龔 燦

（中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所，安徽 蚌埠 233010）

一、引言

在香煙加工生產(chǎn)的過程中，為了保證最終煙包的煙支質(zhì)量，包裝線上需要安裝煙支空頭檢測裝置，用于檢測模盒內(nèi)煙支是否存在空頭等缺陷。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的不斷成熟，基于機(jī)器視覺技術(shù)的非接觸式煙支空頭檢測方式得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在基于機(jī)器視覺技術(shù)的煙支空頭檢測裝置中，需要對各煙支分別進(jìn)行填充情況的檢測，檢測的首要步驟就是確定模盒內(nèi)各煙支的檢測區(qū)域，即各煙支對應(yīng)的興趣區(qū)域。目前常用的方法是人工確定各煙支的檢測區(qū)域，給定圓形煙支的外接四邊形作為檢測區(qū)域。但是在實(shí)際的在線檢測中，受到機(jī)器振動等因素的影響，各煙支的位置不可能一成不變，煙支存在一定程度上的抖動偏移。此外，模盒內(nèi)的煙支存在不同的排列方式，包括776、767三排排列及55、1010兩排排列等多種排列方式，如果煙支排列方式改變，需要重新設(shè)置各煙支檢測區(qū)域，比較繁瑣。因此急需一種智能的、自動的煙支定位方法，準(zhǔn)確確定各煙支的檢測區(qū)域。

二、灰度投影

灰度投影是將圖像的二維灰度信息映射成獨(dú)立的一維投影序列，水平方向與垂直方向灰度投影計(jì)算公式如下：

其中A[i]為水平方向投影曲線，B[j]為垂直方向投影曲線，S(i,j)為灰度圖像上第i行、第j列坐標(biāo)上的像素的灰度值，width為圖像寬度，height為圖像高度。

圖1為圖像傳感器采集的767排列的煙支煙絲端面灰度圖像。從圖中可以看出，煙支在模盒內(nèi)呈緊密規(guī)則的三排排列，煙絲與煙支盤紙灰度對比明顯(煙絲為暗色，盤紙邊緣為白色)，在各煙支的邊界處，都會有一小部分白色的盤紙。

圖1 煙支煙絲端面灰度圖像

以煙支灰度圖像中的像素灰度值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對圖像進(jìn)行水平投影與垂直投影，得到灰度水平投影曲線和垂直投影曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 水平投影

圖3 垂直投影

從圖中可以清晰的看出投影曲線上煙支相鄰部分呈現(xiàn)出波峰形狀，每個(gè)波峰對應(yīng)著相鄰煙支的邊界處，即通過方向投影將圖像局部特征轉(zhuǎn)換成了統(tǒng)計(jì)特征，在該投影曲線基礎(chǔ)上定位波峰位置即可實(shí)現(xiàn)各煙支的定位。

三、基于均值濾波的曲線峰谷定位方法

（一）均值濾波

均值濾波又稱鄰域平均法，它以像素為單位，求出相鄰像素的平均值并賦給中間像素。它是一種線性濾波，可以消除圖像中的點(diǎn)狀噪聲、尖銳不連續(xù)部分。

對于二維圖像，一幅N×N個(gè)像素的圖像f（x，y）經(jīng)過均值濾波后輸出一幅圖像g（x，y），其表達(dá)式為

公式 （3） 中，i=0，1，2，3……N-1，j＝0，1，2，3……N-1，A是以（x，y）為中心的領(lǐng)域的集合，M是領(lǐng)域A內(nèi)的像素總數(shù)。

在實(shí)際的應(yīng)用中，一般采取3×3或5×5的均值濾波模板，其示意圖如圖4所示。

圖4 均值濾波模板

（二）基于均值濾波的曲線峰谷定位方法

基于均值濾波的曲線峰谷定位方法，首先對投影曲線分別進(jìn)行輕度與重度均值濾波處理，輕度均值濾波主要對投影曲線進(jìn)行輕微濾波，可以有效濾除部分噪聲干擾，重度均值濾波主要在局部區(qū)域內(nèi)獲取平均像素，能將投影曲線在局部拉伸平緩；然后將輕度均值濾波曲線與重度均值濾波曲線差運(yùn)算獲得新的曲線數(shù)組，再與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，得出波峰獨(dú)立、簡潔明了的曲線，最后在該曲線上進(jìn)行波峰位置查找。濾波算法為

其中，K為濾波系數(shù)，輕度濾波的系數(shù)K取值較小，一般在3～10之間，重度平滑濾波的系數(shù)K取值較大，20～50不等，具體值可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。

利用式（4）的計(jì)算方法，對投影曲線分別進(jìn)行輕度和重度平滑濾波，得到輕度濾波曲線和重度濾波曲線,最后將兩曲線逐個(gè)相減并對負(fù)值清零得到新的曲線，具體效果分別如圖5、圖6所示。

圖5 水平投影曲線濾波處理效果

圖6 垂直投影曲線濾波處理效果

在經(jīng)過特殊濾波處理后的投影曲線上，確定各個(gè)波峰的具體位置。方法如下：

1.遍歷濾波后的曲線C[i]，得到其最大值C_Max，該值即為曲線上最高波峰值，記錄最大值C_Max對應(yīng)的索引號C_index。

2.確定C_Max對應(yīng)波形的起始與終止位置，以C_index為初始位置分別往索引號增大與減小的方向遍歷，兩者均當(dāng)滿足條件C[i]＝0時(shí)結(jié)束，分別記錄滿足C[i]=0對應(yīng)的索引號C_End與C_Start。

3.對C_Max對應(yīng)的波形進(jìn)行清零操作。如式（5）所示。

經(jīng)過上述步驟后，可得到曲線C[i]上第一個(gè)波峰的準(zhǔn)確位置，并將該波峰對應(yīng)波形從曲線C[i]上去除。對C[i]重復(fù)上述步驟，即可獲得曲線上第二個(gè)波峰的準(zhǔn)確位置。依次類推，就可得到曲線C[i]上四個(gè)波峰的位置。根據(jù)各個(gè)波峰位置將煙支分割成三排的結(jié)果如圖7所示。最終煙支定位效果如圖8所示。

圖7 水平投影將煙支分割成三排的效果

圖8 煙支定位效果

四、結(jié)語

本文方法已成功應(yīng)用于多家基于機(jī)器視覺技術(shù)的煙支檢測產(chǎn)品，經(jīng)產(chǎn)線測試，該方法能對包裝機(jī)模盒內(nèi)的煙支進(jìn)行準(zhǔn)確定位，自動確定各煙支的檢測區(qū)域，提升產(chǎn)品的智能化程度，很大程度上提高了后期煙支空頭檢測的準(zhǔn)確度。該方法同時(shí)也可推廣到類似的目標(biāo)定位中，具有廣泛的應(yīng)用空間。