香煙外包裝視覺檢測系統研究

方學軍

（貴州財經大學 貴州 貴陽 550003）

香煙生產線的速度非常快，比如GDX-2包裝機組的速度就達7包/秒，但在包裝過程中往往會產生各種瑕疵，如破損、翹邊、翻蓋、露白、反包、疊角、印刷未上色等，這給在線檢測帶來很多麻煩。用人工只能抽檢，結果有很多的不合格品流入市場，管理層也無法進行有效監管，對品牌價值和產品信譽都造成很大影響。因而，一套高效的香煙外包裝視覺檢測系統對香煙生產線尤為重要。設計既能實現高速在線檢測，又能進行檢測數據處理的香煙外包裝視覺檢測系統，可從以下幾個方面進行研究：

1 檢測系統的總體結構

檢測系統按功能可分為3個部分：成像單元、圖像采集與處理單元、控制單元，其總體結構如圖1所示。成像單元由CCD攝像機、LED光源構成，負責原始圖像數據的采集，CCD攝像機向圖像處理子系統輸出模擬視頻信號。由于煙包位于生產線上，需檢測5個面，因此只需設置2個對面放置的CCD攝像機與LED光源進行檢測。

圖像采集與處理單元負責接收模擬視頻信號，數字化模擬視頻信號，根據檢測目的對圖像數據進行圖像處理運算，并將運算結果傳送至MCU控制器。控制單元是由單片機、顯示單元、報警單元、光電傳感器、通信模塊和其他擴展功能模塊等器件構成，用來完成煙包在傳送帶上的定位、包裝瑕疵的煙包的剔除操作以及顯示、報警等功能，為了組成閉環柔性系統，還可以設置通信模塊。

1.1 CCD攝像機與鏡頭的選取

用圖像處理方法進行煙包識別的原理可在獲取煙包的圖像后，用計算機進行圖像處理并識別煙包與設定合格品之間的區別。成像質量對整個檢測的準確性及速度至關重要，也就是說，實現缺陷識別的基礎是獲取清晰的煙包圖像。因此在選擇CCD攝像機的時候，有幾個項目特別重要，那就是快門、異步重置外觸發和鏡頭。

圖1 檢測系統的總體結構

快門速度決定了感光元件的曝光時間，傳送帶上的煙包是移動的，經計算決定快門速度T≤1.22×10-4秒，故可選1/10000秒快門速度的攝像機；當傳送帶上的煙包到達檢測位置時，必須精確的控制CCD攝像機進行拍照，這要求CCD相機具有異步重置外觸發功能；決定了CCD攝像機的其他指標后，由煙包傳送過程中的最小物距（工作距離）可算出鏡頭焦距約為15.52mm，所以，應選擇標定焦距為16mm的鏡頭。

1.2 光源與照明方式的確定

對于煙包在線檢測系統來說，因為煙包拍攝速度快、間隔很小，光源以常亮照明方式連續工作為好。這就要求它必須具有較長的壽命，且發光穩定，功耗較低，為了防止整個照明系統受自然光或現場其他照明燈光的影響，保證采集的圖像質量穩定，應將成像單元置于一封閉空間內對煙包拍照，因此可采用漫反射效果好的熒光燈燈源。

圖2 照明效果圖

2 基于DSP的實時圖像處理系統

用大容量FPGA實現高速的圖像采集，并對圖像作濾波等預處理，用DSP實現圖像識別。圖像處理器采用這種結構方式，可把圖像采集和圖像處理有機結合，充分利用各自的優點，由此設計開發的實時圖像處理器，既能實現高頻圖像信號的精確采集，又能保證數據處理的實時性與準確性，并且系統穩定可靠。

