機(jī)器視覺技術(shù)在包裝盒檢測(cè)中的應(yīng)用研究

徐松

摘要：機(jī)器視覺不僅能夠模仿人的視覺功能，同時(shí)其還能模仿人腦的信息識(shí)別及分析功能，機(jī)器視覺得到的信息數(shù)據(jù)，會(huì)經(jīng)過提取有效信息，信息歸類整理，再用作實(shí)際應(yīng)用中的檢測(cè)、控制等，在實(shí)際操作中多用于對(duì)圖案進(jìn)行對(duì)比，相比于其他行業(yè)，機(jī)器視覺在蛋品質(zhì)檢測(cè)中有著極大的優(yōu)勢(shì)，機(jī)器視覺將蛋類的表面參數(shù)記錄并加以整理，結(jié)果更加公正客觀，可以大幅提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，不過將機(jī)器視覺運(yùn)用在其他行業(yè)也有著其不可替代的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺技術(shù);光源;剔除系統(tǒng)

檢測(cè)技術(shù)是在我國(guó)生產(chǎn)、科研等各方面應(yīng)用較廣的技術(shù)，在生產(chǎn)領(lǐng)域，檢測(cè)技術(shù)用于檢測(cè)產(chǎn)品的質(zhì)量、合格率等參數(shù)，從而提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，增加企業(yè)收入[1];在日常生活領(lǐng)域，檢測(cè)技術(shù)用于測(cè)量住房甲醛、室內(nèi)溫度濕度等以保證人們的生活質(zhì)量，隨著生活水平的日益提高，社會(huì)對(duì)于檢測(cè)技術(shù)的要求也會(huì)隨之增高，目前市面上的檢測(cè)技術(shù)雖然能夠檢測(cè)企業(yè)需要的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，但是數(shù)據(jù)精度低，且其檢測(cè)設(shè)備沒有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存能力，因此發(fā)展新型檢測(cè)技術(shù)是我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

1 機(jī)器視覺簡(jiǎn)介

機(jī)器視覺技術(shù)是一種新型檢測(cè)技術(shù)，機(jī)器視覺主要是模擬人眼對(duì)圖案的觀察、分析、接受等功能，機(jī)器視覺不僅僅能夠模仿人的視覺功能，同時(shí)其還能模仿人腦的信息識(shí)別及分析功能，機(jī)器視覺得到的信息數(shù)據(jù)，會(huì)經(jīng)過提取有效信息，信息歸類整理，再用作實(shí)際應(yīng)用中的檢測(cè)、控制等，機(jī)器視覺是多學(xué)科的交叉融合，其具有信息處理快、信息量大、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際操作中多用于對(duì)圖案進(jìn)行對(duì)比，相比于其他行業(yè)，機(jī)器視覺在蛋品質(zhì)檢測(cè)中有著極大的優(yōu)勢(shì)，機(jī)器視覺將蛋類的表面參數(shù)記錄并加以整理，結(jié)果更加公正客觀，可以大幅提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，不過將機(jī)器視覺運(yùn)用在其他行業(yè)也有著其不可替代的優(yōu)勢(shì)，例如通過機(jī)器視覺檢測(cè)包裝盒系統(tǒng)，機(jī)器視覺可以先采集需要的檢測(cè)信息，將信息處理并生成圖像信號(hào)，然后通過數(shù)據(jù)分析處理提取出需要的信號(hào)數(shù)據(jù)，以輸出的信號(hào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比包裝盒系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障[2]。

機(jī)器視覺檢測(cè)具有許多傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)無法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)可以擁有更高的精度檢測(cè)和效率，同時(shí)機(jī)器視覺成本較低，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長(zhǎng)，便于檢測(cè)者分析和查詢數(shù)據(jù)信息，隨著我國(guó)技術(shù)和科學(xué)的快速發(fā)展，我國(guó)的產(chǎn)品檢測(cè)要求也會(huì)不斷增高，傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)將難以適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展要求，而機(jī)器視覺檢測(cè)則可以為新興企業(yè)提高更高質(zhì)的檢測(cè)方法，是未來企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要支撐[3]。

2 機(jī)器視覺在檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

機(jī)器視覺檢測(cè)可以獲得更多的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)信息處理難度不高，所以在實(shí)際生活中，機(jī)器視覺技術(shù)一般被用到工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

