基于機器視覺的膠囊缺陷檢測裝置設(shè)計

朱書德，李少波，王 錚，楊 靜，董 豪，段仲靜，王 軍(貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025)

以膠囊形式生產(chǎn)的藥品和保健品，在人們生活中伴有重要的角色[1]。為避免不合格的膠囊流向市場，對膠囊生產(chǎn)線上的缺陷進行檢測與分類具有重要意義。傳統(tǒng)人工分揀具有主觀性強、成本高和易產(chǎn)生視覺疲勞的缺點，已不能滿足市場對膠囊在線檢測的需求。因此，膠囊檢測過程中，如何高效率、高精度、高速度地對膠囊圖像進行采集，逐漸成為膠囊生產(chǎn)企業(yè)的首要任務(wù)。

在膠囊缺陷檢測裝置的前期研究中，文獻[2]提出機器視覺是目前膠囊缺陷檢測的主流技術(shù)。其中，通過鏡面成像原理、觸發(fā)琉璃板、機械變焦原理、霍夫圓變換、分模塊理論設(shè)計、可見/紅外光譜理論、微波諧振振腔微擾法是目前獲取膠囊表面缺陷圖像的常見方式[3-11]。主要利用頻譜分析、模板匹配技術(shù)、位置傳感器、貝葉斯分類器、回路電流階躍理論、輪廓跟蹤算法和擁堵缺陷檢測算法實現(xiàn)膠囊表面缺陷特征的提取、識別和定位。但功能單一，實時性差[12-22]。

綜上，在膠囊圖像精準識別領(lǐng)域，針對圖像背景、噪聲等對膠囊識別率的影響，通過過濾背景噪聲、利用聚類特征加快目標的檢測速度和準確率是目前的主流檢測裝置，所關(guān)注的也主要集中在設(shè)備對產(chǎn)品有無缺陷和具有什么樣的缺陷的內(nèi)容功能上，對產(chǎn)品排列、缺陷定位、三維檢測、產(chǎn)品分類、踢廢等裝置的研究較少?；诖耍撐奶岢鲆环N特殊的光照條件及相機安裝方式，實現(xiàn)對膠囊360°全方位的缺陷檢測方案。同時，利用彩色相機填補了膠囊異色點、黑點，印字、小切口以及混批等缺陷不能檢測的空白。在膠囊傳送中，提出“隔組間排”原理，以更多時間使電磁鐵伸縮桿完成踢廢動作，平衡了“傳送效率”“檢測效率”“踢廢效率”三者之間的矛盾，以期為缺陷檢測、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、產(chǎn)品分揀以及故障診斷提供借鑒和參考。

1 檢測裝置組成及工作原理

基于機器視覺的膠囊缺陷檢測裝置，其硬件部分主要包括供料裝置、排序裝置、傳送與觸發(fā)裝置和圖像采集裝置。其中圖像采集裝置主要由工業(yè)相機、鏡頭、光源組成[23]。本文立足檢測需求，設(shè)計了一種基于機器視覺的膠囊缺陷檢測結(jié)構(gòu)。如圖1所示，為凸顯結(jié)構(gòu)功能，將虛線上方進行剖視，其中供料裝置通過振動器震動，將膠囊傳送到排序裝置后，利用直流電機同時驅(qū)動排序機構(gòu)與傳送裝置工作，保證膠囊能相對固定地有序傳送到圖像采集裝置，利用傳送帶末端對射型光電傳感器發(fā)出脈沖信號，觸發(fā)相機1對膠囊端面圖像進行拍攝。接著利用膠囊與傳送底板的滾動摩擦，相機2實現(xiàn)膠囊柱面360°的全方位拍攝。添設(shè)復采相機3，保證膠囊缺陷無死角拍攝。最后通過彩色相機4對顏色類缺陷進行分揀，經(jīng)過計算機相應的圖像處理單元進行處理，通過串口命令踢除裝置——電磁鐵伸縮桿對不合格的膠囊進行分揀。

圖1 基于機器視覺的膠囊缺陷檢測結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of capsule defect detection based on machine vision

