基于視覺技術的內襯紙及鋁箔紙應用檢測裝置

王 強

(中國電子科技集團公司第四十一研究所，安徽 蚌埠，233010)

一、引言

目前市場主流G.D X2包裝機在5號輪位置沒有內襯紙缺損檢測裝置，而且一旦產生內襯紙缺損的煙包在5號輪包裝后無法進行檢測。該包裝機在商標紙包裝過程中也沒有設計有效的鋁箔紙缺損檢測裝置，在實際生產過程中該包裝機在3號輪和4號輪的封裝過程中經常產生多種缺陷煙包，同時還會造成煙支丟失等多種缺陷，產生嚴重的產品質量問題。為了保證煙包的質量，保護消費者利益、維護企業(yè)形象，設計、安裝了一套煙包內襯紙及鋁箔紙檢測裝置，用于檢測小盒煙包是否存在內襯紙缺損及鋁箔紙缺損等缺陷，并在檢測到缺陷煙包時向包裝機組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號，包裝機組在8號輪位置處將缺陷煙包剔除。

二、檢測系統(tǒng)的設計與實現

（一）硬件設計

圖1 檢測裝置的原理框圖

該檢測裝置如圖1所示，由圖像采集裝置、控制箱、增量式編碼器、相應電纜組成。其中圖像采集裝置包含紅外光源、CMOS工業(yè)相機、光學鏡頭等硬件設備。為了區(qū)別內襯紙(不含金屬成分)和鋁箔紙(含金屬成分)，根據金屬對紅外光有吸收特性，特采用紅外光源照射小盒煙包，同時在圖像采集裝置中安裝紅外濾光片，減少可見光的干擾，保證檢測的穩(wěn)定。控制箱內包含工控板、控制板、觸摸液晶屏、接口板等設備。工控板負責控制上位機軟件以及操作系統(tǒng)的運行?？刂瓢迳衔粰C軟件的控制命令由單片機全面執(zhí)行，同時包含讀取增量式編碼器相位、與包裝機組控制系統(tǒng)通訊等。圖像采集裝置通訊接口用于連接CMOS工業(yè)相機。該應用檢測裝置采用COM Express模塊，COM Express模塊是基于PCI Express總線的高集成計算機模塊，安裝在特殊應用載板上，用戶可以自主設定。

單片機實時計算編碼器相位，到達曝光相位時，頻閃的紅外光源點亮，經過一段延時由CMOS工業(yè)相機對待檢小盒煙包進行拍照，圖像采集裝置經過預處理將煙包內襯紙和鋁箔紙表面圖像送至控制箱。通過數字圖像處理技術對產品圖像數據再次處理判定小盒煙包是否存在鋁箔紙破損、內襯紙缺失破損等問題，檢測系統(tǒng)控制箱依據判定結果向包裝機控制系統(tǒng)發(fā)送相應煙包剔除信號。包裝機控制系統(tǒng)在8號輪把缺陷破損的小盒煙包剔除。在診斷信號輸出相位，控制板判定系統(tǒng)是否存在故障，若存在故障，激活輸出通道，發(fā)送診斷信號。

（二）軟件設計

該檢測裝置系統(tǒng)軟件包含控制板上位機軟件以及單片機控制程序。控制板上位機軟件負責檢測系統(tǒng)的全局控制和圖像處理。

全局控制：控制板上位機軟件與圖像采集裝置、控制板接口通訊，接收處理圖像采集裝置采集到的圖像信息數據，判斷是否存在內襯紙及鋁箔紙缺陷，同時是否發(fā)送命令剔除相應的缺陷煙包，在液晶屏上以人機界面顯示相關的系統(tǒng)運行信息以及用戶的參數設置。

圖像處理：選用成熟的視覺函數庫，庫內包含了大量的圖像處理基本函數。通過數字圖像處理技術，檢測系統(tǒng)軟件對工業(yè)相機拍攝到的小盒煙包內表面圖像先進行灰度化、閾值分割、形態(tài)學處理，再查找、繪制目標區(qū)域內目標輪廓，最后計算出有效輪廓面積。為了提高煙包表面圖片處理速度，采用灰度化操作使煙包表面RGB色彩圖片轉換成單通道的灰度圖片；閾值分割操作是從多值化的數字圖像中提取目標區(qū)域，將目標區(qū)域內圖像的像素點灰度值設為255，背景圖像的像素點灰度值設為0；形態(tài)學處理是濾除圖片中的細小空洞和平滑數字圖像邊緣像素，使圖像連續(xù)、斷點減少，提高查找目標輪廓的速度；最后通過繪制出輪廓線，計算目標區(qū)域里輪廓面積，從而得到目標區(qū)域內目標的有效像素個數。

