基于機(jī)器視覺(jué)的白酒瓶標(biāo)簽檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

摘要：本文設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器視覺(jué)的酒瓶標(biāo)簽檢測(cè)系統(tǒng)。研究了硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，對(duì)標(biāo)簽貼偏檢測(cè)和外觀檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)合圖像處理技術(shù)與深度學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽褶皺、劃痕、擦傷、缺失等缺陷的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能精確計(jì)算標(biāo)記缺陷各項(xiàng)特征類型，實(shí)現(xiàn)了酒瓶標(biāo)簽生產(chǎn)流水線的自動(dòng)缺陷檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：酒瓶標(biāo)簽;機(jī)器視覺(jué);缺陷檢測(cè)

在酒瓶生產(chǎn)過(guò)程中，大多數(shù)自動(dòng)化流水線上仍然由工人進(jìn)行標(biāo)簽質(zhì)量檢測(cè)，不僅增加了用人成本和管理成本，而且隨著工作連續(xù)性的進(jìn)行，工人會(huì)產(chǎn)生疲勞檢測(cè)，導(dǎo)致漏檢、錯(cuò)檢等情況。隨著近些年來(lái)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的包裝行業(yè)選擇將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用于流水生產(chǎn)線上。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度高以及可以在人類所不能適應(yīng)的惡劣環(huán)境下工作等一系列的特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的酒瓶標(biāo)簽缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，形成了一套從上料、檢測(cè)到剔料的完整標(biāo)簽檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽生產(chǎn)線的自動(dòng)缺陷檢測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的好壞直接影響采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因此需要設(shè)計(jì)合理的硬件平臺(tái)布局來(lái)提高硬件采集精確度和設(shè)備整體的穩(wěn)定性。本文平臺(tái)主要由酒瓶傳送導(dǎo)向裝置、光電觸發(fā)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)、剔除裝置等組成，系統(tǒng)整體布局如圖1。

其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)為整體系統(tǒng)核心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)、鏡頭和光源組成，用于完成酒瓶標(biāo)簽圖像信息的自動(dòng)采集。數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、處理分析系統(tǒng)、顯示屏、PLC控制、光電觸發(fā)傳感器和剔除裝置等。

酒瓶在鏈板線上運(yùn)行，運(yùn)行到設(shè)備導(dǎo)向槽中后自動(dòng)導(dǎo)向。光電傳感器用來(lái)檢測(cè)光電信號(hào)，如果有酒瓶通過(guò)，則觸發(fā)光電傳感器，PLC控制器接收到該信號(hào)，延時(shí)一定時(shí)間后，觸發(fā)工業(yè)相機(jī)采集標(biāo)簽圖像。處理分析系統(tǒng)調(diào)用識(shí)別模型對(duì)采集到的酒瓶標(biāo)簽圖像進(jìn)行識(shí)別，判斷是否存在缺陷，并把識(shí)別結(jié)果發(fā)送給PLC控制器，PLC控制器根據(jù)信號(hào)隊(duì)列和檢測(cè)結(jié)果判斷是否啟動(dòng)剔除裝置進(jìn)行剔料。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

選擇合適的工業(yè)相機(jī)、鏡頭以及光源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大，關(guān)系到采集圖像的質(zhì)量和軟件算法的處理效果。系統(tǒng)在選擇相機(jī)時(shí)主要考慮以下四個(gè)方面：顏色、分辨率、曝光方式等。對(duì)于酒瓶標(biāo)簽外觀檢測(cè)而言，標(biāo)簽為彩色，選擇彩色相機(jī)，增加顏色信息，有利于后續(xù)算法分析;標(biāo)簽高度約為70mm-lOOmm.根據(jù)檢測(cè)精度要求，選擇500w像素相機(jī)即可.系統(tǒng)用于流水線的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)拍照速度有較高要求，選用全局曝光相機(jī)可避免酒瓶運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的拖影模糊現(xiàn)象;綜合分析，選用500w像素面陣全局曝光工業(yè)相機(jī)。

鏡頭參數(shù)主要包括焦距、視場(chǎng)角、線對(duì)等，綜合酒瓶標(biāo)簽視野范圍、相機(jī)靶面尺寸等，選擇25mm焦距鏡頭來(lái)匹配上述工業(yè)相機(jī)。

酒瓶標(biāo)簽尺寸較大，且標(biāo)簽劃痕存在各種方向，須從各個(gè)方向低角度照射才能凸顯劃痕，因此選用四條高亮漫反射條光從上下左右進(jìn)行打光，這樣在保證整個(gè)待測(cè)標(biāo)簽圖像的亮度均勻的同時(shí)又能凸顯各種缺陷。

1.3數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理控制最終集成到檢測(cè)軟件系統(tǒng)中。主要由檢測(cè)流程編輯模塊，在線檢測(cè)模塊，通信模塊，日志模塊和人機(jī)交互界面等組成;

