創(chuàng)新者：胡佳麗 郭天太 吳聿聰 王道檔 趙超杰

智能化快速檢測膠囊外形缺陷儀

創(chuàng)新者：胡佳麗 郭天太 吳聿聰 王道檔 趙超杰

傳統(tǒng)的膠囊分揀方法效率低、漏檢率高，會對膠囊質(zhì)量造成巨大影響。針對這一問題，將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于膠囊外形缺陷的檢測，開發(fā)了一種膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀，能夠?qū)崿F(xiàn)對醫(yī)用空心膠囊表面缺陷的全方位檢測。對該儀器的總體結(jié)構(gòu)與工作原理，以及其中的關(guān)鍵部分圖像采集模塊、圖像處理模塊和篩選控制模塊進行介紹。該儀器檢測速度快，誤檢率小，在醫(yī)用空心膠囊外形缺陷的檢測中具有較好的實用性。

膠囊藥物在我國有著巨大的市場。據(jù)統(tǒng)計，我國人均服用膠囊藥物77粒/年，按全國136407萬人計算，我國的膠囊需求量大約是1000億粒/年。然而，有缺陷的不符合標準的空心膠囊會對人體健康造成傷害，因此，在膠囊的生產(chǎn)過程中必須對其質(zhì)量進行嚴格控制。由于膠囊顆粒小、數(shù)量多、種類繁、型號雜，傳統(tǒng)的人工檢測已不能滿足快速的工業(yè)化需求，但要開發(fā)出快速檢測、準確識別多種缺陷類型、性價比高的設(shè)備又比較困難。圖像處理技術(shù)與計算機技術(shù)的快速發(fā)展為解決這一難題提供了很好的條件?；谶@樣的應(yīng)用需求和背景，本文開發(fā)了一種膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀，以提高膠囊缺陷檢測的效率和準確率，滿足工業(yè)現(xiàn)場的檢測需要。

膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀的總體介紹

膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由工控機、相機、I/O控制卡和剔除裝置等組成。其中，工控機是核心控件，對黑白彩色相機進行控制以實現(xiàn)圖像的采集，由圖像處理軟件完成圖像的后續(xù)處理。I/O控制卡控制接近開關(guān)與剔除裝置，實現(xiàn)對缺陷膠囊的剔除。

圖1 總體結(jié)構(gòu)方框圖

按照功能，儀器可分為圖像采集模塊、圖像處理模塊和篩選控制模塊等模塊。圖像采集模塊包括攝像頭和照明系統(tǒng)等，實現(xiàn)圖像采集功能；圖像處理模塊在工控機中實現(xiàn)，主要負責(zé)膠囊圖像的提取和缺陷的識別；篩選控制模塊實現(xiàn)膠囊的分選，剔除不合格品。

膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀的工作原理如圖2所示。膠囊從料斗倒入傳送帶，經(jīng)過震蕩排列機構(gòu)，通過不斷的震蕩排序使膠囊能順利進入膠囊槽中，隨后傳送到檢測位置。在光源照射下，攝像頭采集膠囊圖像輸入工控機，利用專門的圖像處理模塊檢測膠囊缺陷，確定產(chǎn)品是否合格，不合格的產(chǎn)品被剔除到次品槽中。

圖2 膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀的工作原理

該儀器目前已可以實現(xiàn)對膠囊外形的快速檢測，具備對具有超長、超短等尺寸不良缺陷，以及黑點、油污、混色等表面瑕疵膠囊的檢測功能。經(jīng)實驗驗證，其誤檢率為1％，檢測速度可達到1400粒/min（84000粒/h）。

儀器采集模塊設(shè)計

對于圖像采集模塊，主要需要考慮圖像采集時攝像機的選取以及光照設(shè)置。只有膠囊表面受光均勻，反光程度小，才能用攝像機獲得高質(zhì)量的圖像，方便后續(xù)的圖像處理。為了減輕圖像處理過程的負擔，要對光照進行合理設(shè)置。同時，在考慮檢測速度的同時，選取幀率較高的攝像機。

攝像機的配置

要實現(xiàn)1400粒/min的檢測速度，膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀所配置的攝像機的幀率需要不低于24幀/s。在膠囊檢測中，計算量較大。為更快地得到運算結(jié)果，采用5部相機進行膠囊圖像采集，包括2部黑白相機和3部彩色相機。其中，黑白相機用于采集膠囊的灰度圖像，可直接用于對膠囊缺陷的識別；彩色相機主要用于對膠囊端面圖像的采集，通過分析彩色圖像，可以檢測膠囊端面是否存在缺陷，同時彩色圖像也可以直接用于對膠囊顏色的判別，方便剔除一些顏色不同的膠囊。

所配置的攝像機除了要求能成像清晰外，還需要能夠簡單操作、具有較好的實時性和傳輸?shù)姆€(wěn)定性?；谝陨弦?，膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀中的黑白相機采用AVT Guppy F-125B，彩色相機采用AVT Stingray F-125C。同時，為黑白相機和彩色相機配置焦距16mm，能成8.8*6.6mm2像的合適鏡頭，以獲取更高質(zhì)量的膠囊圖像。

光照的設(shè)置

本儀器主要是對半透明的空心膠囊進行檢測，容易出現(xiàn)反光、光照不均勻的現(xiàn)象，所以在膠囊圖像采集過程中，要對其進行特殊的光照處理。因所配置的攝像機有黑白相機和彩色相機，故需要采用不同的光照環(huán)境。

