小包外觀檢測在煙草行業的應用

摘 要：隨著機器視覺系統的不斷發展，尤其是多媒體技術和數字圖像處理分析理論的成熟，使得機器視覺系統能夠廣泛應用于小包包裝質量的檢測上，其具有檢測準確度高、無污染、體積小等特點

關鍵詞：機器視覺;煙草;包裝檢測

一、應用背景

隨著市場競爭的日益激烈，煙草企業為了提高其市場競爭力，更好的開拓市場，在加大卷煙質量方面的技改力度、提高卷煙質量的同時，對卷煙制品的包裝形式及包裝質量也加大了改造力度，威力在激烈的市場競爭中更好的維護產品品牌形象，對于卷煙產品包裝質量的檢測，也是至關重要的一環。

近年來，煙草企業不斷引進國外先進的煙機，生產速度也是飛速提高，如最新的GD高速卷包機的生產速度可達到1000包/分鐘，在如此高速的生產過程中難免會有許多不合格品產生，及時發現不合格品并將其剔除是非常重要的，否則流入市場會降低用戶的滿意度，同時也會削弱品牌價值和產品信譽度。

隨著機器視覺系統的不斷發展，尤其是多媒體技術和數字圖像處理分析理論的成熟，使得機器視覺系統能夠廣泛應用于小包包裝質量的檢測上，其具有檢測準確度高、無污染、體積小等特點。

二、應用現狀

目前生產過程中會出現很多不合格類型（如下圖），由于生產速度非常快，采用人工檢測剔除不現實。

這些不合格產品如果流入市場，會對品牌形象造成很大影響。

目前市場存在一種基于機器視覺系統的小包外觀檢測系統是，采用國外已有的智能圖像傳感器進行視覺檢測，這種已有的智能圖像傳感器并非針對小包外觀檢測進行開發的，在使用時需要進行大量參數設置，并運行很長時間之后才能逐漸穩定下來。

本文主要討論一種采用高速工業相機對運動中的小包進行拍照，并通過專門為小包外觀檢測設計的圖像處理技術進行識別檢測，采用這種方案操作簡單，檢測準確度高，能夠檢測出小包存在90%以上的包裝質量問題。

三、系統構成

小包外觀視覺檢測系統的組成包括：工業計算機系統、高速工業相機及鏡頭、光源、光電傳感器、剔除系統，檢測軟件、通訊和輸入輸出單元。

（一）工業計算機系統

工業計算機系統采用研華的工控一體機，采用Intel? Core? i7處理器，具有一個RS232通訊口和4個以太網口，該系統具有穩定性高，處理速度快，完全可以滿足小包外觀檢測的需求;

（二）高速工業相機

相機是機器視覺檢測到核心部件，一般采用工業CCD相機，CCD，英文全稱：Charge-coupled Device，中文全稱：電荷耦合元件。可以稱為CCD圖像傳感器。它是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。在CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把圖像像素轉換成數字信號。CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。

工業相機采用型號：alA1920-40gc，品牌：Basler，產地：德國

主要參數為：彩色相機，分辨率為1920*1200，幀速40fps，拍攝面積為5.86um*5.86um，像素為230萬像素。

鏡頭采用computar公司的6mm鏡頭。

（三）光源

光源采用多組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問題，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檢測，包括反光塑面包裝、整體鐳射包裝紙等都能有效檢測。

（四）光電傳感器

光電傳感器為煙包的定位器件，為整個系統提供煙包的位置信息;如果采用普通的接近式位置傳感器會出現定位不準確的問題，進過反復測試后，選擇了對射式光纖傳感器，這種光纖傳感器具有定位準確，動作及復位時間在200μs以下。

（五）剔除系統

剔除系統采用MAC的高速電磁閥進行吹氣，將檢測出的不合格煙包剔除。

（六）檢測軟件

專門為小包外觀檢測開發的采用先進圖像處理技術的上位機軟件。

（七）通訊和IO控制模塊

專門為小包外觀檢測開發的通訊和IO控制模塊，核心采用FPGA可編程芯片實現。

四、工作流程

（一）小包到達檢測位光纖傳感器時，IO控制模塊收到煙包到位信號后，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。

（二）工控機處理以及運算，判斷該小包是否有包裝質量問題，如果有問題，則通過RS232串口通知IO控制模塊，IO控制板程序將會對該小包進行標記。

（三）小包到達剔除位光纖傳感器時，IO控制板卡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。

五、技術難點及解決方案

（一）在對于有鐳射包裝的小包進行檢測中發現如果采用普通直射LED光源的話，在拍攝的照片上會出現反光，直接影響檢測質量，會造成很多誤剔，經過多次試驗后，發現采用拱形燈罩多角度無影燈方式照明，能夠消除了角落陰影以及鐳射包裝反光問題，使每一個檢測面都清晰可見，并且可對各種包裝材質的小包進行檢測。