一般而言，機(jī)器視覺是通過如下步驟完成數(shù)據(jù)檢測(cè)的：首先，確定檢測(cè)的具體需求，根據(jù)具體需求選擇合適的光源，如藍(lán)光白光等，在確定光源之后，需要設(shè)計(jì)合理的成像系統(tǒng)，通過成像系統(tǒng)獲取更高像素、更高質(zhì)量的圖像信息，從而保證檢測(cè)結(jié)果的精確性，另外還需要設(shè)置圖像采集卡，其主要是將機(jī)器視覺采集到的圖像信息發(fā)送到電腦端[4];一般來說，由于檢測(cè)環(huán)境的影響，檢測(cè)中獲取的圖形信息會(huì)有一定的噪聲，所以在圖像處理與決策模塊先要進(jìn)行圖像的預(yù)處理以獲得清晰的圖片，然后根據(jù)具體種類的被測(cè)目標(biāo)的圖像特點(diǎn)，設(shè)計(jì)算法對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測(cè)、識(shí)別，產(chǎn)生判決決策給控制執(zhí)行模塊;控制執(zhí)行模塊根據(jù)圖像處理與決策模塊產(chǎn)生的決策結(jié)果來執(zhí)行，該模塊通常包括機(jī)械控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng);機(jī)械控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)控制、電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信。

3 基于視覺檢測(cè)技術(shù)的包裝盒檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)將設(shè)置3個(gè)相機(jī)，分別在被檢測(cè)物體的兩側(cè)及上端，3個(gè)相機(jī)將用于檢測(cè)包裝盒的端面翹角以及上表面缺陷，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的過程中，由于考慮到光源之間的相互干擾，為增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用分時(shí)拍照技術(shù)，同時(shí)在被檢測(cè)物體的兩側(cè)和上方設(shè)置同步傳感器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量。

3.1 包裝盒端面檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

端面檢測(cè)設(shè)置主要通過相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，在其左右兩側(cè)設(shè)置工業(yè)相機(jī)，具體設(shè)置如圖1所示，相機(jī)的分辨率為130萬像素，同時(shí)通過設(shè)備向包裝盒的四個(gè)頂角處投射藍(lán)色條狀光源，在側(cè)度打光。

3.2 包裝盒上表面檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)上表面時(shí)，需要通過分辨率為130萬像素的相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，將相機(jī)設(shè)置于包裝盒的正上方，其位置垂直于包裝盒，但此時(shí)的相機(jī)無法檢測(cè)完整的包裝盒表面積數(shù)據(jù)，而是僅能檢測(cè)到一般，因此需要在左右兩端設(shè)置白色光源，通過高反光的原理和相機(jī)的灰度檢測(cè)工具，檢測(cè)左右兩端的包裝盒數(shù)據(jù)。同時(shí)，在設(shè)置時(shí)也可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求，通過兩臺(tái)相機(jī)檢測(cè)上表面。

3.3 自動(dòng)剔除裝置

本實(shí)驗(yàn)中采用了皮帶輸送包裝盒，通過“側(cè)面高速氣缸剔除”的方案，具體裝置設(shè)置如圖2所示：

包裝盒的剔除方式，在實(shí)驗(yàn)中我們采用了電磁閥剔除，相較于其他剔除方式，電磁閥剔除具有高效率、易控制等優(yōu)點(diǎn)，在通過以上裝置分析每個(gè)包裝盒的圖像之后，如果包裝盒臺(tái)中有一定的缺陷，則會(huì)產(chǎn)生剔除信號(hào)，工控機(jī)輸出信號(hào)到電磁閥，控制氣缸推桿做出剔除動(dòng)作。

3.4 本設(shè)計(jì)對(duì)包裝盒完整性檢測(cè)的改善

項(xiàng)目實(shí)施前，10mm以下的包裝盒無法檢測(cè);當(dāng)檢測(cè)到爛包裝盒時(shí)機(jī)器報(bào)警并停機(jī)，必須人為干預(yù)才恢復(fù)生產(chǎn)。隨著報(bào)警次數(shù)的增多，大大降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率，急需改善。

項(xiàng)目實(shí)施后，安裝異常包裝盒在線檢測(cè)裝置后不需要停機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)剔除問題包裝盒，問題包裝盒自動(dòng)存放在收集箱里，當(dāng)收集箱快要滿時(shí)系統(tǒng)報(bào)警，通知操作人員及時(shí)取出，避免阻塞剔除通道。由此能顯著降低操作人員的工作強(qiáng)度，提高有效作業(yè)率，使得機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，不僅提高的生產(chǎn)效率，還提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4 包裝盒分離設(shè)計(jì)

在檢測(cè)時(shí)，由于需要對(duì)每個(gè)包裝盒進(jìn)行檢測(cè)，因此在實(shí)驗(yàn)中需設(shè)置包裝盒分離機(jī)制，將測(cè)試臺(tái)上的每個(gè)包裝盒進(jìn)行分離，以便視覺機(jī)器可以檢測(cè)到每個(gè)包裝盒的包裝特性。

