基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)設(shè)計

郭存麗　文蕊

摘要：近年來全自動高速包裝機得到了廣泛的使用，使更多的農(nóng)副產(chǎn)品、土特產(chǎn)品能夠得到進一步的包裝，從而打開了銷路。下料控制是制約包裝質(zhì)量的一個重要的因素，為了提高包裝質(zhì)量，該文設(shè)計了基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：圖像識別；包裝機；下料控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）31-7428-04

Abstract： In recent years， high-speed automatic packing machine has been widely used， so that more agricultural and sideline products， native products can be further packaging， which opened market. Feeding control is an important factor to restrict the quality of packaging， in order to improve the packaging quality， this paper introduces the design of control system of feed packaging machine based on image recognition.

Key words：image recognition； packer； feeding control system

在商品經(jīng)濟時代，商品的包裝對商品的銷售有著至關(guān)重要的影響。近年來，我國農(nóng)副產(chǎn)品和土特產(chǎn)品的包裝程度越來越高，對于包裝的技術(shù)要求也越來越高，因此極大的推動了我國全自動高速包裝機的不斷發(fā)展。為了改善傳統(tǒng)的自動包裝機的缺陷，本人以實際工作經(jīng)驗為基礎(chǔ)，設(shè)計了基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)，該下系統(tǒng)能夠全面提高下料控制的質(zhì)量，促進自動包裝行業(yè)的發(fā)展。

1 當(dāng)前我國普遍應(yīng)用的包裝機及其下料控制系統(tǒng)

1.1 高速自動包裝機及其下料控制系統(tǒng)的不足之處

當(dāng)前我國包裝行業(yè)中普遍使用的是全自動高速包裝機，其在調(diào)味品、果醬、果汁等土特產(chǎn)品和農(nóng)副產(chǎn)品的包裝中用的比較常見。然而，全自動高速包裝機的下料控制對其包裝質(zhì)量產(chǎn)生了較大的影響。按照外觀形態(tài)可以將包裝物分為混合態(tài)、液態(tài)和固態(tài)[1]。一般來說最容易包裝的是固態(tài)產(chǎn)品，其下料機構(gòu)也易于控制，即使出現(xiàn)滲漏和灑落的現(xiàn)象也不會對生產(chǎn)過程造成較大的影響。然而對于混合態(tài)和液態(tài)的包裝物來說，其對于下料機構(gòu)有著較高的要求，而當(dāng)前的全自動高速包裝機在此方面存在一定的不足。混合態(tài)和液態(tài)的包裝物要求下料時機和下料位置都要恰當(dāng)準(zhǔn)確。如果出現(xiàn)滲漏和灑落的現(xiàn)象不僅浪費資源，更加難以清掃，甚至需要停產(chǎn)清理。一些具有酸堿鹽的混合物包裝的溫度還有要求，裝機容易受到滲漏的混合物的腐蝕，無論是對于食品衛(wèi)生還是設(shè)備使用都有不利的影響。設(shè)備中的金屬很容易受到產(chǎn)品中酸堿鹽的腐蝕，從而降低了使用的壽命。在包裝的過程中，一些酸堿鹽內(nèi)容灑落在設(shè)備縫隙中，久而久之滋生細(xì)菌，嚴(yán)重危害了食品的安全性。

1.2 全自動高速包裝機的工藝及其問題

一般情況下，由PLC控制全自動高速包裝機的周期和工藝過程，不存在專門的下調(diào)控制器。其工藝一般分為五個步驟：封口、下料、開袋、上袋、夾袋，循環(huán)進行[2]。如果包裝袋的袋口在開袋過程中沒有正確的打開，那么勢必影響到后續(xù)的工藝，按照順序包裝機會自動進行下料，則包裝物就會滲漏出來，對生產(chǎn)過程造成不利的影響。袋口位置受到吸盤力大小、夾頭和包裝袋材質(zhì)的影響，經(jīng)常出現(xiàn)開袋過程中包裝袋袋口沒有正確打開或打開位置不對的現(xiàn)象。這樣往往會導(dǎo)致被迫停產(chǎn)，生產(chǎn)者要安排人力和時間對場地進行清掃，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的連續(xù)性。

當(dāng)前我國一些廠家使用的帶有下料控制的包裝機一般都來自于國外進口，價格昂貴，使用的范圍較小。其價格高出我國生產(chǎn)的生產(chǎn)能力類似的包裝機價格上十倍，這樣的價格很多中小規(guī)模的生產(chǎn)廠家都難以承受。因此，開發(fā)包裝機下料控制系統(tǒng)刻不容緩。

1.3 解決全自動高速包裝機問題的關(guān)鍵

問題解決的關(guān)鍵就在于包裝機是否能夠準(zhǔn)確地識別包裝袋袋口的位置和打開情況。避免由于不正確的袋口位置而造成的封口不嚴(yán)、下料不準(zhǔn)，不僅浪費資源，更影響了生產(chǎn)進度。有一些科研人員使用了激光對射、紅外線探測和超聲波測距的方法來對包裝袋袋口打開和位置進行識別，但由于包裝袋的厚度小于超聲波的測距誤差，而激光和紅外線的使用對環(huán)境有著較高的要求，而且包裝袋袋口的形狀、位置具有一定的隨意性，與其厚度并沒有一定的聯(lián)系，因此無論是激光對射、紅外線探測還是超聲波測距，其效果都不理想。只有當(dāng)包裝袋袋口形狀如圖1所示時，袋口的中心位置才對著下料口，能夠進行準(zhǔn)確的下料。除此之外其他的袋口形狀都會出現(xiàn)不同程度的漏氣、包裝不嚴(yán)和封口不準(zhǔn)的現(xiàn)象，甚至直接把料下到袋外。