對于黑白相機，采用LED背光源設(shè)計。因黑白相機對紅外光比較敏感，故采用近紅外LED背光源，其光線穿透能力強，工作波長λ為850nm。該背光源設(shè)計可以使得采集的膠囊圖像輪廓分明，從而方便后續(xù)的圖像處理過程中對圖像特征值的提取，減少工作時間。

對于彩色相機，為了檢測膠囊端面的相關(guān)缺陷，而需要采集的膠囊圖像的色彩度比較明顯，因此采用了條形光源。

為得到較為明亮的視場環(huán)境，配置了兩條光源進行正面照射。為了采集到質(zhì)量較好的膠囊圖像，通過調(diào)整照射角度到最佳位置，從而確保兩條光源正對著膠囊照射進行工作。

圖像處理模塊設(shè)計

由采集模塊得到的原始圖像具有噪聲大、光照不均勻等缺點，不適合直接用于對膠囊的缺陷判斷。只有通過對原始圖像進行處理，將背景圖像與檢測對象進行區(qū)分，獲取圖像的感興趣區(qū)域，并將感興趣區(qū)域內(nèi)的膠囊圖像與膠囊缺陷特征庫內(nèi)的圖像進行對比分析，才能判斷膠囊的缺陷類型。

膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀的圖像處理流程如下：

1）將采集到的圖像進行灰度化、濾波等預(yù)處理，從預(yù)處理后的圖像中裁剪出需要進行后續(xù)處理的圖形區(qū)域；

2）對預(yù)處理后的膠囊圖像進行特征提取，獲取檢測膠囊的特征要素；

3）將提取的輪廓圖像與已有的圖像數(shù)據(jù)庫進行比較，判斷膠囊是否符合標準，以及缺陷類型；

4）對不符合標準的缺陷膠囊進行剔除；

5）通過計算機記錄相關(guān)的缺陷膠囊數(shù)據(jù)以及合格膠囊數(shù)據(jù)。

儀器篩選模塊設(shè)計

圖像處理模塊只能檢測出缺陷膠囊，但不能對其進行剔除。只有當膠囊進入篩選模塊時，才能根據(jù)工控機給定的標記位置對相應(yīng)位置的缺陷膠囊進行剔除。篩選模塊的設(shè)計主要包括對缺陷膠囊位置標記的設(shè)計和剔除裝置的設(shè)計。合理設(shè)計對缺陷膠囊位置的標記，可以更準確地確定缺陷膠囊，提高檢測速度。設(shè)計高效的剔除裝置，可以保證檢測過程的快速進行。

缺陷膠囊位置標記設(shè)計

膠囊通過傳送帶傳輸，傳送帶由齒輪進行傳動，對齒輪進行標記可以有效地確定膠囊的實際位置。本儀器采用接近開關(guān)對齒輪進行計數(shù)，因為接近開關(guān)不需要與機械進行接觸，無需對機械施加任何壓力，便能夠使開關(guān)動作給工控機提供指令。工控機將每一個齒輪的轉(zhuǎn)動與膠囊傳送的格數(shù)相對應(yīng)，通過計算齒輪轉(zhuǎn)動過的齒數(shù)來確定缺陷膠囊是否到達目標位置。

剔除裝置設(shè)計

隨著高溫高壓技術(shù)的提高，吹氣裝置以其獨有的恒流性在測量液體、密度、界面方向得到了廣泛的應(yīng)用。由于本儀器的檢測對象是醫(yī)用空心膠囊，其顆粒小、質(zhì)量輕、數(shù)量多，因此本文采用吹氣裝置產(chǎn)生高壓氣體對檢測膠囊進行控制。利用吸氣管對膠囊產(chǎn)生輕微的吸附作用，從而保證膠囊在傳送帶上平穩(wěn)運行而不至于四處滾動；并利用吹氣管對缺陷膠囊進行高壓吹氣，將缺陷膠囊吹入不合格品回收槽中，從而實現(xiàn)對缺陷膠囊的剔除。

對于吹氣裝置的設(shè)計，主要是對由吸氣管以及吹氣管組成的風(fēng)機氣管的設(shè)計，將5根管子作為吸氣管，4根作為吹氣管，1根作為清理管。通過10根氣管的作用，實現(xiàn)在膠囊圖像處理后對膠囊的篩選，將合格膠囊和不合格膠囊吹入相應(yīng)的槽中，從而完成對膠囊外形的分選。

結(jié)語

本文將圖像處理技術(shù)應(yīng)用于膠囊外形檢測，開發(fā)了一種膠囊外形缺陷智能化快速檢測儀，通過硬件、軟件、機械的有機結(jié)合，實現(xiàn)了對于膠囊外形的智能化自動檢測。本文的研究結(jié)果對實現(xiàn)膠囊外形質(zhì)量的快速檢測具有重要的現(xiàn)實意義。

胡佳麗 郭天太 吳聿聰 王道檔 趙超杰

中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院

胡佳麗（1993.2-）女，漢，浙江紹興，中國計量學(xué)院，學(xué)士，主要研究方向為測控技術(shù)與儀器。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.031

項目名稱：2014年浙江省大學(xué)生科研創(chuàng)新活動計劃資助項目：膠囊外形智能化快速檢測儀，項目編號：2014R409047