機器視覺技術(shù)在條包煙外觀質(zhì)量檢測上的應(yīng)用

孫 軍 甘益員 肖 榮

（1.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司四平卷煙廠，吉林 四平 136001；2.大樹智能科技（南京）有限公司，南京 211100）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，煙草行業(yè)改革的步伐也十分的迅速，要想在國內(nèi)外的市場上取得長遠(yuǎn)發(fā)展，必須保證卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，國內(nèi)外許多煙機制造企業(yè)在設(shè)備上均沒有應(yīng)用先進的機器視覺技術(shù)，尤其現(xiàn)在大多數(shù)煙廠已經(jīng)使用自動裝封箱機，但由于原設(shè)備上沒有條包煙缺陷質(zhì)量檢測器，完全依靠人工來檢測條包煙外包裝質(zhì)量，卷煙產(chǎn)品的次品揀出率受人為因素影響較大，條包煙包裝質(zhì)量缺陷事故偶爾發(fā)生，影響企業(yè)產(chǎn)品商業(yè)信譽。傳統(tǒng)的人工來缺陷檢測遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精細(xì)生產(chǎn)的需要。當(dāng)前，機器視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)的在線檢測系統(tǒng)正好能完成重復(fù)性強，檢測精度高的工作。它綜合應(yīng)用了電氣、電子、光學(xué)、自動控制、計算機、圖像處理、機械等相關(guān)技術(shù)，來實現(xiàn)條包煙外觀質(zhì)量、噴碼質(zhì)量的自動檢測和控制，剔除缺陷條包煙，更好地樹立產(chǎn)品品牌形象。

2 系統(tǒng)工作原理、成像系統(tǒng)運行的流程圖

2.1 工作原理

條包煙圖像檢測系統(tǒng)基本原理是：在生產(chǎn)檢測狀態(tài)下，條包煙到達預(yù)定位置時，同步傳感器產(chǎn)生觸發(fā)信號，通過視覺圖像傳感器和圖像采集卡采集條包煙外觀圖像，經(jīng)圖像處理軟件對圖像進行分析，在下一條包煙到達之前，完成上一條包煙的全部分析處理，而噴碼的質(zhì)量檢測是由智能相機來采集，并對采集的數(shù)碼進行智能化處理判斷，這兩部分檢測均給出合格或者不合格的結(jié)論，傳送至PLC控制系統(tǒng)，如果是不合格品，則由PLC驅(qū)動高速氣缸將不合格條包煙剔除。

2.2 成像系統(tǒng)運行的流程圖（見圖2）

根據(jù)包裝機的生產(chǎn)工藝流程，采用順序檢測進行控制，系統(tǒng)程序流程見圖 1。同步觸發(fā)傳感器信號到達后，視覺圖像傳感器和智能相機采集煙條外觀圖像，經(jīng)圖像處理軟件對圖像進行分析，對采集的數(shù)碼進行智能化處理判斷，進行缺陷判定和統(tǒng)計，并將檢測結(jié)果信號傳送至PLC[3]控制系統(tǒng)。

圖1 成像系統(tǒng)運行流程圖

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)備及其功能

根據(jù)卷煙制品包裝質(zhì)量控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計了圖2所示煙包質(zhì)量控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由上位機、觸摸屏、視覺圖像傳感器、圖像采集卡、智能相機、分離裝置、觸發(fā)傳感器、LED光源、電磁閥等組成，如圖2所示。

（1）圖像采集硬件采用丹麥相機 JAI-CV-A11和加拿大CORECO公司的圖像采集卡PC2-VISION，噴碼檢測采用康耐視 DVT智能相機 ISXS-5RC，它們將采集的信號傳送給貝加萊工控機APC620。

（2）觸摸屏與貝加萊工控機APC620的RS485口通信，實時顯示系統(tǒng)運行信息，可設(shè)置參數(shù)，以及提供多種操作方式。

（3）檢測噴碼智能相機與貝加萊工業(yè)控制計算機使用工業(yè)以太網(wǎng)和 TCP/IP通信協(xié)議通信，在Windows-XP下通過運行FrameWork軟件編制調(diào)試智能相機參數(shù)程序。

