基于機(jī)器視覺的酒液異物檢測設(shè)備研究與設(shè)計(jì)*

楊新春，韋懿禾

(1.合肥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230001；2.中國石油大學(xué)，北京 102249)

0 引言

中國白酒隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，其消費(fèi)市場在世界范圍內(nèi)逐步拓寬[1]。在白酒市場發(fā)展的同時(shí)，消費(fèi)者對(duì)白酒的質(zhì)量也愈來愈關(guān)注[2]，白酒生產(chǎn)廠家面臨著極大的挑戰(zhàn)和激烈的競爭。因此，生產(chǎn)廠商加大了酒品生產(chǎn)過程的監(jiān)督力度，以消費(fèi)者的健康和生命安全為起點(diǎn)，將酒品的生產(chǎn)質(zhì)量作為企業(yè)長久生存和持續(xù)發(fā)展的保障。

目前，在白酒的生產(chǎn)灌裝過程中，由于瓶體制造、生產(chǎn)工藝、封裝技術(shù)等多方面的原因，酒液中可能會(huì)出現(xiàn)一些異物雜質(zhì)，在影響酒品質(zhì)量的同時(shí)也影響消費(fèi)者的健康。由于中國白酒瓶身外觀設(shè)計(jì)復(fù)雜，酒瓶內(nèi)部異物檢測難度極高，而現(xiàn)有的酒液異物檢測技術(shù)大致可分為人工檢測、激光檢測、光電檢測、機(jī)器視覺檢測等[3]，這些檢測技術(shù)對(duì)于尺寸較大的雜質(zhì)(1 mm以上)具有部分效果[4]，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。因此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種白酒酒液異物檢測裝置，采用高效圖像采集設(shè)備獲取酒瓶翻轉(zhuǎn)前后的連續(xù)多幀圖像進(jìn)行檢測，極大地提高了酒液異物檢測的精確度和檢測效率。

1 酒液異物檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

酒液異物檢測設(shè)備由工作臺(tái)、多級(jí)輸送臺(tái)、二級(jí)機(jī)械臂和圖像采集裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。工作臺(tái)上安裝固定有弧形擋板、轉(zhuǎn)盤和旋轉(zhuǎn)輸送盤，每一級(jí)輸送臺(tái)端部與弧形擋板相連；旋轉(zhuǎn)輸送盤上安裝有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于旋轉(zhuǎn)酒瓶，第一轉(zhuǎn)盤負(fù)責(zé)將酒瓶從第一輸送臺(tái)沿第一弧形擋板運(yùn)送至旋轉(zhuǎn)輸送盤上，第二輸送臺(tái)端部固定安裝有第二弧形擋板，第二轉(zhuǎn)盤負(fù)責(zé)將酒瓶從旋轉(zhuǎn)輸送盤沿第二弧形擋板運(yùn)送至第二輸送臺(tái)上；第一轉(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤邊緣均設(shè)有與酒瓶瓶身配合的卡槽，卡槽沿第一轉(zhuǎn)盤、第二轉(zhuǎn)盤邊緣均勻分布設(shè)置；第二輸送臺(tái)與第三輸送臺(tái)之間設(shè)有檢測輸送臺(tái)，檢測輸送臺(tái)上設(shè)有圖像采集設(shè)備，用于采集酒瓶圖像；第二輸送臺(tái)與檢測輸送臺(tái)之間設(shè)有第一機(jī)械臂，第三輸送臺(tái)上設(shè)有第二機(jī)械臂。

圖1 白酒酒液異物檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

由于圖像處理裝置可能會(huì)漏判靜止吸附在瓶身上的雜質(zhì)，降低異物檢測的準(zhǔn)確率，為了避免這種情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝板固定在旋轉(zhuǎn)輸送盤上，安裝板上固定有直線電機(jī)，直線電機(jī)上的滑塊與安裝架固定，安裝架內(nèi)部貫穿有能夠帶動(dòng)酒瓶轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)套圈，旋轉(zhuǎn)套圈內(nèi)壁設(shè)有用于與酒瓶瓶身接觸并帶動(dòng)酒瓶轉(zhuǎn)動(dòng)的橡膠層，將酒瓶傾斜45°～80°，讓旋轉(zhuǎn)的酒體沖洗瓶蓋，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)酒瓶快速、安全地旋轉(zhuǎn)和振蕩之后急停，則雜質(zhì)會(huì)隨著酒液繼續(xù)在瓶內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而使得圖像處理裝置能夠獲得清晰的圖像信息。

圖2 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2 檢測原理及算法

瓶裝白酒的異物雜質(zhì)監(jiān)測主要以機(jī)器視覺為基本原理，采用高清攝像頭對(duì)運(yùn)輸臺(tái)上運(yùn)輸?shù)钠垦b白酒進(jìn)行序列圖像抓取，以檢測酒液內(nèi)是否存在金屬屑、毛發(fā)、蚊蟲、玻璃碎屑等雜質(zhì)[5]。

