機器視覺技術在隱形噴碼檢測中的應用

張建新

（山東中煙工業有限責任公司青島卷煙廠，山東 青島 266000）

科技的發展和市場激烈的競爭增強了消費者的質量意識，同時消費者對產品質量也提出了更高的要求。產品防偽、銷售管理、品質管理中廣泛應用隱形噴碼技術產品信息進行記錄。

目前隱形噴碼質量常用人工抽檢方法和熒光傳感器檢測方法來保證，然而這些方法人工抽檢效率低、準確度較低，噴碼區域整體的有無可以通過熒光傳感器進行檢測，然而單個字符的缺失卻無法通過該方法進行檢測，因此無法確保所有產品的質量，一旦這些劣質產品流向市場，將對生產企業的形象造成損壞。因此噴碼檢測裝置在采用隱形噴碼技術的生產企業需求迫切。

1 隱形噴墨存在問題

目前合作生產的上海品牌煙包存在隱形噴碼，而隱形噴碼需要在紫外線燈下觀察，操作人員每隔一段時間需要觀察一次，避免漏噴。然而在紫外燈下觀察噴墨，容易引起視覺疲勞。這種檢測方式增加了操作工人的工作強度，同時由于車速每分鐘400包，車速較快，當發現缺少隱形噴墨時，已經有部分不合格煙包流入下一道工序，極易造成質量事故。因此為了避免質量事故，同時減少操作人員的勞動強度，對設備設計加裝隱形噴墨檢測裝置，實現對隱形噴墨缺陷煙包的自動剔除或設備停機。

2 檢測系統的主要功能

視覺噴碼檢測系統主要用于ZB45包裝機輔機上小包及條盒煙包透明紙上的隱形噴碼進行檢測，通過圖像處理技術對噴碼圖像進行處理，小包及條盒透明紙上隱形噴碼是否存在缺陷的檢測結果可以向包裝機控制系統傳遞相應電平信號。視覺噴碼檢測系統主要功能如下。

2.1 統計功能

（1）系統故障統計：故障名稱、發生時間等自上次統計數據清除以來發生的故障信息將會顯示。

（2）缺陷圖像統計：檢測到存在噴碼缺陷的煙包的實際圖像。

（3）統計管理：可對系統故障和缺陷圖像分別進行清空，開啟或暫停統計。

圖1 隱形噴碼檢測系統原理框圖

2.2 自診斷功能

（1）輸出信號負載開路診斷：當負載開路在剔除信號中出現時將會顯示相應故障信息。

（2）工業相機診斷：當工業相機出現故障時顯示相應故障信息。

2.3 人機界面功能

（1）工作界面：運行狀態、系統時間、噴碼檢測結果、相機實時圖像等會在顯示系統出現。

（2）閾值設置界面：進行圖像分割的閾值設置，字符長度基準值、有效像素面積基準值。

（3）圖像顯示界面：固定頻率刷新噴碼圖像，對缺陷圖像進行更新顯示。

（4）統計界面：可以查詢缺陷圖像、統計故障信息以及統計管理等。

（5）設置界面：進行規格選擇、相機設置、診斷管理、自動校準、密碼管理等系統參數的設置。

（6）實驗室界面：相機的實時圖像以及輸入、輸出信號的當前狀態會在該界面進行顯示。

3 檢測系統的設計

主要由一個小包及一個條盒圖像采集組件和控制器組成隱形噴碼檢測系統，小包圖像采集組件安裝在包裝機輔機雙包通道上，條盒圖像采集組件安裝在條盒噴碼通道上，如圖1所示。

小包圖像采集組件通過光源對雙包通道中的上排煙包噴碼表面進行照明，條盒圖像采集組件通過光源對條盒噴碼表面進行照明，工業相機對待檢煙包的噴碼部分圖像進行采集并經初步處理后傳送給控制器。控制組件、帶觸摸屏的彩色液晶屏以及母板構成控制器。圖像采集組件采集的圖像數據可以通過控制組件的圖像處理技術進行處理并對噴碼是否存在缺失進行判別，相應電平信號會基于判斷結果向包裝機組控制系統發送，通過修改控制程序，實現缺少小包透明紙噴碼時，包裝機自動剔除并停機，條包噴墨缺少時，條煙提升機自動停機功能。

