視覺拉線檢測器的設(shè)計與實現(xiàn)

黃書智 張 明

（1.安徽中煙工業(yè)有限責任公司蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠233010；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠233010）

視覺拉線檢測器的設(shè)計與實現(xiàn)

黃書智1張 明2

（1.安徽中煙工業(yè)有限責任公司蚌埠卷煙廠，安徽 蚌埠233010；2.中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠233010）

本文設(shè)計了基于機器視覺技術(shù)的拉線質(zhì)量檢測器，主要用于透明包裝材料上拉線缺失、拉線偏移等缺陷檢測。文中介紹了檢測器的軟件和硬件設(shè)計方案，并詳細闡述了檢測器開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括圖像采集組件和控制板設(shè)計。最后，總結(jié)了檢測器的設(shè)計成果，并對下一步的研究進行了展望。

機器視覺；拉線檢測；圖像采集；控制

0 緒論

目前所使用的拉線檢測方式主要光電反射式、光電對射式，產(chǎn)品主要應(yīng)用于煙草及包裝行業(yè)。兩種檢測方式功能對比見表1。

表1 現(xiàn)有檢測器功能對比表

通過比較發(fā)現(xiàn)上述兩種檢測方法在不透明拉線的檢測中可靠性較高，但是在用于檢測環(huán)保性更好的透明拉線時經(jīng)常誤判，導(dǎo)致誤判的原因是透明拉線透光性強，使得有拉線輸出的電平信號與沒有拉線的輸出電壓相近。由于現(xiàn)有產(chǎn)品存在的缺陷，部分煙廠對該產(chǎn)品的性能提出了更高的要求。基于機器視覺技術(shù)的拉線檢測器可以解決當前技術(shù)的檢測缺陷。另外，在食品、藥品、化妝品等行業(yè)中，很多商品為了防潮、防止氣味流失，均采用了帶有拉線的透明包裝材料，以上產(chǎn)品對于視覺拉線檢測器的推廣具有積極的意義。

1 總體方案設(shè)計

視覺拉線檢測器是以機器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的新型檢測器，用于檢測透明包裝材料上拉線是否存在缺陷。通過對拍攝的拉線圖像進行分析判斷出拉線是否存在拉線缺失、拉線偏移和透明紙接頭缺陷，并向外部發(fā)出相應(yīng)的電平信號。檢測器主要由以下幾個部分組成（見圖1所示）：CMOS工業(yè)相機、LED照明系統(tǒng)和自主研發(fā)的控制器。

圖1 視覺拉線檢測器組成

2 視覺拉線檢測器的設(shè)計與開發(fā)

2.1 硬件設(shè)計

視覺拉線檢測器主要由圖像采集組件、控制器等外圍設(shè)備組成。其中控制器包括一個控制組件、一個帶觸摸屏的彩色液晶屏及一個母板。圖像采集組件由LED光源和工業(yè)相機組成，其中LED光源以一定的角度照射待檢的拉線，工業(yè)相機在與拉線垂直的角度進行拍照，工業(yè)相機負責采集待檢拉線的圖像并傳送給控制組件?？刂平M件通過圖像處理技術(shù)對圖像數(shù)據(jù)進行處理并判斷拉線是否存在缺失、偏移等缺陷。視覺拉線檢測器的原理框圖如圖2所示，下面將會分別介紹各部分的設(shè)計原理。

圖2 視覺拉線檢測器原理框圖

2.1.1 圖像采集組件

圖像采集組件負責通過工業(yè)相機采集待檢拉線的圖像并進行初步處理后傳送給控制組件。圖像采集組件主要由光源、光學(xué)鏡頭、CMOS工業(yè)相機幾部分組成。

光源是圖像采集組件性能穩(wěn)定的重要保障，負責以合適的方式將光線投射到檢測目標上，盡可能地突出檢測目標的特征量部分，使需要檢測的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加足夠的對比度。 LED光源具有成本低、光強穩(wěn)定、使用壽命長及免維護等優(yōu)點。我們現(xiàn)有幾個產(chǎn)品中采用的都是LED光源，本系統(tǒng)也準備采用LED燈作為圖像采集組件的光源。

光學(xué)鏡頭是整個系統(tǒng)與檢測目標接觸最近的部件，它相當于人眼的晶狀體，通過它將檢測目標的圖像成在圖像傳感器的像敏單元上。鏡頭的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的整體性能，合理選擇并安裝光學(xué)鏡頭是保證清晰成像同時獲得正常圖像信號的基礎(chǔ)。

圖像采集組件中光源與光學(xué)鏡頭的安裝示意圖如圖3所示，鏡頭與透明紙成垂直角度安裝，LED光源與鏡頭成約45度照射在拉線上。當拉線缺失或拉線偏移時，興趣區(qū)域內(nèi)拉線邊緣對應(yīng)的圖像平均亮度、位置與正常拉線發(fā)生變化，系統(tǒng)可以根據(jù)亮度與位置的變化來判斷是否存在缺陷。

圖3 光源與鏡頭安裝示意圖

圖像傳感器作為工業(yè)相機的成像器件，舉足輕重地決定著圖像的質(zhì)量和性能指標。圖像傳感器主要分為CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）兩種，兩種傳感器雖然屬于不同的技術(shù)，但都用于將光信號轉(zhuǎn)換成電荷，并處理成模擬電子信號輸出，通過A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字形式捕獲圖像。