（1）流程編輯模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的編輯，關(guān)鍵識(shí)別區(qū)域的建模以及算法參數(shù)的配置等功能;

（2）在線檢測(cè)模塊集成了相機(jī)實(shí)時(shí)采集，預(yù)處理，標(biāo)簽缺陷檢測(cè)等檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)輸出;

（3）通信模塊是實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)的接收以及各種信息的傳遞，用于與PLC間的信息交換;

（4）日志模塊記錄系統(tǒng)的各類異常和操作記錄;

（5）人機(jī)交互界面提供檢測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)顯示，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢可視化，方便用戶管理操作。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

酒瓶標(biāo)簽缺陷主要有劃痕、擦傷、邊界缺失、褶皺四種缺陷。其中擦傷類缺陷通常較大，本身占標(biāo)簽區(qū)域面積的5%-1 0%，缺失和褶皺處于標(biāo)簽邊緣處，如圖2。

考慮到誤檢率、漏檢率與檢測(cè)效率等因素，本文采用深度學(xué)習(xí)缺陷檢測(cè)技術(shù)，選擇EfficientDet-B1作為檢測(cè)方法。并對(duì)EfficientDet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，修改了其主干網(wǎng)絡(luò)EfficientNet，如下：

（1）使用深度可分離擴(kuò)張卷積替換原網(wǎng)絡(luò)的第3層與第4層的深度可分離卷積（圖3中（b）與（c））。

（2）檢測(cè)層的最大尺寸為（192x128），即下采樣2次而非原EfficientDet結(jié)構(gòu)的3次。

（3）在檢測(cè)層，Bifpn結(jié)構(gòu)的疊加次數(shù)設(shè)置為2，最終得到5個(gè)尺度的檢測(cè)層。分類依然使用Focal Loss作為損失函數(shù)。而在回歸層，為了進(jìn)一步提升回歸準(zhǔn)確率，我們使用IOU Loss與DFL，其中DFL的分配間隔設(shè)置為8。我們稱修改后的新方法為MEfficientDet。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)在生產(chǎn)線上能否快速識(shí)別出標(biāo)簽缺陷類型以及在保證檢測(cè)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的前提下能否長(zhǎng)久穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試。我們共采集缺陷樣本5800余張，包含擦傷缺陷4171個(gè)，劃痕缺陷3281個(gè)，邊緣缺失缺陷1866個(gè)與褶皺缺陷873個(gè)。我們選擇4000張樣本作為訓(xùn)練樣本，剩下1800余張樣本作為測(cè)試樣本。在閩值設(shè)置為0.45的前提下，各缺陷檢測(cè)結(jié)果如圖4。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1。

從表1中，我們可以看出經(jīng)過(guò)調(diào)整的MEfficientDet網(wǎng)絡(luò)，漏檢率和誤檢率都有了較大提升。樣本平均漏檢率約為1 .6%，平均誤檢率約為2%。通過(guò)對(duì)漏檢樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)檫@些缺陷很小，有的缺陷面積只有0.5- 1mm2，如果沒(méi)有光源打光，肉眼幾乎很難看到，這種小缺陷人工檢測(cè)時(shí)也是可以忽略的。

本文使用tensorflow框架訓(xùn)練并優(yōu)化模型，利用emguTF集成導(dǎo)出的固化模型到檢測(cè)軟件中。在主頻為core-i7（8代，主頻為4.2GHz）的CPU檢測(cè)時(shí)間平均為470ms/pcs。在所有檢測(cè)項(xiàng)啟用時(shí)，每個(gè)酒瓶標(biāo)簽平均檢測(cè)時(shí)間為640ms/pcs，檢測(cè)效率基本達(dá)到100pcs/min，大于前段貼標(biāo)系統(tǒng)60 pcs/min的節(jié)拍，因此其準(zhǔn)確度和檢測(cè)速度基本滿足企業(yè)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)白酒瓶標(biāo)簽設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)的標(biāo)簽檢測(cè)系統(tǒng)。其通過(guò)對(duì)酒瓶標(biāo)簽正反面進(jìn)行拍照成像，并結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)和深度學(xué)習(xí)缺陷檢測(cè)技術(shù)對(duì)標(biāo)簽圖像進(jìn)行分析，從而判斷標(biāo)簽是否貼偏，是否存在劃傷等缺陷。與傳統(tǒng)人工檢測(cè)方法相比，通過(guò)機(jī)器自動(dòng)化檢測(cè)，提高了工作效率。同時(shí)，依賴人工智能算法對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)，確保了較高的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性，滿足產(chǎn)線實(shí)時(shí)生產(chǎn)要求。

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作者簡(jiǎn)介

胡宗亮（1985-），男，重慶市人。研究開(kāi)發(fā)部智能檢測(cè)室副主任，工學(xué)碩士，現(xiàn)任職于重慶信息通信研究院。研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)。