基于機(jī)器視覺的啤酒瓶商標(biāo)在線檢測系統(tǒng)

許 超，徐惠鋼，謝 啟,李 彬

(1．中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008；2．常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

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基于機(jī)器視覺的啤酒瓶商標(biāo)在線檢測系統(tǒng)

許 超1,2，徐惠鋼2，謝 啟2,李 彬1,2

(1．中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221008；2．常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500)

針對傳統(tǒng)人工檢測啤酒瓶商標(biāo)存在的缺點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了一個用于啤酒瓶商標(biāo)的在線實(shí)時檢測系統(tǒng)，將機(jī)器視覺、虛擬儀器技術(shù)和Compact DAQ技術(shù)結(jié)合起來，充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢，采用并行處理，將拍攝到的圖像與多張不同光照下的基準(zhǔn)圖像同時進(jìn)行模版匹配來檢測商標(biāo)是否有漏貼、錯貼、商標(biāo)破損或是商標(biāo)傾斜的現(xiàn)象。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠高效地識別不合格的商標(biāo)。

圖像；檢測；商標(biāo)；機(jī)器視覺；Compact DAQ；LabVIEW

0 引言

隨著現(xiàn)代社會工業(yè)化、信息化的高速發(fā)展，采用傳統(tǒng)技術(shù)方法的生產(chǎn)過程已無法滿足人們對生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等越來越高的要求。機(jī)器視覺的出現(xiàn)及應(yīng)用，不僅適應(yīng)了時代發(fā)展的需求，而且大大提高裝備的自動化和效率。在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，尤其在不適合人工作業(yè)的惡劣工作環(huán)境或高速流水線上，機(jī)器視覺技術(shù)有著不可替代的作用。同時，LabVIEW的視覺開發(fā)工具包 IMAQ Vision 和軟件接口 Vision Assistant，使得基于虛擬儀器和 LabVIEW 的機(jī)器視覺產(chǎn)品檢測平臺具有前所未有的優(yōu)勢，能夠減少用戶的投資，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，很好地滿足成本敏感、產(chǎn)品更新快的生產(chǎn)企業(yè)以及綜合性的產(chǎn)品檢測機(jī)構(gòu)的需要[1-2]。

本課題的目的是在研究計(jì)算機(jī)工業(yè)視覺產(chǎn)品檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，理論聯(lián)系實(shí)際，通過具體產(chǎn)品檢測平臺的設(shè)計(jì)，將機(jī)器視覺、虛擬儀器技術(shù)和Compact DAQ技術(shù)結(jié)合起來，充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢，開發(fā)設(shè)計(jì)了一個用于啤酒瓶商標(biāo)在線實(shí)時檢測系統(tǒng)。當(dāng)流水線上待測啤酒瓶到達(dá)相機(jī)的時候，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)整啤酒瓶的角度，以便相機(jī)能拍到合適的檢測圖像，通過對拍攝到圖像的處理分析來檢測商標(biāo)是否有漏貼、錯貼、商標(biāo)破損或是商標(biāo)傾斜的現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)硬件組成

硬件部分由4槽cDAQ-9174控制器，8通道、5 V/TTL高速雙向數(shù)字I/O模塊NI 9401，NI 1722智能相機(jī)，電機(jī)，觸摸屏和各類型傳感器組成，硬件連接如圖1所示。NI cDAQ-9174具有50多款可供選擇的可熱插拔I/O模塊，通過數(shù)字模塊訪問機(jī)箱中內(nèi)置的4個通用32位計(jì)數(shù)器/定時器，可以通過NI-DAQmx軟件編寫測量程序，也可以通過DAQ助手(DAQ Assistant)自動生成代碼，可同時運(yùn)行來自模擬、數(shù)字或計(jì)數(shù)器/計(jì)時器通道的7個硬件定時操作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)讀寫波形測量數(shù)據(jù)。NI 9401具有8通道、100 ns超高速雙向數(shù)字I/O口，可按半字節(jié)(4位)配置，支持熱插拔操作，工作溫度范圍廣(-40～70 ℃)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用LabVIEW語言編寫。其中上位機(jī)主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，包括：用戶登錄，生產(chǎn)線的監(jiān)控，測試數(shù)據(jù)的存儲等。在此系統(tǒng)中，既有數(shù)據(jù)采集，又有事件結(jié)構(gòu)和圖像采集，而數(shù)據(jù)采集和事件結(jié)構(gòu)彼此之間需要實(shí)現(xiàn)并行處理，為了不相互影響對方的執(zhí)行又不丟失數(shù)據(jù)，采用生產(chǎn)者與消費(fèi)者循環(huán)對控件事件觸發(fā)進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)同生產(chǎn)者與消費(fèi)者循環(huán)再實(shí)現(xiàn)并行處理，互相之間無連線，這樣可以極大地提高程序的運(yùn)行效率和設(shè)計(jì)靈活性。下位機(jī)包括智能相機(jī)圖像采集模塊。圖像采集模塊主要負(fù)責(zé)圖像的采集和處理工作，再將處理過的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)共享變量發(fā)送到上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

