小盒煙包鋁紙和內(nèi)框紙缺陷檢測系統(tǒng)

李華文 韓悅婷 鄭啟旺 徐鄧

[摘 要] 針對目前卷煙工業(yè)小盒煙包生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的鋁紙和內(nèi)框紙質(zhì)量缺陷問題，設(shè)計(jì)了一種包含鋁紙、內(nèi)框紙檢測的小盒煙包綜合包裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)。文章包含了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架、圖像的獲取與信號控制等硬件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)描述了基于圖像處理的小盒煙包鋁紙和內(nèi)框紙缺陷綜合檢測算法，最后通過在線實(shí)時檢測實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對小盒煙包鋁紙和內(nèi)框紙缺陷的高精度、實(shí)時檢測，性能穩(wěn)定可靠，可以滿足卷煙工業(yè)生產(chǎn)檢測需求。

[關(guān)鍵詞] 質(zhì)量缺陷；檢測系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 21. 072

[中圖分類號] TP315 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）23- 0172- 02

0 前 言

卷煙工業(yè)采用先進(jìn)的包裝設(shè)備，包裝生產(chǎn)速度快，但同時在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一些包裝質(zhì)量問題。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，防止壞煙流入市場，需要對包裝缺陷進(jìn)行監(jiān)測。小盒煙包的外觀缺陷主要包括：軟包封簽歪斜、缺失、脫落、污點(diǎn)等，硬包上蓋破損、 脫落、變形、撕爛等。除了外觀缺陷，小盒煙包鋁紙和內(nèi)框紙的缺陷檢測也是小包綜合質(zhì)量檢測的重要一項(xiàng)。小包鋁紙和內(nèi)框紙的缺陷主要是指鋁紙和內(nèi)框紙的褶皺、損壞、丟失等。以往包裝質(zhì)量檢測主要依靠人工，人工檢測準(zhǔn)確性和效率都得不到保證，不僅容易造成誤檢還浪費(fèi)人力物力，而且卷煙設(shè)備的生產(chǎn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人工監(jiān)測的速度，通過人工檢測根本無法滿足生產(chǎn)需要。因此，為了保證包裝質(zhì)量、維護(hù)企業(yè)形象，需要為卷包機(jī)設(shè)計(jì)安裝配套的包裝質(zhì)量檢測設(shè)備。

隨著科技的不斷發(fā)展，圖像處理、機(jī)器視覺已經(jīng)應(yīng)用到生產(chǎn)生活的方方面面。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以機(jī)器視覺算法為核心，并全面介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，涉及機(jī)械、嵌入式以及傳感器選型等方面，該系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價值，可以和GD 2000主機(jī)配合工作。系統(tǒng)的研發(fā)對控制產(chǎn)品質(zhì)量，維護(hù)企業(yè)形象，提高企業(yè)競爭力具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用雙核心的機(jī)制，兩個核心分別為單片機(jī)和工業(yè)計(jì)算機(jī)。兩個控制源相互配合，協(xié)同工作。單片機(jī)主要用于接收光纖傳感器的信號、控制光源閃光、相機(jī)采圖以及剔除機(jī)構(gòu)工作。工業(yè)計(jì)算機(jī)主要用于對采集到的圖像進(jìn)行處理，并輸出判斷結(jié)果。

2 系統(tǒng)硬件組成

2.1 圖像采集部分

系統(tǒng)標(biāo)配3個高分辨率彩色CCD相機(jī)檢測小盒煙包的鋁紙和內(nèi)框紙。其中兩個相機(jī)安裝在上側(cè)光源盒用于檢測小包內(nèi)框紙和鋁紙，一個相機(jī)安裝在下側(cè)光源盒用于檢測小包下側(cè)鋁紙。相機(jī)通過以太網(wǎng)傳送圖像數(shù)據(jù)給工業(yè)計(jì)算機(jī)。由于煙包在皮帶上高速傳送，為了獲得高分辨率，高清晰度的煙包圖像，要求配備的相機(jī)的曝光時間可以調(diào)節(jié)到0.1 ms。為了獲得可以用于圖像檢測的高質(zhì)量的圖像，除了相機(jī)以外，光源的選擇也至關(guān)重要。只有選擇合適的光源才能將前景即煙包圖像和背景分開并突出煙包的輪廓等圖像特征。本系統(tǒng)采用直流冷光LED光源，光源具有性能穩(wěn)定、光衰小、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢。為了避免外界光的影響，同時抑制煙包反光、鐳射光，LED光源設(shè)置成頻閃的方式并從不同的方向進(jìn)行打光。

