小包外觀檢測在煙草行業(yè)的應(yīng)用

摘 要：隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)的不斷發(fā)展，尤其是多媒體技術(shù)和數(shù)字圖像處理分析理論的成熟，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于小包包裝質(zhì)量的檢測上，其具有檢測準(zhǔn)確度高、無污染、體積小等特點(diǎn)

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;煙草;包裝檢測

一、應(yīng)用背景

隨著市場競爭的日益激烈，煙草企業(yè)為了提高其市場競爭力，更好的開拓市場，在加大卷煙質(zhì)量方面的技改力度、提高卷煙質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)卷煙制品的包裝形式及包裝質(zhì)量也加大了改造力度，威力在激烈的市場競爭中更好的維護(hù)產(chǎn)品品牌形象，對(duì)于卷煙產(chǎn)品包裝質(zhì)量的檢測，也是至關(guān)重要的一環(huán)。

近年來，煙草企業(yè)不斷引進(jìn)國外先進(jìn)的煙機(jī)，生產(chǎn)速度也是飛速提高，如最新的GD高速卷包機(jī)的生產(chǎn)速度可達(dá)到1000包/分鐘，在如此高速的生產(chǎn)過程中難免會(huì)有許多不合格品產(chǎn)生，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合格品并將其剔除是非常重要的，否則流入市場會(huì)降低用戶的滿意度，同時(shí)也會(huì)削弱品牌價(jià)值和產(chǎn)品信譽(yù)度。

隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)的不斷發(fā)展，尤其是多媒體技術(shù)和數(shù)字圖像處理分析理論的成熟，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于小包包裝質(zhì)量的檢測上，其具有檢測準(zhǔn)確度高、無污染、體積小等特點(diǎn)。

二、應(yīng)用現(xiàn)狀

目前生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)很多不合格類型（如下圖），由于生產(chǎn)速度非?？?，采用人工檢測剔除不現(xiàn)實(shí)。

這些不合格產(chǎn)品如果流入市場，會(huì)對(duì)品牌形象造成很大影響。

目前市場存在一種基于機(jī)器視覺系統(tǒng)的小包外觀檢測系統(tǒng)是，采用國外已有的智能圖像傳感器進(jìn)行視覺檢測，這種已有的智能圖像傳感器并非針對(duì)小包外觀檢測進(jìn)行開發(fā)的，在使用時(shí)需要進(jìn)行大量參數(shù)設(shè)置，并運(yùn)行很長時(shí)間之后才能逐漸穩(wěn)定下來。

本文主要討論一種采用高速工業(yè)相機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的小包進(jìn)行拍照，并通過專門為小包外觀檢測設(shè)計(jì)的圖像處理技術(shù)進(jìn)行識(shí)別檢測，采用這種方案操作簡單，檢測準(zhǔn)確度高，能夠檢測出小包存在90%以上的包裝質(zhì)量問題。

三、系統(tǒng)構(gòu)成

小包外觀視覺檢測系統(tǒng)的組成包括：工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高速工業(yè)相機(jī)及鏡頭、光源、光電傳感器、剔除系統(tǒng)，檢測軟件、通訊和輸入輸出單元。

（一）工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用研華的工控一體機(jī)，采用Intel? Core? i7處理器，具有一個(gè)RS232通訊口和4個(gè)以太網(wǎng)口，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高，處理速度快，完全可以滿足小包外觀檢測的需求;

（二）高速工業(yè)相機(jī)

相機(jī)是機(jī)器視覺檢測到核心部件，一般采用工業(yè)CCD相機(jī)，CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件?？梢苑Q為CCD圖像傳感器。它是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。在CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素?cái)?shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。

工業(yè)相機(jī)采用型號(hào)：alA1920-40gc，品牌：Basler，產(chǎn)地：德國

主要參數(shù)為：彩色相機(jī)，分辨率為1920*1200，幀速40fps，拍攝面積為5.86um*5.86um，像素為230萬像素。

鏡頭采用computar公司的6mm鏡頭。

（三）光源

光源采用多組LED光源采用多角度無影燈方式照明，消除了角落陰影以及隨機(jī)反光問題，避免檢測死角的出現(xiàn)，使每一個(gè)檢測面都清晰可見，可對(duì)各種包裝材質(zhì)的小包進(jìn)行檢測，包括反光塑面包裝、整體鐳射包裝紙等都能有效檢測。