單片機控制程序采用C語言編寫，執(zhí)行控制板上位機軟件的命令，同時還包含以下操作：采集增量式編碼器實時相位發(fā)送給控制板上位機軟件，在相應的相位曝光拍照采集內襯紙及鋁箔紙圖像，向包裝機組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號等。

三、測試結果

在紅外光源照射下，拍照小盒煙包圖像呈現灰白色。

圖2 煙包圖像目標區(qū)域

圖2中繪制了控制板上位機軟件中煙包所需要提取特征的目標區(qū)域，實現以下幾種缺陷情況的檢測：

內襯紙缺失。內襯紙缺失的缺陷檢測主要由圖2中目標區(qū)域1和目標區(qū)域9來完成。在小盒煙包完好的情況下，目標區(qū)域1中內襯紙和鋁箔紙交界處會有白色高亮度灰度特征出現，目標區(qū)域9中煙包與模盒交界處會表現出低亮度灰度特征；當內襯紙缺失時，目標區(qū)域1內高亮度灰度特征會消失，而目標區(qū)域9中，會出現高亮度灰度特征，如圖3所示。通過目標區(qū)域1和目標區(qū)域9中的高亮度區(qū)域內的有效像素數判斷當前煙包是否存在內襯紙缺失。

內襯紙露白。內襯紙露白的缺陷檢測主要由圖2中目標區(qū)域2、目標區(qū)域3、目標區(qū)域6、目標區(qū)域7和目標區(qū)域10來完成。當內襯紙露白時，目標區(qū)域2、目標區(qū)域3、目標區(qū)域6、目標區(qū)域7或目標區(qū)域10會出現高亮度灰度特征，如圖4所示；而在煙包完好的情況下，該特征會消失，灰度特征表現為低亮度。通過目標區(qū)域2、目標區(qū)域3、目標區(qū)域6、目標區(qū)域7和目標區(qū)域10中的高亮度區(qū)域內的有效像素數判斷當前煙包是否存在內襯紙露白。

鋁箔紙褶皺、破損。鋁箔紙褶皺、破損的缺陷檢測主要由圖2中目標區(qū)域4、目標區(qū)域5和目標區(qū)域8來完成。當鋁箔紙褶皺、破損時，目標區(qū)域4、目標區(qū)域5或目標區(qū)域8會出現高亮度灰度特征，如圖5、圖6所示；而在煙包完好的情況下，該特征會消失，灰度特征表現為低亮度。需要說明的是，當內襯紙缺失時，目標區(qū)域2、目標區(qū)域3、目標區(qū)域6、目標區(qū)域7和目標區(qū)域10也可以用來檢測鋁箔紙褶皺、破損。通過目標區(qū)域4、目標區(qū)域5和目標區(qū)域8中的高亮度區(qū)域內的有效像素數判斷當前煙包是否存在鋁箔紙褶皺、破損。

圖3 內襯紙缺失

圖4 內襯紙露白

圖5 鋁箔紙褶皺

圖6 鋁箔紙破損

用戶選取多個目標區(qū)域，當內襯紙或鋁箔紙出現缺損時，各目標區(qū)域內的有效像素個數與正常煙包會產生明顯差異，內襯紙或鋁箔紙缺損程度越大，各目標區(qū)域內的有效像素個數與正常煙包差異越大。控制箱會根據處理分析得出的各目標區(qū)域內的有效像素個數來判斷當前目標區(qū)域是否存在缺損，當目標區(qū)域內的有效像素數量不在用戶設定的基準值范圍內時，也認為該目標區(qū)域存在缺損，從而達到檢測煙包內襯紙、鋁箔紙缺損的目的。

四、結論

視覺技術廣泛應用于各種生產活動，在許多人眼無法識別判定的場所，如高速檢測判定、精確定位等不可見物體感知情況下，視覺技術顯示出非凡的優(yōu)越性，包裝機上的生產線檢測需要這種高速檢測特征的產品。

該檢測裝置具有以下顯著特點：彩色觸摸屏，操作便捷；同時儲存多種煙包品牌，同一目標物可設置多個檢測點，單獨設置每個檢測點的類型、位置、參數；具有編碼器、工業(yè)相機、輸出開路等故障信號自診斷；對產量、缺陷情況詳細統(tǒng)計，保存歷史缺陷圖片，故障統(tǒng)計；用戶自主選擇缺陷煙包的剔除使能功能；頻閃紅外光源，避免光干擾，光源穩(wěn)定；功耗低，噪聲小。目前有許多煙廠用戶使用該應用檢測裝置，實踐證明該檢測系統(tǒng)能夠準確檢測到缺陷煙包，降低不合格產品流入市場的風險。