孫宏杰 喬建軍

摘? ?要： 針對(duì)卷煙透明包裝材料上的拉線可能發(fā)生破損、偏移等缺陷的問題，設(shè)計(jì)一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)。從硬件和軟件兩方面提出檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。硬件上，控制接口板通過單片機(jī)集成兩路圖像采集組件通信接口、兩路光源控制電路和一路對(duì)外通信接口，實(shí)現(xiàn)與工控板的通信和拉線圖像采集等功能。軟件上，工控板作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)界面顯示和圖像處理;單片機(jī)作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)相機(jī)、光源和I/O信號(hào)控制。提出了包括圖像灰度化、圖像投影、圖像去噪、模板匹配等模塊的拉線檢測算法，通過模板圖像與檢測區(qū)域圖像垂直投影曲線的匹配系數(shù)判斷拉線是否發(fā)生破損、偏移等缺陷。經(jīng)效果評(píng)估與客戶反饋，與光電式檢測和激光式檢測等傳統(tǒng)方式相比，視覺檢測杜絕了透明拉線缺失漏檢的問題，對(duì)拉線偏移的檢測精度可達(dá)到0.1 mm。

關(guān)鍵詞： 拉線檢測;包裝材料;圖像采集;灰度化;垂直投影;模板匹配

引言

在卷煙包裝生產(chǎn)過程中，小包和條盒外都通過透明紙和拉線實(shí)現(xiàn)了裹包工藝，起到了保持卷煙品質(zhì)和美化產(chǎn)品外觀的作用。為確保產(chǎn)品質(zhì)量，需要在帶有拉線的透明材料上安裝拉線檢測裝置，對(duì)拉線缺失、拉線偏移等問題和透明紙接頭穩(wěn)定性進(jìn)行檢測[1]。

國內(nèi)卷煙企業(yè)中包裝機(jī)上的拉線檢測裝置主要包括光電式傳感器和機(jī)器視覺檢測器。光電式傳感器在不透明拉線的檢測中可靠性較高，但是在用于檢測環(huán)保性更好的透明拉線時(shí)經(jīng)常發(fā)生誤判[2]，出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。目前市面上的視覺檢測器基本上還只是早期機(jī)器視覺技術(shù)剛起步時(shí)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，一般是一臺(tái)控制器配一個(gè)相機(jī)，這雖然有效地解決了檢測可靠性的問題，但若要在同一臺(tái)設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)小包和條盒的拉線檢測，就需要安裝兩臺(tái)控制器，一方面造成現(xiàn)場機(jī)器外掛設(shè)備太多，影響車間整潔性，另一方面也增加了設(shè)備成本[3-8]。

為滿足國內(nèi)卷煙企業(yè)的需求，需要設(shè)計(jì)一款一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)，即在一個(gè)控制器上同時(shí)掛載兩個(gè)相機(jī)，各自實(shí)現(xiàn)小包和條盒的拉線檢測。本文首先從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面，介紹該檢測系統(tǒng)的總體方案;然后對(duì)拉線檢測算法進(jìn)行研究和測試;最后將本文提出的檢測系統(tǒng)與同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)估系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

1? 總體方案

1.1? 硬件設(shè)計(jì)

一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)在硬件上分為顯示控制組件和兩個(gè)圖像采集組件模塊，其原理框圖如圖1所示。

控制接口板為COM-E自行設(shè)計(jì)的載板，用于COM-E的外圍擴(kuò)展，主要包括單片機(jī)電路、光源控制電路、圖像采集組件通信接口以及對(duì)外通信接口。單片機(jī)采用ST公司的基于Cortex-M4F內(nèi)核的32位STM32F4系列微處理器，具有低功耗、少門數(shù)、短中斷延遲、低調(diào)試成本等優(yōu)點(diǎn)，它是ST公司專門為低功耗、低成本嵌入式應(yīng)用場景設(shè)計(jì)的一款高性能MCU，可大大降低編程的復(fù)雜性?？刂平涌诎迮c工控板之間的通信通過單片機(jī)自帶的USART進(jìn)行，協(xié)議參照工業(yè)控制領(lǐng)域目前普遍采用的Modbus通信協(xié)議。另外，控制接口板上還集成了兩路圖像采集組件通信接口、兩路光源控制電路和一路對(duì)外通信接口，分別用于接收工業(yè)相機(jī)的圖像信號(hào)并發(fā)送給工控板、給光源提供電源并觸發(fā)、與包裝機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)交流。