1.2.1 圖像采集

高效地進(jìn)行異物雜質(zhì)圖像采集，必須以合理的光源以及光照方式為基礎(chǔ)[6，7]。因?yàn)長ED燈功耗低、發(fā)熱量少、亮度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能為目標(biāo)提供良好的照明環(huán)境，最終選取LED燈作為光源。本文采用兩種照明方式：當(dāng)檢測目標(biāo)為黑色可見雜質(zhì)時(shí)，采用平板 LED 透射成像，所獲得的序列圖像背景為白色，由于雜質(zhì)遮擋了光線而呈黑色；當(dāng)檢測目標(biāo)為白色時(shí)，采用黑背景成像方式，減少圖像上形成的亮斑，避免有用信息的丟失。

1.2.2 圖像預(yù)處理

由于獲取到的酒液圖像包括異物雜質(zhì)和受噪聲干擾的背景，因此需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，以保留有用信息。主要處理步驟如下：

(1) Gamma校正。預(yù)處理LED燈照射過程中使瓶身產(chǎn)生的反射或者折射效應(yīng)，形成高亮區(qū)域，采用Gamma校正高亮區(qū)域的對(duì)比度。

(2) 均值濾波。采用中值濾波法對(duì)圖像進(jìn)行脈沖信號(hào)干擾濾波處理，在消除圖像中噪聲的同時(shí)保證細(xì)節(jié)信息。對(duì)經(jīng)過Gamma校正后的灰度圖采用改進(jìn)的均值濾波在有效消除噪聲的同時(shí)較好地保留了完整信息。

(3) 差影法。采用差影法對(duì)圖像進(jìn)行減運(yùn)算以降低干擾對(duì)圖像的影響，當(dāng)酒瓶進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，將酒瓶旋轉(zhuǎn)進(jìn)行分離，酒瓶旋轉(zhuǎn)后停止，酒液內(nèi)部的異物不會(huì)立即停止運(yùn)動(dòng)，在此期間，獲取酒瓶圖像信息，并通過得到的前后圖像分離出微小的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，有效消除瓶身內(nèi)部劃痕以及反光等非檢測目標(biāo)的影響。

1.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

酒液異物檢測設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，選用一臺(tái)PLC負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的底層工作，包括系統(tǒng)協(xié)調(diào)、流水線對(duì)接、旋轉(zhuǎn)控制和機(jī)械臂控制。

圖3 電氣控制系統(tǒng)框圖

1.4 設(shè)備工作流程

設(shè)備工作流程如圖4所示，設(shè)備上電之后，酒瓶經(jīng)由輸送臺(tái)運(yùn)輸、轉(zhuǎn)盤等間距分隔后導(dǎo)入旋轉(zhuǎn)輸送盤；旋轉(zhuǎn)輸送盤上的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)利用旋轉(zhuǎn)套圈將酒瓶夾持并通過旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)使得酒瓶里面的雜質(zhì)充分運(yùn)動(dòng)起來；經(jīng)過再次分隔與輸送，酒瓶導(dǎo)入第二輸送臺(tái)，經(jīng)第一機(jī)械臂轉(zhuǎn)移至檢測臺(tái)；由圖像采集設(shè)備進(jìn)行圖像信息采集，通過數(shù)據(jù)的上傳、處理與分析，判斷瓶內(nèi)是否含有雜質(zhì)，檢測到瓶內(nèi)含有雜質(zhì)時(shí)，經(jīng)第二機(jī)械臂轉(zhuǎn)移至次品臺(tái)，合格品從檢測輸送臺(tái)進(jìn)入第三輸送臺(tái)送至后續(xù)工段。

圖4 設(shè)備工作流程

2 檢測試驗(yàn)結(jié)果與分析

從市場中購得某品牌的250 mL透明玻璃瓶裝酒300瓶，其中合格品200瓶，含玻璃細(xì)屑30瓶、白色纖維20瓶、蚊蟲10瓶、金屬屑20瓶、毛發(fā)20瓶。對(duì) 300瓶酒液異物進(jìn)行檢測，酒液異物檢測設(shè)備實(shí)物如圖5所示。

圖5 白酒酒液異物檢測設(shè)備實(shí)物

在樣品檢測過程中，以3 600瓶/小時(shí)的速度進(jìn)行20次檢測，同時(shí)聘請6名技術(shù)人員同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)行人工檢測，檢測結(jié)果與數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。由于檢測樣品是市場上購買所得，所以兩種檢測對(duì)不合格品的檢測正確率都比較高，與人工檢測相比，酒液異物監(jiān)測設(shè)備的檢測正確率更高。

表1 檢測結(jié)果

表2 雜質(zhì)檢測數(shù)據(jù)分析

3 結(jié)論

本白酒酒液異物檢測設(shè)備通過對(duì)當(dāng)前檢測技術(shù)的改進(jìn)以及創(chuàng)新，利用高精度旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)酒瓶的快速安全旋轉(zhuǎn)，利用高端機(jī)械臂精確完成酒瓶的傳輸與不合格品的轉(zhuǎn)移，利用高精度、高準(zhǔn)確率圖像獲取裝置實(shí)時(shí)處理獲取的圖像信息并判斷出不合格品，支持淺色透明瓶身，不僅可以廣泛應(yīng)用于各廠家的白酒生產(chǎn)，同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于啤酒、口服液等領(lǐng)域，極大地提高了透明瓶體內(nèi)部異物檢測的檢測效率，并充分發(fā)揮異物檢測設(shè)備的效能。