許 超，徐惠鋼，謝 啟,李 彬

(1．中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221008；2．常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

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基于機器視覺的啤酒瓶商標在線檢測系統(tǒng)

許 超1,2，徐惠鋼2，謝 啟2,李 彬1,2

(1．中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221008；2．常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500)

針對傳統(tǒng)人工檢測啤酒瓶商標存在的缺點，文中設計了一個用于啤酒瓶商標的在線實時檢測系統(tǒng)，將機器視覺、虛擬儀器技術和Compact DAQ技術結合起來，充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢，采用并行處理，將拍攝到的圖像與多張不同光照下的基準圖像同時進行模版匹配來檢測商標是否有漏貼、錯貼、商標破損或是商標傾斜的現象。經實例驗證，所設計的測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠高效地識別不合格的商標。

圖像；檢測；商標；機器視覺；Compact DAQ；LabVIEW

0 引言

隨著現代社會工業(yè)化、信息化的高速發(fā)展，采用傳統(tǒng)技術方法的生產過程已無法滿足人們對生產效率、產品質量等越來越高的要求。機器視覺的出現及應用，不僅適應了時代發(fā)展的需求，而且大大提高裝備的自動化和效率。在現代工業(yè)自動化生產中，尤其在不適合人工作業(yè)的惡劣工作環(huán)境或高速流水線上，機器視覺技術有著不可替代的作用。同時，LabVIEW的視覺開發(fā)工具包 IMAQ Vision 和軟件接口 Vision Assistant，使得基于虛擬儀器和 LabVIEW 的機器視覺產品檢測平臺具有前所未有的優(yōu)勢，能夠減少用戶的投資，縮短產品的開發(fā)周期，很好地滿足成本敏感、產品更新快的生產企業(yè)以及綜合性的產品檢測機構的需要[1-2]。

本課題的目的是在研究計算機工業(yè)視覺產品檢測技術的基礎上，理論聯系實際，通過具體產品檢測平臺的設計，將機器視覺、虛擬儀器技術和Compact DAQ技術結合起來，充分發(fā)揮三者的優(yōu)勢，開發(fā)設計了一個用于啤酒瓶商標在線實時檢測系統(tǒng)。當流水線上待測啤酒瓶到達相機的時候，通過電機轉動，調整啤酒瓶的角度，以便相機能拍到合適的檢測圖像，通過對拍攝到圖像的處理分析來檢測商標是否有漏貼、錯貼、商標破損或是商標傾斜的現象。

1 系統(tǒng)硬件組成

硬件部分由4槽cDAQ-9174控制器，8通道、5 V/TTL高速雙向數字I/O模塊NI 9401，NI 1722智能相機，電機，觸摸屏和各類型傳感器組成，硬件連接如圖1所示。NI cDAQ-9174具有50多款可供選擇的可熱插拔I/O模塊，通過數字模塊訪問機箱中內置的4個通用32位計數器/定時器，可以通過NI-DAQmx軟件編寫測量程序，也可以通過DAQ助手(DAQ Assistant)自動生成代碼，可同時運行來自模擬、數字或計數器/計時器通道的7個硬件定時操作，實現連續(xù)讀寫波形測量數據。NI 9401具有8通道、100 ns超高速雙向數字I/O口，可按半字節(jié)(4位)配置，支持熱插拔操作，工作溫度范圍廣(-40～70 ℃)。

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分采用LabVIEW語言編寫。其中上位機主要負責人機交互，包括：用戶登錄，生產線的監(jiān)控，測試數據的存儲等。在此系統(tǒng)中，既有數據采集，又有事件結構和圖像采集，而數據采集和事件結構彼此之間需要實現并行處理，為了不相互影響對方的執(zhí)行又不丟失數據，采用生產者與消費者循環(huán)對控件事件觸發(fā)進行處理，而數據采集結構同生產者與消費者循環(huán)再實現并行處理，互相之間無連線，這樣可以極大地提高程序的運行效率和設計靈活性。下位機包括智能相機圖像采集模塊。圖像采集模塊主要負責圖像的采集和處理工作，再將處理過的數據通過網絡共享變量發(fā)送到上位機。