2.1 圖像采集和檢測模塊

在實(shí)時在線視覺檢測中，軟硬件的簡單組合并不意味著能獲得期望的性能，既要考慮測試算法的精度，又要兼顧實(shí)時性。因此，如何在快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確之間取得平衡，是確保一個系統(tǒng)能在工業(yè)實(shí)時檢測領(lǐng)域成功應(yīng)用的核心問題。所以本文研究的重點(diǎn)是尋找一種適合本系統(tǒng)的圖像處理與分析算法。

當(dāng)流水線上待測啤酒瓶到達(dá)相機(jī)的時候，用一電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)盤帶動啤酒瓶旋轉(zhuǎn)，同時使智能相機(jī)每間隔0.2 s進(jìn)行1次圖像采集，然后再對采集到的圖像進(jìn)行判斷，是否符合要求做進(jìn)一步的處理。判斷標(biāo)準(zhǔn)是采集到的圖像一定要包含整個商標(biāo)區(qū)域，并使商標(biāo)區(qū)域盡量在圖像的正中間。具體做法是根據(jù)待檢測商標(biāo)的特點(diǎn)選擇某一明顯的標(biāo)志作為定位標(biāo)志，對采集到的圖像進(jìn)行模版匹配，如圖2所示，當(dāng)匹配成功并且標(biāo)志的中心坐標(biāo)滿足一定條件時則保留該圖片做進(jìn)一步檢測。該步驟要求是快速準(zhǔn)確，所以搜索模版時采用局部搜索，也就是只在期望標(biāo)志出現(xiàn)的感興趣區(qū)域(ROI)進(jìn)行搜索，可以大大節(jié)省匹配時間。

圖2 定位標(biāo)志

在圖像檢測部分，本系統(tǒng)采用模版匹配的方法對灰度圖像進(jìn)行處理：對實(shí)時圖像進(jìn)行缺陷檢測時，必須要選擇一個正確的基準(zhǔn)圖像與實(shí)時圖像進(jìn)行對比，通過對實(shí)時圖像與基準(zhǔn)圖像的對比分析來確定實(shí)時圖像是否有缺陷。但考慮生產(chǎn)光照的時變性，實(shí)時圖像的灰度值會發(fā)生變化，影響檢測的精度。通常，采用的方法有2種：

(1) 選擇某一固定的無缺陷圖像作為基準(zhǔn)圖像，對實(shí)時圖像做處理；

(2) 用待測圖像前一幅無缺陷圖像作為基準(zhǔn)圖像。

前一種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：只需要一個標(biāo)準(zhǔn)圖像，對系統(tǒng)資源占用少，但需要在算法上進(jìn)行改善。第二種方法正好相反，它用前一張正確的圖像作為后一次處理的基準(zhǔn)圖像，因此處理速度較慢，資源開銷大，但由于是相鄰圖像，因此不受光照條件等非質(zhì)量因素的影響。但誤差容易累計(jì)，穩(wěn)定性較差。因此本系統(tǒng)擬選用第一種方法，但是這里選擇多幅在不同的光照條件下采集到的圖像作為基準(zhǔn)圖像，然后同時對多幅基準(zhǔn)圖像進(jìn)行匹配，彼此之間并行處理，相互不影響，這樣既提高了匹配的準(zhǔn)確性又兼顧了程序的實(shí)時性。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊

Compact DAQ控制器模塊主要負(fù)責(zé)采集各傳感器的數(shù)字信號，控制流水線上電機(jī)、相機(jī)、光源、氣閥以及信號燈。之所以選擇Compact DAQ是因?yàn)椋篘I Compact DAQ是一個適合在工作臺、工程現(xiàn)場和生產(chǎn)線上進(jìn)行傳感器和電氣測量的新型優(yōu)選平臺。該系統(tǒng)提供了一個4/8槽機(jī)箱,其I /O模塊在單個系統(tǒng)下可實(shí)現(xiàn)高達(dá)256個通道的電氣、物理、機(jī)械和聲波信號的測量。通過將USB接口即插即用的簡便性與模塊化儀器的高性能和靈活性相結(jié)合,體積小巧、使用簡便且價位合理的NI Compact DAQ可以實(shí)現(xiàn)快速、精確的測量任務(wù)[3-4]。

