在線高速空瓶檢測系統(tǒng)的圖像處理算法

摘要本文論述了國內(nèi)外高速空瓶檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了相關(guān)的機器視覺和圖像處理技術(shù)，深入研究了數(shù)據(jù)庫的建立，人機界面與數(shù)據(jù)庫、PLC及圖像處理模塊數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn)方法。對課題研究過程中出現(xiàn)的問題進行了原因分析，并結(jié)合實際情況給出了具體的解決方案。

關(guān)鍵詞人機界面機器視覺圖像處理Visual Basic空瓶檢測

中圖分類號:TP273文獻標識碼:A

1 國內(nèi)外高速空瓶檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國外，尤其是德國和美國的智能空瓶檢測技術(shù)比較成熟，已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品，具有高速成套、自動化程度高和可靠性好等特點，應(yīng)用廣泛。大量采用微電腦技術(shù)、模塊技術(shù)和單元組合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對灌裝前空瓶的瓶口、瓶底、瓶壁和殘留液檢測以及灌裝后的實瓶檢測、液位檢測、封裝檢測等。德國的海富(HEUFT)、克朗斯(KRONES)、美灝(miho)、KHS，美國的飛達(Filtec)、ICS Inex等公司都擁有比較成熟的空瓶檢測產(chǎn)品。

我國目前啤酒成套設(shè)備的整體水平落后于國外，雖然有一些成型的產(chǎn)品，但是在功能完善、檢測速度、檢測精度等方面都需要提高。有些科研機構(gòu)也對空瓶檢測技術(shù)進行了研究，但是一些關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備還需要進口，而且僅限于科學(xué)研究的范圍，不能實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

2 機器視覺概述

機器視覺是研究用計算機來模擬生物外顯或宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS 和CCD兩種)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

圖1 表示一個機器視覺系統(tǒng)在最基本層次上的組成。首先對未知物體進行度量，并確定一組特征的度量值，包括被度量對象在圖像中的長、寬和面積。一旦特征經(jīng)過度量后，其數(shù)值就被送到一個實現(xiàn)決策規(guī)則的過程中去，這種決策規(guī)則一般用一個子程序?qū)崿F(xiàn)，它對度量值進行計算，并根據(jù)所度量的值確定物體最可能屬于的類別。

盡管機器視覺應(yīng)用各異，但都包括以下幾個過程:

(1)圖像采集。光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計算機存儲器。

(2)圖像處理。處理器運用不同的算法來提高對結(jié)論有重要影響的圖像要素。

(3)特性提取。處理器識別并量化圖像的關(guān)鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個數(shù)，然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序。

(4)判決和控制。處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論。例如:這些數(shù)據(jù)包括印刷電路板上的洞是否在要求規(guī)格以內(nèi)或者一個自動機器如何必須移動去拾取某一部件。

典型的視覺系統(tǒng)一般包括:光源、光學(xué)系統(tǒng)，相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像分析處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。

在啤酒生產(chǎn)線上空瓶檢測系統(tǒng)中應(yīng)用的機器視覺系統(tǒng)主要由相機、鏡頭、光源、圖像采集卡、PC平臺和控制單元等六部分組成，各個部分之間相互配合，最終完成對空瓶的質(zhì)量檢測和剔除。空瓶首先經(jīng)過無壓力輸送單元進入檢測單元，由CCD攝像機依次拍攝瓶壁、瓶口、瓶底、瓶壁的圖像，然后由圖像處理單元對獲得的圖像進行處理，處理結(jié)果送入PC平臺及PLC控制單元，由PLC控制相關(guān)剔除器將不合格的空瓶剔除。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是人們快速全面管理數(shù)據(jù)信息的有效工具，它是在計算機存儲設(shè)備上合理存放的結(jié)構(gòu)化的相關(guān)數(shù)據(jù)集合，并與其他部分共同構(gòu)成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計是指對于一個給定的應(yīng)用環(huán)境，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，建立數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用系統(tǒng)，使之能夠有效地存儲數(shù)據(jù)，滿足各種用戶的應(yīng)用需求(信息要求和處理要求)。構(gòu)造數(shù)據(jù)庫必須遵循一定的規(guī)則，在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這種規(guī)則就是范式，關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系必須滿足一定的要求，即滿足不同的范式。所謂范式，是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式規(guī)范化的標準，從規(guī)范化的寬松到嚴格，分別為不同的范式，通常使用的有第一范式、第二范式、第三范式及BC范式等。

本系統(tǒng)用Microsoft Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所需數(shù)據(jù)庫表共計7個，其中，表BottleSize用來存儲與瓶型相關(guān)的數(shù)據(jù)，表BottleSize2用來存儲當(dāng)前瓶型的編號及名稱，表info用來存儲故障信息，表rejector_numbers用來存儲檢測及剔除數(shù)據(jù)的信息，表sensibility用來存儲靈敏度的數(shù)據(jù)，表test_numbers用來存儲與測試瓶相關(guān)的數(shù)據(jù)，表UserTable用來存儲用戶名、密碼以及用戶權(quán)限等數(shù)據(jù)。

4 圖像處理概述

圖像(Image)就是采用各種觀測系統(tǒng)獲得的，能夠為人類視覺系統(tǒng)所感覺的實體。人的視覺系統(tǒng)本身也是一個觀測系統(tǒng)，它得到的圖像就是客觀景物在人們心目中的有形想象。數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)又稱為計算機圖像處理，它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計算機對其進行處理的過程。

基本的圖像處理方法可分為點處理和區(qū)域處理兩類。點處理只能改變圖像的灰度分布，但不會改變圖像內(nèi)的空間關(guān)系，可以按預(yù)定的方式改變圖像的灰度直方圖，最常用的點處理是灰度直方圖均衡。區(qū)域處理在處理某一像素時，利用與該像素相鄰的一組像素，經(jīng)過某種變換得到處理后圖像中某一點的像素值。目標像素的鄰域一般是由像素組成的二維矩陣，目標像素位于該矩陣的中央，經(jīng)過處理后目標像素的值為經(jīng)過特定算法計算后所得的結(jié)果。圖像中像素的亮度在一定距離上的變化速率稱為圖像的空間頻率，區(qū)域處理將改變圖像的空間頻率信息，減緩或增強圖像中的某些特定的頻率分量。區(qū)域處理算法一般是針對灰度圖像而進行的，主要的區(qū)域處理算法有卷積法、中值濾波法和Sobel邊緣檢測法，大部分的區(qū)域處理都采用卷積算法來實現(xiàn)。

5 人機界面與PLC控制單元的通訊

用VB開發(fā)OPC客戶程序就要用到OPC自動化接口，自動化接口是為基于腳本編程語言而定義的標準接口，可使用VB、Delphi、PowerBuilder等語言開發(fā)OPC服務(wù)器的客戶應(yīng)用。本系統(tǒng)在開發(fā)OPC客戶程序時主要用到OPC數(shù)據(jù)存取(Data Access)規(guī)范，為了通過OPC服務(wù)器獲取S7 PLC的數(shù)據(jù)，我們需要根據(jù)OPC自動服務(wù)器對象模型建立相關(guān)的對象，并連接到OPC服務(wù)器。OPC三個對象之間的層次關(guān)系如圖2所示:

6 結(jié)語

本文所研究的在線高速空瓶檢測系統(tǒng)是一個涉及面很廣的在線檢測系統(tǒng)，綜合運用了機械、機器視覺、數(shù)字圖像處理、控制以及通訊等技術(shù)，對灌裝前高速運動的空瓶進行檢測，剔除不合格的空瓶，保證灌裝線的生產(chǎn)質(zhì)量。