高速小包香煙外觀質量檢測系統設計

摘要：針對目前煙草行業高速小包香煙外觀檢測裝置誤檢率高、穩定性差、操作界面繁瑣等問題，設計了一種新型的小包外觀質量檢測系統。首先對系統進行總體設計，其次對系統硬件進行選型設計，并通過對圖像進行多種算法綜合處理，有效定位追蹤和識別香煙外觀質量缺陷，最后進行在線實時檢測的設計驗證。實驗表明，該系統穩定可靠性強，檢測精度高，適用性強，易于安裝維護。

關鍵詞：高速；香煙；外觀檢測；圖像處理；精度

中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A

0 引言

現代化卷煙生產中，卷包機的生產速度已達900-1000包/分鐘，如此高的速度，已經無法通過人工來檢驗小包香煙外觀包裝質量。隨著卷煙市場競爭日益激烈，用戶和煙廠對香煙的外觀包裝質量要求越來越高，為防止壞包流入市場，造成不良影響，需要為卷包機安裝高速小包香煙外觀質量檢測裝置。

小包香煙外觀質量檢測主要對生產過程中出現的外觀破損、品牌圖案缺失、表面污漬、鋁箔紙外露等缺陷進行檢測。過去主要是通過人工抽檢，精度和效率難以保證，漏檢可能性極大。隨著計算機技術、圖像處理技術和硬件系統的迅速發展，機器視覺系統日益完善，能夠完成的檢測任務越來越復雜，應用領域越來越廣泛，如工況監視、成品檢驗和質量控制等[1]。

目前，應用成像原理對小包外觀質量進行檢測的產品，在各個煙廠應用已經較為廣泛，但這些產品多半是利用國外已有的智能圖像傳感器進行集成的，界面不夠友好，操作較為繁瑣，用戶很難上手；由于智能圖像傳感器并非專門針對小包外觀檢測而設計，所以很多處理對象需要繁瑣的參數設置，同時，系統誤檢率高、穩定性差[2]。

本文以機器視覺技術為基礎，結合機械設計、自動控制、光學、傳感器等技術，對高速小包香煙外觀質量檢測系統的設計展開深入地研究。通過研制該檢測系統，提高小包香煙外觀質量檢測的精度和可靠性，使其能夠推廣應用到生產之中，以提高香煙產品的外觀質量和增強企業的市場競爭力[3]。

1 系統總體設計

本系統基于機器視覺原理，當小包到達檢測位光纖傳感器時，IO控制板收到香煙到位信號后，一方面控制光源進行頻閃，另外一方面將曝光信號發給CCD工業相機，CCD工業相機接到曝光信號后立即啟動進行拍照。工控機對圖像進行處理以及運算，判斷該小包是否有包裝質量問題，如有問題，則通過RS232串口通知IO控制板，IO控制板程序將會對該小包進行標記。小包到達剔除位光纖傳感器時，IO控制板將收到小包到位信號，然后查看程序是否有剔除標記，如果有，則啟動電磁閥，控制電磁閥將小包吹出流水線，若無剔除標記，則順利通過。觸摸液晶屏實時顯示小包外觀檢測狀態。圖1為高速小包外觀質量檢測系統總體結構圖。

2 系統硬件設計

2.1 圖像采集模塊

系統采用彩色高分辨率工業CCD相機，該CCD使用千兆以太網接口，現場需要檢測煙包的2個側面，所以需要兩臺相機。由于小包在皮帶上高速運動，采用常規相機拍照會產生大量的殘影，所以相機必須采用超高速曝光技術，相機的曝光時間設定為0.1毫秒，從而獲得高質量、高清晰度的數字運動圖像。

對于光電檢測設備，光源無疑是非常重要的。由于小包在皮帶機上高速運動，需要進行高速曝光，對光源提出了更高的要求，本系統采用日本NICHIALED光源，該光源具有亮度高、穩定性高、使用壽命長等特點，可以使圖像質量保持長期穩定，不需要經常調整。在此基礎上，還添加了光源控制器，如果光源強度由于某些原因發生了變化，系統軟件能夠調節LED光源的發光強度，使之達到清晰拍照的要求[4]。圖2為日本NICHIA LED光源。

2組LED光源采用多角度無影燈方式照明，消除了角落陰影以及隨機反光現象，避免檢測死角的出現，使每一個檢測面都清晰可見，可對各種包裝材質的小包進行有效檢測，包括反光塑面包裝、整體鐳射包裝紙等。

