基于機器視覺的蠶繭分選綜合實驗系統

邵鐵鋒，唐建祥，廖藝真

（中國計量大學 工程訓練中心，浙江 杭州 310018）

制造業是國家發展的基石，當今世界很多國家都紛紛提出了振興制造業的國家戰略[1-2]。智能制造不僅對生產的產品提出了更為嚴苛的要求，對智能制造人才的專業性和復合性等也提出了新的要求。為適應新時代的發展，培養符合新工科要求的高素質綜合型的人才[3-5]，高等院校培養機械工程師就需要讓學生掌握扎實的理論基礎，同時需要培養學生的產品設計能力和對產品進行試驗調試的應用動手能力[6-8]。

實驗教學承載著學生實踐能力、創新能力、分析問題和解決問題能力培養的重任[9-10]，對學生深刻掌握理論知識起到重要的作用。為滿足我校機械電子工程專業的教學培養目標，培養符合新工科背景的智能制造業人才，解決現有的教學實驗平臺大多存在綜合性不強、學生實操性低等問題[11]，本文將教師科研成果部分內容轉化為實驗教學資源，設計開發了蠶繭分選綜合實驗系統。該系統利用機器視覺技術實現不同種類蠶繭的識別與分選。根據蠶繭缺陷特征的多樣與不確定性等特點，實驗系統通過相應的機械裝置，實現了蠶繭立體圖像采集，在Visual Studio 2013 的開發環境下，結合 OpenCV 和 MFC 兩個資源庫進行蠶繭表面圖像的處理，并將處理結果發送至下位機嵌入式控制系統，實現不同種類蠶繭分選操作。系統有機融合了機械設計[12]、圖像處理[13]、嵌入式系統控制[14]、產品信息管理[15]等技術，能有效地完成機械和自動化等專業的基礎性教學實訓任務。

1 實驗要求

該實驗系統主要用于本科及研究生實驗教學，使學生了解智能制造關鍵技術，培養學生的圖像采集與識別、機械設計、嵌入式控制、企業信息化管理等方面的研發能力。學生需要了解的知識點包括：①機械設計基礎知識。利用CAD 軟件，實現產品零件設計，并利用3-D 打印技術，完成產品樣機裝配和調試。②嵌入式控制系統基礎知識。設計并制作控制系統，包括傳感器檢測電路、嵌入式最小系統電路、電機控制電路設計、接口技術、嵌入式程序開發等，實現裝置控制、光源控制、圖像采集裝置觸發、與上位機通信等功能。③圖像處理基礎知識。利用OpenCV 等資源庫，在Visual Studio 開發環境下實現蠶繭表面圖像的處理與缺陷識別，并將識別結果通過串口發送至嵌入式控制系統。④信息化管理技術。開發蠶繭分選信息化管理軟件，存儲、統計、分析不同時間段、不同批次、不同產地的蠶繭分選結果，并出具相應的質量分析報告。

2 實驗系統設計

2.1 實驗系統整體結構

實驗系統硬件部分主要由蠶繭分選輔助裝置、嵌入式控制系統、圖像采集系統、計算機組成，如圖 1所示。

圖1 實驗系統硬件組成

（1）蠶繭分選輔助裝置：主要包括翻繭機構、蠶繭分離機構、分選執行機構等。翻繭機構通過翻轉蠶繭的方法輔助相機采集蠶繭繭層表面的完整圖像；蠶繭分離機構將圖像采集完成的蠶繭從翻繭機構中與未完成圖像采集的蠶繭分離；分選執行機構根據計算機圖像識別結果，分選分離后的蠶繭，將其放入不同的通道。

（2）嵌入式控制系統：嵌入式控制系統采用STM32系列單片機作為主控單元，與計算機通過串口（如RS485）通信，配合實現對裝置的控制。主控單元通過 MOS 管控制裝置中相機光源的開關狀態，通過光電傳感器獲得各工位工作狀態，同時采用專用電機驅動模塊 TB6612FNG 實現裝置中直流電機的啟停、正反轉控制。

（3）蠶繭圖像采集系統：主要包括工業相機、工業定焦鏡頭、相機光源等。采用LED 光源落射照明和背照式照明兩種方式為系統提供照明。

2.2 實驗系統工作流程

蠶繭分選裝置的整體結構如圖2 所示。蠶繭經過單粒化處理后，經由傳送帶與撥繭機構將蠶繭送入翻繭機構。實驗裝置主要工作流程如下：

（1）蠶繭進入翻繭機構后，系統打開光源，第 1次采集蠶繭圖像。

（2）翻繭機構實現蠶繭360°翻轉，系統在蠶繭翻轉的同時繼續采集圖像，實現蠶繭繭層圖像完整采集。

（3）圖像采集完成后，蠶繭分離機構將蠶繭推落至分選執行機構中，同時由計算機對采集到圖像進行處理和識別，判斷蠶繭的類別。撥繭機構送入下一粒待檢測的蠶繭，并重復流程（2）。

