基于機(jī)器視覺技術(shù)的香煙濾棒內(nèi)置物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者 徐洋(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所，安徽 蚌埠 233000)

　　摘要：本文進(jìn)行了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的香煙濾棒內(nèi)置物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用于檢測(cè)香煙濾棒內(nèi)置物可能出現(xiàn)的缺失、偏移等缺陷。搭建了一套基于背光照明的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，利用灰度化、興趣區(qū)域定位、投影變換等處理得到內(nèi)置物的投影曲線，根據(jù)曲線波形確定內(nèi)置物的位置和有無(wú)。本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)卷煙材料的生產(chǎn)和質(zhì)量控制有一定的指導(dǎo)意義。

　　關(guān)鍵詞：濾棒;機(jī)器視覺;投影

　　0 引言

　　濾棒是生產(chǎn)香煙濾嘴的主要原料，它在卷煙過(guò)程中經(jīng)過(guò)切割等工序能制作成香煙的濾嘴。為了提高吸煙的安全性尤其是選擇性去除煙氣中的有害成分，目前國(guó)內(nèi)很多卷煙廠都在香煙濾嘴中加入了一些特殊內(nèi)置物，如有特殊吸附效果的活性炭以及對(duì)人體某些器官有調(diào)理作用的泌潤(rùn)球等，用此來(lái)達(dá)到“減害降焦”的目的。

　　在這種加入內(nèi)置物的濾棒生產(chǎn)過(guò)程中，可能出現(xiàn)內(nèi)置物缺失、內(nèi)置物在濾棒內(nèi)偏離預(yù)定位置等缺陷，為保證濾棒及香煙的質(zhì)量，需要對(duì)濾棒進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè);目前對(duì)該類特殊的香煙濾棒還沒有一種完善的檢測(cè)方法，因此急需一種檢測(cè)方法，準(zhǔn)確檢測(cè)出合格的香煙濾棒。

　　1 檢測(cè)原理

　　濾棒在普通照明下，內(nèi)置物是不可見的。由于濾棒材料和內(nèi)置物透光率的不同，含內(nèi)置物的濾棒在背景光照射下，內(nèi)置物會(huì)形成明顯的陰影。本系統(tǒng)主要由光源、擋光板、圖像采集組件、控制器組成，如圖1所示。在打光上，采用背光照射方式，平行光源、濾棒和工業(yè)相機(jī)安裝于同一條線上，濾棒置于一帶有槽的不透光擋板槽上，光源與圖像采集組件分別置于擋板兩側(cè);當(dāng)光源從擋板一側(cè)照射時(shí)光線只從濾棒內(nèi)穿過(guò)，圖像采集組件在擋板的另一側(cè)采集濾棒圖像傳送至工控機(jī);控制器對(duì)濾棒圖像進(jìn)行灰度化、興趣區(qū)域定位、投影變換等處理，得到投影曲線，根據(jù)曲線波形情況來(lái)判斷濾棒是否存在缺陷，當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 控制器設(shè)計(jì)

　　控制器主要由工控板、接口板、帶觸摸屏的彩色液晶屏組成，是系統(tǒng)控制的核心。工控板用于操作系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件的運(yùn)行，本系統(tǒng)采用的是COM-Express模塊，COM-Express模塊是基于PCI Express 總線的高集成度計(jì)算機(jī)模塊，安裝于用戶針對(duì)特殊應(yīng)用的載板上。接口板是根據(jù)COM-Express模塊對(duì)外接口設(shè)計(jì)的底板，實(shí)現(xiàn)了工控板的外圍擴(kuò)展，主要包括電源電路、接口板單片機(jī)電路、輸入信號(hào)采集電路、圖像采集組件通訊接口、輸出驅(qū)動(dòng)電路、液晶及觸摸屏接口等。顯示屏作為人機(jī)交互界面，可查看系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息，并可通過(guò)觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

　　2.2 光源組件設(shè)計(jì)

　　光源是圖像采集性能穩(wěn)定的重要保障，負(fù)責(zé)以合適的方式將光線投射到檢測(cè)目標(biāo)上，盡可能地突出檢測(cè)目標(biāo)的特征量部分，使需要檢測(cè)的部分與背景產(chǎn)生明顯對(duì)比^[1]。LED 燈具有成本低、光強(qiáng)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用白色條形LED 燈作為香煙濾棒內(nèi)置物檢測(cè)系統(tǒng)的光源。光源通過(guò)恒流源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并與圖像采集組件同步，以頻閃方式進(jìn)一步降低發(fā)熱，進(jìn)一步提高了光源壽命。