本文主要從膠囊缺陷檢測裝置的供料排序裝置、傳送觸發(fā)裝置、圖像采集裝置、光源供給裝置的設(shè)計進行分析。

2 供料排序裝置設(shè)計

傳統(tǒng)的供料方式有隨機供料和有序供料兩大類型。雖然隨機供料可以適合各種規(guī)格的藥品，且傳送效率高，機械結(jié)構(gòu)簡單，但由于膠囊本身的結(jié)構(gòu)特點，因無法固定而在傳送主體上堆積和隨機滾動，對后續(xù)圖像采集和計算機圖像處理能力提出了更高的要求，同時也提高了踢廢機構(gòu)執(zhí)行動作的難度。因此本文采用有序供料的方式[24]。

利用直流電機同時帶動膠囊傳送主體和排序機構(gòu)(圖2)工作，使膠囊能經(jīng)過排序機構(gòu)有序地落在傳送裝置對應的膠囊槽中。

圖2 排序機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sorting mechanism

3 傳送觸發(fā)裝置設(shè)計

待檢膠囊經(jīng)過供料、排序裝置規(guī)則整齊地由傳送裝置送到圖像采集中心獲取圖像信息后，發(fā)送給計算機軟件進行分析處理，通過串行接口控制踢廢機構(gòu)對缺陷膠囊進行分揀，其余正常膠囊進一步傳送到成品箱。因此，傳送裝置的優(yōu)劣對膠囊缺陷檢測系統(tǒng)能否實現(xiàn)自動化起到舉足輕重的作用。

由于常規(guī)傳送帶和鏈板的不透明性，使采集到的膠囊邊緣出現(xiàn)陰影暗區(qū)，為后續(xù)計算機的處理能力提出了更高的要求。通過查閱資料， PU傳送帶剛好滿足這一要求，其不但具有普通傳送帶輕、薄、韌及曲繞性好的特點，而且抗拉強度高，重要的是無毒、衛(wèi)生，不產(chǎn)生二次污染。如圖3所示，考慮到膠囊供料排序裝置、光源供給裝置、圖像采集裝置、踢廢裝置以及成品收集箱的區(qū)域分布，設(shè)計出以PU傳送帶為主體的傳送裝置，其中為防止PU傳送帶左右移動，加裝1個糾偏輪。

圖3 膠囊傳送方案Fig.3 Capsule delivery scheme

3.1 傳送裝置的設(shè)計

為能定向360°全方位地獲取膠囊圖像信息，實現(xiàn)定向無誤地對缺陷膠囊進行剔除，本文對傳送主體——PU傳送帶進行系列優(yōu)化設(shè)計。

傳送裝置主要由PU傳送帶、嵌有光源的底板、直流電機組成。為實現(xiàn)膠囊360°全方位的拍攝需求，充分利用膠囊易滾動的特點，在傳送帶上加工一系列的膠囊槽，依靠其與底板的滾動摩擦向前運動，同時膠囊在傳送過程中的位置也得到相對固定。但膠囊會與槽邊框接觸甚至全部貼合，從而讓膠囊與邊框之間的摩擦力與底面之間的摩擦力形成合力效應，減弱甚至抵消其有利的滾動摩擦力，導致膠囊無法滾動，相機也就無法獲取完整的膠囊表面圖像。本文提出一種如圖4所示的形狀優(yōu)化槽邊框，即在槽兩側(cè)邊框均加工出兩個凸起的小山堡，同時在槽上下兩端均加工出1個方形的凹槽。該優(yōu)化方案很大程度地減少或消除因膠囊與槽邊框接觸產(chǎn)生的“點連接”和“線連接”，輕松實現(xiàn)膠囊圖像提取過程中膠囊圖像和其背景的分離，降低了后續(xù)圖像處理的復雜度。

圖4 膠囊槽邊框優(yōu)化前后對照Fig.4 Comparison before and after optimization of capsule trough frame