（二）在高速機上使用時發現跑道速度會變速，這樣使得在計算檢測位到剔除之間的距離時不準確，造成很多誤剔。為了解決這個問題，采用三組光纖進行煙包定位，檢測位、中間、剔除位三個光纖進行煙包定位剔除。要求兩個光纖之間的間距小于兩包煙的距離。

當A煙包離開檢測光纖后，中間光纖的下一個上升沿必然是A煙包，同理，在A煙包離開中間光纖后，剔除光纖的下一個上升沿必然是A煙包。

采用三個光纖進行剔除定位，可以避免突然停機，煙包打滑等造成的缺陷煙漏剔問題。

（三）剔除電磁閥的選型，剔除閥的選型非常重要，我們發現如果在高速機上連續出多包不合格小包時，普通的電磁閥來不及進行剔除動作。經過反復測試，最終我們采用FESTO的高速電磁閥，其開關時間在0.2ms以內，使用后效果明顯。

（四）采用機器視覺檢測小包包裝質量的關鍵在于圖像處理，而圖像處理的關鍵在于小包檢測圖像處理關鍵技術主要有：定位、邊緣檢測、直方檢測，分別體現在圖像增強和圖像分析兩個環節上。通過提高對比度的灰度拉伸、假彩色、邊緣提取、濾波、傅立葉變換等實現對比度提高、清晰度增加和特征突出等目的。再采用先進的色彩濃淡處理技術及高精度的次像素處理技術替換單一的灰度比較系統處理技術，可得到更加逼真的圖像實況檢測。采用VC++作為編程工具，并結合相應的圖像處理軟件平臺，編寫合適的算法，來檢測小包煙可能存在的缺陷。以下是軟件中的關鍵算法和技術難點介紹：

（1）定位 在小包檢測中，由于采集的圖像存在抖動的問題，因此，需要采用定位以消除煙包的圖像抖動問題。其原理是先設定小框內的模版，保存以后每次采集的煙包圖片都與橫版進行匹配，把圖像抖動的位移補回來。

（2）邊緣檢測 邊緣作為圖像最基本的一個部分，可以為我們的煙包檢測提供最直接有效的檢測手段，邊緣檢測在小包煙檢測中起到重要作用。實際應用中，我們可以利用邊緣檢測來檢測到小包煙的大部分缺陷，如可以檢測“小花無”、“小花不居中”等小花缺陷，還可以檢測油封及拉線的缺陷，而這些缺陷是影響小包煙質量的重要因素。

（3）直方檢測 小包煙包裝出現問題主要表現在圖像一定區域內灰度值的變化。可以直接對相應區域進行直方檢測。在這個檢測項目里面，可以設置統汁像素的區間、該區間內像素占整個像素的比例兩個參數。這樣就可以按照直方圖對這個區域的區間像素進行圖像分割。若圖像出現異常，分割的像素比例將會超出范圍，檢測軟件則會判斷小包煙外觀存在一定質量問題。

六、總結與展望

機器視覺的引入，代替傳統的人工檢測和光電檢測，極大地提高了投放市場的產品質量，提高了生產效率。本文所述的小包煙包裝質量在線檢測儀的設計方案經過驗證是可行的，該設備具有較高的實用性、運行可靠、檢測精度較高。

參考文獻

[1]唐向陽，張勇，李江有等.機器視覺關鍵技術的現狀及應用展望[J].昆明理工大學學報（理工版），2004，29（2）：36-39

[2]劉榮輝.機器視覺系統在GDX2包裝機組中的應用[J].煙草科技，2005，（11）：10-13

[3]劉煥軍，王耀南編.機器視覺中的圖像采集技術[J].電腦與信息技術，2003（1）：18-21

[4]賈云德主編.機器視覺[M].北京：科學出版社，2000

[5]吳炯，張秀彬.數字圖像中邊緣算法的實驗研究[J].微計算機息，2004，20（5）：106-107

[6]高潮.基于機器視覺的裂紋缺陷檢測技術[J].航空精密制造技術，2007，10（5）：23-25[1]

作者簡介：

謝華（1969-），工程師，四川中煙工業有限責任公司西昌煙廠卷包車間從事設備維修管理工作。