基于機器視覺的煙支檢測系統的設計

章 磊，李 耀，劉光徽

（南京財經大學 信息工程學院，江蘇 南京 210046）

空頭和缺支是卷煙包裝中常見的生產缺陷。所謂空頭即煙支中煙絲不飽滿，在頂部形成空凹，國標GB/T22838中對煙支空頭的界定是煙絲表面空凹大于1mm即為空頭。缺支是指在煙支包裝過程中，煙支的裝入量小于規定煙包的數量。

空頭和缺支都屬于生產質量問題，應在包裝檢驗的過程中加以剔除。目前，煙廠大多采用機械式、紅外光電檢測式的自動檢測系統，這些系統結構大多非常復雜，系統維護成本及故障率較高。

本文提出了一種基于機器視覺的煙支質量檢測系統的設計。系統利用CMOS數字攝像頭及ARM控制器構成圖像采集系統，實現了包裝線上煙包實時監控、質量判定及剔除功能。

1 系統結構

系統結構框圖如圖1所示，系統以LPC2368為主控制器。LPC2368為NXP公司推出的基于ARM7TDMI內核的微控制器，其內部集成了58 KB RAM及512 KB ROM、USB2.0控制器、高速AD/DA轉換器等，并有豐富的I/O管腳，完全可以滿足系統中數字圖像采集、處理以及判定算法的需求。

實際應用包含空頭和缺支檢測兩套系統，系統硬件結構完全一樣，分置于生產流水線的兩側。檢測攝像頭采用的是CMOS數字攝像頭 OV7620，控制器通過邏輯電路控制攝像頭的采集操作，并讀取圖像信息；光電傳感器采用Autonics的BF3R型光纖放大器，當煙支包裝盒進入檢測區域時，光纖放大器輸出低電平，系統開始圖像采集；系統中還包含有一個超高亮度的LED作為圖像采集補充光源，控制器通過驅動電路控制LED的亮滅；鍵盤及液晶構成了人機界面，操作員可以根據實際環境及產品要求設定檢測參數等；LPC2368中集成了USB控制器，系統中還包含了USB通信接口，與軟件配合可以將數據傳輸給上位機處理。

2 圖像采集電路設計

OV7620是一種高集成度、高分辨率的CMOS數字圖像傳感器，內部集成了感光單元和A/D轉換器件。由于OV7620采集的圖像數據量較大，標準的320×240圖片每幀數據為7.68 KB，而且每輸出1個像素點僅37 ns。如將OV7620與控制器直接相連，對控制器的要求極高，LPC2368無法滿足速度要求。

因此，檢測系統中利用了FIFO圖像緩存技術，利用FIFO存儲器AL422B作為圖像數據緩存，將OV7620采集的數據通過時序轉換存儲到AL422B中，然后通過微控制器讀取緩存圖像數據。圖像采集連接電路如圖2所示，其輸出時序如圖 3所示。其中，VSYNC、HREF及PCLK分別為OV7620的垂直同步信號、水平同步信號及像素同步信號。

OV7620在兩個VSYN脈沖之間輸出一幀圖像，圖像像素點按行輸出，每輸出一個PCLK脈沖，即輸出一點數據；在一行數據輸出期間，HREF保持高電平。OV7620的SCL、SDA為SCCB總線，用于對外部控制器對OV7620內部寄存器進行設置，以實現對OV7620初始化。

圖像采集電路工作原理如下：系統上電后，LPC2368通過 P0.21、P0.22模擬 SCCB總線時序對 OV7620進行設置，并初始化74HC74狀態。當包裝線上煙包進入檢測區域時，系統光電開關輸出有效電平信號，LPC2368置P0.20為低電平。VSYN出現一個跳變時，D觸發器輸出Q變為低電平，并保持到下一個VSYN脈沖信號。當OV7620輸出行數據時，HREF變為高電平，此時74HC11-1的輸出變為高電平，經過反相器74HC04-3后變為低電平，同時AL422B的寫信號WE及LPC2368的EINT0也變為低電平，AL422B進入寫數據模式，并且觸發LPC2368外部中斷。

AL422B寫脈沖控制信號WCK與OV7620的PCLK連接，當WE為低電平時，PCLK每輸出一個脈沖，AL422B就寫入一個行像素數據；寫完一行數據后，HREF變為低電平，74HC04-3輸出變為高電平，AL422B禁止寫入，直到HREF再次變為高電平。在中斷程序中，LPC2368將P0.20拉高，當產生第二個VSYN脈沖時，D觸發器的Q端變為高電平，此時74HC11-2輸出及LPC2368的P0.19變為高電平，表示一幀圖像采集完成，控制器可以開始讀取緩存中的圖像數據。

當LPC2368判斷P0.19端口狀態改變后，置P0.9和P0.10口為低電平，使AL422B進入讀數據模式，并控制P0.15產生讀脈沖控制信號，每輸出一個脈沖，AL422B輸出一個像素數據，LPC2368通過端口P0.0～P0.7讀取圖像數據。

AL422B的RRST和WRST為讀寫復位控制信號，當置為有效信號時，AL422B中讀/寫地址指針復位。當控制器LPC2368從AL422B中讀取了一幀圖像后，通過 P0.11和 P0.15置 RRST和 WRST信號使AL422B內部指針復位，準備下一次的采集。