為便于對圖像中膠囊所處區(qū)域進行定位，我們讓膠囊每滾動1個槽的位置，相機采集1次圖像。同時膠囊槽之間的距離決定了膠囊每次滾動的角度，也決定了相機在其視場內(nèi)拍攝的次數(shù)，最終歸結(jié)到相機能否獲取到完整的膠囊表面圖像。雖然滾動方式對膠囊端面拍攝沒有任何影響，可以采用特殊的照明方式和檢測方法實現(xiàn)膠囊360°全方位檢測，但膠囊柱面圖像拍攝則需要其柱面完全展開。為此，根據(jù)膠囊360°拍攝的需求，以及每個膠囊的圖像采集次數(shù)與膠囊轉(zhuǎn)動的角度關(guān)系，合理計算PU傳送帶上相鄰兩個膠囊槽的中心距離，就特別重要。

根據(jù)膠囊每轉(zhuǎn)動角度α時，所對應膠囊槽的中心距離s滿足以下關(guān)系：

(1)

本文以同濟堂“仙靈骨葆”膠囊為例進行介紹，其外徑d=7.8 mm,若分3次采集圖像，理論上膠囊每次滾動120°，根據(jù)式(1)計算出膠囊滾動距離約為8.16 mm。扣除兩個半徑后，間距為0.36 mm。現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)中，無法實現(xiàn)該條件。因此本系統(tǒng)只能考慮兩次采集的情況，確定膠囊槽中心距離。根據(jù)膠囊滾動180°需求，可根據(jù)式(1)計算出膠囊滾動距離：

扣除兩個半徑后，膠囊的間距為4.45 mm。滿足工業(yè)加工需求。

3.2 傳送裝置的隔組間排方法

為平衡系統(tǒng)“傳輸效率”“檢測效率”“踢廢效率”之間的矛盾關(guān)系，提高設(shè)備的處理能力，本文提出1種“隔組間排”方法。機器視覺檢測系統(tǒng)實現(xiàn)膠囊缺陷檢測時，相機每次采集和計算機處理圖像的時間是一定的，每次處理1個膠囊和同時處理幾個膠囊的時間也并非線性增加。正因為這樣，充分利用相機視場優(yōu)勢，將膠囊以“分組”的形式進行拍攝處理，節(jié)省了單個膠囊拍攝、傳輸和處理時間?？紤]到踢除機構(gòu)為電磁鐵伸縮桿接觸式剔除，需要足夠的反應時間，將膠囊縱向以“間排”方式進行拍攝處理，使組內(nèi)和組間膠囊間隔排布，提高其綜合效率。原理如圖5。

圖5 隔組間排示意圖Fig.5 Schematic diagram of row and row

3.3 觸發(fā)裝置

根據(jù)要求：直流電機帶動PU傳送帶工作，使膠囊每移動1個槽的位置時，相機完成1次圖像拍攝。

我們利用同軸角速度相同原理，在直流電機轉(zhuǎn)軸上加裝1個特制的齒盤，使傳送帶每移動1個槽距時，齒盤跟隨轉(zhuǎn)動1個齒。并在齒盤兩端設(shè)置型號為TP808的對射式光電傳感器，利用其產(chǎn)生的脈沖信號，使處于外觸發(fā)模式的相機拍攝1次膠囊圖像。因此，傳送帶無論在什么速度下運行，都能讓相機的圖像拍攝頻率和PU傳送帶速度同步。圖6為TELESKY品牌下TP808對射型傳感器。

圖6 TP808對射式光電傳感器及其原理Fig.6 TP808 through-beam photoelectric sensor and its principle

即將特制的齒盤放在該對射型光電傳感器中間，當齒盤遮擋發(fā)射器發(fā)出的光線時，表示膠囊正在傳送過程中，不發(fā)出信號；當待檢膠囊到達下1個槽位置時，此時發(fā)射器光線剛好通過齒間間隙，進而向相機觸發(fā)信號，完成1次圖像拍攝。

4 圖像采集裝置設(shè)計

圖像采集裝置是搭建機器視覺檢測系統(tǒng)的重要部分，主要包括相機的選型與安裝方式。為得到較為直觀的圖像以及二維信息，立足于成像效果，結(jié)合圖像的明銳度、通透性、色彩還原以及抗干擾能力，我們選擇面陣型CCD成像元件，同時也容易實現(xiàn)膠囊的定位和剔除。考慮到相機性能的重要性，從分辨率、快門速度、幀頻、鏡頭進行分析。