圖1 系統(tǒng)硬件連接圖

2.1 圖像采集和檢測模塊

在實時在線視覺檢測中，軟硬件的簡單組合并不意味著能獲得期望的性能，既要考慮測試算法的精度，又要兼顧實時性。因此，如何在快速、穩(wěn)定、準確之間取得平衡，是確保一個系統(tǒng)能在工業(yè)實時檢測領域成功應用的核心問題。所以本文研究的重點是尋找一種適合本系統(tǒng)的圖像處理與分析算法。

當流水線上待測啤酒瓶到達相機的時候，用一電機驅動轉盤帶動啤酒瓶旋轉，同時使智能相機每間隔0.2 s進行1次圖像采集，然后再對采集到的圖像進行判斷，是否符合要求做進一步的處理。判斷標準是采集到的圖像一定要包含整個商標區(qū)域，并使商標區(qū)域盡量在圖像的正中間。具體做法是根據待檢測商標的特點選擇某一明顯的標志作為定位標志，對采集到的圖像進行模版匹配，如圖2所示，當匹配成功并且標志的中心坐標滿足一定條件時則保留該圖片做進一步檢測。該步驟要求是快速準確，所以搜索模版時采用局部搜索，也就是只在期望標志出現的感興趣區(qū)域(ROI)進行搜索，可以大大節(jié)省匹配時間。

圖2 定位標志

在圖像檢測部分，本系統(tǒng)采用模版匹配的方法對灰度圖像進行處理：對實時圖像進行缺陷檢測時，必須要選擇一個正確的基準圖像與實時圖像進行對比，通過對實時圖像與基準圖像的對比分析來確定實時圖像是否有缺陷。但考慮生產光照的時變性，實時圖像的灰度值會發(fā)生變化，影響檢測的精度。通常，采用的方法有2種：

(1) 選擇某一固定的無缺陷圖像作為基準圖像，對實時圖像做處理；

(2) 用待測圖像前一幅無缺陷圖像作為基準圖像。

前一種方法的優(yōu)點在于：只需要一個標準圖像，對系統(tǒng)資源占用少，但需要在算法上進行改善。第二種方法正好相反，它用前一張正確的圖像作為后一次處理的基準圖像，因此處理速度較慢，資源開銷大，但由于是相鄰圖像，因此不受光照條件等非質量因素的影響。但誤差容易累計，穩(wěn)定性較差。因此本系統(tǒng)擬選用第一種方法，但是這里選擇多幅在不同的光照條件下采集到的圖像作為基準圖像，然后同時對多幅基準圖像進行匹配，彼此之間并行處理，相互不影響，這樣既提高了匹配的準確性又兼顧了程序的實時性。

2.2 數據采集控制模塊

Compact DAQ控制器模塊主要負責采集各傳感器的數字信號，控制流水線上電機、相機、光源、氣閥以及信號燈。之所以選擇Compact DAQ是因為：NI Compact DAQ是一個適合在工作臺、工程現場和生產線上進行傳感器和電氣測量的新型優(yōu)選平臺。該系統(tǒng)提供了一個4/8槽機箱,其I /O模塊在單個系統(tǒng)下可實現高達256個通道的電氣、物理、機械和聲波信號的測量。通過將USB接口即插即用的簡便性與模塊化儀器的高性能和靈活性相結合,體積小巧、使用簡便且價位合理的NI Compact DAQ可以實現快速、精確的測量任務[3-4]。

任何測量系統(tǒng)都包括配套軟件，LabVIEW 可用于設計軟件并完全自定義獨立的測量系統(tǒng)。LabVIEW 提供用于采集、分析和演示數據的獨立開發(fā)環(huán)境，并且已經對底層編程調用進行抽象[5]。這種抽象意味著 LabVIEW 以及NI-DAQmx 驅動程序可以適用于隨時間變化的需求和技術，以便幫助用戶開發(fā)的應用程序與業(yè)界保持同步適用[6-7]。程序框圖如圖3所示。