2.2 硬件控制部分

整個系統(tǒng)的硬件控制主要由單片機(jī)來完成。包括相機(jī)、光源、剔除機(jī)構(gòu)的使能控制，反射式光纖傳感器的信號接收，以及和工控機(jī)的信號互通。煙包在到達(dá)檢測位置時，單片機(jī)會接收到傳感器發(fā)出的信號并控制光源閃爍和相機(jī)拍照。工控機(jī)軟件得到圖像處理結(jié)果后也將結(jié)果信號傳送至單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)出控制信號，控制剔除機(jī)構(gòu)剔除壞煙。單片機(jī)通過RS 485與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

2.3 軟件顯示部分

整個圖像處理部分由工控機(jī)完成。工控機(jī)配置觸摸式顯示屏，實(shí)時顯示采集到的圖像和處理結(jié)果。工控機(jī)和相機(jī)通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。通過工控機(jī)中的檢測軟件可以調(diào)控相機(jī)的曝光時間增益等參數(shù)。

3 系統(tǒng)圖像算法

3.1 煙包圖像的定位

因?yàn)闊煱谂艿郎细咚賯魉?，限位裝置不能完全控制煙包的檢測位置，會產(chǎn)生輕微平移或者抖動。這樣會造成獲取到的煙包圖像的位置也產(chǎn)生偏差，最終造成檢測結(jié)果的誤差。因此需要對圖像進(jìn)行定位，并矯正圖像的位置。為了消除平移和抖動的影響分別采取了圖案定位和邊緣定位檢測的方法。

圖案定位主要通過模板匹配的方法來實(shí)現(xiàn)。首先采集一幅圖像作為圖像檢測的標(biāo)準(zhǔn)圖像，然后在標(biāo)準(zhǔn)圖像上設(shè)置感興趣的ROI區(qū)域。在待檢測圖像上進(jìn)行搜索，即在待檢測圖像上設(shè)置和ROI區(qū)域同樣大小的窗口，并和ROI區(qū)域進(jìn)行逐像素對比。移動窗口，找到差別最小的區(qū)域作為待檢測區(qū)域。由于逐個像素對比速度較慢，采用基于圖像金字塔的模板匹配方法來提高匹配速度?；趫D像金字塔的模板匹配方法采用圖像分層的思想，可以減少搜索的數(shù)據(jù)和范圍，提高匹配速度。圖像分層首先同時對標(biāo)準(zhǔn)圖像和待檢測圖像進(jìn)行分層處理。即對兩幅圖像進(jìn)行二次抽樣，形成圖像金字塔，上面一層是下面一層抽樣得到的結(jié)果。圖像金字塔模型如圖1所示。每次抽樣，圖像的大小減半，分辨率降低。在進(jìn)行圖像匹配時，首先進(jìn)行高層匹配得到粗匹配位置。再將位置映射到下面一層，進(jìn)行精確匹配。最終映射到金字塔底層，得到最佳匹配結(jié)果。

邊緣定位檢測主要基于Canny邊緣檢測算法。Canny邊緣檢測算法主要分為四個步驟。

（1）對圖像進(jìn)行高斯濾波，去除噪聲。

（2）用一階偏導(dǎo)的有限差分來計(jì)算梯度的幅值和方向。

一階差分卷積模板：

sx=-1 1-1 1，sy= 1 1-1 -1

幅值和方向的計(jì)算公式如下：

P[i，j]=（f[i，f+1]-f[i，j]+f[i+1，j+1]-f[i+1，j]/2

Q[i，j]=（f[i，j]-f[i+1，j]+f[i，j+1]-f[i+1，j+1]/2

M[i，j]=

θ[i，j]=arctan（Q[i，j]/P[i，j]）

（3）對梯度和幅值進(jìn)行非極大值抑制。非極大值抑制實(shí)際上就是細(xì)化邊緣。因?yàn)橥ㄟ^第二步梯度計(jì)算得到的邊緣依然很模糊，梯度邊緣的寬度大于一個像素。所以需要通過非極大值抑制的方法將極大值以外的所有梯度值抑制為0。