4.1 分辨率

工業(yè)相機作為圖像采集裝置的核心部件，實際所需的分辨率并不需要很高。但分辨率太小，檢測精度也達不到實際的要求，甚至出現(xiàn)誤判和漏檢[22]。為兼顧膠囊滾動不完全而產(chǎn)生的圖像采集不完整現(xiàn)象，借用人工復檢的經(jīng)驗，添加復采相機，將每個膠囊的圖像采集次數(shù)由2次增加到4次，保證膠囊表面360°完全展開。根據(jù)膠囊槽中心距離，相機所需的視場大小50 mm×40 mm。可通過以下公式計算相機實際所需的分辨率：

(2)

其中：Px,Py分別代表x,y方向的系統(tǒng)精度；Wx,Wy分別代表x,y方向上的視野大小；Cx,Cy分別代表CCD在x,y方向上的像素數(shù)量。根據(jù)中國醫(yī)藥包裝協(xié)會標準，系統(tǒng)的檢測精度需高于0.1 mm。由式(2)可知x方向的像素點數(shù)至少為：

同理，y方向的像素點數(shù)至少為：

故相機2和相機3分辨率可選640 mm×480 mm左右。由于相機1和相機4都只需要其視野出現(xiàn)2個膠囊，即視野都是25 mm×40 mm,所以相機1、4分辨率可選640 mm×480 mm左右。

4.2 快門速度

快門速度越高，對運動物體反應越靈敏，越容易捕捉運動速度快的物體；快門速度太低，會導致捕捉的物體圖像產(chǎn)生拖影現(xiàn)象，從而加大了計算機的圖像處理難度。通常情況下，相機快門時間內(nèi)，目標移動的距離超過1.5個像素就會產(chǎn)生拖影，即不產(chǎn)生拖影就必須使t滿足以下關(guān)系：

(3)

其中：t表示相機快門速度；v表示PU傳送帶運動速度；k表示像素當量；W×H表示相機分辨率；WP×HP表示相機視野；由v=375 mm/s, 相機1和4的分辨率640 mm×480 mm，由公式(3)可算出相機1和4的快門速度:

同理，可得到相機2和3的快門速度:

4.3 幀頻

將系統(tǒng)檢測速度設(shè)為12萬顆/h，由此相機需要在30 fps左右穩(wěn)定運行。但通過實際實驗發(fā)現(xiàn)，30 fps的相機在外觸發(fā)的模式下，當相機接近最大速度時，圖像采集會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，極不穩(wěn)定。因此需要選擇高于30 fps的相機。

綜合以上因素，相機1、2、3選擇映美精DMK 21AF04，相機4選擇MV-GED31，不僅能滿足穩(wěn)定性，且在價格方面也有較大的優(yōu)勢。

4.4 鏡頭

為使目標能在圖像傳感器上成像，必須利用鏡頭將光進行轉(zhuǎn)換。影響圖像質(zhì)量形成的因素主要為鏡頭焦距。焦距越短視場越大，即能夠拍攝的范圍也越大。因此在選擇鏡頭時，應該充分考慮工作距離與視場之間的關(guān)系。相機捕獲完整的目標圖像，應滿足以下公式：

(4)

其中：f代表焦距；H1為所拍攝物體縱向長度；W1為所拍攝物體橫向長度；D為鏡頭工作距離；h為CCD水平方向?qū)拵?；w為垂直方向?qū)拵АMK 21AF04相機的像素尺寸為5.6 μm×5.6 μm，分辨率為640 mm×480 mm，則可得到w=5.6 μm×640 mm=3.584 mm,h=5.6 μm×480 mm=2.688 mm。相機1、4工作距離為150 mm，拍攝的目標物體尺寸為25 mm×40 mm，根據(jù)公式(4)有：

為保證視場角能達到要求，相機1的鏡頭距離應為8 mm。相機2、3的工作距離與相機1、4相同，視場為50 mm×40 mm，通過公式(4)可得:

