基于計(jì)算機(jī)視覺的藥片實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)

，碩偉

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830021)

0 引言

隨著藥品行業(yè)的快速發(fā)展，藥品行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，而為了提高制藥生產(chǎn)效率，降低次品率，制藥企業(yè)需要將藥品檢驗(yàn)工作貫穿到整個(gè)制造過(guò)程中[1-3]?；谟?jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，其以檢測(cè)精度高、高自動(dòng)化和非接觸性等優(yōu)點(diǎn)，逐漸替代了傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和機(jī)械式檢測(cè)，計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)技術(shù)滿足了現(xiàn)代藥品生產(chǎn)過(guò)程的在線檢測(cè)的高要求[4-5]。

藥品機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，是一個(gè)利用DSP和圖像處理模塊相結(jié)合的智能計(jì)算視覺系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理和圖像顯示燈部分組成，通過(guò)計(jì)算機(jī)智能算法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而判斷出該產(chǎn)品是否為殘品，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品不合格時(shí)，便發(fā)出剔除指令，由剔除機(jī)構(gòu)將產(chǎn)品剔除[6-8]。藥片的包裝通常由塑料瓶裝、塑料袋體包裝和鋁塑泡罩包裝，其中鋁塑包裝占據(jù)了藥片包裝的大部分。在鋁塑包裝過(guò)程中，藥品包裝通常出現(xiàn)顆粒漏裝、藥品殘缺等，造成次品流入市場(chǎng)，一方面對(duì)消費(fèi)者造成安全隱患，另一方面嚴(yán)重?fù)p害了企業(yè)形象。傳統(tǒng)的藥片檢測(cè)通常靠人工進(jìn)行檢測(cè)，此檢測(cè)方式效率低下，且受到工人個(gè)人因素影響較大。為此，設(shè)計(jì)了一款基于計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的鋁塑泡罩藥片檢測(cè)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)智能視覺系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工檢測(cè)，以提高檢測(cè)效率，降低次品率。

1 計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要由光源照明單元、圖像采集單元和視覺檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)置單元組成，光源照明單元位于整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的首端，光源首先對(duì)泡罩藥品進(jìn)行照射，然后由圖像采集、存儲(chǔ)和圖像處理單元對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理。該系統(tǒng)除了視覺檢測(cè)系統(tǒng)外，還包括次品剔除機(jī)構(gòu)。在實(shí)際生產(chǎn)中鋁塑包裝通常1次進(jìn)行4板包裝，因此該系統(tǒng)包括4路輸出，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立給出4路不同信號(hào)。計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)主要包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)智能處理模塊和控制輸出4大部分。其功能是通過(guò)圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像輸送到DSP中進(jìn)行圖像處理，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算處理后，通過(guò)PLC輸出模塊輸出控制命令。

圖2 機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

a.圖像采集模塊。光學(xué)設(shè)備的選擇需要考慮目標(biāo)的透明性能、生產(chǎn)線震動(dòng)情況和背景環(huán)境變化等問題，選擇的圖像采集設(shè)備要能夠根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境的光線變化以及生產(chǎn)線速度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。光源選擇壽命長(zhǎng)、功耗低、無(wú)輻射的LED光源，CCD攝像相機(jī)選擇德國(guó)生產(chǎn)的IDS 200萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī)，選擇日本Computar工業(yè)鏡頭。

b.圖像處理模塊。圖像處理模塊是采用1個(gè)或多個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器DSP進(jìn)行高速運(yùn)算，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行去噪、邊緣化和圖像增強(qiáng)等一系列復(fù)雜處理，其主要特點(diǎn)是運(yùn)行速度快。本文選擇的是TI公司最新的DSP芯片TMS320C6201B作為數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，該系列DSP能夠達(dá)到600 MHz Clock，4 800 MIPS的處理速度。此外，該硬件能夠進(jìn)行重復(fù)編程，能夠根據(jù)檢測(cè)物體特性以及檢測(cè)目的進(jìn)行適當(dāng)編程，并能夠通過(guò)JTAG接口將程序快速下載到DSP和CPLD中，從而提高了整個(gè)計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的可修改性。

