智能化快速檢測(cè)膠囊外形缺陷儀

創(chuàng)新者：胡佳麗 郭天太 吳聿聰 王道檔 趙超杰

智能化快速檢測(cè)膠囊外形缺陷儀

創(chuàng)新者：胡佳麗 郭天太 吳聿聰 王道檔 趙超杰

傳統(tǒng)的膠囊分揀方法效率低、漏檢率高，會(huì)對(duì)膠囊質(zhì)量造成巨大影響。針對(duì)這一問(wèn)題，將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于膠囊外形缺陷的檢測(cè)，開發(fā)了一種膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)醫(yī)用空心膠囊表面缺陷的全方位檢測(cè)。對(duì)該儀器的總體結(jié)構(gòu)與工作原理，以及其中的關(guān)鍵部分圖像采集模塊、圖像處理模塊和篩選控制模塊進(jìn)行介紹。該儀器檢測(cè)速度快，誤檢率小，在醫(yī)用空心膠囊外形缺陷的檢測(cè)中具有較好的實(shí)用性。

膠囊藥物在我國(guó)有著巨大的市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)人均服用膠囊藥物77粒/年，按全國(guó)136407萬(wàn)人計(jì)算，我國(guó)的膠囊需求量大約是1000億粒/年。然而，有缺陷的不符合標(biāo)準(zhǔn)的空心膠囊會(huì)對(duì)人體健康造成傷害，因此，在膠囊的生產(chǎn)過(guò)程中必須對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制。由于膠囊顆粒小、數(shù)量多、種類繁、型號(hào)雜，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)已不能滿足快速的工業(yè)化需求，但要開發(fā)出快速檢測(cè)、準(zhǔn)確識(shí)別多種缺陷類型、性價(jià)比高的設(shè)備又比較困難。圖像處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為解決這一難題提供了很好的條件?；谶@樣的應(yīng)用需求和背景，本文開發(fā)了一種膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀，以提高膠囊缺陷檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確率，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)需要。

膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀的總體介紹

膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工控機(jī)、相機(jī)、I/O控制卡和剔除裝置等組成。其中，工控機(jī)是核心控件，對(duì)黑白彩色相機(jī)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)圖像的采集，由圖像處理軟件完成圖像的后續(xù)處理。I/O控制卡控制接近開關(guān)與剔除裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷膠囊的剔除。

圖1 總體結(jié)構(gòu)方框圖

按照功能，儀器可分為圖像采集模塊、圖像處理模塊和篩選控制模塊等模塊。圖像采集模塊包括攝像頭和照明系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)圖像采集功能；圖像處理模塊在工控機(jī)中實(shí)現(xiàn)，主要負(fù)責(zé)膠囊圖像的提取和缺陷的識(shí)別；篩選控制模塊實(shí)現(xiàn)膠囊的分選，剔除不合格品。

膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀的工作原理如圖2所示。膠囊從料斗倒入傳送帶，經(jīng)過(guò)震蕩排列機(jī)構(gòu)，通過(guò)不斷的震蕩排序使膠囊能順利進(jìn)入膠囊槽中，隨后傳送到檢測(cè)位置。在光源照射下，攝像頭采集膠囊圖像輸入工控機(jī)，利用專門的圖像處理模塊檢測(cè)膠囊缺陷，確定產(chǎn)品是否合格，不合格的產(chǎn)品被剔除到次品槽中。

圖2 膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀的工作原理

該儀器目前已可以實(shí)現(xiàn)對(duì)膠囊外形的快速檢測(cè)，具備對(duì)具有超長(zhǎng)、超短等尺寸不良缺陷，以及黑點(diǎn)、油污、混色等表面瑕疵膠囊的檢測(cè)功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，其誤檢率為1％，檢測(cè)速度可達(dá)到1400粒/min（84000粒/h）。

儀器采集模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于圖像采集模塊，主要需要考慮圖像采集時(shí)攝像機(jī)的選取以及光照設(shè)置。只有膠囊表面受光均勻，反光程度小，才能用攝像機(jī)獲得高質(zhì)量的圖像，方便后續(xù)的圖像處理。為了減輕圖像處理過(guò)程的負(fù)擔(dān)，要對(duì)光照進(jìn)行合理設(shè)置。同時(shí)，在考慮檢測(cè)速度的同時(shí)，選取幀率較高的攝像機(jī)。