1.2? 軟件設(shè)計(jì)

一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)在軟件上主要針對(duì)兩個(gè)部分而設(shè)計(jì)：工控板部分和單片機(jī)部分。

工控板部分作為上位機(jī)，又分為人機(jī)界面部分和圖像處理部分。

人機(jī)界面部分以嵌入式Windows 7為操作系統(tǒng)，開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2010，采用基于對(duì)話框的軟件開發(fā)方法。整個(gè)界面主要包括五個(gè)子界面：“啟動(dòng)”、“工作”、“統(tǒng)計(jì)”、“設(shè)置”和“實(shí)驗(yàn)室”。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)首先進(jìn)入“啟動(dòng)”界面，完成相機(jī)初始化、配置參數(shù)加載、全局變量初始化等一些系統(tǒng)初始化工作。系統(tǒng)初始化完成后，關(guān)閉“啟動(dòng)”界面，打開“工作”界面。“工作”界面是系統(tǒng)工作時(shí)的默認(rèn)界面，從系統(tǒng)初始化完成到退出系統(tǒng)的整個(gè)過程中，“工作”界面一直是打開的。在“工作”界面中點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕可打開“統(tǒng)計(jì)”等界面。為節(jié)省系統(tǒng)資源，除“工作”界面外的其他界面在返回“工作”界面時(shí)均會(huì)關(guān)閉。圖2a和圖2b所示分別為拉線正常和拉線偏移時(shí)的“工作”界面。

圖像處理部分在軟件開發(fā)上選用成熟的機(jī)器視覺函數(shù)庫OpenCV，該函數(shù)庫中包含了大量的圖像處理基本函數(shù)，可以在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像處理軟件設(shè)計(jì)。圖像處理主要涉及以下幾種處理方法：圖像灰度化、圖像去噪、圖像投影等。

單片機(jī)部分作為下位機(jī)，主要負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行工控板部分軟件的命令，對(duì)光源和I/O信號(hào)進(jìn)行相關(guān)操作。單片機(jī)部分主要包含I/O信號(hào)處理、光源控制和串口通信功能模塊等。為提高開發(fā)效率、方便軟件維護(hù)，采用C語言進(jìn)行單片機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)。

2? 拉線檢測算法研究與應(yīng)用

2.1? 算法流程

在一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)中，圖像處理是關(guān)鍵。為了得到準(zhǔn)確的檢測結(jié)果，需要對(duì)由圖像采集系統(tǒng)獲取的拉線圖像進(jìn)行處理，具體流程包括圖像灰度化、圖像投影、圖像去噪、模板匹配、輸出檢測等，如圖3所示。

2.2? 圖像灰度化

在一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)中，工業(yè)相機(jī)采集到的拉線圖像是彩色數(shù)字圖像，由R（紅）、G（綠）、B（藍(lán)）三種顏色組成。圖像灰度化是為了將RGB圖像轉(zhuǎn)換為單通道的GRAY圖像，提高后續(xù)處理速度?；叶然幚砉綖?/p>

其中，Y為灰度變換后的圖像灰度信息，R、G、B分別為彩色圖像像素的紅、綠、藍(lán)顏色分量信息。圖4所示為興趣區(qū)域內(nèi)的合格拉線（模板）及其對(duì)應(yīng)的灰度圖。

2.3? 圖像投影

圖像投影采用垂直投影。垂直投影是指對(duì)二維圖像作投影變換，把拉線的圖像特征轉(zhuǎn)換為一維空間的數(shù)據(jù)特征，以利于后續(xù)的快速模板匹配。對(duì)灰度化后的圖像進(jìn)行垂直投影的計(jì)算公式為