任何測量系統(tǒng)都包括配套軟件，LabVIEW 可用于設(shè)計(jì)軟件并完全自定義獨(dú)立的測量系統(tǒng)。LabVIEW 提供用于采集、分析和演示數(shù)據(jù)的獨(dú)立開發(fā)環(huán)境，并且已經(jīng)對底層編程調(diào)用進(jìn)行抽象[5]。這種抽象意味著 LabVIEW 以及NI-DAQmx 驅(qū)動程序可以適用于隨時間變化的需求和技術(shù)，以便幫助用戶開發(fā)的應(yīng)用程序與業(yè)界保持同步適用[6-7]。程序框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)讀寫模塊程序框圖

2.3 通信模塊

2.3.1 TCP/IP通信

通信模塊主要負(fù)責(zé)上位機(jī)和相機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對智能相機(jī)的控制同時將相機(jī)處理的結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。 TCP/IP 是目前廣泛采用的一組完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,在網(wǎng)絡(luò)通信中被廣泛應(yīng)用[8]。主要通過以下幾個VI完成數(shù)據(jù)的傳輸：

TCP偵聽 VI: 創(chuàng)建偵聽器并等待位于指定端口的已接受TCP連接。

打開TCP連接: 打開由地址和遠(yuǎn)程端口或服務(wù)名稱指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接。

讀取TCP數(shù)據(jù): 從TCP網(wǎng)絡(luò)連接讀取字節(jié)并通過數(shù)據(jù)輸出返回結(jié)果。

寫入TCP數(shù)據(jù): 使數(shù)據(jù)寫入TCP網(wǎng)絡(luò)連接。

關(guān)閉TCP連接: 關(guān)閉TCP網(wǎng)絡(luò)連接。

具體實(shí)現(xiàn)如圖4如示，先通過打開TCP連接VI實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程端口與服務(wù)器名稱的配置，再在while循環(huán)中調(diào)用讀取TCP數(shù)據(jù)VI，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時讀取，最后通過關(guān)閉TCP連接VI關(guān)閉TCP網(wǎng)絡(luò)連接，TCP通信結(jié)束。

圖4 通過TCP讀取網(wǎng)絡(luò)變量

2.3.2 遠(yuǎn)程訪問的實(shí)現(xiàn)

LabVIEW提供的Web服務(wù)器功能可直接將本地的VI程序面板“搬”到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上進(jìn)行瀏覽和操作，以此系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹如何配置LabVIEW服務(wù)器[9]。

(1)單擊VI前面板或程序框圖上的工具，選擇Web發(fā)布工具，會彈出對話框，該對話框類似于向?qū)С绦?，指?dǎo)用戶創(chuàng)建HTML文件和嵌入式VI前面板圖像。在VI名稱中選擇要發(fā)布的VI。在查看模式中選擇客戶端進(jìn)程訪問VI前面板的不同效果，有以下幾個選項(xiàng)：嵌入——客戶端可通過瀏覽器進(jìn)程查看和控制前面板；快照——客戶端可以在瀏覽器中查看前面板的靜態(tài)圖像，但不能控制前面板；顯示器——客戶端可以在瀏覽器中查看前面板連續(xù)更新的動畫快照，但不能控制前面板。

(2) 點(diǎn)擊“下一步”，在選擇HTML輸出中，可以對客戶端訪問的Web頁內(nèi)容作進(jìn)一步的設(shè)置。

(3) 在保存新Web頁中，對Web頁的保存進(jìn)行設(shè)置。

(4) 點(diǎn)擊連接后，就可以在本地默認(rèn)瀏覽器上訪問該Web頁。也可以將該URL復(fù)制，在客戶端的瀏覽器上訪問該Web頁。

通過網(wǎng)頁瀏覽遠(yuǎn)程 VI面板并獲得控制權(quán)，只需要在瀏覽器地址欄輸入網(wǎng)址即可遠(yuǎn)程獲得控制權(quán)并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.4 數(shù)據(jù)管理模塊

在虛擬儀器測量測試系統(tǒng)中,很重要的一部分工作是對實(shí)時采集地的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)、生成報(bào)表分析等。這其中涉及的最主要的任務(wù)就是對數(shù)據(jù)的讀取和寫入,即與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行交互。本文通過LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問的工具包LabSQL來實(shí)現(xiàn)以上功能。LabSQL是一個免費(fèi)的、多數(shù)據(jù)庫、跨平臺的LabVIEW數(shù)據(jù)庫訪問工具包。支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于ODBC的數(shù)據(jù)庫,它的優(yōu)點(diǎn)是易于理解,操作簡單,不熟悉SQL語言的用戶也可以很容易地使用。只需進(jìn)行簡單地編程,就可在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫訪問[10]。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫功能的第一步便是建立數(shù)據(jù)源，下面將詳述整個過程。

