基于機器視覺的酒液異物檢測設備研究與設計*

楊新春，韋懿禾

(1.合肥產品質量監督檢驗研究院，安徽 合肥 230001；2.中國石油大學，北京 102249)

0 引言

中國白酒隨著中國經濟的高速發展，其消費市場在世界范圍內逐步拓寬[1]。在白酒市場發展的同時，消費者對白酒的質量也愈來愈關注[2]，白酒生產廠家面臨著極大的挑戰和激烈的競爭。因此，生產廠商加大了酒品生產過程的監督力度，以消費者的健康和生命安全為起點，將酒品的生產質量作為企業長久生存和持續發展的保障。

目前，在白酒的生產灌裝過程中，由于瓶體制造、生產工藝、封裝技術等多方面的原因，酒液中可能會出現一些異物雜質，在影響酒品質量的同時也影響消費者的健康。由于中國白酒瓶身外觀設計復雜，酒瓶內部異物檢測難度極高，而現有的酒液異物檢測技術大致可分為人工檢測、激光檢測、光電檢測、機器視覺檢測等[3]，這些檢測技術對于尺寸較大的雜質(1 mm以上)具有部分效果[4]，無法滿足實際生產需求。因此，本文設計開發了一種白酒酒液異物檢測裝置，采用高效圖像采集設備獲取酒瓶翻轉前后的連續多幀圖像進行檢測，極大地提高了酒液異物檢測的精確度和檢測效率。

1 酒液異物檢測設備結構設計與工作原理

1.1 設備結構設計

酒液異物檢測設備由工作臺、多級輸送臺、二級機械臂和圖像采集裝置等組成，其結構示意圖如圖1所示。工作臺上安裝固定有弧形擋板、轉盤和旋轉輸送盤，每一級輸送臺端部與弧形擋板相連；旋轉輸送盤上安裝有旋轉驅動機構，用于旋轉酒瓶，第一轉盤負責將酒瓶從第一輸送臺沿第一弧形擋板運送至旋轉輸送盤上，第二輸送臺端部固定安裝有第二弧形擋板，第二轉盤負責將酒瓶從旋轉輸送盤沿第二弧形擋板運送至第二輸送臺上；第一轉盤、第二轉盤邊緣均設有與酒瓶瓶身配合的卡槽，卡槽沿第一轉盤、第二轉盤邊緣均勻分布設置；第二輸送臺與第三輸送臺之間設有檢測輸送臺，檢測輸送臺上設有圖像采集設備，用于采集酒瓶圖像；第二輸送臺與檢測輸送臺之間設有第一機械臂，第三輸送臺上設有第二機械臂。

圖1 白酒酒液異物檢測設備結構示意圖

由于圖像處理裝置可能會漏判靜止吸附在瓶身上的雜質，降低異物檢測的準確率，為了避免這種情況的發生，設計了一種旋轉驅動機構，如圖2所示。旋轉驅動機構的安裝板固定在旋轉輸送盤上，安裝板上固定有直線電機，直線電機上的滑塊與安裝架固定，安裝架內部貫穿有能夠帶動酒瓶轉動的旋轉套圈，旋轉套圈內壁設有用于與酒瓶瓶身接觸并帶動酒瓶轉動的橡膠層，將酒瓶傾斜45°～80°，讓旋轉的酒體沖洗瓶蓋，旋轉機構轉動帶動酒瓶快速、安全地旋轉和振蕩之后急停，則雜質會隨著酒液繼續在瓶內運動，從而使得圖像處理裝置能夠獲得清晰的圖像信息。

圖2 旋轉驅動機構

1.2 檢測原理及算法

瓶裝白酒的異物雜質監測主要以機器視覺為基本原理，采用高清攝像頭對運輸臺上運輸的瓶裝白酒進行序列圖像抓取，以檢測酒液內是否存在金屬屑、毛發、蚊蟲、玻璃碎屑等雜質[5]。

