結合生產線的視覺檢測實驗系統設計

趙巨峰, 高秀敏， 崔光茫

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學 現代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

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結合生產線的視覺檢測實驗系統設計

趙巨峰1,2, 高秀敏1， 崔光茫2

(1.杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學 現代光學儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

設計了結合生產線的視覺檢測實驗系統。首先分析了視覺檢測實驗系統的構成因素；然后分析了如何構建面向生產線的視覺檢測系統的思路與步驟；最后，以藥品生產線瓶蓋縫隙自動檢測設計為例，探討了構建視覺檢測實驗系統過程中的一些問題，給出了具體的設計方案與結果。實踐效果表明，該設計實驗使教學貼近實際應用而提升了學生的學習興趣，加深了理論知識的理解，鍛煉了學生解決工程問題的能力，取得了滿意的教學效果。

視覺檢測; 生產線; 學習興趣; 教學效果

0 引 言

視覺檢測技術利用了電子學、光電檢測、圖像處理、計算機技術等，將其應用于工業生產線，通過輔助實現對產品的尺寸、瑕疵等的快速檢測與判別[1-3]，來實現生產線的自動化檢測與運行。這種技術具有非接觸、定制化、速度快、兼容性好等優點[4-6]。隨著“機器換人”的深入，視覺檢測系統在工業生產線的應用越來越普遍[7-9]。

鑒于視覺檢測技術綜合了諸多課程內容，決定了其是電子、測試技術與儀器、光電工程、計算機科學與技術等專業的本科生和研究生的重要授課內容[10-12]。這些課程存在內容較為抽象，相關的理論知識復雜且零碎，課程實踐性強等特點[13]。因此，單一的理論授課難以滿足教學的要求，實驗、實踐教學環節至關重要。

本文提出的結合生產線的視覺檢測實驗系統的設計，作為教學相輔、學以致用的一個教學與實踐平臺，既能涵蓋課程知識內容與實驗教學內容，又能以理論為基礎增加以應用為目的的系統化實踐，充分加深與訓練學生在光電系統成像、光電信號獲取、數字信號處理與計算機集成等方面的綜合能力。通過系統與平臺提供的基礎元件與組件設備，學生可以根據不同生產線的要求自主設計并搭建系統，根據要求設計算法實現視覺檢測；通過該實驗系統的設計，將理論知識與實際應用銜接與結合起來，一方面使學生能夠系統地學習理論知識，掌握視覺檢測技術的基本原理與方法;另一方面有助于提高學生解決實際工程問題的能力，從而提升教學質量與效果。

1 視覺檢測實驗系統的設計與開發

結合生產線的視覺檢測系統的設計與開發，主要包括機械架構與照明裝置組裝(機械結構支撐與照明設備)，成像系統與視覺檢測辨識算法設計與研發(成像相機、數據采集與視覺處理系統)。通過系統化地實踐學習，并能夠結合工業生產線的實際問題，加深理論層次上的理解，最終將學校的理論學習與產業實踐結合與銜接起來。

1.1 實驗系統的組件設備與基本架構設計

視覺檢測實驗系統的組件設備主要包括機械支撐架構，LED等照明設備(包括控制光源)，模擬生產線，工業相機(包括相機與鏡頭，控制軟件與demo，軟件代碼可安裝于計算機并二次開發)，計算機(普通臺式機，筆記本或工業電腦)，相關的軟件平臺(主要是VC軟件平臺)等。

在已有的組件設備的基礎上，由學生根據實際工業生產線，組建實驗系統，設計視覺檢測算法，并編程實現功能，重點培養學生的動手能力、系統化設計能力、算法設計與編程能力。具體的生產線包括電子產品(檢查元件方向等)，飲料應用(檢查缺蓋和批號)，醫療行業(檢測藥品是否存在、瓶蓋是否符合要求等)，機械產品(檢查表面、結構瑕疵等)等。視覺檢測實驗系統的基本架構設計如圖1所示，學生一般按照這個基本架構展開相關設計與實驗。

圖1 結合生產線的視覺檢測實驗系統的基本架構

1.2 機械結構設計與照明裝置組裝

購置與設計加工了多功能、兼容性好、擴展性強的通用機械構架，該機械構架提供了整體固定的結構框架，為照明系統和成像設備提供固定的支架，適用于大部分生產線。購置與加工了小機械構件，能夠根據具體的生長線應用場景與機械支架進行組合，滿足不同的需求。學生可提出自己的思路，另外再委托加工或購置相關零件與元件。

照明系統裝置直接決定了所得到視覺圖像的質量，也是后續視覺檢測算法準確率的保障。結合一系列生產線的情況及其檢測物品的形狀、檢測指標及照明材料反光特征和顏色，采用適用于不同生產線的LED照明系統(條狀，環狀等)，并配備可調節設備以改變光照亮度等。