（4）計算機將識別結果通過RS485 發送至嵌入式控制系統。系統根據處理結果控制分選執行機構將蠶繭送入到相應的通道中，實現蠶繭的分選。

圖2 蠶繭表面圖像采集與分選裝置的整體結構示意圖

3 實驗項目開發

3.1 機械設計類實驗

該類實驗主要讓學生了解蠶繭分選過程，并拆解撥繭機構、蠶繭分離機構、翻繭機構、分選執行機構。在了解其中的機械結構與工作原理的基礎上，重新設計方案，并利用 Solidworks、AutoCAD 等 CAD 軟件進行三維建模，再利用3-D 打印技術，完成零件加工與裝配。實驗項目可以提高學生的機械設計能力、三維建模能力和繪制機械圖紙的基本能力。下面以翻繭機構設計為例說明。

翻繭機構的整體結構如圖3 所示，翻繭機構的設計核心是實現蠶繭360°表面與蠶繭兩端完整繭層圖像信息的提取。因此，實驗參考方案為利用兩滾軸實現蠶繭翻轉，并在蠶繭兩端安裝平面鏡，實現蠶繭兩端圖像獲取。此外，在兩滾軸之間安裝強光源，用于采集蠶繭內部圖像信息。該實驗包括齒輪傳動設計、翻轉軸設計與裝配等。

圖3 翻繭機構整體結構圖

3.2 嵌入式控制系統設計實驗

嵌入式控制系統設計實驗主要分為兩個方向：硬件電路設計和軟件設計。實驗目的是讓學生掌握嵌入式軟硬件開發的能力。硬件電路設計內容是根據系統需求選擇相應的傳感器，確定電機型號，進行元器件選型，采用Altium Designer 等CAD 軟件設計系統原理圖和PCB 圖，完成電路板加工、焊接與安裝。硬件電路組成如圖4 所示，主要包括單片機最小系統電路設計、光電傳感器讀取電路、串口通信電路、電機驅動電路、光源驅動電路等。軟件設計內容是根據系統需求及硬件電路選型，采用 KEIL 等集成開發環境，設計相應驅動程序。程序模塊主要包括初始化子程序、串口通信中斷服務程序、翻繭子程序、推繭控制子程序、分選執行子程序等。各模塊的子程序獨立設計，由主函數根據計算機發送的指令進行調用。最終與硬件電路一起完成程序調試，實現對裝置的控制。

圖4 裝置整體控制結構圖

3.3 計算機軟件開發實驗

在 Visual Studio 2013 的開發環境下，結合OpenCV、MFC 等資源庫實現蠶繭表面圖像處理與識別、蠶繭信息化管理。

1）圖像處理算法設計實驗。

本實驗目的是使學生掌握圖像處理的一般流程及相應的圖像處理算法。圖像處理算法的目的是將采樣獲得的圖像去除多余的背景區域，僅保留蠶繭繭層表面圖像區域，并完成蠶繭疵點識別。其程序流程分為以下7 個步驟：①根據所標記的坐標點對原圖進行感興趣區域（region of interest, ROI）選取；②將 ROI區域圖像轉換為灰度圖像并確定二值化閾值，完成圖像分割；③去除背景噪音，選擇連通域；④根據蠶繭形狀的特殊性，運用Canny 算法提取蠶繭區域的邊緣輪廓[16]，根據Fitzgibbon 提出的直接最小二乘擬合算法對提取到的蠶繭邊緣輪廓進行橢圓擬合[17]；⑤針對擬合完成的圖像，進行旋轉、展開、拼接等操作，得到直觀的繭層表面圖像并保存；⑥提取疵點圖像，并計算疵點面積大小與種類。

2）面向對象軟件開發實驗。

面向對象軟件開發編程實驗的目的是讓學生掌握面向對象的C#編程語言和OpenCV 庫，在Visual Studio開發環境下完成相應軟件開發。軟件界面如圖5 所示。主要實現以下功能：①實現攝像頭與光源控制；②實現與嵌入式系統通訊，從而控制裝置運行；③實現圖形處理算法，完成疵點分析；④保存圖像與分析結果，出具統計報告。

圖5 軟件界面

4 結語

本文設計了蠶繭分選綜合實驗系統，涵蓋了機械、電子、計算機技術、圖像處理技術等多方面實驗，綜合了多門學科知識，可以滿足培養新工科背景的復合型人才的需求。同時，相對拔尖的學生可以在此平臺的基礎上，參與教師科研，進一步探索蠶繭分選方法與裝置，使實驗系統進階化、創新化和工程化。該實驗系統將科研與教學融合，實現了工程項目到實驗項目，實驗項目再到工程項目的循環，調動了學生的主觀能動性，鍛煉了學生的研究性創新思維，提升了實驗教學質量。