，都是靠光学镜头聚焦发自被摄物体的光线，投射在传感器上完成光电转换，完成图像采集的。不同处在于光电转换传感器一个是多线的，就是面阵的；一个是单线的，就是线阵的。镜头的参数就决定了相机可以与石材大板的距离，在这里我们把这个距离称为物距。使用广角镜头可以缩短物距，有利于减小采集装置的高度，不会因生产车间的其他环境因素，比如天车运行，比如屋顶高度等产生影响。但广角镜头边缘失真会影响成像质量，这是我们不能接受的。所以最好使用微距镜头，专为线阵相机设计制造的工业镜头，图像质量才有保证。本项目使用的8K线阵相机，可以每条采集线产生8192个像素点，靶面尺寸80毫米。如此大的靶面，要是用的镜头焦距不能小于60毫米。了解民用相机的读者都知道，用在全幅相机上的的镜头焦距如果是50毫米的，用在APS-C相机上等同于50X1.5=75毫米焦距。可以这样理解，传感器相对较小的情况下，成像区域没有用到镜头边缘，所以变形较小。民用135相机的镜头在设计时考虑到人像摄影的第一需要不是锐利而是美化，极端的例子是很多电脑摄像机将美化功能大力宣传。而美化实际上与保真是矛盾的，这些镜头在设计时经过了略微虚化处理。要想得到锐利保真的图像，就要选用工业镜头。60毫米焦距的镜头与80毫米靶面传感器相机的配合，如果采集2米宽度，物距超过2米。本项目采取的技术手段是设计了反射光路。反射光路在光学成像系统有很多例子，是该领域常用的手段。比如我们常用的扫描仪，百度上可以搜出一堆光路图片。但是本项目最大的特点是“大”，扫描线达到2.2米的采集设备，好像只有石材行业在用。小的扫描线长度所用的反射镜尺寸小，加工精度相对好保证。而本项目采用的反射镜最长的超过1米，具有独特性。解决了板面反光，解决了光源，解决了大尺寸采集，本项目成功采集到了高像素数的石材大板图像。以1.8米X3.0米的石材大板为例，采集图像像素数PIXS=[(8192÷2200)X1800]X[(8192÷2200)X3000]=74873526,达到7480万像素。从单幅图像的像素数比较，超过了现在民用全幅单反的最高水平。由于板面达到1.8X3.0=5.4平方米，所以如此之大的总像素数，dpi（dotperinch每英寸点数）仅为8192÷（2200÷25.4）=94.5。大多数情况下，作为一般用途，如此巨大的像素数文件体积很大，会占用很大的存储空间。所以实际应用中，是按照对半的格式，即每线4096像素存储的，dpi减少到48，总像素数减少到原来的1/4。这也是目前世界上用于石材行业图像采集的通用规格。即使减半，每幅图像仍有4196行像素，要想点对点显示整幅图像，目前还没有单一的计算机显示器能做到这一点。“石材大板”和“图像采集”都说了，该说说“系统”了。实现石材大板的图像采集，如前所述，涉及光机电一体化和计算机处理程序的结合，称为系统也不为过。本系统在采集图像的基础上，应用计算机图形图像技术，可以根据采集到的图像，识别所采集的石材大板的几何尺寸，并将大板分扎处理。这些数据连同图像一起通过网络存入数据库，也可与主流石材ERP（EnterpriseResourcePlanning企业资源计划）对接，为采集图像的后续应用奠定了基础。系统支持通过互联网，包括移动互联网，使用计算机或者移动终端访问。为石材电子商务的发展奠定了基础。在信息化与工业化两化融合的大趋势下，为石材行业跟上步伐做了成功的尝试，具有很强的示范作用，打通了一个关键瓶颈。基于以上原因，与会评审小组成员一致同意，由中轻石材担纲完成的“石材大板图像采集系统”项目，获得2015年度“石材行业技术革新奖”二等奖。任何成果都会存在一些未竟的工作，存在一些不足。本项目也不例外。首先，采集图像本身的分辨率是由硬件决定的，但不是像素数够了，清晰度就够。就如同网上叫卖的电脑摄像头，哪个都是高清，甚至是1080p，可千万不要以为就是蓝光电影的清晰度。影响清晰度的因素在于相机和光路系统，光源也能够影响。选用高品质的相机，高品质的光学器件，合适的光源，精细的调整，排除石材运动时的抖动