機(jī)器視覺與煙支缺陷自動檢測技術(shù)的融合模式研究

張月華

摘 要：煙支缺陷自動檢測技術(shù)設(shè)計與開發(fā)涉及機(jī)器視覺、圖像處理、模式識別等研究課題。在煙支加工與生產(chǎn)過程中，由于多種客觀原因使煙支成品中出現(xiàn)各種殘次品，例如煙支缺失、煙絲空陷等。為保證香煙產(chǎn)品質(zhì)量，必須加強煙支成品檢測，避免殘次品流入市場。文章基于煙支質(zhì)量為研究導(dǎo)向，利用機(jī)器視覺展開系統(tǒng)規(guī)劃，對煙支缺陷自動監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行簡述，說明此系統(tǒng)的應(yīng)用特征，并詳細(xì)表述出機(jī)器視覺與煙支缺陷自動檢測技術(shù)融合系統(tǒng)的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;自動監(jiān)測系統(tǒng);煙支缺陷;圖像數(shù)據(jù)

0? ? 引言

煙支產(chǎn)品制備過程中，由卷接機(jī)傳送至包裝線的煙支會在各種因素的影響下出現(xiàn)殘缺問題。為進(jìn)一步規(guī)范煙支成品的質(zhì)量，有必要在包裝線上安裝能夠識別殘次缺陷的檢測裝置，以判斷篩除成品中的殘次煙支。在煙草生產(chǎn)加工領(lǐng)域中，機(jī)器視覺技術(shù)的運用范圍越來越廣，其主要作用在煙支外包裝的外觀質(zhì)量檢測與制絲的異物檢測過程中，而專門作用于煙支檢測的視覺系統(tǒng)應(yīng)用較為匱乏。考慮到機(jī)器視覺技術(shù)的不斷完善與成熟，將其融入煙支自動檢測也成為提高煙支成品質(zhì)量的有效手段。

1? ? 系統(tǒng)應(yīng)用概述

通過機(jī)器視覺與煙支缺陷自動檢測技術(shù)的融合，設(shè)計規(guī)劃出一個能夠?qū)熤нM(jìn)行空頭檢測的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在檢測出殘次煙支的同時，將剔除信號傳輸至包裝機(jī)組的控制系統(tǒng)中，由包裝機(jī)組控制系統(tǒng)將裝有殘次煙支的煙包位置進(jìn)行記錄，并在到達(dá)剔除口出將其移除。本檢測裝置系統(tǒng)在增量式編碼器的作用下，使裝置與整個機(jī)組融為一體，每條香煙通過一次檢測裝置，增量式編碼器便會運行一個周期，該系統(tǒng)可以通過編碼器確定煙盒的確切位置，以確保在通過圖像采集模塊之前檢測到每個煙盒。檢測裝置通過圖像獲取模塊收集待檢查煙盒的煙絲端面的圖像，利用控制器的相關(guān)設(shè)施檢測處理煙包圖像數(shù)據(jù)，判斷煙包內(nèi)時候存有殘次煙支，結(jié)合判斷信息向包裝機(jī)組的控制系統(tǒng)發(fā)出剔除信號，當(dāng)包裝單元的控制系統(tǒng)接收到剔除信號后，將會在相應(yīng)的剔除口去除裝有殘次煙支的煙盒[1]。

2? ? 機(jī)器視覺技術(shù)在煙支缺陷自動檢測中的應(yīng)用

2.1? 智能剔除煙草異物

當(dāng)前，我國煙草行業(yè)中，大部分煙草制造商會通過金屬檢測器來檢測并去除煙支原料中的金屬物體，而對于紙制品、塑料、石塊、土塊等物體，尚無有效的檢測系統(tǒng)。因此，在機(jī)器視覺技術(shù)的支持下，設(shè)計開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)色庫與典型異物庫，基于異物濾色法，此系統(tǒng)的有效異物事變率達(dá)到90%以上。在智能煙草異物分類系統(tǒng)的研究中，引入了圖像分割和圖像預(yù)處理技術(shù)，以提高圖像處理和異物識別的能力。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)對各種異物，特別是大尺寸異物的識別率和剔除率較高，可以達(dá)到95%以上，混合煙草的檢測情況可以達(dá)到89.7%，誤選率小于1%，都達(dá)到驗收標(biāo)準(zhǔn)線。

