基于機(jī)器視覺的異型濾嘴檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬振宇 周奇峰 林錦超

（1.深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，廣東 深圳518109；2.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南250104；3.陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 旬陽(yáng)卷煙廠，陜西 旬陽(yáng)725700）

0 引言

隨著煙草科技的進(jìn)步，市場(chǎng)上出現(xiàn)了越來越多的濾嘴上帶有凹陷圖案的香煙。 在這種異型香煙的生產(chǎn)過程中，會(huì)有凹陷圖案不完整的煙支存在，最終煙支的缺陷。 生產(chǎn)線上現(xiàn)有的煙支檢測(cè)設(shè)備（機(jī)械式、光電式等）均沒有對(duì)這種凹陷圖案完整性的檢測(cè)功能，目前還依靠人工抽檢的方法來保證煙支質(zhì)量，既增加了人力成本又不能保證所有煙支質(zhì)量。

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過圖像采集裝置將攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信息，傳遞給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度等信息，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信號(hào)，機(jī)器視覺系統(tǒng)從這些信息中獲取目標(biāo)特征，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的條件輸出處理結(jié)果，進(jìn)而根據(jù)判斷結(jié)果控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的處理動(dòng)作。[1]本文設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)，通過工業(yè)相機(jī)采集濾嘴端面圖像，以ST 公司的32 位單片機(jī)STM32F407 為控制核心， 基于C# 的工控機(jī)程序?yàn)檐浖诵模捎霉た貦C(jī)和下位機(jī)串行通信的主從式結(jié)構(gòu)，對(duì)煙支濾嘴側(cè)端面的圖像進(jìn)行分析和處理。 該系統(tǒng)高效地保證了異型煙的產(chǎn)品質(zhì)量，提高了煙草行業(yè)的自動(dòng)化程度。

1 系統(tǒng)硬件組成

該檢測(cè)系統(tǒng)由圖像采集組件、控制器和增量編碼器等外圍設(shè)備組成，如圖1 所示。

圖1 異型煙檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖像采集組件由LED 光源和CMOS 工業(yè)相機(jī)等組成， 負(fù)責(zé)采集待檢煙包濾嘴端面的圖像并進(jìn)行初步處理后傳送給控制器。LED 光源具有成本低、光強(qiáng)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將待測(cè)煙包濾嘴端面照亮， 并將凹陷圖案與白色濾嘴形成鮮明對(duì)比；CMOS 工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)間短、功耗低，負(fù)責(zé)在煙包通過時(shí)對(duì)煙包濾嘴端面進(jìn)行圖像采集，如圖2 所示。

控制器由工控模塊、單片機(jī)及外圍電路和觸摸顯示器等組成。 工控模塊用于上位機(jī)軟件運(yùn)行，通過圖像處理技術(shù)對(duì)異型濾嘴端面圖像進(jìn)行處理并判斷是否存凹陷圖案缺失等缺陷；單片機(jī)及外圍電路用于單片機(jī)控制軟件運(yùn)行，負(fù)責(zé)讀取編碼器相位、接收上位機(jī)命令并向包裝機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出剔除、故障等信息；觸摸顯示器作為人機(jī)界面，用于顯示系統(tǒng)運(yùn)行信息及采集用戶輸入等。

圖2 凹陷圖案缺失的異型濾嘴端面圖像

2 系統(tǒng)軟件組成

異型煙檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)軟件和單片機(jī)控制機(jī)軟件組成。

2.1 上位機(jī)圖像處理軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用VS 2005 為編程工具， 基于EMGU 圖像庫(kù)編寫了圖像處理軟件。軟件首先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化處理，從而將濾嘴側(cè)凹陷圖案與背景相分離，再通過形態(tài)學(xué)處理，以除去二值化后圖像中的噪聲點(diǎn)，然后查找凹陷圖案有效部分的輪廓，并計(jì)算其有效像素值，與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若有效像素值大于基準(zhǔn)值，則表明該煙支部分凹陷圖案正常，否則表明圖案缺失，軟件發(fā)出命令，將該煙包剔除。 處理流程如圖3 所示。

圖3 上位機(jī)軟件處理軟件流程圖

灰度化， 就是將采集到的濾嘴側(cè)彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的過程，即將圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的亮度用0-255 之間的數(shù)值進(jìn)行表示。 二值化，則是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的閾值，將原灰度圖像的有效和無效部分相分離，得到灰度僅為0 和255 的純黑白圖片。 圖像的二值化可用以下方法選擇閾值[2]

式中，f（i，j）為二值化之前各點(diǎn)的灰度值，ft（i，j）為二值化之后各點(diǎn)的灰度值，t 則為二值化所選取的閾值。

二值化后的圖像以凹陷圖案為目標(biāo)區(qū)域， 以白色濾嘴為背景，經(jīng)腐蝕、膨脹等形態(tài)學(xué)處理后，標(biāo)記目標(biāo)區(qū)域，計(jì)算有效輪廓面積，如圖4 所示。

圖4 待測(cè)煙支處理流程圖

2.2 上位機(jī)串行通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)基于C# 語(yǔ)言編制了串行通信模塊的程序。 編程中，加入serialPort 控件，通過對(duì)其屬性進(jìn)行設(shè)置并訪問其內(nèi)部函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)串行通信進(jìn)行控制。 該控件主要屬性如表1 所示[4]。

表1 serialPort 控件主要屬性

串口通信具體步驟如下：

1） 在系統(tǒng)界面加入serialPort 控件， 設(shè)置好控件對(duì)應(yīng)的COM 口號(hào)。

2）設(shè)置串口的波特率、位長(zhǎng)、校驗(yàn)位等基本信息。

4）調(diào)用Write（）函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行寫操作。

5） 當(dāng)串口緩存中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度達(dá)到ReadBufferSize 屬性對(duì)應(yīng)的數(shù)值時(shí)，激發(fā)串口接收函數(shù)，讀串口接收緩存中的數(shù)據(jù)。

2.3 單片機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用的是ST 公司基于Cortex-M4F 的32 位單片機(jī)STM32F407，其通過自帶的USART 接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。單片機(jī)控制軟件通過編碼器信號(hào)采集電路讀取編碼器的當(dāng)前相位并傳送給上位機(jī)軟件，控制圖像采集組件在指定相位進(jìn)行圖像采集，并根據(jù)接收的上位機(jī)命令向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號(hào)，如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)控制軟件流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的異型煙檢測(cè)系統(tǒng)，有效的解決了濾嘴側(cè)具有凹陷圖案的香煙無法檢測(cè)并將缺陷煙支剔除的問題。隨著計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子等學(xué)科的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用也將愈加廣泛。

［1］余輝，王林，王德勝.OpenCV 在產(chǎn)品特征檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技視界，2013，2（5）：43、98.

［2］顧勇，何明昕.基于機(jī)器視覺的啤酒瓶檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33（1）：248-253.

［3］郭艷平，侯鳳貞.紙幣面值識(shí)別系統(tǒng)圖像分割技術(shù)的算法[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，11:124-126.

［4］翟希述，王寶興，范淼.基于Visual C# 的串口通信程序設(shè)計(jì)[J].電子科技，2011，24（2）：24-26.