在線高速空瓶檢測系統的圖像處理算法

摘要本文論述了國內外高速空瓶檢測技術的發展與應用現狀，介紹了相關的機器視覺和圖像處理技術，深入研究了數據庫的建立，人機界面與數據庫、PLC及圖像處理模塊數據通訊的實現方法。對課題研究過程中出現的問題進行了原因分析，并結合實際情況給出了具體的解決方案。

關鍵詞人機界面機器視覺圖像處理Visual Basic空瓶檢測

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A

1 國內外高速空瓶檢測技術的發展與應用現狀

目前國外，尤其是德國和美國的智能空瓶檢測技術比較成熟，已經有很多成熟的產品，具有高速成套、自動化程度高和可靠性好等特點，應用廣泛。大量采用微電腦技術、模塊技術和單元組合技術，能夠實現對灌裝前空瓶的瓶口、瓶底、瓶壁和殘留液檢測以及灌裝后的實瓶檢測、液位檢測、封裝檢測等。德國的海富(HEUFT)、克朗斯(KRONES)、美灝(miho)、KHS，美國的飛達(Filtec)、ICS Inex等公司都擁有比較成熟的空瓶檢測產品。

我國目前啤酒成套設備的整體水平落后于國外，雖然有一些成型的產品，但是在功能完善、檢測速度、檢測精度等方面都需要提高。有些科研機構也對空瓶檢測技術進行了研究，但是一些關鍵技術設備還需要進口，而且僅限于科學研究的范圍，不能實現批量生產。

2 機器視覺概述

機器視覺是研究用計算機來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學和技術。機器視覺系統是指通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置，分CMOS 和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像處理系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

圖1 表示一個機器視覺系統在最基本層次上的組成。首先對未知物體進行度量，并確定一組特征的度量值，包括被度量對象在圖像中的長、寬和面積。一旦特征經過度量后，其數值就被送到一個實現決策規則的過程中去，這種決策規則一般用一個子程序實現，它對度量值進行計算，并根據所度量的值確定物體最可能屬于的類別。

盡管機器視覺應用各異，但都包括以下幾個過程:

(1)圖像采集。光學系統采集圖像，圖像轉換成模擬格式并傳入計算機存儲器。

(2)圖像處理。處理器運用不同的算法來提高對結論有重要影響的圖像要素。

(3)特性提取。處理器識別并量化圖像的關鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個數，然后這些數據傳送到控制程序。

(4)判決和控制。處理器的控制程序根據收到的數據做出結論。例如:這些數據包括印刷電路板上的洞是否在要求規格以內或者一個自動機器如何必須移動去拾取某一部件。

典型的視覺系統一般包括:光源、光學系統，相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像分析處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。

在啤酒生產線上空瓶檢測系統中應用的機器視覺系統主要由相機、鏡頭、光源、圖像采集卡、PC平臺和控制單元等六部分組成，各個部分之間相互配合，最終完成對空瓶的質量檢測和剔除。空瓶首先經過無壓力輸送單元進入檢測單元，由CCD攝像機依次拍攝瓶壁、瓶口、瓶底、瓶壁的圖像，然后由圖像處理單元對獲得的圖像進行處理，處理結果送入PC平臺及PLC控制單元，由PLC控制相關剔除器將不合格的空瓶剔除。

3 數據庫設計

數據庫是人們快速全面管理數據信息的有效工具，它是在計算機存儲設備上合理存放的結構化的相關數據集合，并與其他部分共同構成數據庫系統。數據庫設計是指對于一個給定的應用環境，構造最優的數據庫模式，建立數據庫及其應用系統，使之能夠有效地存儲數據，滿足各種用戶的應用需求(信息要求和處理要求)。構造數據庫必須遵循一定的規則，在關系數據庫中，這種規則就是范式，關系數據庫中的關系必須滿足一定的要求，即滿足不同的范式。所謂范式，是關系型數據庫關系模式規范化的標準，從規范化的寬松到嚴格，分別為不同的范式，通常使用的有第一范式、第二范式、第三范式及BC范式等。

本系統用Microsoft Access創建數據庫，所需數據庫表共計7個，其中，表BottleSize用來存儲與瓶型相關的數據，表BottleSize2用來存儲當前瓶型的編號及名稱，表info用來存儲故障信息，表rejector_numbers用來存儲檢測及剔除數據的信息，表sensibility用來存儲靈敏度的數據，表test_numbers用來存儲與測試瓶相關的數據，表UserTable用來存儲用戶名、密碼以及用戶權限等數據。

4 圖像處理概述

圖像(Image)就是采用各種觀測系統獲得的，能夠為人類視覺系統所感覺的實體。人的視覺系統本身也是一個觀測系統，它得到的圖像就是客觀景物在人們心目中的有形想象。數字圖像處理(Digital Image Processing)又稱為計算機圖像處理，它是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程。

基本的圖像處理方法可分為點處理和區域處理兩類。點處理只能改變圖像的灰度分布，但不會改變圖像內的空間關系，可以按預定的方式改變圖像的灰度直方圖，最常用的點處理是灰度直方圖均衡。區域處理在處理某一像素時，利用與該像素相鄰的一組像素，經過某種變換得到處理后圖像中某一點的像素值。目標像素的鄰域一般是由像素組成的二維矩陣，目標像素位于該矩陣的中央，經過處理后目標像素的值為經過特定算法計算后所得的結果。圖像中像素的亮度在一定距離上的變化速率稱為圖像的空間頻率，區域處理將改變圖像的空間頻率信息，減緩或增強圖像中的某些特定的頻率分量。區域處理算法一般是針對灰度圖像而進行的，主要的區域處理算法有卷積法、中值濾波法和Sobel邊緣檢測法，大部分的區域處理都采用卷積算法來實現。

5 人機界面與PLC控制單元的通訊

用VB開發OPC客戶程序就要用到OPC自動化接口，自動化接口是為基于腳本編程語言而定義的標準接口，可使用VB、Delphi、PowerBuilder等語言開發OPC服務器的客戶應用。本系統在開發OPC客戶程序時主要用到OPC數據存取(Data Access)規范，為了通過OPC服務器獲取S7 PLC的數據，我們需要根據OPC自動服務器對象模型建立相關的對象，并連接到OPC服務器。OPC三個對象之間的層次關系如圖2所示:

6 結語

本文所研究的在線高速空瓶檢測系統是一個涉及面很廣的在線檢測系統，綜合運用了機械、機器視覺、數字圖像處理、控制以及通訊等技術，對灌裝前高速運動的空瓶進行檢測，剔除不合格的空瓶，保證灌裝線的生產質量。