2.2? 用于打葉后片煙規(guī)格檢測

打葉后片煙面積的尺寸決定煙絲質(zhì)量，必須在加工過程中對煙絲進(jìn)行精準(zhǔn)高效的檢測，方便及時調(diào)整技術(shù)參數(shù)，保證打葉質(zhì)量。當(dāng)前的測量方法是在打葉后手動取樣、篩選、分類、稱重并計算煙草切片在每個區(qū)域段中的比例。這種方法的實時性較差，不能及時調(diào)整在線生產(chǎn)參數(shù)。相關(guān)研究結(jié)果表明：在打葉復(fù)烤工序中，使用機(jī)器視覺技術(shù)收集到的打葉煙草的數(shù)字圖像，并結(jié)合之后的打葉面積參數(shù)，為工序調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，保證打葉機(jī)的快速調(diào)整。與手動采樣統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，此方法存在一些問題，如難以將單個卷曲的煙葉散開并將其視為無法完全進(jìn)入成像區(qū)域的小片煙，從而導(dǎo)致測量誤差問題，針對此問題，必須采取邊界補償和數(shù)據(jù)校正等措施來進(jìn)行及時處理[2]。

2.3? 在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用

煙草業(yè)的大部分堆疊和拆卸工作都是通過機(jī)器人完成的。機(jī)器人利用電容、電感、光電等傳感器信號來判斷物體是否存在，從而執(zhí)行相應(yīng)的命令，機(jī)器人視覺系統(tǒng)在煙支生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，有效降低錯誤檢測的概率，為進(jìn)一步提高煙支檢測環(huán)節(jié)的智能話應(yīng)用提供了更大發(fā)展空間。此系統(tǒng)主要用于卷煙輔助材料配盤系統(tǒng)中，能夠準(zhǔn)確高效地完成目標(biāo)盤紙的圖像采集、處理、定位等工作，并對紙盤的偏移量進(jìn)行計算，為精確抓取紙盤任務(wù)創(chuàng)造可視化指導(dǎo)，極大程度地推進(jìn)當(dāng)前煙草物流企業(yè)配盤的自動化與智能化發(fā)展進(jìn)程。

3? ? 機(jī)器視覺技術(shù)與煙支缺陷自動監(jiān)測系統(tǒng)的融合設(shè)計

3.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1.1? 控制器

基于圖像處理技術(shù)，控制系統(tǒng)能夠收集到有關(guān)煙支的圖像數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)展開相應(yīng)判斷，結(jié)合判斷結(jié)論向包裝單元的控制系統(tǒng)傳達(dá)相應(yīng)的剔除信號。控制器的主要構(gòu)成部件包括工控板、接口板以及彩色液晶屏。工控板的主要作用在于控制系統(tǒng)及上位機(jī)軟件，系統(tǒng)采用COMEXPRESS模塊。該模塊是基于PCIExpress總線的高度集成的計算機(jī)模塊，其安置位置處于客戶自主設(shè)定的特殊應(yīng)用載板中;接口板的作用在于擴(kuò)大工控板范圍，主要元件包括單片機(jī)、編碼器、圖像采集信息接口、驅(qū)動電路等。

作為人機(jī)交互界面，顯示屏所具備的必要條件是：界面條理清晰、操作難度系數(shù)低、協(xié)調(diào)度高等。作為人機(jī)交互界面，顯示屏的基本設(shè)計原理包括：界面清晰、一致、簡單方便。為了滿足上述條件，系統(tǒng)使用了12.1英寸彩色LCD屏幕，顯示屏的分辨率為1024×768。用戶可以通過屏幕查看系統(tǒng)操作的相關(guān)信息，也可以通過觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)[3]。

3.1.2? 圖像采集模塊

圖像采集模塊的主要作用是為了將圖像傳感器收集到的待檢查煙包及煙絲端面的圖像展開處理，并將處理完成的圖像傳輸至控制器中。圖像采集模塊的主要構(gòu)成部分包括：光源、光學(xué)鏡頭以及CMOS工業(yè)相機(jī)。針對此系統(tǒng)的光源規(guī)劃，選取了白帶LED光源。考慮到鏡頭質(zhì)量在整體系統(tǒng)中的重要作用，必須保證光學(xué)鏡頭的合理選擇與安裝。

