基于背景差分的條盒噴膠檢測系統(tǒng)

吳愛民 楊雄標(biāo)

（1.河北白沙煙草有限責(zé)任公司，河北石家莊 052165；2.云南瑞智科技有限公司，云南昆明 650051）

0.引言

條盒包裝紙經(jīng)過ZB416型高速包裝機(jī)的噴膠嘴時(shí)，會(huì)有短暫的停留，以便膠水通過噴頭噴點(diǎn)在包裝紙的各個(gè)側(cè)翼上[1]，正常的膠水面是一個(gè)個(gè)圓點(diǎn)，由于各類因素的影響，常會(huì)造成噴膠的缺漏、量少、量多、錯(cuò)位、形狀不規(guī)則5類缺陷，包裝紙粘合不牢固、易破開[2]；以及包裝紙粘合時(shí)溢膠、污染油封紙；噴膠形狀的不規(guī)則，造成粘合點(diǎn)的受力不均勻，導(dǎo)致條包封口處出現(xiàn)包裝紙開口而不破的缺陷等[3]。所以需要通過機(jī)器視覺檢測膠水的噴點(diǎn)質(zhì)量。由于膠水為透明液體，對(duì)光源非常敏感，其成像效果非常依賴于光照情況，經(jīng)過大量試驗(yàn)，本文采用條形光源，以獲得較好的成像效果[4]；同時(shí)在噴膠嘴前后，分別安裝一組相機(jī)，在光照環(huán)境均勻的情況下，通過兩幅圖像的差分即可方便獲取噴膠影像，進(jìn)行后期分析與處理。

1.采圖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光源選取

工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用中的光源選取與打光角度往往是個(gè)難點(diǎn)，光源選擇正確、打光角度合適，成像效果越好，對(duì)后續(xù)圖像處理起到事半功倍的輔助作用[5]。常用的光源有條形光源、環(huán)形光源和面陣光源，如圖1所示。

圖1 各類光源示意圖

條形光源對(duì)凸起物能形成陰影，對(duì)于需要陰影的場景很有效，例如油封紙粘合口檢測，但用于照射膠水反而會(huì)形成陰影干擾；面陣光源對(duì)于粗糙面能形成均勻光照，但照射膠水會(huì)造成強(qiáng)烈的中心反光；環(huán)形光源能夠提供均勻的光照，又避免透明膠水的反光[6]，則適合本文場景，但在本文場景中環(huán)形光源占用空間比較大，在ZB416型高速包裝機(jī)，無法找到合適的安裝位置，所以選擇條形光源，以高照射角度避免陰影，采集得到合適圖像。

1.2 相機(jī)組件位置

在噴膠嘴前后對(duì)稱放置一組相機(jī)，通過包裝機(jī)傳動(dòng)的相位信號(hào)精確控制采圖脈沖信號(hào)，從而取得噴膠前后的對(duì)比照片。如圖2所示，噴膠棒前后各有一組相機(jī)搭配條形光源負(fù)責(zé)采圖，相機(jī)鏡頭安裝于條形一側(cè)，二者有一定的角度，恰好能夠拍攝包裝紙上清晰的噴膠影像。在時(shí)刻1，條盒包裝紙經(jīng)過相機(jī)A下方，此時(shí)拍攝未噴膠的照片；到時(shí)刻2時(shí)，噴膠嘴向包裝紙噴膠；到時(shí)刻3時(shí)，包裝紙經(jīng)過相機(jī)B下方，此時(shí)拍攝已噴好膠的照片。由于相機(jī)A、B的采圖時(shí)刻受電機(jī)相位的精準(zhǔn)控制[7]，即噴膠點(diǎn)在相機(jī)A、B拍攝的影像位置完全一致；通過控制光源亮度，使時(shí)刻1與時(shí)刻3時(shí)包裝紙的背景色幾乎一樣，即背景色差相差無幾，便于后續(xù)的差分算法提取噴膠點(diǎn)影像。

圖2 相機(jī)位置示意圖

2.圖像處理系統(tǒng)

2.1 噴膠影像獲取

使用相機(jī)B的圖像與相機(jī)A的圖像相減，即可得到差分后的圖像，一般灰度圖像的單像素色度在0～255，圖像做差分時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)數(shù)像素值，此時(shí)需要先將臨時(shí)圖像的像素值擴(kuò)展到-255～255[8]，再線性映射到0～255生成最終的差分圖像。預(yù)處理流程如圖3所示，在像素映射完成后，還需要對(duì)像素進(jìn)行閾值分割，原因是條盒包裝紙的背板顏色雖然相近，但不完全相同，較小的殘差值會(huì)形成底色噪聲，通過簡單的閾值分割即可去除[9]，使差分后的圖像顯現(xiàn)出清晰的噴膠影像。

圖3 差分運(yùn)算示意圖

2.2 噴膠檢測流程

得到噴膠點(diǎn)影像之后，對(duì)噴膠點(diǎn)進(jìn)行檢測，判斷其是否符合生產(chǎn)要求，具體檢測過程如圖4所示。

在上述檢測流程中，OTUS二值化主要用于去除一些差分后閾值操作未能去除的毛刺點(diǎn)，而圖像開操作是先腐蝕后膨脹，可以去除噴膠點(diǎn)影像邊緣的毛刺[10]。膠水經(jīng)噴膠嘴噴點(diǎn)在條盒包裝紙上的點(diǎn)一般為圓形，只需生成噴膠點(diǎn)輪廓的最小外接圓，并計(jì)算外接圓與輪廓內(nèi)連通域的面積比，即可得知該噴膠點(diǎn)是否近似于圓，如果比值過大，則說明形狀不規(guī)則[11]。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在包裝機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)過程中，拍攝的具體圖片如圖5所示。條盒包裝紙?jiān)趪娔z前圖5（a）與噴膠后圖5（b）的紙板顏色幾乎相同，所以可以使用背景差分算法提取噴膠影像，經(jīng)處理顯化后的噴膠影像如圖5（c）所示，由此可見，噴膠點(diǎn)的位置、形狀都清晰可見，經(jīng)圖4的檢測流程后，非常容易判決出噴膠是否合格。

圖4 噴膠檢測流程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的噴膠檢測系統(tǒng)已在ZB416型高速包裝機(jī)上得到試驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中不僅可以實(shí)時(shí)檢測出噴膠是否合格，還可以判決出不合格噴膠的缺陷種類，為噴膠組件的改進(jìn)提供參考。該檢測系統(tǒng)原理簡單、安裝便捷、實(shí)時(shí)高效，發(fā)現(xiàn)缺陷后能及時(shí)通知剔除裝置將不合格煙條剔除，提高了生產(chǎn)效率，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。