根據生產線的具體檢測要求，對機械結構與照明裝置進行綜合設計與組裝，主要考慮照明方式(反射或透射)、照明角度、照明光強、照明形狀、照明色溫等因素對視覺檢測結果的影響，探索如何探測獲取圖像能夠最大可能地有助于后期的視覺檢測。

通過以上裝置組裝實驗，學生熟悉了機械架構與照明系統對視覺檢測的重要性，并針對生產線的實際要求，能夠自己探索設計合適的裝置，實踐了機械結構的組裝與LED照明系統的使用方法，鞏固了理論知識，也為下一步進行成像系統與視覺檢測辨識算法設計與研發創造了條件，有助于增強解決實際工程問題的能力。

1.3 成像系統與視覺檢測算法設計

在視覺檢測技術研究中，首先需要進行視覺信息的獲取，即利用光學成像系統的功能。根據已有的光學成像系統，包括多個成像相機(型號不同)、多組成像鏡頭(焦距，視場角等不同)等，由學生遴選與工業生產線所需的視覺檢測要求相符合的光學成像系統，設計最佳的成像方式(相機與鏡頭)，以實現相對最佳的視覺圖像信息獲取；為實現成像系統的最佳性能，學生可以利用相機SDK底層代碼，編寫成像控制程序，實現二次開發，以配合下一步圖像信息處理工作。

傳統的圖像獲取一般是最高分辨率、最大視場的圖像。但對于很多工業生產線，比如高速行進中的次品檢測，可以選取高速成像且犧牲部分分辨率；又如體積較小產品檢測與處理，通常所需要的視覺信息就局限于產品的周圍，所獲取的圖像只需要包含這部分即可，無需大視場,因此，傳統的做法會限制視覺檢測技術的應用。學生可以根據具體生產線的情況，自己設計并利用二次開發技術，提出合理的圖像獲取手段——平衡全局/局部分辨率與成像速度，以獲取最有利的視覺圖像信息。

為了弄清楚蒸汽本身的安全風險，英國伯明翰大學研究人員設計了一種可以模擬電子煙蒸汽的裝置，并可以產生蒸汽冷凝液。隨后，研究人員從八名健康的非吸煙人士肺部提取了肺泡巨噬細胞，并將這些細胞分別暴露在普通電子煙液體、有尼古丁和沒有尼古丁的人工蒸汽冷凝液中。

視覺檢測技術是本項目中最核心的技術，類似于“人腦”的思考與判斷。在工業生產線的視覺檢測技術，①需要完成類似人腦的功能，比如找到瑕疵區域、找出次品等；②盡可能地快速檢測,即速度問題。在已有的模擬生產線與照明、成像系統基礎上，針對不同生產線的視覺檢測需求與要求，分析對應的視覺信息圖像，分析獲得圖像的全局與局部的一些特征，計算相關數據(如元件的尺寸，縫隙的寬度等)，實現視覺檢測。在視覺檢測過程中，有時候需要學生對圖像進行增強優化，這是因為獲取的圖像可能對比度低、亮度不均勻等，通過直方圖均衡化、顯著性增強等圖像優化方法來增強有用的圖像信息，以快速獲取最凸顯有用視覺信息的圖像。

在建立組裝的機械結構、照明裝置的基礎上，學生通過動手組裝成像設備與系統，并利用成像系統的二次開發能力編程實現成像的控制與視覺檢測的統一與綜合設計，強化學生對成像傳感器的深刻理解，提高學生對生產線視覺檢測的建模能力。利用整套系統，充分利用對照明、成像參數的控制，綜合設計算法獲取最佳的視覺圖像，自主設計視覺檢測算法計算獲取實現視覺檢測目的，培養解決面向生產線的視覺檢測的系統集成與一體化的能力。

1.4 結合生產線的視覺檢測實驗系統的軟件集成

學生結合實際生產線，在以上硬件平臺上與算法設計基礎上，實驗室提供基礎的各個模塊的代碼，學生需要將各算法改造成代碼并集成為具有可視化界面的軟件。該軟件功能基本包括對相機的控制、對圖像的優化以及視覺檢測。

學生通過對整個系統的了解與熟悉，最后通過綜合軟件的集成掌握視覺檢測的用途，明確系統軟硬件構成，掌握系統的設計與使用及開發方法,各個組件設備的參數設置。

2 藥品生產線瓶蓋縫隙自動檢測設計實例

該視覺檢測實驗系統面向杭州電子科技大學的部分本科生與研究生進行了應用嘗試，作為“光電檢測技術”“光電圖像處理”等課程的輔助實踐教學，浙江大學的部分研究生也參與了討論與改進。其中，藥品生產線瓶蓋縫隙自動檢測設計是學生實際參與和完成的典型作品之一。