攝像機(jī)的配置

要實(shí)現(xiàn)1400粒/min的檢測(cè)速度，膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀所配置的攝像機(jī)的幀率需要不低于24幀/s。在膠囊檢測(cè)中，計(jì)算量較大。為更快地得到運(yùn)算結(jié)果，采用5部相機(jī)進(jìn)行膠囊圖像采集，包括2部黑白相機(jī)和3部彩色相機(jī)。其中，黑白相機(jī)用于采集膠囊的灰度圖像，可直接用于對(duì)膠囊缺陷的識(shí)別；彩色相機(jī)主要用于對(duì)膠囊端面圖像的采集，通過(guò)分析彩色圖像，可以檢測(cè)膠囊端面是否存在缺陷，同時(shí)彩色圖像也可以直接用于對(duì)膠囊顏色的判別，方便剔除一些顏色不同的膠囊。

所配置的攝像機(jī)除了要求能成像清晰外，還需要能夠簡(jiǎn)單操作、具有較好的實(shí)時(shí)性和傳輸?shù)姆€(wěn)定性?；谝陨弦螅z囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀中的黑白相機(jī)采用AVT Guppy F-125B，彩色相機(jī)采用AVT Stingray F-125C。同時(shí)，為黑白相機(jī)和彩色相機(jī)配置焦距16mm，能成8.8*6.6mm2像的合適鏡頭，以獲取更高質(zhì)量的膠囊圖像。

光照的設(shè)置

本儀器主要是對(duì)半透明的空心膠囊進(jìn)行檢測(cè)，容易出現(xiàn)反光、光照不均勻的現(xiàn)象，所以在膠囊圖像采集過(guò)程中，要對(duì)其進(jìn)行特殊的光照處理。因所配置的攝像機(jī)有黑白相機(jī)和彩色相機(jī)，故需要采用不同的光照環(huán)境。

對(duì)于黑白相機(jī)，采用LED背光源設(shè)計(jì)。因黑白相機(jī)對(duì)紅外光比較敏感，故采用近紅外LED背光源，其光線穿透能力強(qiáng)，工作波長(zhǎng)λ為850nm。該背光源設(shè)計(jì)可以使得采集的膠囊圖像輪廓分明，從而方便后續(xù)的圖像處理過(guò)程中對(duì)圖像特征值的提取，減少工作時(shí)間。

對(duì)于彩色相機(jī)，為了檢測(cè)膠囊端面的相關(guān)缺陷，而需要采集的膠囊圖像的色彩度比較明顯，因此采用了條形光源。

為得到較為明亮的視場(chǎng)環(huán)境，配置了兩條光源進(jìn)行正面照射。為了采集到質(zhì)量較好的膠囊圖像，通過(guò)調(diào)整照射角度到最佳位置，從而確保兩條光源正對(duì)著膠囊照射進(jìn)行工作。

圖像處理模塊設(shè)計(jì)

由采集模塊得到的原始圖像具有噪聲大、光照不均勻等缺點(diǎn)，不適合直接用于對(duì)膠囊的缺陷判斷。只有通過(guò)對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，將背景圖像與檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行區(qū)分，獲取圖像的感興趣區(qū)域，并將感興趣區(qū)域內(nèi)的膠囊圖像與膠囊缺陷特征庫(kù)內(nèi)的圖像進(jìn)行對(duì)比分析，才能判斷膠囊的缺陷類型。

膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀的圖像處理流程如下：

1）將采集到的圖像進(jìn)行灰度化、濾波等預(yù)處理，從預(yù)處理后的圖像中裁剪出需要進(jìn)行后續(xù)處理的圖形區(qū)域；

2）對(duì)預(yù)處理后的膠囊圖像進(jìn)行特征提取，獲取檢測(cè)膠囊的特征要素；

3）將提取的輪廓圖像與已有的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，判斷膠囊是否符合標(biāo)準(zhǔn)，以及缺陷類型；