2.4.1 在Access中建立一個數(shù)據(jù)庫

LabVIEW 數(shù)據(jù)庫工具包只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以必須借助第三方數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，比如Access，來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。

2.4.2 建立與數(shù)據(jù)庫的連接

在利用LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具包操作數(shù)據(jù)庫前，需要先連接數(shù)據(jù)庫，這就像操作文件前，先要打開文件一樣。連接數(shù)據(jù)庫有2種方法，分別是利用DSN連接數(shù)據(jù)庫和利用UDL連接數(shù)據(jù)庫。此處運(yùn)用第一種方法。

LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具包基于ODBC(Open Database Connectivity)技術(shù)，如圖5所示，在使用ODBC API函數(shù)時，需要提供數(shù)據(jù)源名 DSN(Data Source Names)才能連接到實(shí)際數(shù)據(jù)庫，所以我們需要首先創(chuàng)建DSN。在“Windows 控制面板”中雙擊“管理工具 ”，然后雙擊“數(shù)據(jù)源” ，進(jìn)入ODBC數(shù)據(jù)源管理器，創(chuàng)建DSN。

2.4.3 數(shù)據(jù)庫基本操作

連接上數(shù)據(jù)庫之后，就可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作了。如圖6所示，通過Open Connection VI、Insert Data VI,Close Connection VI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接、數(shù)據(jù)插入和斷開操作。此外，數(shù)據(jù)庫最常用的幾種基本操作包括創(chuàng)建表格、初除表格、添加記錄、查詢記錄。

圖5 LabVIEW 數(shù)據(jù)庫工具包基于ODBC技術(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)啤酒商標(biāo)檢測的有效性和正確性，對本系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)(100次)如下：實(shí)驗(yàn)樣本中有30個是人為制造的不合格品(漏貼5個、錯貼5個、破損10個、傾斜大于10°10個)，其余為合格品，得出的結(jié)果如下：當(dāng)匹配閾值調(diào)節(jié)到95時，對于不合格的產(chǎn)品一般都能有效的檢測出來，其中漏貼錯貼和傾斜可以全部檢測出來，破損的檢測率在90%以上。誤檢率一般在5%以下。檢測100樣品總耗時為4 min/5 s，平均每個產(chǎn)品商標(biāo)的測試周期3 s(影響測試周期的主要因素在于啤酒瓶的旋轉(zhuǎn)和流水線的速度，相機(jī)拍照和模版匹配程序執(zhí)行時間約0.2 s)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出檢測系統(tǒng)的檢測準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上，能夠滿足目前產(chǎn)線生產(chǎn)的測試要求。后期要解決的主要問題是協(xié)調(diào)檢測的時間和流水線的速度之間的關(guān)系，提高產(chǎn)品檢測的效率。

4 結(jié)束語

針對啤酒瓶商標(biāo)檢測技術(shù)存在測試效率低(主要人工測試)、測試方法落后等方面的不足，本文利用LabVIEW DAQ強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理功能，同時結(jié)合LabVIEW IMAQ vision在圖像采集和處理功能方面的優(yōu)勢，完成了啤酒瓶商標(biāo)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件檢測程序采用了多路并行模版匹配算法，對檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并提高了測試系統(tǒng)的檢測效率。

經(jīng)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在光線變化情況下，對啤酒瓶商標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確、高效地檢測，可以滿足啤酒瓶商標(biāo)檢測的要求。

圖6 數(shù)據(jù)庫操作程序

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Beer Trademark Online Detection System Based on Machine Vision

XU Chao1,2，XU Hui-gang2，XIE Qi2，LI Bin1,2

(1．School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2． College of Electrical and Automatic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

To the disadvantages of traditional artificial detection of beer bottles trademarks， a real-time online detection system for beer trademarks was designed in this paper.Combining the machine vision,virtual instrument technology and Compact DAQ and giving full play to the advantages of the three and by using parallel processing and taking template matching between the captured image and more than one benchmark images under different illumination conditions，whether there are these phenomenon of missing,wrong posts,trademark damage or trademark tilt was detected.The test system verified by the instance is stable and reliable,and able to effectively identify unqualified trademark.

image;detection;trademark;machine vision;compact DAQ；LabVIEW

江蘇省科技廳產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2014075)

2015-03-19 收修改稿日期：2015-09-10

TP271

A

1002-1841(2015)12-0081-04

許超(1987—)，碩士研究生，研究方向?yàn)闄z測技術(shù)。 E-mail：chao_tom@163.com 徐惠鋼(1969—)，教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楣I(yè)控制、低壓電器柔性測試、多傳感器信息融合。 E-mail：xuhuigang@cslg.cn