c.輸出控制模塊。輸出控制模塊控制器核心為西門子S7-200 PLC，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)讀取與顯示，并下達(dá)有關(guān)操作指令以及參數(shù)設(shè)置。如當(dāng)檢測(cè)單元發(fā)現(xiàn)不合格品后會(huì)立即出發(fā)PLC進(jìn)行計(jì)數(shù)，以便準(zhǔn)確地計(jì)算出檢測(cè)機(jī)尾端次品的位置，并發(fā)送剔除命令，從而控制剔除機(jī)構(gòu)將次品依次推入旁路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的軟件部分，由圖像采集模塊、圖像預(yù)處理模塊、圖像識(shí)別模塊和信號(hào)出處模塊3大模塊組成，各部分功能為：

a.圖像采集模塊。該模塊主要完成圖像信息的采集、顯示和存儲(chǔ)等功能。

b.圖像預(yù)處理模塊。該模塊主要完成圖像去噪、圖像分割和邊緣特征提取等功能，完成了虛擬多傳感器的功能。

c.圖像識(shí)別模塊。該模塊主要根據(jù)圖像預(yù)處理模塊處理結(jié)果，并綜合利用圖像特征值對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行分類和識(shí)別。

d.根據(jù)上述處理結(jié)構(gòu)發(fā)出響應(yīng)的剔除次品命令。

3.1 圖像分割

第i個(gè)圖像灰度發(fā)生概率滿足如下條件：

(1)

通過(guò)計(jì)算可獲取閾值T，并將圖像劃分為2個(gè)部分：目標(biāo)區(qū)域A和背景區(qū)域B。根據(jù)上述最大熵閾值定義，如果圖像灰度小于T，那么該區(qū)域?qū)儆谀繕?biāo)區(qū)域A；如果圖像灰度大于T，那么該區(qū)域?qū)儆诒尘皡^(qū)域B。用PA，PB表示不同區(qū)域概率，即

(2)

(3)

目標(biāo)區(qū)域的熵值可用H(A)描述，由式(1)～式(3)可得：

(4)

(5)

定義H(A)與H(B)之和為φ(T)，那么由式(4)和式(5)可得：

φ(T)=H(A)+H(B)=

lg[PA(1-PA)]+HA/HB+(HL-HA)/(1-PA)

(6)

當(dāng)函數(shù)φ(T)達(dá)到最大時(shí)，即為最大熵閾值。

3.2 圖像特征提取

藥品圖像經(jīng)處理后，進(jìn)行目標(biāo)特征提取，通過(guò)模板匹配可判斷藥品完整性。其中目標(biāo)特征主要包括面積、周長(zhǎng)和圓形度。面積表示藥品大小，可描述為：

(7)

Na為全部像素點(diǎn)；Nb為邊緣像素點(diǎn)。

周長(zhǎng)則表示藥片邊緣的總長(zhǎng)度。在計(jì)算過(guò)程中，不平整地方會(huì)被當(dāng)成彎曲路線處理，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果比實(shí)際周長(zhǎng)要大。為解決此問題，可忽略不平整區(qū)域僅考慮平滑曲線，在周長(zhǎng)計(jì)算中，用像素點(diǎn)代替實(shí)際邊緣。那么周長(zhǎng)M可表示為：

(8)

Ne為偶數(shù)鏈碼個(gè)數(shù)；N0為奇數(shù)鏈碼個(gè)數(shù)。

圓形度可用于檢測(cè)藥品邊界，當(dāng)藥品形狀比較規(guī)則且為圓形時(shí)，圓形度數(shù)值最小。圓形度C可表示為：

(9)

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文所述檢測(cè)方法及系統(tǒng)的可行性和有效性，對(duì)計(jì)算機(jī)視覺的藥片檢測(cè)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表1可以看出，該計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確率能夠達(dá)到99%以上，完全能夠滿足制藥企業(yè)中快速生產(chǎn)線需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了圖像采集和圖像處理等模塊的硬件構(gòu)成。在硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，并提出了藥片圖像分割和圖像特征提取的新算法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證該方法的有效性和可行性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法檢測(cè)準(zhǔn)確率高，大大降低了藥片次品流入市場(chǎng)的概率。該系統(tǒng)對(duì)于提高藥片包裝自動(dòng)化檢測(cè)程度具有重要意義。

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