4）對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的缺陷膠囊進(jìn)行剔除；

5）通過(guò)計(jì)算機(jī)記錄相關(guān)的缺陷膠囊數(shù)據(jù)以及合格膠囊數(shù)據(jù)。

儀器篩選模塊設(shè)計(jì)

圖像處理模塊只能檢測(cè)出缺陷膠囊，但不能對(duì)其進(jìn)行剔除。只有當(dāng)膠囊進(jìn)入篩選模塊時(shí)，才能根據(jù)工控機(jī)給定的標(biāo)記位置對(duì)相應(yīng)位置的缺陷膠囊進(jìn)行剔除。篩選模塊的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)缺陷膠囊位置標(biāo)記的設(shè)計(jì)和剔除裝置的設(shè)計(jì)。合理設(shè)計(jì)對(duì)缺陷膠囊位置的標(biāo)記，可以更準(zhǔn)確地確定缺陷膠囊，提高檢測(cè)速度。設(shè)計(jì)高效的剔除裝置，可以保證檢測(cè)過(guò)程的快速進(jìn)行。

缺陷膠囊位置標(biāo)記設(shè)計(jì)

膠囊通過(guò)傳送帶傳輸，傳送帶由齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，對(duì)齒輪進(jìn)行標(biāo)記可以有效地確定膠囊的實(shí)際位置。本儀器采用接近開關(guān)對(duì)齒輪進(jìn)行計(jì)數(shù)，因?yàn)榻咏_關(guān)不需要與機(jī)械進(jìn)行接觸，無(wú)需對(duì)機(jī)械施加任何壓力，便能夠使開關(guān)動(dòng)作給工控機(jī)提供指令。工控機(jī)將每一個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與膠囊傳送的格數(shù)相對(duì)應(yīng)，通過(guò)計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)的齒數(shù)來(lái)確定缺陷膠囊是否到達(dá)目標(biāo)位置。

剔除裝置設(shè)計(jì)

隨著高溫高壓技術(shù)的提高，吹氣裝置以其獨(dú)有的恒流性在測(cè)量液體、密度、界面方向得到了廣泛的應(yīng)用。由于本儀器的檢測(cè)對(duì)象是醫(yī)用空心膠囊，其顆粒小、質(zhì)量輕、數(shù)量多，因此本文采用吹氣裝置產(chǎn)生高壓氣體對(duì)檢測(cè)膠囊進(jìn)行控制。利用吸氣管對(duì)膠囊產(chǎn)生輕微的吸附作用，從而保證膠囊在傳送帶上平穩(wěn)運(yùn)行而不至于四處滾動(dòng)；并利用吹氣管對(duì)缺陷膠囊進(jìn)行高壓吹氣，將缺陷膠囊吹入不合格品回收槽中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷膠囊的剔除。

對(duì)于吹氣裝置的設(shè)計(jì)，主要是對(duì)由吸氣管以及吹氣管組成的風(fēng)機(jī)氣管的設(shè)計(jì)，將5根管子作為吸氣管，4根作為吹氣管，1根作為清理管。通過(guò)10根氣管的作用，實(shí)現(xiàn)在膠囊圖像處理后對(duì)膠囊的篩選，將合格膠囊和不合格膠囊吹入相應(yīng)的槽中，從而完成對(duì)膠囊外形的分選。

結(jié)語(yǔ)

本文將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于膠囊外形檢測(cè)，開發(fā)了一種膠囊外形缺陷智能化快速檢測(cè)儀，通過(guò)硬件、軟件、機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于膠囊外形的智能化自動(dòng)檢測(cè)。本文的研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)膠囊外形質(zhì)量的快速檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

胡佳麗 郭天太 吳聿聰 王道檔 趙超杰

中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院

胡佳麗（1993.2-）女，漢，浙江紹興，中國(guó)計(jì)量學(xué)院，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與儀器。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.031

項(xiàng)目名稱：2014年浙江省大學(xué)生科研創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目：膠囊外形智能化快速檢測(cè)儀，項(xiàng)目編號(hào)：2014R409047