在某一廠家的實際藥品生產線中，如圖 2左圖所示，橡膠軟蓋子的帽檐與瓶體之間的距離不能超過1 mm，且藥瓶移動的速度為750個/min。針對該生產線應用，即找出不符合要求的瓶子，開展視覺檢測實驗系統構建，構建的實物圖如圖2所示。

圖2 藥瓶與視覺檢測實驗系統的實物圖

在學生的構建過程中，根據生產線的速度(750個/min)要求與視覺探測要求(距離不超過1 mm)，首先選擇了LED面照明設備，USB3.0的一款工業相機(視頻60幀/s，尺寸為1 024×768)，工業電腦(小型)與顯示器，構造了模擬生產線，采用透射式光照。

學生通過照明的輔助，發現將光照調整到一定亮度，視覺圖像具有很好的可分辨性，通過增強優化、二值化等操作，實現了縫隙的提取；學生通過實際物理尺寸與圖像像素的關系，標定了比例，即多少像素對應多少物理尺寸，由此計算獲得縫隙尺寸。集成軟件界面如圖3右圖所示，而圖3左圖所示的是運行界面，通過軟件運算實現視覺檢測后，可以給出判斷，如圖3右圖所示。在軟件中，若是縫隙尺寸不大于1 mm,將給出GOOD評價，若大于1 mm將給出BAD評價并給出縫隙寬度。

圖3 軟件運行界面與視覺檢測結果

通過藥品生產線瓶蓋縫隙自動檢測設計實驗，將各個環節的知識綜合起來，能夠使理論與實際相結合、學以致用，學生對此非常投入，增強了對照明系統、成像系統、圖像處理等知識與技術的理解，掌握了許多相關的知識點，提高了動手能力。此外，在同樣的組件設備基礎上，可以開展其他結合生產線的視覺檢測實驗系統設計，并且課堂外也可以進行，使得學生可以自主安排進度與實驗步驟，在現有課程安排的基礎上，對他們充分利用時間與相關實驗設備有非常好的幫助。從實踐來看，提高了教學效果。

此外，部分經過鍛煉的學生參與了電子設計競賽等大賽，取得了好成績。

3 結 語

為提升電子類、光電類、計算機類等學生在光電系統成像、光電信號獲取、數字信號處理與計算機集成等方面的綜合能力，本文在傳統授課的基礎上，提出了結合生產線的視覺檢測實驗系統的設計思路，以強化綜合應用專業知識與培養學生系統化解決實際工程問題的能力。分析討論了引導學生如何構建實際視覺檢測實驗系統，即實驗系統的組件設備與基本架構設計,機械結構設計與照明裝置組裝,成像系統與視覺檢測算法設計與視覺檢測實驗系統的軟件集成，并以藥品生產線瓶蓋縫隙自動檢測設計為實例做了分析討論。結合生產線的視覺檢測系統的設計與開發，通過系統化地實踐學習，并結合工業生產線的實際，加深理論層次上的理解，將學生的理論學習與產業實踐銜接起來。實踐表明，使用這類手段，使教學貼近實際應用而提升學生興趣，能鞏固學生對基礎理論知識的理解，很好地鍛煉了學生解決工程問題的能力，總體上提高了綜合教學質量, 取得了滿意的教學效果。

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Visual Detection Experimental System Design for Production Line

ZHAOJu-feng1,2,GAOXiu-min1,CUIGuang-mang2

(1. Electronics and Information College, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China;2. State Key Lab of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In order to improve the ability of students of electronics and optoelectronics, the ability of students to solve practical engineering problems, and to make students better understand the basic theory and method of visual detection technology, a visual detection experimental system of production line was designed by combing with relative courses. Firstly, experimental system components were detailed introduced and analyzed. Secondly, steps for building the system were analyzed. Finally, taking the automatic detection for bottle cap of the drug production line as an example, some problems during building the visual detection system were discussed, and specific design scheme and results were provided. Combining with classroom teaching, the system is applied in undergraduate and graduate courses. The practice show that, this kind of design experiment can enhance the students' interest in learning, and make them well master the theory. This kind courses can also train students to solve engineering problems. The teaching effect is satisfactory.

visual detection; production line; learning interest; teaching effect

2015-07-13

國家自然科學基金項目(61405052;61378035)

趙巨峰(1985-)，男，浙江紹興人，講師，現主要從事光學成像、視覺圖像處理的研究。

Tel.： 13858094578； E-mail：dabaozjf@hdu.edu.cn

TP 271; TN 911

A

1006-7167(2016)04-0059-04