基于機器視覺的酒液異物檢測設(shè)備研究與設(shè)計*

楊新春，韋懿禾

(1.合肥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，安徽 合肥 230001；2.中國石油大學，北京 102249)

0 引言

中國白酒隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，其消費市場在世界范圍內(nèi)逐步拓寬[1]。在白酒市場發(fā)展的同時，消費者對白酒的質(zhì)量也愈來愈關(guān)注[2]，白酒生產(chǎn)廠家面臨著極大的挑戰(zhàn)和激烈的競爭。因此，生產(chǎn)廠商加大了酒品生產(chǎn)過程的監(jiān)督力度，以消費者的健康和生命安全為起點，將酒品的生產(chǎn)質(zhì)量作為企業(yè)長久生存和持續(xù)發(fā)展的保障。

目前，在白酒的生產(chǎn)灌裝過程中，由于瓶體制造、生產(chǎn)工藝、封裝技術(shù)等多方面的原因，酒液中可能會出現(xiàn)一些異物雜質(zhì)，在影響酒品質(zhì)量的同時也影響消費者的健康。由于中國白酒瓶身外觀設(shè)計復(fù)雜，酒瓶內(nèi)部異物檢測難度極高，而現(xiàn)有的酒液異物檢測技術(shù)大致可分為人工檢測、激光檢測、光電檢測、機器視覺檢測等[3]，這些檢測技術(shù)對于尺寸較大的雜質(zhì)(1 mm以上)具有部分效果[4]，無法滿足實際生產(chǎn)需求。因此，本文設(shè)計開發(fā)了一種白酒酒液異物檢測裝置，采用高效圖像采集設(shè)備獲取酒瓶翻轉(zhuǎn)前后的連續(xù)多幀圖像進行檢測，極大地提高了酒液異物檢測的精確度和檢測效率。

1 酒液異物檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

酒液異物檢測設(shè)備由工作臺、多級輸送臺、二級機械臂和圖像采集裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作臺上安裝固定有弧形擋板、轉(zhuǎn)盤和旋轉(zhuǎn)輸送盤，每一級輸送臺端部與弧形擋板相連；旋轉(zhuǎn)輸送盤上安裝有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，用于旋轉(zhuǎn)酒瓶，第一轉(zhuǎn)盤負責將酒瓶從第一輸送臺沿第一弧形擋板運送至旋轉(zhuǎn)輸送盤上，第二輸送臺端部固定安裝有第二弧形擋板，第二轉(zhuǎn)盤負責將酒瓶從旋轉(zhuǎn)輸送盤沿第二弧形擋板運送至第二輸送臺上；第一轉(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤邊緣均設(shè)有與酒瓶瓶身配合的卡槽，卡槽沿第一轉(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤邊緣均勻分布設(shè)置；第二輸送臺與第三輸送臺之間設(shè)有檢測輸送臺，檢測輸送臺上設(shè)有圖像采集設(shè)備，用于采集酒瓶圖像；第二輸送臺與檢測輸送臺之間設(shè)有第一機械臂，第三輸送臺上設(shè)有第二機械臂。

圖1 白酒酒液異物檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

由于圖像處理裝置可能會漏判靜止吸附在瓶身上的雜質(zhì)，降低異物檢測的準確率，為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的安裝板固定在旋轉(zhuǎn)輸送盤上，安裝板上固定有直線電機，直線電機上的滑塊與安裝架固定，安裝架內(nèi)部貫穿有能夠帶動酒瓶轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)套圈，旋轉(zhuǎn)套圈內(nèi)壁設(shè)有用于與酒瓶瓶身接觸并帶動酒瓶轉(zhuǎn)動的橡膠層，將酒瓶傾斜45°～80°，讓旋轉(zhuǎn)的酒體沖洗瓶蓋，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)轉(zhuǎn)動帶動酒瓶快速、安全地旋轉(zhuǎn)和振蕩之后急停，則雜質(zhì)會隨著酒液繼續(xù)在瓶內(nèi)運動，從而使得圖像處理裝置能夠獲得清晰的圖像信息。

圖2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)

1.2 檢測原理及算法

瓶裝白酒的異物雜質(zhì)監(jiān)測主要以機器視覺為基本原理，采用高清攝像頭對運輸臺上運輸?shù)钠垦b白酒進行序列圖像抓取，以檢測酒液內(nèi)是否存在金屬屑、毛發(fā)、蚊蟲、玻璃碎屑等雜質(zhì)[5]。