光源工作在頻閃狀態，可以有效降低工作溫度，提高光源的穩定性以及壽命。由于采用了2只LED光源，光源的布置呈逆光狀態，如果同時發光會相互影響，大大降低圖象質量。因此，該系統采用了分組曝光技術，徹底解決了LED光源之間的相互干擾。

如圖3所示，A、B均為LED光源，分別位于條煙的兩個端部，CCD1檢測左端部的包裝質量，CCD2檢測右端部的包裝質量。采用分組曝光技術，A光源先曝光，同時CCD1工作；隔1毫秒之后，B光源曝光，CCD2工作。光源之間不會造成干擾，提高了圖像質量。

2.2 信號處理模塊

對射式檢測光纖放大器固定在煙包檢測位置上，當煙包經過時，傳感器發送信號給IO控制板，啟動CCD相機進行圖像捕捉，并開始進行圖像處理。

高壓氣體噴氣控制裝置用來將有包裝缺陷的小包從流水線上剔除。

反射式光電管傳感器固定在小包剔除位置上，當有包裝缺陷的小包經過時，該傳感器發送信號給IO控制板，IO控制板將啟動高速氣閥，將小包迅速推出流水線。

IO控制板控制系統中所有的IO點，并通過RS232接口和上位機進行通訊。

二塊高性能千兆以太網網卡插在工控機的PCI槽內，將圖像通過PCI總線傳遞給工控機的內存，以供CPU進行圖像處理[5]。

2.3 圖像處理顯示模塊

觸摸式液晶屏實時顯示小包外觀檢測狀態、班次、缺陷數目等信息。

軟件運行在高性能MGVC視覺控制器上，作為整個系統的大腦，需要很高的處理速度。相機采集圖片直接由千兆以太網傳送給控制器，以供CPU進行圖像處理。

3 系統軟件設計

由德國MVtec公司開發的Halcon，作為一套完善、標準的機器視覺算法包，擁有應用廣泛的機器視覺集成開發環境。內涵1000多個獨立的函數，外加底層的數據管理核心，縮短了軟件開發周期，節約了產品成本[6]。具有快速、精確、魯棒、全面等特性。

Halcon支持Windows、Linux和Mac OS X等操作系統環境。函數庫經編寫調試無誤以后，可以導出為C、C#、C++、Visual basic和Delphi等多種編程語言。同時可以為大量的圖像獲取設備提供接口，保證硬件的獨立性，也為百余種工業相機和圖像采集卡提供接口，例如GenlCam、GigE和IIDC 1394等[7]。

3.1 模板匹配定位

小包要在軌道上快速運動，限位裝置不能夾緊，所以小包在運動過程中有一定的抖動，圖像中小包的位置也會有一定移動，為了保證各檢測工具檢測位置的準確性，在煙包圖像上選取一個典型的圖案作為模板，用模板匹配定位確定小包圖像檢測點的位置[8]。

模板匹配定位為其他檢測工具重新標定位置。如果由于機械原因，圖像晃動很大，其他圖像對象的檢測位置必須隨著煙包圖像位置的變化而變化，從而避免誤檢。圖案檢測對象找到目標圖案后，會和原來圖案的位置進行比較，確定煙包圖像的位移幅度，從而將其他圖像對象的檢測位置進行跟隨調整。

3.2 顏色檢測

顏色檢測主要用來檢測煙包包裝時出現的內襯、外翻以及污點等缺陷。一般情況下，包裝內襯、外翻主要發生在煙包的邊角上，并且這些錯誤在圖像上表現為顏色均值以及方差的劇烈變化。

顏色檢測時，虛線框限定了對象的處理范圍，通過計算虛框范圍內圖像色度實際的均值和方差，用實際均值、方差值和標準值進行比較，從而判斷是否發生包裝質量問題。

3.3檢測設置

由于小包的運行速度很快，約為950包/分鐘，這就意味著每包煙的軟件處理時間最多為35000us，因此要求檢測時間低于35000us，保險起見設置低于30000us。

由于模板匹配耗時很大，所以在設置檢測點時，模板匹配工具的區域范圍不宜過大，同時，顏色檢測點的數量不宜過多，防止檢測超時，造成漏檢。根據圖像檢測內容的需求，選擇合適的形狀，可以使檢測參數更精確。