其中，為模板水松紙左側(cè)投影曲線;為模板水松紙左側(cè)灰度化后的圖像亮度;為待檢水松紙左側(cè)投影曲線;為待檢水松紙左側(cè)灰度化后的圖像亮度;為圖像高度;為圖像寬度。

圖5所示為對(duì)模板圖像與檢測區(qū)域進(jìn)行垂直投影變換形成的一維曲線。橫坐標(biāo)代表圖像的列數(shù)，縱坐標(biāo)表示平均灰度值。從圖5中可以看出，模板投影曲線的特征為兩側(cè)數(shù)據(jù)平穩(wěn)且值較低，中間部分呈現(xiàn)四個(gè)波峰形狀且最左側(cè)波峰最大;從檢測區(qū)域的投影曲線中也可以找到一段曲線與模板投影曲線類似。所以，將模板投影曲線與檢測區(qū)域投影曲線匹配，就能找到一個(gè)最佳匹配位置與最佳匹配系數(shù)。

2.4? 圖像去噪

圖像去噪是指對(duì)原始投影曲線進(jìn)行濾波處理，把投影曲線上一些干擾數(shù)據(jù)的影響力削弱，保證后續(xù)模板匹配的準(zhǔn)確性。

2.5? 模板匹配

模板匹配是指計(jì)算檢測圖像投影數(shù)據(jù)與模板投影數(shù)據(jù)的最佳匹配位置與最佳匹配系數(shù)，判斷拉線是否破損或偏移。圖6a是模板圖像與拉線破損情況下檢測區(qū)域的垂直投影曲線對(duì)比。當(dāng)拉線出現(xiàn)破損時(shí)，投影曲線上的平均灰度值較低，即4個(gè)波峰值都較正常時(shí)低很多，這樣匹配系數(shù)也較正常時(shí)低，從而可以判斷該拉線為破損拉線。圖6b是模板圖像與拉線偏移情況下檢測區(qū)域的垂直投影曲線對(duì)比。當(dāng)拉線偏移出去時(shí)，投影曲線上4個(gè)波峰不復(fù)存在，這使得匹配系數(shù)更低，從而可以判斷該區(qū)域沒有拉線。

3? 效果評(píng)估與反饋

一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)在硬件和軟件研制過程中采用系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)理念，多數(shù)通用模塊得到了市場的長期檢驗(yàn)，能保證產(chǎn)品的可靠性。與傳統(tǒng)的光電式檢測器和激光式檢測器對(duì)比，其優(yōu)勢對(duì)比如表1所示。

該檢測器已在多家卷煙企業(yè)的設(shè)備上使用，在使用過程中運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，能夠準(zhǔn)確檢測拉線缺失、偏移等缺陷，并正確剔除不合格煙包。與傳統(tǒng)的檢測方式相比，杜絕了透明拉線檢測缺失漏檢的問題，對(duì)拉線偏移的檢測精度可達(dá)到0.1 mm。與傳統(tǒng)的光電式傳感器相比，顯示更加直觀、調(diào)試更加方便、檢測準(zhǔn)確度更高，獲得了客戶的認(rèn)可。

4? 結(jié)論和展望

本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面，介紹了一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)的總體方案，并對(duì)拉線檢測算法進(jìn)行了研究和測試。將該檢測系統(tǒng)與同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，表明系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確、可靠，能夠獲得客戶的信賴。

在一體化視覺拉線檢測系統(tǒng)的后續(xù)改造中，計(jì)劃利用高速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)海量圖像數(shù)據(jù)的傳輸與云端存儲(chǔ)，同時(shí)在云服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)字孿生體構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)云端二次復(fù)檢，起到節(jié)約物理資源的作用，并降低在線檢測的跟蹤優(yōu)化成本。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)變化的實(shí)時(shí)預(yù)測，對(duì)實(shí)際檢測過程優(yōu)化提供了指導(dǎo)，大幅提升了生產(chǎn)線拉線質(zhì)量檢測的智能化水平。

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