摘 要：視覺檢測技術(shù)是建立在計(jì)算機(jī)視覺研究基礎(chǔ)上的一門新興檢測技術(shù)，基于視覺傳感器的檢測系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，效率高，組成簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的在線，非接觸檢測及監(jiān)控。本文介紹了該技術(shù)在煙草行業(yè)包裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用方案。 關(guān)鍵詞：視覺檢測技術(shù) ; 視覺傳感器 ; 包裝生產(chǎn)線 ; 模式識別 ; 煙草行業(yè); 1 引言 　　機(jī)器視覺技術(shù)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個重要分支，在近三十年中有迅猛的發(fā)展。由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息自動進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，易于同設(shè)計(jì)信息及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)被廣泛用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。 　　機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是可以提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺;另外，在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機(jī)器視覺系統(tǒng)檢查產(chǎn)品質(zhì)量顯然要比人工方式速度快，精度高，而且可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)自動化程度。另外，機(jī)器視覺系統(tǒng)便于信息集成，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)。 　　煙草行業(yè)包裝生產(chǎn)線的自動化程度很高，機(jī)器包裝好的煙盒以每分鐘500盒/分鐘的速度經(jīng)傳送帶輸出。目前，絕大多數(shù)生產(chǎn)線還是采用人工篩選包裝不合格的產(chǎn)品。如果用視覺識別系統(tǒng)取代人工進(jìn)行在線檢測, 不僅可以減輕工人勞動強(qiáng)度，而且將減少次品和提高生產(chǎn)效率。但是，機(jī)器視覺系統(tǒng)也有它的局限性，因此，對于不同的檢測對象要具體分析，采取不同的檢測方案。 2 視覺檢測系統(tǒng)分析 　　.1） 基本原理 　　機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)通常采用CCD（Charge Coupled Device）照相機(jī)攝取檢測圖像，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對圖像數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模式識別，坐標(biāo)計(jì)算，灰度分布圖等多種功能。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)能夠根據(jù)其檢測結(jié)果快速地顯示圖象，輸出數(shù)據(jù)，發(fā)布指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以配合其完成位置調(diào)整，好壞篩選，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等自動化流程。與人工視覺相比較，機(jī)器視覺的最大優(yōu)點(diǎn)是精確，快速，可靠，以及信息數(shù)字化。 　　機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理、輸出顯示。 　　圖像獲取設(shè)備包括光源、攝像機(jī)等，其中關(guān)鍵部件CCD是由分布于其上的各個像元的光敏二極管的線性陣列或矩形陣列構(gòu)成，通過順序輸出每個二極管的電壓脈沖，實(shí)現(xiàn)將圖像光信號轉(zhuǎn)換成電信號的目的。輸出的電壓脈沖序列可以直接以RS-170制式輸入標(biāo)準(zhǔn)電視顯示器，或者輸入計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，進(jìn)行數(shù)值化處理。CCD是現(xiàn)在最常用的機(jī)器視覺傳感器。 　　圖像處理設(shè)備包括相應(yīng)的軟件和硬件系統(tǒng)。 　　輸出設(shè)備與過程相連，包括監(jiān)視界面，過程控制器和報警裝置等。攝像數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)對標(biāo)準(zhǔn)和故障圖像的分析和比較，若發(fā)現(xiàn)不合格產(chǎn)品，則通過NG信號告警，并由PLC自動將其排除出生產(chǎn)線。機(jī)器視覺檢測的結(jié)果可以作為計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量CAQ （Computer Aided Quality）系統(tǒng)的信息來源，也可以和其它控制系統(tǒng)集成。 　　.2） 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　煙盒包裝生產(chǎn)線視覺檢測系統(tǒng)采用歐姆龍公司的F150視覺傳感器。其主要性能指標(biāo)是，像素為512×480，可以紀(jì)錄16個不同物件的標(biāo)準(zhǔn)畫面，存儲23個畫面不合格物件圖像，即可以確定23種不合格的情況，便于在生產(chǎn)中做出比較和回饋。圖像處理采用二值化方法。數(shù)據(jù)及圖像的存儲通過RS232口與PC機(jī)相連。攝影機(jī)和照明裝置為F150-SL20/50型，其中攝影機(jī)部分為1/3寸CCD個體攝像元件，帶智能照明，脈沖發(fā)光，即頻閃，電子快門有1/100，1/500，1/2000，1/10000秒的多種選擇。