3 系統光源設計

為了抑制圖像中不需要的部分，突現目標區域的重要特征，照明是圖像采集過程中的重要部分。實際應用中，包裝流水線所在環境背景較為復雜，對檢測影響較大。因此，在系統中利用了2個功率為1 W的高亮度LED電珠作為背景光補償。系統中利用MAX16800作為光源恒流驅動芯片以保證背光光源的穩定性，并利用LPC2368的管腳P0.8控制LED的亮滅，當檢測系統光電開關長時間沒輸出時，系統將關閉背光電源。光源電路如圖4所示。

由于LPC2368管腳驅動能力較弱，不足以同時驅動兩個光耦，因此電路中利用一個三極管對管腳輸出進行電流放大。兩片MAX16800作為LED的驅動芯片，CS+與CS-之間并聯的電阻為1 Ω，此時OUT端輸出電流為200 mA。電路中，當P0.8輸出低電平時，光耦導通，MAX16800的EN端為高電平，LED亮；反之LED滅。

根據國標GB/T22838中所描述，煙支直徑為7.7 mm，將香煙的煙絲端部空陷深度大于1.0 mm、空陷部分與煙支整體界面面積比大于2/3的煙支，被視為空頭煙支。假設將空頭煙支空陷部分的截面視為一個圓，凹陷的形狀看作圓錐形，則空頭煙支的截面圖如圖5所示。

根據已知條件，便可計算出空頭煙支空陷部分的最小直徑dmin和入射光線與鏡頭軸心的夾角(即入射角α)：

當α＞72.4°時，空頭煙支的空陷部分將會產生較大面積陰影，顯示非常明顯的陰影特征。因此，在采用高亮度LED照射空頭煙支的端面時，光源與鏡頭軸心的夾角 α 應為：72.4°＜α＜90°。 夾角越接近 90°時，煙絲的紋理會越來越明顯，而煙支空頭特征會逐漸消失。

4 檢測系統軟件設計

檢測系統的軟件由缺支檢測軟件和空頭檢測軟件組成，兩部分軟件除了對圖像判斷算法部分不同外，其他基本相同。系統移植了uC/OS-II操作系統，并根據操作系統編程模式對系統主要任務進行了劃分，如表1所示。

以缺支判斷為例，整體系統任務啟動流程如圖6所示。

表1 系統主要任務表

系統上電后首先對OV7620進行初始化，通過SCCB總線設置分辨率、數據格式及圖像開窗大小。系統對液晶及鍵盤初始化后，開始讀取光電傳感器的狀態，當包裝線上煙包進入檢測區域時，啟動圖像采集，控制I/O管腳將圖像數據從緩沖中讀至控制器RAM。系統軟件調用圖像判斷算法對缺支或者空頭進行判斷，如有缺支或者空頭，則發出剔除信號。

5 系統調試

系統設計完成后在多個卷煙廠包裝線上進行了實際測試。由于實際生產環境非常復雜，在系統測試過程中進一步對系統穩定性及準確性進行了調整：

(1)電源穩定性。現場提供了24 V直流電，但由于用電環境復雜，該電源非常不穩定，會對系統采集及運行穩定性造成極大干擾。因此在實際使用中，需要在電源入口及與剔除裝置的信號出口處加裝濾波器，如有條件可以單獨利用開關電源供電。

(2)檢測裝置安裝。目前國內煙機包裝線的常規流水數量為120～140包/min，煙包在包裝線上運行狀態為周期性停止，且停止位置基本保持不變。系統實際安裝時，需要將檢測裝置的檢測中心線與包裝線的停止位置對齊，以保證圖像采集的完整性。

(3)圖像檢測算法調整。圖像在采集過程中，不同程度上都會被可見或不可見的噪聲干擾，這些噪聲不但影響了圖像的視覺效果，而且擾亂了正常檢測。因此系統獲取圖像數據后，需要經過濾波、二值化后再進行判斷。以空頭為例，圖像判斷算法執行過程如圖7所示。

圖7(a)為實際采集的原始灰度圖像，其中第一排從左往右第4支為空頭煙支。圖7(b)為經過濾波，并利用大津算法對圖像進行二值化后所得到的圖像。圖7(c)

為對二值化處理后的圖像進一步進行開運算后的圖像。圖7(d)為二次二值化后得到的圖像，其中黑色像素點值為1，白色為0。從圖7(d)中很明顯可以看出，在空頭煙支對應的區域，有明顯的成塊狀的黑色區域，據此判定該煙支為空頭煙支，此包煙應被剔除。

[1]GB5606.3-2005.卷煙第 3部分包裝、卷制技術要求及貯運[S].北京：中國標準出版社，2005.

[2]王法明.一種光電式煙支檢測系統的設計[J].儀器儀表用戶，2008(4)：43-44.

[3]吳炯，張秀彬，張峰，等.數字圖像中的邊緣算法的實驗研究[J].微計算機信息，2004，20(5)：106-107.

[4]李紹民.嵌入式足球機器人視覺系統的硬件設計[J].遼寧工程技術大學學報，2004，23(4)：520-522.

[5]劉慧敏，舒寧，林卉.圖像邊緣信息分析中數學形態學的應用方法[J].武漢大學學報，2001，26(4)：325-329.