具體的步驟如下：a.分別比較當(dāng)前像素點(diǎn)和正負(fù)梯度方向上兩個相鄰像素點(diǎn)的梯度強(qiáng)度。b.假如當(dāng)前點(diǎn)的梯度強(qiáng)度同時大于相鄰像素點(diǎn)，則將此像素點(diǎn)保留為邊緣點(diǎn)，否則抑制該像素點(diǎn)，即把該點(diǎn)值改為0。

（4）通過雙閾值算法對邊緣進(jìn)行檢測并連接邊緣。為了保留較大的梯度值，把噪聲或者顏色變化引起的小的梯度值濾除，需要對梯度值設(shè)定閾值。Canny算法設(shè)定雙閾值。梯度值大于高閾值的點(diǎn)被歸為強(qiáng)邊緣點(diǎn)。抑制小于低閾值的點(diǎn)。高低閾值之間的點(diǎn)被歸為弱邊緣點(diǎn)。

3.2 煙包圖像的檢測

小盒煙包鋁紙和內(nèi)框紙的圖像檢測主要包括灰度檢測和相似度檢測。

在對圖像進(jìn)行灰度檢測和相似度檢測之前首先要準(zhǔn)確地得到待檢測的位置，即搜索待檢測窗口。本文主要采用模板匹配的方法對待檢測區(qū)域進(jìn)行定位。找到待檢測區(qū)域后，要在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行缺陷檢測。當(dāng)煙包的鋁紙拉片褶皺、損壞或丟失時，煙包圖案的灰度值在圖像上會發(fā)生相對變化。當(dāng)煙包底部鋁紙褶皺、損壞、丟失時煙包圖像在對應(yīng)位置會產(chǎn)生白斑或者黑斑。當(dāng)煙包的內(nèi)襯紙褶皺、損壞或者丟失時，煙包圖像可能會出現(xiàn)圖案在圖像上的位置產(chǎn)生變化或者圖案缺失，也有可能在圖像上產(chǎn)生白斑或者黑斑。這些情況都可以通過灰度檢測和相似度檢測檢測出來。缺陷灰度檢測的一種方法是設(shè)置黑白像素閾值。首先對標(biāo)準(zhǔn)圖像的ROI區(qū)域進(jìn)行二值化，然后分別計(jì)算黑白像素數(shù)占整個區(qū)域的比例，根據(jù)檢測需求設(shè)定黑白像素占比的閾值。然后對待檢測圖像定位到的同一個區(qū)域同樣進(jìn)行二值化，根據(jù)原先設(shè)定的閾值判定待檢測區(qū)域是否存在缺陷。缺陷灰度檢測的另一種方法是計(jì)算區(qū)域圖像像素的均值和方差，當(dāng)煙包圖像出現(xiàn)白斑和黑斑等缺陷時，圖像像素的均值和方差會發(fā)生很大變化，通過設(shè)定圖像像素的均值閾值和方差閾值可以檢測此種缺陷。相似度檢測主要針對內(nèi)襯紙缺陷而導(dǎo)致的圖案位移或缺失。主要是通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)圖像的ROI區(qū)域和待檢測圖像定位到的同區(qū)域的相似度，以及兩者之間的位置差來檢測缺陷的。當(dāng)相似度和位置差超過一定的數(shù)值范圍，就判定待檢測煙包發(fā)生缺陷。

4 系統(tǒng)檢測實(shí)驗(yàn)

煙包檢測的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）微調(diào)光源和CCD相機(jī)相機(jī)的位置，并調(diào)節(jié)光源的亮度以及相機(jī)的曝光時間，直到獲得清晰、利于檢測的煙包圖像。

（2）采集參考圖，在參考圖上添加ROI窗口劃定檢測區(qū)域，設(shè)置檢測閾值參數(shù)。

（3）啟動系統(tǒng)，觀察是否能將缺陷煙包檢測出來并剔除，如果無法檢測則調(diào)整檢測閾值參數(shù)并重新測試。下面是檢測出的部分壞煙圖像，包括鋁紙和內(nèi)框紙褶皺、損壞、丟失等情況。

（1） （2）

系統(tǒng)將多種圖像檢測算法結(jié)合起來，對煙包缺陷檢測的精度高、速度快。小盒煙包鋁紙和內(nèi)框紙缺陷檢測可以達(dá)到99%，檢測速度可以達(dá)到900包/秒以上。系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可以和GD 2000主機(jī)配合工作，具有較高的實(shí)用價值。