（4）分離裝置由電機驅(qū)動，將條包煙減速通過并分離。

（5）觸發(fā)傳感器、光源、電磁閥分別為，光纖放大器FS-21R，光纖探頭FU35-FA和NF-DB04，光源組為可變色譜LED攝影燈，噴碼檢測光源為紅色光源，剔除電磁閥選用MAC 公司35A系列產(chǎn)品。

4 圖像處理軟件設(shè)計

4.1 圖像處理軟件算法

圖像處理軟件開發(fā)基于 Windows XP 下的VC6.0++,圖像處理函數(shù)庫采用 Coreco公司的Sapera5.3。

下面針對幾種特定的檢測功能，簡單介紹圖像處理軟件算法設(shè)計原理。

（1）錯牌檢測

錯牌是指其它品牌的煙條偶爾混入到當(dāng)前流水線中，這是一種嚴(yán)重缺陷，要求接近100%的剔除概率。針對這種缺陷，采取模板匹配的圖像處理方式進行檢測，實踐證明識別準(zhǔn)確率比較理想，能夠滿足實際生產(chǎn)要求，它的做法是，事先采集相應(yīng)品牌的特征圖片，作為標(biāo)準(zhǔn)模板進行保存，系統(tǒng)工作時，每條經(jīng)過檢測的煙條圖片都和標(biāo)準(zhǔn)圖片進行模板匹配運算識別，得到當(dāng)前的相似度系數(shù)，通過與預(yù)先設(shè)定的相似度門限值進行比較，從而判斷是否出現(xiàn)錯牌缺陷。

模板匹配的數(shù)學(xué)原理是將模板（子圖）與目標(biāo)區(qū)域進行二維相關(guān)運算，在設(shè)定范圍內(nèi)搜索出相關(guān)系數(shù)的最大值，再與設(shè)定值比較，從而可以判斷是否匹配成功，如果匹配成功說明在目標(biāo)區(qū)域存在與標(biāo)準(zhǔn)模板相近似的圖案。每一種品牌的煙包裝都存在獨特的牌號圖案，所以一般截取該圖案作為該品牌煙條的標(biāo)準(zhǔn)模板。

模板匹配在Sapera函數(shù)類庫中位于CProSearchArea類和CProSearchEdge類，具體使用涉及幾十個成員函數(shù)[5]。

（2）表面異常檢測

表面異常缺陷是指煙條表面像素出現(xiàn)超出正常范圍的灰度值分布，這種情況往往表示煙條表面出現(xiàn)了一定程度的表面缺陷，由于個別像素正常情況下也會出現(xiàn)比較大的波動，因此采用統(tǒng)計指標(biāo)（均值、方差）來衡量表面異常的程度，根據(jù)正常煙條的指標(biāo)范圍設(shè)定門限，當(dāng)出現(xiàn)超過范圍的煙條時，系統(tǒng)可以自動判斷并剔除。

統(tǒng)計指標(biāo)計算函數(shù)在 Sapera函數(shù)類庫中位于CProBasic類，函數(shù) bool Stats(CProImage& in, float*mean, float *sd, float *min, float *max)。

各參數(shù)函義：in是待計算的圖像，mean,sd,min,max分別是均值、方差、最小值和最大值。

（3）拉線缺陷檢測

拉線缺陷包括拉線缺失、拉線歪斜和拉線錯牙等幾種情況，本系統(tǒng)中采集到的正常拉線的圖像特征表現(xiàn)為垂直的線，因此可以通過在設(shè)定區(qū)域?qū)ふ抑本€的圖像處理算法來檢查拉線的完好情況，判斷直線的方法一般采用 Hough變換來實現(xiàn)，通過Hough變換可以找出設(shè)定區(qū)域內(nèi)直線是否存在以及直線的斜率、數(shù)量等參數(shù)，綜合運用這些參數(shù)就可以判斷出拉線的各種缺陷。