（四）光電傳感器

光電傳感器為煙包的定位器件，為整個(gè)系統(tǒng)提供煙包的位置信息;如果采用普通的接近式位置傳感器會(huì)出現(xiàn)定位不準(zhǔn)確的問題，進(jìn)過反復(fù)測試后，選擇了對(duì)射式光纖傳感器，這種光纖傳感器具有定位準(zhǔn)確，動(dòng)作及復(fù)位時(shí)間在200μs以下。

（五）剔除系統(tǒng)

剔除系統(tǒng)采用MAC的高速電磁閥進(jìn)行吹氣，將檢測出的不合格煙包剔除。

（六）檢測軟件

專門為小包外觀檢測開發(fā)的采用先進(jìn)圖像處理技術(shù)的上位機(jī)軟件。

（七）通訊和IO控制模塊

專門為小包外觀檢測開發(fā)的通訊和IO控制模塊，核心采用FPGA可編程芯片實(shí)現(xiàn)。

四、工作流程

（一）小包到達(dá)檢測位光纖傳感器時(shí)，IO控制模塊收到煙包到位信號(hào)后，一方面控制光源進(jìn)行頻閃，另外一方面將曝光信號(hào)發(fā)給CCD工業(yè)相機(jī)。CCD工業(yè)相機(jī)接到曝光信號(hào)后立即啟動(dòng)進(jìn)行拍照。

（二）工控機(jī)處理以及運(yùn)算，判斷該小包是否有包裝質(zhì)量問題，如果有問題，則通過RS232串口通知IO控制模塊，IO控制板程序?qū)?huì)對(duì)該小包進(jìn)行標(biāo)記。

（三）小包到達(dá)剔除位光纖傳感器時(shí)，IO控制板卡將收到小包到位信號(hào)，然后查看程序是否有剔除標(biāo)記，如果有，則啟動(dòng)電磁閥，控制電磁閥將小包吹出流水線。

五、技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

（一）在對(duì)于有鐳射包裝的小包進(jìn)行檢測中發(fā)現(xiàn)如果采用普通直射LED光源的話，在拍攝的照片上會(huì)出現(xiàn)反光，直接影響檢測質(zhì)量，會(huì)造成很多誤剔，經(jīng)過多次試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)采用拱形燈罩多角度無影燈方式照明，能夠消除了角落陰影以及鐳射包裝反光問題，使每一個(gè)檢測面都清晰可見，并且可對(duì)各種包裝材質(zhì)的小包進(jìn)行檢測。

（二）在高速機(jī)上使用時(shí)發(fā)現(xiàn)跑道速度會(huì)變速，這樣使得在計(jì)算檢測位到剔除之間的距離時(shí)不準(zhǔn)確，造成很多誤剔。為了解決這個(gè)問題，采用三組光纖進(jìn)行煙包定位，檢測位、中間、剔除位三個(gè)光纖進(jìn)行煙包定位剔除。要求兩個(gè)光纖之間的間距小于兩包煙的距離。

當(dāng)A煙包離開檢測光纖后，中間光纖的下一個(gè)上升沿必然是A煙包，同理，在A煙包離開中間光纖后，剔除光纖的下一個(gè)上升沿必然是A煙包。

采用三個(gè)光纖進(jìn)行剔除定位，可以避免突然停機(jī)，煙包打滑等造成的缺陷煙漏剔問題。

（三）剔除電磁閥的選型，剔除閥的選型非常重要，我們發(fā)現(xiàn)如果在高速機(jī)上連續(xù)出多包不合格小包時(shí)，普通的電磁閥來不及進(jìn)行剔除動(dòng)作。經(jīng)過反復(fù)測試，最終我們采用FESTO的高速電磁閥，其開關(guān)時(shí)間在0.2ms以內(nèi)，使用后效果明顯。