2.1.2 控制組件

控制組件通過圖像處理技術(shù)對圖像數(shù)據(jù)進行處理并判斷是否存在缺陷拉線。控制組件主要由工控板、接口板組成。

工控板用于操作系統(tǒng)以及上位機軟件的運行，本系統(tǒng)準備采用的是COM Express模塊，COM Express模塊是基于PCI Express總線的高集成度計算機模塊，安裝在客戶自己設(shè)計的、針對特殊應(yīng)用的載板上。

接口板用于工控板的外圍擴展，主要包括電源電路、接口板單片機、圖像采集組件通訊接口、包裝機組控制系統(tǒng)通訊接口、液晶及觸摸屏接口等。電源電路包括+12V、+5V、+3.3V直流電源轉(zhuǎn)換電路，將+24V直流電源轉(zhuǎn)換為COM Express模塊、工業(yè)相機等工作所需電源。接口板單片機選用的是當前流行的TI公司的基于Cortex-M4F的32位單片機STM32F407，負責執(zhí)行上位機軟件的控制命令，包裝機組控制系統(tǒng)通訊接口用于接口板單片機向控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號。

2.2 軟件設(shè)計

視覺拉線檢測器的軟件主要包括控制器上位機界面、控制器接口板控制軟件。

2.2.1 控制器上位機界面設(shè)計

控制組件上位機軟件負責圖像處理以及系統(tǒng)的整體控制。其基本功能包括：通過控制組件接口板上的通訊接口與圖像采集組件通訊，從圖像采集組件接收采集到的圖像數(shù)據(jù)；通過圖像處理技術(shù)對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行處理，判斷是否存在拉線缺失、偏移等缺陷，如果當前拉線存在缺陷則向接口板CPU發(fā)送中斷觸發(fā)信號，由其向包裝機組控制柜發(fā)送剔除信號；通過顯示屏顯示系統(tǒng)運行的相關(guān)信息；通過觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。

圖像處理技術(shù)是控制組件上位機軟件開發(fā)的難點。為了降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、提高軟件可靠性，本系統(tǒng)準備采用目前成熟的機器視覺函數(shù)庫OpenCV，該庫是由Intel公司資助開發(fā)的開源機器視覺庫，庫中包含了大量的圖像處理基本函數(shù)，我們可以在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上進行軟件設(shè)計?？刂平M件上位機軟件的基本流程如圖4所示。

圖4 控制組件上位機軟件基本流程

控制組件上位機軟件除了包括圖像處理技術(shù)還包括關(guān)鍵的人機界面設(shè)計。主要包括四個子界面：工作界面、統(tǒng)計界面、設(shè)置界面和實驗室界面。

2.2.2 控制組件接口板控制軟件設(shè)計

控制組件接口板控制軟件主要負責執(zhí)行控制組件上位機軟件的命令，對外圍設(shè)備進行相關(guān)操作。完成的功能主要包括：接收上位機的控制指令；LED光源控制；向包裝機組控制柜發(fā)送檢測狀態(tài)信號及診斷信號。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文是基于機器視覺設(shè)計的關(guān)于拉線檢測器，針對檢測器中的圖像采集技術(shù)、光源照明機安裝、圖像處理等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。目前檢測器已設(shè)計完成并在包裝機組上使用，反饋效果較好。下一步將針對不同的拉線特點優(yōu)化算法滿足市場使用需求。

［1］陳勇.基于機器視覺的表面缺陷檢測系統(tǒng)的算法研究及軟件設(shè)計[D].天津：天津大學(xué),2006.

［2］李俊.機器視覺照明光源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2006.

［3］孫碧亮.基于機器視覺的檢測算法研究及其在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué),2006.

［責任編輯：李書培］

圖4 上壓輥有限元分析應(yīng)變圖

通過以上的分析結(jié)果可以得出，上壓輥所受局部最大應(yīng)力為3.8MPa，材料屈服極限為620MPa，由鋼帶調(diào)直機上壓輥滾子的要求可知，上壓輥的結(jié)構(gòu)是合理的。

【參考文獻】

［1］李祥林,薛萬夫,張日升.振動切削及其在機械加工中的應(yīng)用[M].北京:北京科學(xué)技術(shù)出版社,1985(10):21-25.

［2］黃慶學(xué),馬立峰,梁愛生,等.單軸雙偏心定尺滾切剪運動軌跡求解及計算機仿真[J].重型機械,2004,253(41):18-21.

［3］曹沖振,趙春雨,王鳳芹,等.小尺度注塑件澆道剪切機構(gòu)綜合[J].制造業(yè)自動化，2008(12):14-16.

［4］嚴慧萍．高速剪切設(shè)備剪切裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]．制造業(yè)自動化,2002,24(10): 26-28.

［5］夏建芳,周新衡.擺式飛剪剪切機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究,2003,19(3): 6-9.

［責任編輯：朱麗娜］

The Design and Achievement of Tear-Tape Detect Instrument in Vision

In order to resolve the problem of tear-tape missing and tear-tape excursion,this paper designs a tear-tape quality detected instrument based on the machine vision technology.This article introduced the software and hardware design precept of detected instrument,and the key technologies are described particularly,insist of the design of control board and image capture group.At last,the main design results of the detected instrument are summarized and the future research is presented.

Machine vision；Tear-tape detect；Image capture；Control