通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)帆布材質(zhì)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)使分條器皮帶轉(zhuǎn)速略小于軌道輸送皮帶速度即可實(shí)現(xiàn)分條。

5 視覺檢測(cè)設(shè)計(jì)

5.1 光源設(shè)計(jì)

光源設(shè)計(jì)是包裝盒檢測(cè)中非常重要的一環(huán)。在日常生活中，包裝盒的種類豐富多樣，有時(shí)僅僅是同一個(gè)工廠，包裝盒的種類也有七八種之多，外包裝則更加豐富，有些包裝盒的金拉線是金色，有些是白色，同時(shí)在包裝過程中由于操作條件限制，包裝盒外包裝質(zhì)量參差不齊，缺陷多種多樣，從而增加了檢測(cè)的難度。

有的包裝盒外包裝為透明紙，而藍(lán)色光源照射透明紙時(shí)雖然無法直接穿透透明紙，但是由于其可以得到極好的反射效果，所以更加適合檢測(cè)包裝盒的表面物質(zhì)，在使用光源進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，如果光源使用圓形或者方形光源，容易造成照射邊緣過亮等現(xiàn)象，為了保證光線照射均勻，在檢測(cè)時(shí)需選用條形形狀的光源，在本設(shè)置中考慮到光照角度等問題。

相機(jī)設(shè)置可以增加到7個(gè)方位，對(duì)包裝盒外包裝進(jìn)行全方位檢測(cè)，裝置中選用的LED燈可以根據(jù)外包裝的反光程度及室內(nèi)光線等自動(dòng)調(diào)整照射明度及方位，從而確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性，在設(shè)計(jì)中，將條形光源的角度調(diào)低，可以更加容易獲取包裝盒的表面形狀以及除去色差。

5.2 光路設(shè)計(jì)

在檢測(cè)中，光線的光路設(shè)計(jì)也極為重要，一般來說，光線進(jìn)入相機(jī)的路線有兩種，一種是直接式，即當(dāng)光源的光線照射到包裝盒表面時(shí)，透明紙反射到相機(jī)的光線的一種形式，直接式的線路最大特點(diǎn)在于光線損失較少;另一種線路方式時(shí)間接式，間接式的光線主要是指當(dāng)從光從光源處照射到包裝盒包裝時(shí)，光線反射到鏡面，再通過鏡面反射到相機(jī)，由于光線在反射的過程中增加了鏡面這一環(huán)節(jié)。

5.3 曝光方式

LED的曝光方式主要有三種，第一種是單側(cè)曝光，方式簡(jiǎn)單，但是很容易在被測(cè)物上造成陰影;第二種是對(duì)側(cè)曝光，該方式可以解決陰影產(chǎn)生的問題，但是如果出現(xiàn)外包裝紋理與光線平行的情況，圖像的清晰度會(huì)降低;第三種是四面曝光，也就是本次設(shè)計(jì)所采用的方式，它可以完美避免上述問題的出現(xiàn)。

6 結(jié)語

機(jī)器視覺技術(shù)是一種新型的檢測(cè)技術(shù)，本實(shí)驗(yàn)中通過三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，即分別用彩色攝像機(jī)+白色光源、黑白相機(jī)+藍(lán)色光源、工業(yè)紅外攝像機(jī)+紅外光源三種方式對(duì)包裝盒進(jìn)行了檢測(cè)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，如果需要檢測(cè)包裝盒的透明紙折痕，則通過工業(yè)紅外攝像機(jī)+紅外光源方式可以得到更清晰的數(shù)據(jù)，如果實(shí)驗(yàn)條件也有限，也可以通過黑白相機(jī)+藍(lán)色光源進(jìn)行檢測(cè)，但是其數(shù)據(jù)清晰度會(huì)有所降低，同時(shí)在進(jìn)行機(jī)器視覺技術(shù)檢測(cè)時(shí)，需要特別注意光源的干擾情況，可以盡量選擇面積較大的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以避免光源影響，同時(shí)確保數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒鵬飛.機(jī)器視覺技術(shù)以及其在機(jī)械制造自動(dòng)化中的有效運(yùn)用分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（17）：50-51.

[2]張慧敏，薛琛，郭興召，黃程.基于機(jī)器視覺的線束末端包覆質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].包裝工程，2020，41（13）：237-242.

[3]李敏，周先飛，夏躍武，甘露.基于機(jī)器視覺的汽車儀表檢測(cè)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，22（02）：80-82+117.

[4]金懷國(guó)，夏荒生，曾雄偉.基于機(jī)器視覺技術(shù)的雪茄煙質(zhì)量檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，19（04）：7-11.