由此可知，鏡頭焦距同樣為8 mm。因此，最終選擇Computar公司的M0814-MP2鏡頭。

4.5 相機安裝方式

一般都將相機安裝在待測膠囊正上方[6]。但待檢膠囊邊緣區(qū)域會成為相機的盲區(qū)。若該盲區(qū)存在缺陷，是無法體現(xiàn)在圖像上的，勢必會造成膠囊缺陷的漏檢。因此將相機2、3安裝在2個待測膠囊間隙的正上方，可以消除視野盲區(qū)的影響。如圖7所示。

5 光源設(shè)計

光源是相機采集環(huán)節(jié)的首要部件之一，采集的圖像質(zhì)量受其影響很大，進而影響到系統(tǒng)的性能[25]。選擇優(yōu)質(zhì)的光源不僅可以突出目標特征，同時也可以減少甚至抑制和消除無關(guān)的部分，對降低后續(xù)計算機圖像處理算法的復雜度，提高檢測精度來說至關(guān)重要。

膠囊缺陷類別很多(表1)，針對不同缺陷的空間結(jié)構(gòu)以及黑白相機、彩色相機中的圖像差別，以往單一的光源照射已經(jīng)無法滿足膠囊實際生產(chǎn)需求，進行以下光源方案設(shè)計。

表1 膠囊缺陷類別Tab.1 Capsule defect categories

5.1 柱面光源設(shè)計

LED光源內(nèi)部由許多小的LED燈泡組成，可根據(jù)膠囊不同檢測部分制成不同的結(jié)構(gòu)，從而改變光源的照射角度[26]。同時，通過直流電源供電，不僅可以穩(wěn)定光源的色彩和亮度，也可對不同膠囊表

面特征和材質(zhì)選擇不同波長的光源，從而實現(xiàn)多種顏色光源的轉(zhuǎn)換。實驗證明(圖8)：紅外LED光源穿透能力最強，為降低后續(xù)計算機處理的復雜度，我們選擇紅外光源。

圖8 不同光源對同一膠囊的成像效果Fig.8 The imaging effect of different light sources on the same capsule

為凸顯不同顏色膠囊的輪廓特征，便于尺寸類缺陷檢測，借鑒人工分揀的經(jīng)驗，采用背面照明，避免了空膠囊因其表面反光而無法清晰獲取膠囊圖像的問題。為獲得均勻的光照條件，相機2、相機3必須對應獨立的光源，同時合理加長光源板，使相機視場中待檢測的4個膠囊處于亮度保持一致的中間部分。結(jié)構(gòu)簡圖如圖9。

圖9 光源結(jié)構(gòu)分布Fig.9 Light source structure distribution

條形LED光源如果低角度照射，可以突出膠囊表面印字、破損、異色等特征，增強彩色相機的攝像質(zhì)量，對膠囊缺陷檢測的準確率提高具有重要意義。故相機4打光方式如圖10。

圖10 打光方式Fig.10 Lighting method

5.2 端面光源設(shè)計

端面圖像獲取過程中，若相機1單純依靠背光源照明，其半球面結(jié)構(gòu)導致盲區(qū)的存在，無法得到完整的端面圖像。如果采取兩臺相機，不僅提高了成本，也增大了計算機圖像處理的復雜度。為此在不改變相機1拍攝方式的前提下，可以在傳送帶膠囊槽兩側(cè)各加裝一個平行光源進行正面照明，通過觀察進入相機1的反射光是否存在異常來判斷膠囊端面是否存在缺陷。結(jié)構(gòu)如圖11。

圖11 膠囊端面光源結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.11 Structural design of the capsule end light source

6 結(jié)語

論文提出的供料排序裝置、傳送觸發(fā)裝置、光源供給裝置、圖像采集裝置可以實現(xiàn)膠囊表面360°全面采集，并將采集的圖像傳送給計算機圖像處理單元分析得出結(jié)果，通過串口控制踢廢機構(gòu)，實現(xiàn)不合格膠囊的分揀，提高了設(shè)備的處理能力。下一步，進行檢測設(shè)備樣機的加工制作，驗證膠囊缺陷檢測的準確性，以期為缺陷檢測、產(chǎn)品質(zhì)量追溯、產(chǎn)品分揀以及故障診斷提供借鑒和參考。