圖3 數據讀寫模塊程序框圖

2.3 通信模塊

2.3.1 TCP/IP通信

通信模塊主要負責上位機和相機之間的通信，實現上位機對智能相機的控制同時將相機處理的結果發(fā)送至上位機。 TCP/IP 是目前廣泛采用的一組完整的網絡協議,在網絡通信中被廣泛應用[8]。主要通過以下幾個VI完成數據的傳輸：

TCP偵聽 VI: 創(chuàng)建偵聽器并等待位于指定端口的已接受TCP連接。

打開TCP連接: 打開由地址和遠程端口或服務名稱指定的TCP網絡連接。

讀取TCP數據: 從TCP網絡連接讀取字節(jié)并通過數據輸出返回結果。

寫入TCP數據: 使數據寫入TCP網絡連接。

關閉TCP連接: 關閉TCP網絡連接。

具體實現如圖4如示，先通過打開TCP連接VI實現對遠程端口與服務器名稱的配置，再在while循環(huán)中調用讀取TCP數據VI，實現對數據的實時讀取，最后通過關閉TCP連接VI關閉TCP網絡連接，TCP通信結束。

圖4 通過TCP讀取網絡變量

2.3.2 遠程訪問的實現

LabVIEW提供的Web服務器功能可直接將本地的VI程序面板“搬”到遠程計算機上，在遠程計算機上進行瀏覽和操作，以此系統(tǒng)為例，詳細介紹如何配置LabVIEW服務器[9]。

(1)單擊VI前面板或程序框圖上的工具，選擇Web發(fā)布工具，會彈出對話框，該對話框類似于向導程序，指導用戶創(chuàng)建HTML文件和嵌入式VI前面板圖像。在VI名稱中選擇要發(fā)布的VI。在查看模式中選擇客戶端進程訪問VI前面板的不同效果，有以下幾個選項：嵌入——客戶端可通過瀏覽器進程查看和控制前面板；快照——客戶端可以在瀏覽器中查看前面板的靜態(tài)圖像，但不能控制前面板；顯示器——客戶端可以在瀏覽器中查看前面板連續(xù)更新的動畫快照，但不能控制前面板。

(2) 點擊“下一步”，在選擇HTML輸出中，可以對客戶端訪問的Web頁內容作進一步的設置。

(3) 在保存新Web頁中，對Web頁的保存進行設置。

(4) 點擊連接后，就可以在本地默認瀏覽器上訪問該Web頁。也可以將該URL復制，在客戶端的瀏覽器上訪問該Web頁。

通過網頁瀏覽遠程 VI面板并獲得控制權，只需要在瀏覽器地址欄輸入網址即可遠程獲得控制權并對相關參數進行設置。

2.4 數據管理模塊

在虛擬儀器測量測試系統(tǒng)中,很重要的一部分工作是對實時采集地的數據進行顯示、查詢、統(tǒng)計、生成報表分析等。這其中涉及的最主要的任務就是對數據的讀取和寫入,即與數據庫系統(tǒng)進行交互。本文通過LabVIEW數據庫訪問的工具包LabSQL來實現以上功能。LabSQL是一個免費的、多數據庫、跨平臺的LabVIEW數據庫訪問工具包。支持Windows操作系統(tǒng)中任何基于ODBC的數據庫,它的優(yōu)點是易于理解,操作簡單,不熟悉SQL語言的用戶也可以很容易地使用。只需進行簡單地編程,就可在LabVIEW中實現數據庫訪問[10]。實現數據庫功能的第一步便是建立數據源，下面將詳述整個過程。

2.4.1 在Access中建立一個數據庫

LabVIEW 數據庫工具包只能操作而不能創(chuàng)建數據庫，所以必須借助第三方數據庫管理系統(tǒng)，比如Access，來創(chuàng)建數據庫。

2.4.2 建立與數據庫的連接

在利用LabVIEW數據庫工具包操作數據庫前，需要先連接數據庫，這就像操作文件前，先要打開文件一樣。連接數據庫有2種方法，分別是利用DSN連接數據庫和利用UDL連接數據庫。此處運用第一種方法。