　　2.3 圖像采集組件設(shè)計(jì)

　　圖像采集組件主要由CMOS相機(jī)和光學(xué)鏡頭組成。獲取高質(zhì)量的圖像是機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行缺陷檢測(cè)的關(guān)鍵，綜合考慮成本與檢測(cè)效率，本系統(tǒng)采用1/3"CMOS圖像傳感器的工業(yè)相機(jī)，其具有高達(dá)744×480的分辨率，USB 數(shù)據(jù)傳輸接口，在最高分辨率下幀速率為76，且體積非常小;綜合考慮物距、噴碼尺寸以及盡量減少畸變的影響，本系統(tǒng)選用焦距為4.2 mm的鏡頭。

　　在圖1所示工作位置下，圖像采集組件拍攝的完好濾棒圖像如圖2所示。

　　3 檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

　　含有內(nèi)置物的位置，光線穿過(guò)較少，在采集的濾棒圖像中，像素灰度值也相對(duì)較低，呈聚集的陰影。系統(tǒng)利用此特征，通過(guò)圖像處理算法計(jì)算得到內(nèi)置物的投影曲線，根據(jù)曲線波形確定內(nèi)置物的位置或有無(wú)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置物的檢測(cè)。

　　若圖像尺寸為M行×N列，以灰度圖像中像素的灰度均值為投影特征對(duì)圖像進(jìn)行水平和垂直方向投影，圖像的二維灰度信息映射成2個(gè)獨(dú)立的一維投影序列。計(jì)算公式如下：

　　其中，gy(j)為圖像的第j行灰度水平投影值，gx(i)為圖像的第i列灰度垂直投影值;為灰度圖像上坐標(biāo)為的像素點(diǎn)的灰度值。

　　對(duì)圖2進(jìn)行灰度變換，并對(duì)灰度圖像進(jìn)行感興趣區(qū)域(ROI)的定位。定位采用水平投影的方法^[2]，以灰度圖像的行像素平均灰度值為特征進(jìn)行水平方向的投影，投影曲線如圖3所示。　

      由于濾棒部分灰度值較高，投影曲線上濾棒的對(duì)應(yīng)位置投影值較大，以曲線的平均值為基準(zhǔn)值，可以很好的分割出濾棒感興趣區(qū)域，高于基準(zhǔn)值的部分即為感興趣區(qū)域，如圖4所示。

　　在濾棒圖像興趣區(qū)域內(nèi)，采用垂直投影方法對(duì)濾棒內(nèi)置物進(jìn)行檢測(cè)，垂直投影曲線如圖5所示。由于濾棒圖像中的內(nèi)置物呈聚集的陰影，投影曲線上陰影部分對(duì)應(yīng)的投影值也小，在投影曲線圖像上表現(xiàn)為四個(gè)幅值較大的波谷，且波峰與波谷數(shù)值差異較大。分區(qū)間找到各區(qū)間的滿足一定閾值的最小值，其對(duì)應(yīng)的就是濾棒中內(nèi)置物的位置，圖5中，投影曲線上垂直白線即為找到的內(nèi)置物位置。

　　對(duì)于存在內(nèi)置物缺失或內(nèi)置物偏移的濾棒，其垂直投影曲線及內(nèi)置物定位效果分別如圖6和7所示。圖6中，濾棒中第二個(gè)內(nèi)置物缺失，在投影曲線上對(duì)應(yīng)的第二個(gè)內(nèi)置物的檢測(cè)區(qū)間內(nèi)不存在滿足條件的波谷。同理，圖7中，第三個(gè)內(nèi)置物偏移了預(yù)定位置，對(duì)應(yīng)的投影曲線第三個(gè)內(nèi)置物的檢測(cè)區(qū)間內(nèi)也不存在滿足條件的波谷，即濾棒存在缺陷。

　　4 結(jié)論

　　本文在深入了解含內(nèi)置物的香煙濾棒特點(diǎn)后，進(jìn)行了一種基于機(jī)器視覺技術(shù)的香煙濾棒內(nèi)置物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)特殊的圖像采集方式和投影變換方法對(duì)濾棒內(nèi)物體的缺失、偏移進(jìn)行檢測(cè)。該方法大大降低圖像處理的難度，具有極高的檢測(cè)精度，能保證濾棒、香煙的質(zhì)量，在類似的內(nèi)置物檢測(cè)中也具有廣泛的應(yīng)用空間。

　　參考文獻(xiàn)

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本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第69頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處