1.2.1 圖像采集

高效地進行異物雜質圖像采集，必須以合理的光源以及光照方式為基礎[6，7]。因為LED燈功耗低、發熱量少、亮度高、環境適應能力強，能為目標提供良好的照明環境，最終選取LED燈作為光源。本文采用兩種照明方式：當檢測目標為黑色可見雜質時，采用平板 LED 透射成像，所獲得的序列圖像背景為白色，由于雜質遮擋了光線而呈黑色；當檢測目標為白色時，采用黑背景成像方式，減少圖像上形成的亮斑，避免有用信息的丟失。

1.2.2 圖像預處理

由于獲取到的酒液圖像包括異物雜質和受噪聲干擾的背景，因此需要對圖像進行預處理，以保留有用信息。主要處理步驟如下：

(1) Gamma校正。預處理LED燈照射過程中使瓶身產生的反射或者折射效應，形成高亮區域，采用Gamma校正高亮區域的對比度。

(2) 均值濾波。采用中值濾波法對圖像進行脈沖信號干擾濾波處理，在消除圖像中噪聲的同時保證細節信息。對經過Gamma校正后的灰度圖采用改進的均值濾波在有效消除噪聲的同時較好地保留了完整信息。

(3) 差影法。采用差影法對圖像進行減運算以降低干擾對圖像的影響，當酒瓶進入檢測區域時，將酒瓶旋轉進行分離，酒瓶旋轉后停止，酒液內部的異物不會立即停止運動，在此期間，獲取酒瓶圖像信息，并通過得到的前后圖像分離出微小的運動目標，有效消除瓶身內部劃痕以及反光等非檢測目標的影響。

1.3 電氣系統設計

酒液異物檢測設備的電氣控制系統框圖如圖3所示，選用一臺PLC負責整個系統的底層工作，包括系統協調、流水線對接、旋轉控制和機械臂控制。

圖3 電氣控制系統框圖

1.4 設備工作流程

設備工作流程如圖4所示，設備上電之后，酒瓶經由輸送臺運輸、轉盤等間距分隔后導入旋轉輸送盤；旋轉輸送盤上的旋轉機構利用旋轉套圈將酒瓶夾持并通過旋轉和振動使得酒瓶里面的雜質充分運動起來；經過再次分隔與輸送，酒瓶導入第二輸送臺，經第一機械臂轉移至檢測臺；由圖像采集設備進行圖像信息采集，通過數據的上傳、處理與分析，判斷瓶內是否含有雜質，檢測到瓶內含有雜質時，經第二機械臂轉移至次品臺，合格品從檢測輸送臺進入第三輸送臺送至后續工段。

圖4 設備工作流程

2 檢測試驗結果與分析

從市場中購得某品牌的250 mL透明玻璃瓶裝酒300瓶，其中合格品200瓶，含玻璃細屑30瓶、白色纖維20瓶、蚊蟲10瓶、金屬屑20瓶、毛發20瓶。對 300瓶酒液異物進行檢測，酒液異物檢測設備實物如圖5所示。

圖5 白酒酒液異物檢測設備實物

在樣品檢測過程中，以3 600瓶/小時的速度進行20次檢測，同時聘請6名技術人員同一時間內進行人工檢測，檢測結果與數據分別如表1、表2所示。由于檢測樣品是市場上購買所得，所以兩種檢測對不合格品的檢測正確率都比較高，與人工檢測相比，酒液異物監測設備的檢測正確率更高。

表1 檢測結果

表2 雜質檢測數據分析

3 結論

本白酒酒液異物檢測設備通過對當前檢測技術的改進以及創新，利用高精度旋轉機構實現酒瓶的快速安全旋轉，利用高端機械臂精確完成酒瓶的傳輸與不合格品的轉移，利用高精度、高準確率圖像獲取裝置實時處理獲取的圖像信息并判斷出不合格品，支持淺色透明瓶身，不僅可以廣泛應用于各廠家的白酒生產，同時也可廣泛應用于啤酒、口服液等領域，極大地提高了透明瓶體內部異物檢測的檢測效率，并充分發揮異物檢測設備的效能。