2.2.4 基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)如何進行圖像識別

包裝袋袋口形狀的識別是下料控制的關(guān)鍵，也是解決現(xiàn)有全自動高速包裝機下料問題的根源。要解決這個問題，就要對袋口形狀進行準(zhǔn)確的識別?；趫D像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)要能夠進行準(zhǔn)備的圖像識別。圖像識別涉及很多方面的內(nèi)容，具有復(fù)雜的識別過程。圖像識別的流程具有以下兩個關(guān)鍵步驟：袋口圖像學(xué)習(xí)、袋口圖像識別。

①袋口圖像學(xué)習(xí)。袋口圖像學(xué)習(xí)也就是對包裝袋的正確位置和打開形狀的圖像進行學(xué)習(xí)，并將其存入計算機，以便于與采集到的包裝袋打開形狀圖像進行對照[5]。該文的圖1已經(jīng)對包裝袋的正確打開形狀進行了介紹。CCD相機進行包裝袋袋口形狀的圖像采集之后，要由計算機進行一定的剪切，這是由于CCD相機的像素較高，往往會將包裝袋的全部形狀都進行拍攝，而袋口圖像學(xué)習(xí)只需其中的袋口形狀部分作為對比對象。這樣一來，識別和對比的范圍有所縮小，其準(zhǔn)確性、識別速度都有所提高，計算量有所減少。計算機能夠?qū)λR別的圖像進行基于內(nèi)容的圖像檢索。由于包裝機的工作對象—包裝袋在材質(zhì)、色彩、大小尺寸等方面都比較多樣，這就需要對每一種不同的包裝袋進行袋口圖像學(xué)習(xí)，以便提高基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)的適用性。當(dāng)包裝袋發(fā)生改變時，要重新進行袋口圖像學(xué)習(xí)。

②袋口圖像識別。圖像識別的原理主要是將待識別的圖像和袋口圖像學(xué)習(xí)的源圖像進行分塊，使其成為圖像子塊[6]。分塊后則以圖像位置關(guān)系為依據(jù)，計算每個對應(yīng)塊的歐氏距離。以此來比較兩個圖像的對應(yīng)位置像素點是否相似，相似的百分比為多少。如若相似比率為100%則為同一圖像，相似比率越小則兩個圖像的差異越大，由于來對兩個圖像的相似度進行計算。

本系統(tǒng)還設(shè)計了圖像識別庫，以相似比率超過95%為標(biāo)準(zhǔn)，低于95%則視為袋口形狀不正確。本系統(tǒng)通過7個函數(shù)值，其分別為源文件的名稱（包裝袋袋口形狀的圖像名稱）SourceFileName、庫中圖像識別函數(shù)的名稱SourcePicture、目標(biāo)文件名DestFileName、目標(biāo)文件路徑DestPath、相似度閾值dValue、識別后實際的相似度值actValue、是否使用多信息融合技術(shù)Fusels、整數(shù)數(shù)據(jù)類型和函數(shù)返回值Integer。這7各函數(shù)能夠?qū)D像識別的結(jié)果、圖像識別的對象、圖像識別的地點以及圖像識別的方法進行詳細(xì)的規(guī)定。不僅對包裝袋的位置和形狀特征進行了識別，還可以識別包裝袋的材質(zhì)和色彩、紋理等等。其識別的準(zhǔn)確率較高。當(dāng)相似比率低于95%時，則系統(tǒng)不會發(fā)出相應(yīng)的下料指令，進入下一個運行循環(huán)，這樣一來整個系統(tǒng)仍然處于連續(xù)作業(yè)的狀態(tài)，不會使生產(chǎn)流程中斷。具體的圖像識別算法流程參見圖6所示。

3 結(jié)束語

基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，能夠較好的解決我國現(xiàn)有的全自動高速包裝機存在的下料不準(zhǔn)的問題，從而提高生產(chǎn)的連續(xù)性，減少資源的浪費，全面的提高了經(jīng)濟效應(yīng)。其不僅下料準(zhǔn)確，而且具有較快的系統(tǒng)響應(yīng)速度，適用的范圍比較廣泛，無論是固態(tài)、液態(tài)還是混合態(tài)的包裝物的包裝中都能夠得到良好的運用，特別是對于混合態(tài)和液態(tài)的包裝更加便利和準(zhǔn)確。該系統(tǒng)設(shè)計突破了傳統(tǒng)包裝機的下料設(shè)計，通過圖像識別的方式來控制下料，能夠?qū)Πb袋的袋口圖形進行采集和對比。通過CCD相機和計算機，能夠進行袋口圖像學(xué)習(xí)，存儲多種包裝袋的正確形狀，進一步提高了其適用的范圍。當(dāng)前在一些調(diào)料、火鍋底料、零食、土特產(chǎn)的包裝中已經(jīng)使用了基于圖像識別的包裝機下料控制系統(tǒng)，反響較好，應(yīng)用前景良好。

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