光學(xué)鏡片在圖像采集模塊中的安裝架構(gòu)是：煙支與光學(xué)鏡片之間必須保證角度的規(guī)范性，如果檢測到煙支存在空頭現(xiàn)象，圖像傳感器所拍攝傳輸?shù)膱D像信息中煙絲區(qū)域會比正產(chǎn)煙支的煙絲區(qū)域小，且空頭現(xiàn)象越嚴(yán)重，煙絲區(qū)域就越小。計算機(jī)結(jié)合每個煙絲所捕獲的像素區(qū)域確定是否存在空頭殘缺，如果拍攝到的像素數(shù)值比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值低，則可以得出煙支空頭的結(jié)論。以7.8 mm直徑的煙支為例，此規(guī)格的煙支標(biāo)準(zhǔn)空頭基準(zhǔn)可調(diào)范圍是0～5 mm，如果煙支的煙絲區(qū)域直徑為5 mm，則當(dāng)圖像傳感器占據(jù)所有白色香煙紙內(nèi)表面時，光學(xué)透鏡與香煙之間的角度為57.4°。在實際安裝過程中，角度應(yīng)小于57.4°，即當(dāng)煙支的煙絲區(qū)域為5 mm時，圖像傳感器能夠采集到的更小、更具體的煙絲分布情況，以此確保煙支空頭基準(zhǔn)檢測的有效性。

3.2? 軟件總體方案

3.2.1? 控制器上位機(jī)軟件

控制器上位機(jī)軟件主要功能在于：完成對圖像及整體系統(tǒng)的處理與操控。在控制器接板口的USB接口與圖像采集模塊上建立通信，并將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行收集;在圖像處理技術(shù)的引導(dǎo)下，對圖像展開灰度、二值化、腐蝕、膨脹等方面的處理，并將圖像輪廓進(jìn)行繪制，基于輪廓面積，判斷煙支是否屬于空頭殘次煙支;如果當(dāng)前煙盒中有空頭缺陷煙支，則向接口板的MCU發(fā)送命令，通知其在指定階段向包裝單元的控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號;通過參考顯示屏中提供的信息，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

灰度化是將圖像傳感器拍攝的煙草端面的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。如果使用黑白圖像傳感器，則不需要在對圖像進(jìn)行灰度處理。二值化是為了將切好的煙草與卷煙紙的內(nèi)表面區(qū)分開，煙絲切割像素的灰度值設(shè)置為255，香煙紙內(nèi)表面像素的灰度值設(shè)置為0。

通過腐蝕和膨脹消除二值化圖像中的部分噪點，以此提高煙絲區(qū)域的搜索速度;通過確定煙絲輪廓，繪制出精準(zhǔn)度較高的煙絲區(qū)域輪廓線，確保后去相關(guān)區(qū)域像素值的計算。計算煙草切割輪廓區(qū)域的目的是計算由每個煙草切割區(qū)域的輪廓線包圍的煙草切割區(qū)域中的像素數(shù)目[4]。

3.2.2? 控制器接口板控制軟件

控制器接口板控制軟件主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制器上位機(jī)軟件的命令并在外圍設(shè)備上執(zhí)行相關(guān)操作。這些功能的展開順序是：利用編碼器的信號，對編碼器當(dāng)前相位進(jìn)行讀取與收集，之后將信息傳輸至控制器的上位機(jī)軟件當(dāng)中;在指定階段控制圖像采集模塊進(jìn)行圖像采集;將剔除信號傳輸至包裝單元控制系統(tǒng)。

4? ? 結(jié)語

將機(jī)器視覺與煙支檢測裝置進(jìn)行科學(xué)融合，有效提高煙支成品的最終質(zhì)量。機(jī)器視覺技術(shù)的引入使觸摸屏有效應(yīng)用在煙支空頭檢測中，極大地改進(jìn)員工的操作與參數(shù)調(diào)整。同時，在質(zhì)量檢測、控制、分選等工業(yè)生產(chǎn)過程中的進(jìn)一步應(yīng)用，節(jié)省了大量的人力和物力，提高了生產(chǎn)效率，使煙草企業(yè)的市場競爭力得到提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李捷，陸海華，王翔，等.基于機(jī)器視覺的煙支接裝質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)[J].煙草科技，2019（9）：109-114.

[2]楊鈺煊.基于圖像處理的煙支瑕疵檢測方法的設(shè)計與實現(xiàn)[D].昆明：云南大學(xué)，2018.

[3]付航，李果，許成，等.基于智能相機(jī)的殘煙絲異物智能剔除系統(tǒng)的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016（9）：8-10.

[4]胡龍.基于機(jī)器視覺的煙支缺陷自動檢測技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2016.

（編輯 姚 鑫）