針對煙包檢測的特點和實際要求，設計嵌入式圖像處理器，主要包括：視頻解碼、圖像采集控制、數據傳輸控制、DSP及其外圍器件等。其結構如圖3所示。視頻解碼主要實現對CCD傳送的視頻信號的A/D轉換，以及同步信號的提取。由于DSP運行速度高，為減少DSP的等待時間，可以采用高速同步FIFO來實現數據處理、傳輸等任務，還可以進行數據緩沖器，以和高速的DSP相匹配。對視頻解碼芯片及FIFO的控制由FPGA來實現，而FPGA的控制參數由DSP提供。DSP是圖像處理模塊的核心，接收主機的指令，讀取FIFO傳送的圖像數據，存儲并進行運算，再將處理結果通過MCU控制器接口發送回控制器。

圖3 圖像處理器的總體結構

DSP處理圖像時可進行平滑濾波、邊緣檢測、定位配準、圖像識別等。平滑濾波完成圖像識別的預處理功能。圖像識別的過程，以煙包檢測為例，即先對圖像進行定位配準、邊緣檢測，測得圖像的邊緣數據，再對邊緣進行統計計算，根據檢測閾值來判斷該被測物體是否合格。

3 圖像處理器軟件主體結構

系統軟件的流程分四個步驟，首先是系統上電初始化，加載程序和初始化各種參數，然后系統開始運行。依靠光電感應開關和機械定位裝置等設備探測煙包的位置，當煙包剛好處于最佳攝像位置時，光電開關發出一個圖像采集觸發指令，并實時傳送給圖像處理器。圖像處理器接收觸發指令，在FPGA的控制下完成圖像的采集，并通過FIFO將數據分批傳送至DSP。接下來是圖像處理，即通過一定的圖像處理算法完成各種檢測任務。最后將檢測結果輸出到MCU控制器，由控制器統計檢測結果和控制相關設備的運行。

圖4 系統軟件結構圖

系統軟件的主體結構如圖4所示。首先通過FLASH和PROM分別加載DSP和FPGA的程序，復位DSP和FPGA，系統初始化，打開DSP的中斷，準備進行圖像采集。接著當被測煙包處于最佳攝像位置時，由光電開關探測煙包的位置，并向FPGA發出一個觸發脈沖，FPGA檢測到采樣脈沖即控制采集一幅圖像。接下來，通過選通信號，FPGA將采集的圖像數據依次寫入FIFO。FIFO半滿即產生DSP中斷，DSP執行中斷子程序，讀取FIFO內部數據并保存數據。DSP讀取數據的同時，輸出端同步計數，保證圖像和數據同步。在兩次中斷的間隔時間，DSP還可以同時執行其它工作，如處理上一幀圖像數據或輸出結果等。最后通過同步計數數值判斷是否完成了一副圖像的采集，如果完成了則進行圖像處理。

圖像處理主要完成圖像預處理及圖像識別兩部分功能。通過中值濾波消除噪聲，使圖像的背景均勻，即為圖像預處理功能，濾波處理后煙包瑕疵等待檢測的指標仍保持原有特征，此過程可以由DSP或者大容量的FPGA來完成。進行圖像識別時，首先進行邊緣檢測和閾值分割，得到圖像的邊沿相關數據，再計算邊沿的周長和圖像的面積，和檢測閾值進行比較，判斷被測煙包是否合格，此過程由DSP完成。最后圖像處理器再將檢測結果送到MCU控制器，從而控制設備進行后續操作，并可以通過USB總線接口將訊息傳送到上位管理機，實現檢測的結果的分析統計與記錄。

4 總結與展望

本課題利用DSP處理速度快等優點，研究了將DSP技術和MCU等嵌入式技術應用于香煙外包裝視覺檢測過程領域的方法，解決了圖像處理數據量大和檢測系統實時性要求高之間的矛盾，針對煙包在線檢測的特點，設計了視覺檢測系統的總體結構，對系統的各個部分提出了實現方案，包括CCD攝像機的選取、光源照明系統的設計、圖像處理系統的設計等，闡述了針對煙包常見包裝問題的檢測原理，針對圖像處理的要求以及處理平臺的硬件資源，提出了實時處理軟件的工作流程，并介紹了檢測軟件的主體結構。

本文作為一個完整的應用系統的研究，結合實際生產可大大提高生產效率，但如何提高系統的抗干擾性能還有待更進一步的研究。

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