1.2.1 圖像采集

高效地進行異物雜質(zhì)圖像采集，必須以合理的光源以及光照方式為基礎(chǔ)[6，7]。因為LED燈功耗低、發(fā)熱量少、亮度高、環(huán)境適應(yīng)能力強，能為目標提供良好的照明環(huán)境，最終選取LED燈作為光源。本文采用兩種照明方式：當檢測目標為黑色可見雜質(zhì)時，采用平板 LED 透射成像，所獲得的序列圖像背景為白色，由于雜質(zhì)遮擋了光線而呈黑色；當檢測目標為白色時，采用黑背景成像方式，減少圖像上形成的亮斑，避免有用信息的丟失。

1.2.2 圖像預(yù)處理

由于獲取到的酒液圖像包括異物雜質(zhì)和受噪聲干擾的背景，因此需要對圖像進行預(yù)處理，以保留有用信息。主要處理步驟如下：

(1) Gamma校正。預(yù)處理LED燈照射過程中使瓶身產(chǎn)生的反射或者折射效應(yīng)，形成高亮區(qū)域，采用Gamma校正高亮區(qū)域的對比度。

(2) 均值濾波。采用中值濾波法對圖像進行脈沖信號干擾濾波處理，在消除圖像中噪聲的同時保證細節(jié)信息。對經(jīng)過Gamma校正后的灰度圖采用改進的均值濾波在有效消除噪聲的同時較好地保留了完整信息。

(3) 差影法。采用差影法對圖像進行減運算以降低干擾對圖像的影響，當酒瓶進入檢測區(qū)域時，將酒瓶旋轉(zhuǎn)進行分離，酒瓶旋轉(zhuǎn)后停止，酒液內(nèi)部的異物不會立即停止運動，在此期間，獲取酒瓶圖像信息，并通過得到的前后圖像分離出微小的運動目標，有效消除瓶身內(nèi)部劃痕以及反光等非檢測目標的影響。

1.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計

酒液異物檢測設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，選用一臺PLC負責整個系統(tǒng)的底層工作，包括系統(tǒng)協(xié)調(diào)、流水線對接、旋轉(zhuǎn)控制和機械臂控制。

圖3 電氣控制系統(tǒng)框圖

1.4 設(shè)備工作流程

設(shè)備工作流程如圖4所示，設(shè)備上電之后，酒瓶經(jīng)由輸送臺運輸、轉(zhuǎn)盤等間距分隔后導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)輸送盤；旋轉(zhuǎn)輸送盤上的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)利用旋轉(zhuǎn)套圈將酒瓶夾持并通過旋轉(zhuǎn)和振動使得酒瓶里面的雜質(zhì)充分運動起來；經(jīng)過再次分隔與輸送，酒瓶導(dǎo)入第二輸送臺，經(jīng)第一機械臂轉(zhuǎn)移至檢測臺；由圖像采集設(shè)備進行圖像信息采集，通過數(shù)據(jù)的上傳、處理與分析，判斷瓶內(nèi)是否含有雜質(zhì)，檢測到瓶內(nèi)含有雜質(zhì)時，經(jīng)第二機械臂轉(zhuǎn)移至次品臺，合格品從檢測輸送臺進入第三輸送臺送至后續(xù)工段。

圖4 設(shè)備工作流程

2 檢測試驗結(jié)果與分析

從市場中購得某品牌的250 mL透明玻璃瓶裝酒300瓶，其中合格品200瓶，含玻璃細屑30瓶、白色纖維20瓶、蚊蟲10瓶、金屬屑20瓶、毛發(fā)20瓶。對 300瓶酒液異物進行檢測，酒液異物檢測設(shè)備實物如圖5所示。

圖5 白酒酒液異物檢測設(shè)備實物

在樣品檢測過程中，以3 600瓶/小時的速度進行20次檢測，同時聘請6名技術(shù)人員同一時間內(nèi)進行人工檢測，檢測結(jié)果與數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。由于檢測樣品是市場上購買所得，所以兩種檢測對不合格品的檢測正確率都比較高，與人工檢測相比，酒液異物監(jiān)測設(shè)備的檢測正確率更高。

表1 檢測結(jié)果

表2 雜質(zhì)檢測數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)論

本白酒酒液異物檢測設(shè)備通過對當前檢測技術(shù)的改進以及創(chuàng)新，利用高精度旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)酒瓶的快速安全旋轉(zhuǎn)，利用高端機械臂精確完成酒瓶的傳輸與不合格品的轉(zhuǎn)移，利用高精度、高準確率圖像獲取裝置實時處理獲取的圖像信息并判斷出不合格品，支持淺色透明瓶身，不僅可以廣泛應(yīng)用于各廠家的白酒生產(chǎn)，同時也可廣泛應(yīng)用于啤酒、口服液等領(lǐng)域，極大地提高了透明瓶體內(nèi)部異物檢測的檢測效率，并充分發(fā)揮異物檢測設(shè)備的效能。