檢測范圍為50mm×50mm，設(shè)定距離16.5mm-26.5mm。 　　視覺檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1[6]所示： [align=center] 圖1 視覺檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成 [/align] 圖中的主要部件功能如下： 　　在系統(tǒng)中起核心作用的是控制器，其基于二值化和灰度理論，可以處理CCD鏡頭以像素為單位轉(zhuǎn)換而來的電信號，并提供多種測量模式，輸入輸出和通信手段?？刂破魍ㄟ^專用信號線與攝像機(jī)及智能照明裝置相連，后者內(nèi)含CCD器件，可配合多種標(biāo)準(zhǔn)鏡頭。特別要說明的是本系統(tǒng)采用智能照明，可進(jìn)行八段光亮設(shè)定，可以穩(wěn)定的攝取適合檢查的圖像。使用者可通過手持書寫器，在顯示器上選擇測量模式，檢查區(qū)域及設(shè)定檢查條件。最后在控制器中產(chǎn)生特定信號，由PLC接收，控制電磁閥產(chǎn)生剔除動作，完成取像，檢測，剔除等一整套動作。 3 系統(tǒng)仿真 　　針對視覺檢測系統(tǒng)中的幾個重要問題，我們進(jìn)行了專門的研究和仿真。 　　1） 待檢測物件顏色與照明光源及外光源之間的關(guān)系，是否有特殊的要求? 　　2） 包裝生產(chǎn)線上要求對香煙盒的外包裝進(jìn)行局部缺陷檢測，比如：外觀破損，邊緣測定，印刷位置，封口情況等。一個攝像頭是否可以同時檢測兩到三個面? 　　3）視覺檢測系統(tǒng)檢測物件的精度是否可達(dá)到期望的要求? 　　物件圖像的視頻端口外接通用數(shù)碼錄影機(jī)，由USB端口傳入PC機(jī)，再用專用軟件在顯示器展示出來。操作步驟如下： [align=center] 圖 2 標(biāo)準(zhǔn)畫像[/align] 　　1） 錄標(biāo)準(zhǔn)畫像。將待測物件放入攝像頭的測試范圍，并作為標(biāo)準(zhǔn)畫像記錄。記錄時，要邊看畫像邊根據(jù)菜單進(jìn)行照明及快門設(shè)定。本例中快門速度為10000/s，照明為初始默認(rèn)值。如圖2所示 [align=center] 圖3 檢查項(xiàng)目及領(lǐng)域設(shè)定[/align] 　　2） 檢查項(xiàng)目和領(lǐng)域設(shè)定。畫面上會顯示幾種類型的應(yīng)用實(shí)例,選擇其中的某幾項(xiàng)檢測項(xiàng)目。接著設(shè)定檢查領(lǐng)域，進(jìn)行各種形狀的設(shè)定，能設(shè)定最大16個領(lǐng)域。在本例中，分別進(jìn)行了灰度搜索，邊緣灰度位置，平均密度的設(shè)定。如圖3所示 　　3） 位置修正。檢測時，物件的位置不穩(wěn)定時，需要進(jìn)行位置修正。作為位置修正標(biāo)準(zhǔn)的領(lǐng)域及修正方法可自動進(jìn)行設(shè)定。這一點(diǎn)對于工業(yè)生產(chǎn)線，非常實(shí)用。本例中對其中的某個檢查的項(xiàng)目進(jìn)行了位置修正，使之更符合生產(chǎn)實(shí)際。 [align=center] 圖4 合格物件[/align] [align=center] 圖5 不合格物件[/align] 　　4） 確認(rèn)，檢測。其中前一幅圖像為合格物件，即OK，如圖4所示。后一副圖像為不合格物件，即NG，如圖5所示。 4 結(jié)論 　　本文介紹了一種應(yīng)用于煙草工業(yè)包裝生產(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量檢測的新型技術(shù)手段，即利用機(jī)器視覺系統(tǒng)方便，快捷，有效地實(shí)現(xiàn)物件檢測。 　　在實(shí)際應(yīng)用中，我們注意到特定的光源色對不同的物件顏色區(qū)分有很大差異，一般要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。比如，采用紅色LED光源的CCD攝像頭時，它對紅與黃顏色的區(qū)分就不理想，這種情況下可以采用綠色的光源。除此之外，生產(chǎn)現(xiàn)場攝像頭最好用燈罩型裝置屏蔽外來雜光源。 　　另外，由于一個攝像頭檢測物件的多個面時，鏡頭與物件不垂直，而是與物件的兩個待測面或三個待測面呈一定的角度，因此，需要考慮這種形變帶來的誤差。在生產(chǎn)線上，當(dāng)物件移動位置不穩(wěn)定時，可以用位置補(bǔ)償來修正檢測范圍。另外，當(dāng)煙盒外包裝需檢測部位與背景在灰度上近似時，采用本次仿真實(shí)驗(yàn)選用的攝像頭，對煙盒開口精度1毫米并不能達(dá)到。 　　對香煙包裝生產(chǎn)線來說，檢測系統(tǒng)輔助裝置的設(shè)計(jì)和安裝十分關(guān)鍵，即要在生產(chǎn)線上使煙盒需要檢測的各個面都處于傳感器的視覺范圍之內(nèi)，完成全包裝檢測。 　　本次仿真試驗(yàn)中，采用的是歐姆龍公司中端的F150視覺檢測系統(tǒng)，而對于最新推出的F160系統(tǒng)，則可以滿足更高端的指標(biāo)要求，尤其是對待測物件從比較型檢測轉(zhuǎn)變到測量型檢測，但同時成本會有一定的提高。結(jié)合不同檢測系統(tǒng)的成本及工業(yè)現(xiàn)場實(shí)際要求，可以比較靈活的采用不同的系統(tǒng)。 　　試驗(yàn)仿真結(jié)果表明，視覺檢測系統(tǒng)對煙草生產(chǎn)線煙盒外包裝的檢測可以達(dá)到預(yù)期的效果。 參考文獻(xiàn) 　　【1】 OMRON公司《傳感器綜合樣本》 2001年 　　【2】 Kenneth R.Castlemen 著 朱志剛 等譯 《數(shù)字圖像處理》 北京： 電子工業(yè)出 　　版社 2002年 　　【3】 趙守忠 《傳感器技術(shù)及其應(yīng)用》 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 1997年 　　【4】 OMRON公司 F-150-3 Vision Sensor manual 1： SETUP MANUAL 2000年 　　【5】 OMRON 公司F-150-3 Vision Sensor manual： EXPERT MENU OPERATION MANUAL 2000年 　　【6】 王林，沈立緯 《視覺檢查系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用》 2001年