摘 要：視覺檢測技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興檢測技術，基于視覺傳感器的檢測系統(tǒng)具有抗干擾能力強，效率高，組成簡單等優(yōu)點，非常適合生產(chǎn)現(xiàn)場的在線，非接觸檢測及監(jiān)控。本文介紹了該技術在煙草行業(yè)包裝生產(chǎn)線上的應用方案。 關鍵詞：視覺檢測技術 ; 視覺傳感器 ; 包裝生產(chǎn)線 ; 模式識別 ; 煙草行業(yè); 1 引言 　　機器視覺技術作為計算機科學的一個重要分支，在近三十年中有迅猛的發(fā)展。由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息自動進行數(shù)據(jù)處理，易于同設計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，機器視覺系統(tǒng)被廣泛用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領域。 　　機器視覺系統(tǒng)的特點是可以提高生產(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，機器視覺系統(tǒng)便于信息集成，是實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)自動化的基礎技術。 　　煙草行業(yè)包裝生產(chǎn)線的自動化程度很高，機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)取代人工進行在線檢測, 不僅可以減輕工人勞動強度，而且將減少次品和提高生產(chǎn)效率。但是，機器視覺系統(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 　　機器視覺檢測系統(tǒng)通常采用CCD（Charge Coupled Device）照相機攝取檢測圖像，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再采用先進的計算機硬件與軟件技術對圖像數(shù)字信號進行處理，從而得到所需要的各種目標圖像特征值，并在此基礎上實現(xiàn)模式識別，坐標計算，灰度分布圖等多種功能。機器視覺檢測系統(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)計等自動化流程。與人工視覺相比較，機器視覺的最大優(yōu)點是精確，快速，可靠，以及信息數(shù)字化。 　　機器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理、輸出顯示。 　　圖像獲取設備包括光源、攝像機等，其中關鍵部件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制式輸入標準電視顯示器，或者輸入計算機的內(nèi)存，進行數(shù)值化處理。CCD是現(xiàn)在最常用的機器視覺傳感器。 　　圖像處理設備包括相應的軟件和硬件系統(tǒng)。 　　輸出設備與過程相連，包括監(jiān)視界面，過程控制器和報警裝置等。攝像數(shù)據(jù)通過計算機對標準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。機器視覺檢測的結(jié)果可以作為計算機輔助質(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)設計 　　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。其主要性能指標是，像素為512×480，可以紀錄16個不同物件的標準畫面，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機相連。攝影機和照明裝置為F150-SL20/50型，其中攝影機部分為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及智能照明裝置相連，后者內(nèi)含CCD器件，可配合多種標準鏡頭。特別要說明的是本系統(tǒng)采用智能照明，可進行八段光亮設定，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，由USB端口傳入PC機，再用專用軟件在顯示器展示出來。操作步驟如下： [align=center] 圖 2 標準畫像[/align] 　　1） 錄標準畫像。將待測物件放入攝像頭的測試范圍，并作為標準畫像記錄。記錄時，要邊看畫像邊根據(jù)菜單進行照明及快門設定。本例中快門速度為10000/s，照明為初始默認值。如圖2所示 [align=center] 圖3 檢查項目及領域設定[/align] 　　2） 檢查項目和領域設定。畫面上會顯示幾種類型的應用實例,選擇其中的某幾項檢測項目。接著設定檢查領域，進行各種形狀的設定，能設定最大16個領域。在本例中，分別進行了灰度搜索，邊緣灰度位置，平均密度的設定。如圖3所示 　　3） 位置修正。檢測時，物件的位置不穩(wěn)定時，需要進行位置修正。作為位置修正標準的領域及修正方法可自動進行設定。這一點對于工業(yè)生產(chǎn)線，非常實用。本例中對其中的某個檢查的項目進行了位置修正，使之更符合生產(chǎn)實際。 [align=center] 圖4 合格物件[/align] [align=center] 圖5 不合格物件[/align] 　　4） 確認，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 　　本文介紹了一種應用于煙草工業(yè)包裝生產(chǎn)線進行產(chǎn)品質(zhì)量檢測的新型技術手段，即利用機器視覺系統(tǒng)方便，快捷，有效地實現(xiàn)物件檢測。 　　在實際應用中，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，當物件移動位置不穩(wěn)定時，可以用位置補償來修正檢測范圍。另外，當煙盒外包裝需檢測部位與背景在灰度上近似時，采用本次仿真實驗選用的攝像頭，對煙盒開口精度1毫米并不能達到。 　　對香煙包裝生產(chǎn)線來說，檢測系統(tǒng)輔助裝置的設計和安裝十分關鍵，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)場實際要求，可以比較靈活的采用不同的系統(tǒng)。 　　試驗仿真結(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到預期的效果。 參考文獻 　　【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 《傳感器技術及其應用》 合肥：中國科學技術大學出版社 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)的應用》 2001年