3.1 硬件設計

3.1.1 控制器

控制器主要由工控板、接口板組成，其原理框圖如圖2所示。

圖2 控制器原理框圖

3.1.2 工控板

操作系統及上位機軟件可以通過工控板運行，基于PCI Express總線的COM Express模塊可以在本系統自己設計的載板上進行安裝，可以提供包括視頻，音頻，以太網，存儲和USB等功能接口。系統需要的USB、以太網等接口可以通過COM Express模塊的接插件與接口板相連而指引出。此外由于COM Express模塊采用了行業標準，未來的硬件升級只需要通過簡單地更換COM Express模塊來實現，大大降低了硬件的升級成本。

3.1.3 接口板

作為工控板的外圍擴展-接口板，其主要包括七個部分，分別是固態硬盤、輸入、輸出信號采集電路、工業相機通訊接口、光源控制電路、電源電路等。開啟光源和曝光工業相機是上位機軟件的控制命令，主要由單片機負責執行。光源控制電路，為保持穩定的光源控制光源的開關，并為LED光源提供恒流源。輸入、輸出信號采集電路的主要功能如下：接收信號-接收包裝機控制系統及光纖傳感器發送來的檢測觸發信號和發送信號-根據檢測結果向包裝機控制系統發送剔除信號。

電源電路由+12V、+5V、+3.3V直流電源轉換電路組成，COM Express模塊、工業相機等工作所需的電源對+24V直流電源進行轉換。

3.2 軟件設計

隱形噴碼檢測系統軟件主要包括兩部分，即對組件上位機軟件和控制組件接口板軟件的控制。

3.2.1 控制組件上位機軟件

控制組件上位機軟件主要的功能包括兩方面，一是對顯示系統的運行信息進行操作，二是用戶的參數設置根據觸摸屏進行響應。針對操作系統，我們選用Windows XP，以Visual Studio 2005作為此軟件的開發環境，依靠C#語言展開軟件的開發。針對采集的圖像主要采用圖像處理技術進行判斷，此外工業相機與接口板上的通訊都是由控制器上位機軟件控制。

3.2.2 控制組件接口板軟件

控制組件接口板軟件是承擔對外圍設備開展相關操作的軟件，主要通過控制組件上位機軟件的命令進行完成。實現的功能主要包括兩方面：一是進行診斷采集系統輸出的相關信號；二是控制設備運行時LED的照明及拍照。同時控制組件接口板控制軟件以利用C語言的設計思路，達到了更為便利的設備維修及較高的開發效率。

在控制組件接口板控制軟件的設計上，單片機自帶的USART接口通過57600bps的波特率與控制組件上位機軟件展開通訊。本系統的專用通訊協議基于工業控制領域的原則，采用了Modbus通訊協議。

4 項目的實施及效果

4.1 實施情況

項目經過方案設計論證與采購，于2014年11月在GDX2-14#安裝與調試。小包圖像采集組件成功安裝在包裝機輔機雙包通道和條包輸送通道上，如圖3、4。

圖3 輔機雙包通道的小包圖像采集組件

圖4 條包輸送通道的條包圖像采集軟件

圖像采集軟件進行采集圖像時，依據圖像處理技術對其進行處理并判斷所采集圖像是否存在噴碼缺失等問題，向包裝機組控制系統發送相應電平信號。下圖5為圖像控制器。

4.2 實施效果

圖5 圖像控制器

在GDX2-14#機組上加裝小包透明紙噴墨檢測裝置及條盒透明紙檢測裝置，小包噴墨檢測裝置實現缺隨煙包的自動剔除，當出現連續4包噴墨缺陷煙包時會自動停機并顯示故障。條盒透明紙紙檢測裝置，缺少噴墨時，立即停止輸送帶運作，并與CH聯機，進行屏幕報警提示。

噴墨故障主要有以下幾種情況：

（1）缺少噴碼字符，如圖6所示。

（2）噴碼字符缺失，如圖7、8所示。

圖6 無噴碼字符

圖7 噴碼字符缺失

圖8 噴碼字符缺失

項目實施后，減少了操作人員因觀察噴墨帶來的視覺疲勞，實現了對隱形噴碼的檢測與缺陷煙包的自動剔除，提高了檢測的可靠性，降低了因人工觀察不及時造成的質量事故，效果顯著，具有較大的推廣意義。

5 結語

本文基于現有隱形噴碼檢測裝置存在的問題，進行了新的設計-機器視覺技術的隱形噴碼檢測裝置，解決了檢測精度低與人機交互性差的問題，同時改變了整體對噴碼區域，無法進行檢測單個字符缺失的問題。此外，又開展了圖像采集技術和處理技術等研究，從而有效監測隱形噴碼的完整性。