機器視覺在煙草薄膜識別中的應用

熊 金 彭 勇 余興華

(重慶中煙工業有限責任公司涪陵卷煙廠，重慶 408000)

在煙草行業，解包線開箱機器人取箱后，將有些沒有薄膜覆蓋的煙包送去割膜機割膜，影響工作效率及現場環境。為解決以上問題，我們通過人工半自動化薄膜識別、光電管自動化薄膜識別等技術的應用，都沒能很好的解決問題。

隨著工業4.0 以及智能制造技術的發展，在現在的工業控制中，機器視覺作為智能制造的一部分越來越多地引用。通過對機器視覺智能化薄膜識別的嘗試，旨在探索如何通過機器視覺準確識別煙包薄膜，并與解包線PLC 系統進行有機結合，當機器視覺檢測到煙包無薄膜時，則煙包無需割膜而直接進入下一工位，達到提高工作效率，美化工作環境的目的。以下是從人工識別到機器識別各個過程的嘗試。

1 人工半自動化薄膜識別的初期嘗試

解包線初始設計為所有煙包均帶薄膜，故全部煙包取箱后進入割膜機割取。

未考慮沒有覆蓋薄膜的煙包，也未考慮判斷煙包薄膜的裝置和程序。為解決無薄膜煙包不進入割膜機，技術人員嘗試修改PLC 程序，并在監控系統增設一" 無薄膜" 按鈕，當操作工觀察到取箱后煙包無薄膜時，立即點按此鈕，煙包不去割膜，直接進入下道工位，而有薄膜煙包依然正常割膜。此種方式完全依賴于人工，當操作工未監控到煙包無薄膜時，煙包仍會進入割膜機割取，并且增加了操作工工作強度，讓其不能兼顧其它作業。

2 光電管自動化薄膜識別的再次嘗試

解包線取箱工位取箱后，有薄膜煙包由于薄膜的覆蓋以及取箱時箱子在提升過程中將薄膜拉高(煙箱上升過程中形成的真空或機器人夾具上的抱針的作用)，比無薄膜煙包高度約高，我們利用此點在取箱工位安裝光電檢測開關，當此開關被遮擋時，輸入有薄膜信號給PLC，讓煙包進入割膜機；當此開關未被遮擋時說明煙包上無薄膜，輸入無薄膜信號給PLC，讓煙包直接進入下道工序。使用過程中發現由于煙包高度不一致，以及有些薄膜貼包較緊，檢測中存在錯檢的情況，導致仍有無薄膜煙包進入割膜機的情況，此方式可靠性不高。

3 機器視覺智能化薄膜識別的應用嘗試

所謂機器視覺系統，就是通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置)，將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝取目標的形態信息，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取各種目標的特征，進而根據差別的結果來控制現場的設備動作。在此基礎上提出了通過相機成像，依據圖像處理的算法判斷有無薄膜的方法進行嘗試。

3.1 工業相機及照明的選型

3.1.1 照明選型

工業相機準備安裝于開箱工位，此地屬于正常工作場所，外部光線正常，無高濃度粉塵等干擾物，故選擇1-3LUX 的普通型LED 照明。

3.1.2 相機芯片

在機器視覺中主要采用兩類光電傳感芯片，分別是CCD 和CMOS 芯片，無論是CCD 還是CMOS，他們的作用都是通過光電效應將光信號轉換為電信號，進行存儲以獲取圖像，CCD 相機芯片較CMOS 芯片具有光線靈敏度高以及圖像對比度高，取圖速度慢的特點，為了得到更好的圖像保真和質量，本例中對取圖速度沒有太高的要求，故選擇應用較多CCD 芯片。

3.1.3 相機分辨率

根據系統需求選擇所需的分辨率。本系統為檢測煙包表面是否有薄膜，根據現場位置，我們選擇煙包側面為所測表面，要求拍攝視野的大小約1000*700mm,由于拍攝視野較大，故精度要求0.5mm，測量精度可以考慮1/2 亞像素精度，那么相機的最低分辨率應選擇在：(1000/0.5/2)* (700/0.5/2)=1000*700pixcel,因此選擇1024*768 像素的相機[1]。

3.1.4 彩色和黑白相機

彩色相機多用于處理與顏色有關的圖像，而黑白相機同樣分辨率的情況下，精度比彩色更高，尤其在做圖像處理中，黑白工業相機得到的灰度信息可直接處理。由于煙包薄膜的單一性，不涉及多顏色處理，因此選用精度更高的黑白相機。