3.4 系統界面

本系統人機界面簡潔、友好，程序啟動后，系統界面如圖4所示，分為四大功能區域。

功能面板包含系統所有操作功能，日常維護工作使用“主菜單”下的“牌號管理”、“圖像記錄”、“工作信息”、“設備參數”、“界面參數”按鍵即可完成。

圖像顯示區在系統工作時，顯示輸送線上小包的實時圖像，以及系統對各個圖像對象處理識別后的結果，共有2個窗口，分別顯示2個相機從不同角度捕獲到的煙包圖像，每個窗口均可最大化，方便細致觀察各煙包圖像的缺陷情況。

圖像對象面板用于管理和配置圖像處理的各種對象，完成軟件核心的圖像識別功能。上述模板匹配、顏色檢測工具即在此處。

運行信息面板顯示當前批次的運行信息以及各類計數。

4 系統實驗與設備安裝

4.1 系統實驗

啟動檢測功能之前，首先進行系統配置。系統對煙包缺陷檢測效果的好壞，取決于CCD曝光時間調節和圖像處理對象的選取和配置。由于不同牌號的煙包印刷圖樣以及顏色、位置都有區別，所以針對不同的牌號，系統必須為其配置不同的參數。參數設置完成以后，即可進行檢測。圖5為系統檢測流程。

系統可對8種缺陷進行檢測，對采集的圖像采用多種算法綜合處理，檢測準確度與精度非常優秀，對于爛包、錯牌號之類的嚴重缺陷，可以做到100%的剔除，檢測速度可達900包/分鐘以上。表1為系統可檢測缺陷種類與指標，表2為系統檢測精度。

4.2設備安裝

整機采用模塊化設計，視頻系統與電控系統整合在一個主機柜內，使得體積大大減小，檢測箱安裝在跑道上方，幾乎不占用操作空間，易于維護，全鋁合金外殼，精致美觀。圖6為設備現場安裝圖。

5 總結

該高速小包外觀質量檢測系統基于機器視覺原理，選用穩定的LED光源及高速曝光相機，獲得清晰的高速運動煙包圖像，通過對圖像進行多種算法綜合處理，有效定位追蹤并識別香煙外觀質量缺陷，檢測精度可達99%以上，檢測速度可達到900包/分鐘以上，并實現產品檢測狀態實時顯示和缺陷小包剔除功能。實驗表明，該系統穩定可靠性高，適用性強，易于安裝維護。

Design of a high-speed cigarette case surface inspection system

LIN Chunrong

（Jiangxi Tobacco Industry Co.， Ltd. Ganzhou Cigarette Factory， Ganzhou341000， China）

Abstract：In order to solve the problems that the high-speed cigarette case surface inspection systems have a high false detection rate， poor stability， complicated operation interface and so on， which now exist in tobacco industry， it designs a new cigarette case surface inspection system. First of all， it carried on the overall system design， and then， selected the hardware equipment needed for the system. In addition， the appearance quality defect of cigarette cases could be identified and tracked by means of various algorithms for image processing. The last was to verify the reliability of online real time detection. It proves that the system is not only appropriate and user-friendly but also stable and easy to maintain.

Keywords：high-speed， cigarette， appearance detection， image processing， accuracy

參考文獻：

[1]劉朝營，許自成，閆鐵軍.機器視覺技術在煙草行業的應用狀況[J].中國農業科技導報，2011（04）：79-84.

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[3]劉小波，謝志江，許積飚，等.一種小包煙包裝質量在線檢測儀設計[J].現代科學儀器，2009（06）：39-41.

[4]徐巖，史燕瓊.線掃描缺陷檢測系統中的LED光源設計[J].光學與光電技術，2011，9（3）：28～30.

[5]宋朝輝，董延杰.基于VC++的串口通信響應時間性能自動化測試工具[J].自動化應用，2015，（05）：44-46.

[6]王大濤.六自由度機械臂無標定視覺仿人智能控制[D].重慶大學，2014.

[7]崔帥鋒.基于HALCON軟件的單攝像機標定方法研究[J].中國科技信息，2014，（3）：105-108.

[8]曾文艷，王亞剛，蔣念平，等.基于機器視覺的香煙小包裝外觀質量檢測系統[J].信息技術，2014（01）：46-49.

作者簡介：林春榮（1974—），男，江西興國人，江西中煙工業有限責任公司贛州卷煙廠助理工程師，主要從事設備管理及在線檢測設備的管理維護工作.