例如：Hough變換在 Sapera函數(shù)類庫中位于CproBasic 類，Hough變換函數(shù)形式為：

bool Hough(CProImage& in, CProImage& out,XformDir direction, int startAngle, int endAngle, float angleIncr, HoughAccumMode accumulate)[6]。

4.2 防偽噴碼檢測

針對條包煙上噴印防偽數(shù)碼過程中出現(xiàn)的“漏噴、模糊、缺字、移位”等質(zhì)量問題，本系統(tǒng)通過智能相機獲取噴印在BOPP包裝膜上的防偽數(shù)碼圖象并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，采用工控機和軟件（FrameWork）技術(shù)對圖象數(shù)字信號進行處理，實現(xiàn)模式識別，坐標(biāo)計算，灰度分布圖、OCR識別、測量等，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖象特征值，再通過系統(tǒng) OCR軟傳感器對組成數(shù)碼的每一位字符的形態(tài)，特征、像素等參數(shù)進行計算測定，并在容許度和其他設(shè)定的參數(shù)條件范圍內(nèi)通過系統(tǒng)所具有的智能化學(xué)習(xí)功能對字符的特征進行學(xué)習(xí)處理，以判別噴印的防偽數(shù)碼字符的正常表現(xiàn)形態(tài)。并將智能化處理判斷結(jié)果傳給 PLC控制系統(tǒng)，由 PLC運行用戶程序?qū)π盘栠M行邏輯處理，控制高速電磁閥驅(qū)動高速氣缸，從而控制執(zhí)行機構(gòu)完成對超出檢測設(shè)定的參數(shù)條件的不合格條包煙的剔除并報警。

4.3 自動建模功能

由于每完成一次完整的檢測需要人工設(shè)置比較多的超差門限參數(shù)，比較費時費力，給現(xiàn)場的使用帶來不便，因此軟件特別設(shè)計了自動建模功能，可以幫助人工比較快的找出合適的門限值。自動建模的工作原理是先打開自動建模功能，然后讓一定數(shù)量的合格條包煙通過檢測器，軟件將自動計算和統(tǒng)計該批條包煙的每項指標(biāo)的分布范圍，再按照經(jīng)驗系數(shù)自動分配好每個檢測門限的默認(rèn)值，一般情況下再經(jīng)過人工的簡單修正就可以投入使用。

5 PLC程序流程圖

PLC控制系統(tǒng)實時采集輸入點信號，并將有缺陷條包煙的結(jié)果保持在寄存器 LR和HR中，同步移位后進行剔除，如此反復(fù)進行完成每條條包煙的自動檢測控制工作（見圖3）。

圖3 PLC軟件程序框圖

6 結(jié)論

本文主要研究設(shè)計了基于機器視覺技術(shù)、工業(yè)控制機和觸摸屏的控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)中軟件、硬件及人機界面設(shè)計，通過它們的結(jié)合，解決了條包煙外觀和噴碼質(zhì)量檢測的問題。在湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司四平卷煙廠YP11A型裝封箱機上于2009年10月應(yīng)用后，系統(tǒng)對條包煙反包、包裝錯位、無透明紙、無拉線、透明紙皺、條盒翹邊、錯牌號、噴碼漏噴、模糊、缺字、移位等多種質(zhì)量缺陷的條包煙，對不合格條包煙進行剔除。經(jīng)過三個月的運行，十分穩(wěn)定，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，取得明顯的間接效益。

[1]張廣軍.機器視覺 [M].北京∶科學(xué)出版社,2005.

[2]孫即祥.圖像分析 [M].北京∶冶金工業(yè)出版社,2005∶124-178

[3]趙朝陽,史麗萍.基于PLC的變電站監(jiān)控自動化的研究與實現(xiàn)[J].電氣應(yīng)用,2006,25(6)∶46-48.

[4]高潮.基于機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.

[5]Sapera++ Programmer’s Manual 5.0.

[6]Sapera Processing Programmer’s Manual 5.30.