LabVIEW數據庫工具包基于ODBC(Open Database Connectivity)技術，如圖5所示，在使用ODBC API函數時，需要提供數據源名 DSN(Data Source Names)才能連接到實際數據庫，所以我們需要首先創(chuàng)建DSN。在“Windows 控制面板”中雙擊“管理工具 ”，然后雙擊“數據源” ，進入ODBC數據源管理器，創(chuàng)建DSN。

2.4.3 數據庫基本操作

連接上數據庫之后，就可以對數據庫進行操作了。如圖6所示，通過Open Connection VI、Insert Data VI,Close Connection VI實現數據庫的連接、數據插入和斷開操作。此外，數據庫最常用的幾種基本操作包括創(chuàng)建表格、初除表格、添加記錄、查詢記錄。

圖5 LabVIEW 數據庫工具包基于ODBC技術

3 實驗結果分析

為驗證所設計啤酒商標檢測的有效性和正確性，對本系統(tǒng)進行重復性實驗(100次)如下：實驗樣本中有30個是人為制造的不合格品(漏貼5個、錯貼5個、破損10個、傾斜大于10°10個)，其余為合格品，得出的結果如下：當匹配閾值調節(jié)到95時，對于不合格的產品一般都能有效的檢測出來，其中漏貼錯貼和傾斜可以全部檢測出來，破損的檢測率在90%以上。誤檢率一般在5%以下。檢測100樣品總耗時為4 min/5 s，平均每個產品商標的測試周期3 s(影響測試周期的主要因素在于啤酒瓶的旋轉和流水線的速度，相機拍照和模版匹配程序執(zhí)行時間約0.2 s)。從實驗結果可以得出檢測系統(tǒng)的檢測準確率達到90%以上，能夠滿足目前產線生產的測試要求。后期要解決的主要問題是協調檢測的時間和流水線的速度之間的關系，提高產品檢測的效率。

4 結束語

針對啤酒瓶商標檢測技術存在測試效率低(主要人工測試)、測試方法落后等方面的不足，本文利用LabVIEW DAQ強大的數據采集和處理功能，同時結合LabVIEW IMAQ vision在圖像采集和處理功能方面的優(yōu)勢，完成了啤酒瓶商標檢測系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)軟件檢測程序采用了多路并行模版匹配算法，對檢測系統(tǒng)的結構進行了優(yōu)化，并提高了測試系統(tǒng)的檢測效率。

經驗證，所設計的檢測系統(tǒng)能夠實現在光線變化情況下，對啤酒瓶商標進行準確、高效地檢測，可以滿足啤酒瓶商標檢測的要求。

圖6 數據庫操作程序

[1] 顏發(fā)根,劉建群,陳新,等.機器視覺及其在制造業(yè)中的應用.機械制造,2004(11):28-30.

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Beer Trademark Online Detection System Based on Machine Vision

XU Chao1,2，XU Hui-gang2，XIE Qi2，LI Bin1,2

(1．School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2． College of Electrical and Automatic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

To the disadvantages of traditional artificial detection of beer bottles trademarks， a real-time online detection system for beer trademarks was designed in this paper.Combining the machine vision,virtual instrument technology and Compact DAQ and giving full play to the advantages of the three and by using parallel processing and taking template matching between the captured image and more than one benchmark images under different illumination conditions，whether there are these phenomenon of missing,wrong posts,trademark damage or trademark tilt was detected.The test system verified by the instance is stable and reliable,and able to effectively identify unqualified trademark.

image;detection;trademark;machine vision;compact DAQ；LabVIEW

江蘇省科技廳產學研聯合創(chuàng)新資金-前瞻性聯合研究項目(BY2014075)

2015-03-19 收修改稿日期：2015-09-10

TP271

A

1002-1841(2015)12-0081-04

許超(1987—)，碩士研究生，研究方向為檢測技術。 E-mail：chao_tom@163.com 徐惠鋼(1969—)，教授，工學博士，研究方向為工業(yè)控制、低壓電器柔性測試、多傳感器信息融合。 E-mail：xuhuigang@cslg.cn