（四）采用機(jī)器視覺檢測小包包裝質(zhì)量的關(guān)鍵在于圖像處理，而圖像處理的關(guān)鍵在于小包檢測圖像處理關(guān)鍵技術(shù)主要有：定位、邊緣檢測、直方檢測，分別體現(xiàn)在圖像增強(qiáng)和圖像分析兩個(gè)環(huán)節(jié)上。通過提高對(duì)比度的灰度拉伸、假彩色、邊緣提取、濾波、傅立葉變換等實(shí)現(xiàn)對(duì)比度提高、清晰度增加和特征突出等目的。再采用先進(jìn)的色彩濃淡處理技術(shù)及高精度的次像素處理技術(shù)替換單一的灰度比較系統(tǒng)處理技術(shù)，可得到更加逼真的圖像實(shí)況檢測。采用VC++作為編程工具，并結(jié)合相應(yīng)的圖像處理軟件平臺(tái)，編寫合適的算法，來檢測小包煙可能存在的缺陷。以下是軟件中的關(guān)鍵算法和技術(shù)難點(diǎn)介紹：

（1）定位 在小包檢測中，由于采集的圖像存在抖動(dòng)的問題，因此，需要采用定位以消除煙包的圖像抖動(dòng)問題。其原理是先設(shè)定小框內(nèi)的模版，保存以后每次采集的煙包圖片都與橫版進(jìn)行匹配，把圖像抖動(dòng)的位移補(bǔ)回來。

（2）邊緣檢測 邊緣作為圖像最基本的一個(gè)部分，可以為我們的煙包檢測提供最直接有效的檢測手段，邊緣檢測在小包煙檢測中起到重要作用。實(shí)際應(yīng)用中，我們可以利用邊緣檢測來檢測到小包煙的大部分缺陷，如可以檢測“小花無”、“小花不居中”等小花缺陷，還可以檢測油封及拉線的缺陷，而這些缺陷是影響小包煙質(zhì)量的重要因素。

（3）直方檢測 小包煙包裝出現(xiàn)問題主要表現(xiàn)在圖像一定區(qū)域內(nèi)灰度值的變化?？梢灾苯訉?duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行直方檢測。在這個(gè)檢測項(xiàng)目里面，可以設(shè)置統(tǒng)汁像素的區(qū)間、該區(qū)間內(nèi)像素占整個(gè)像素的比例兩個(gè)參數(shù)。這樣就可以按照直方圖對(duì)這個(gè)區(qū)域的區(qū)間像素進(jìn)行圖像分割。若圖像出現(xiàn)異常，分割的像素比例將會(huì)超出范圍，檢測軟件則會(huì)判斷小包煙外觀存在一定質(zhì)量問題。

六、總結(jié)與展望

機(jī)器視覺的引入，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測和光電檢測，極大地提高了投放市場的產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。本文所述的小包煙包裝質(zhì)量在線檢測儀的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過驗(yàn)證是可行的，該設(shè)備具有較高的實(shí)用性、運(yùn)行可靠、檢測精度較高。

參考文獻(xiàn)

[1]唐向陽，張勇，李江有等.機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2004，29（2）：36-39

[2]劉榮輝.機(jī)器視覺系統(tǒng)在GDX2包裝機(jī)組中的應(yīng)用[J].煙草科技，2005，（11）：10-13

[3]劉煥軍，王耀南編.機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)[J].電腦與信息技術(shù)，2003（1）：18-21

[4]賈云德主編.機(jī)器視覺[M].北京：科學(xué)出版社，2000

[5]吳炯，張秀彬.數(shù)字圖像中邊緣算法的實(shí)驗(yàn)研究[J].微計(jì)算機(jī)息，2004，20（5）：106-107

[6]高潮.基于機(jī)器視覺的裂紋缺陷檢測技術(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2007，10（5）：23-25[1]

作者簡介：

謝華（1969-），工程師，四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司西昌煙廠卷包車間從事設(shè)備維修管理工作。