3.1.5 傳輸接口

根據傳輸距離，數據大小有USB、1394、Camerlink、以太網等接口方式，考慮到傳輸距離以及便于與PLC 之間數據傳遞，本例選用以太網通訊方式。

3.1.6 綜合選擇

綜合以上選型要求，結合產品價格和產品性能的需要，我們選擇了普通LED 光源、康耐斯In_sight5401 相機及其視覺軟件。

3.2 In_sight5401 相機的硬件安裝、連接、組態

將工業相機及光源平行安裝于煙包側面，并物理連接光源電源線和相機TCP/IP 通信網線，通過工業交換機連接至PLC的Profinet 網絡，在PLC 硬件組態中安裝In-sight5401 相機GSD文件，隨后在Profinet 網絡中組態In-sight5401 相機，為其分配IP 地址192.168.1.11，如圖1。

圖1 In-sight5401 相機在PLC 中的硬件組態

3.3 In_sight5401 相機視覺軟件的安裝及算法編程

3.3.1 In_sight5401 相機視覺軟件的安裝及連接

在電腦上安裝編程視覺軟件Cognex In-Sight Software 4.5版本，網線連接工業以太網交換機，為連接設置一個空閑IP，如192.168.1.251，子網掩碼設為255.255.255.0，連接好后打開Insight 瀏覽器，打開“系統”菜單欄下的菜單項，點擊“將傳感器/設備添加到網絡”，找到5401 相機，設置相應的IP 地址，讓相機、電腦、PLC 處于同一個網段，連接成功后在In-sigh 網絡一覽會出現Insight1 相機。

3.3.2 視覺軟件的圖像設置

在Insight 瀏覽器打開Insight1 相機，會出現相機軟件的編程調試界面，這是一張電子表格樣式的界面，一個電子表格稱為一個JOB，在界面中A0 是圖像設置項，該單元主要是設置圖像的屬性，如圖像的觸發源，曝光時間，白平衡等，如圖2，雙擊圖標Image，會彈出AcquireImage 屬性對話框，這里設置手動觸發，開啟自動曝光，設置曝光目標亮度時間和最大曝光時間等參數，圖像能適應白天夜間光線的變化，單擊確定。

圖2 In-sight5401 視覺軟件的圖像設置

3.3.3 IO 設置

In-sight5401 相機帶有三個輸出IO，本例中需通過一個IO 輸出來控制采集圖像時點亮光源，將相機的物理IO0 接到一個光藕上。

當IO0 有脈沖輸出時光藕導通，光源就會點亮，這樣就可以得到一幅有光源照亮的圖像，輸出信號時間到時，相機停止輸出信號，光源處于熄滅狀態，這樣的好處是可以大大提高LED 光源的使用壽命。同時在瀏覽器中選擇傳感器中的離散I/O 設置，選擇輸出設置，設置IO0 為采集開始，設置脈沖寬度為30ms。

3.3.4 In-sight5401 的算法編程

In-sight5401 視覺軟件有多種算法，如Blob(斑點)、邊、直方圖、圖案匹配、圖像、顏色等。Blob 的功能主要是一組灰階值高(低)于規定閾值的像數值，該函數用于查找暗背景上的亮點。邊工具的作用是在檢測區域內檢測亮邊或是暗邊。

比對分析拍攝煙包的圖片，當無薄膜時，整副圖片較暗，灰階值高，而有薄膜時，由于相機光源在薄膜上反光，亮點變多。因此選用Blobs(斑點)算法作為我們判斷有無薄膜的主算法，添加Blobs 下的ExtractBlobs 工具至表格中，設置相應的屬性，通過摸索在算法中設置合理閾值，當大于此閾值時，輸出為1，認為有薄膜；當小于此閾值時，輸出為0，認為無薄膜，輔助PLC 作相應輸出。

3.4 解包線PLC 程序的再處理

在解包線PLC 程序中，將相機輸入地址中的值作比較，當值等于1 時，表示有薄膜煙包；當值等于0 時，表示無薄膜煙包。再由不同煙包類型控制取箱穿梭車去向不同的工位，從而實現有薄膜煙包進入割膜機割膜，無薄膜煙包直接進入下道工序。

4 結論

以上是一例機器視覺在工業上識別煙包是否覆蓋薄膜的簡單應用，先用In-sight5401 相機拍攝照片，再用Cognex In-Sight Software 軟件對所拍攝的照片進行分析處理，通過如Blobs(斑點)等算法，找出煙包表面是否覆蓋薄膜的合理閾值，接著輸出相應的數值給PLC，最后比較對應數值決定煙包是否進入割膜機割膜的過程。經過長期的觀測統計，視覺系統判斷煙包有無薄膜的成功率大于99%，很好地起到了視覺識別煙草薄膜的效果，讓設備根據視覺識別結果進行相應的動作，大大降低了操作工勞動強度，提高了工作效率，美化了工作環境。