摘 要：視覺檢測技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興檢測技術，基于視覺傳感器的檢測系統具有抗干擾能力強，效率高，組成簡單等優點，非常適合生產現場的在線，非接觸檢測及監控。本文介紹了該技術在煙草行業包裝生產線上的應用方案。 關鍵詞：視覺檢測技術 ; 視覺傳感器 ; 包裝生產線 ; 模式識別 ; 煙草行業; 1 引言 　　機器視覺技術作為計算機科學的一個重要分支，在近三十年中有迅猛的發展。由于機器視覺系統可以快速獲取大量信息自動進行數據處理，易于同設計信息及加工控制信息集成，因此，在現代自動化生產過程中，機器視覺系統被廣泛用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域。 　　機器視覺系統的特點是可以提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺;另外，在大批量工業生產過程中，用機器視覺系統檢查產品質量顯然要比人工方式速度快，精度高，而且可以大大提高生產效率和生產自動化程度。另外，機器視覺系統便于信息集成，是實現現代工業自動化的基礎技術。 　　煙草行業包裝生產線的自動化程度很高，機器包裝好的煙盒以每分鐘500盒/分鐘的速度經傳送帶輸出。目前，絕大多數生產線還是采用人工篩選包裝不合格的產品。如果用視覺識別系統取代人工進行在線檢測, 不僅可以減輕工人勞動強度，而且將減少次品和提高生產效率。但是，機器視覺系統也有它的局限性，因此，對于不同的檢測對象要具體分析，采取不同的檢測方案。 2 視覺檢測系統分析 　　.1） 基本原理 　　機器視覺檢測系統通常采用CCD（Charge Coupled Device）照相機攝取檢測圖像，將其轉化為數字信號，再采用先進的計算機硬件與軟件技術對圖像數字信號進行處理，從而得到所需要的各種目標圖像特征值，并在此基礎上實現模式識別，坐標計算，灰度分布圖等多種功能。機器視覺檢測系統能夠根據其檢測結果快速地顯示圖象，輸出數據，發布指令，執行機構可以配合其完成位置調整，好壞篩選，數據統計等自動化流程。與人工視覺相比較，機器視覺的最大優點是精確，快速，可靠，以及信息數字化。 　　機器視覺系統主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理、輸出顯示。 　　圖像獲取設備包括光源、攝像機等，其中關鍵部件CCD是由分布于其上的各個像元的光敏二極管的線性陣列或矩形陣列構成，通過順序輸出每個二極管的電壓脈沖，實現將圖像光信號轉換成電信號的目的。輸出的電壓脈沖序列可以直接以RS-170制式輸入標準電視顯示器，或者輸入計算機的內存，進行數值化處理。CCD是現在最常用的機器視覺傳感器。 　　圖像處理設備包括相應的軟件和硬件系統。 　　輸出設備與過程相連，包括監視界面，過程控制器和報警裝置等。攝像數據通過計算機對標準和故障圖像的分析和比較，若發現不合格產品，則通過NG信號告警，并由PLC自動將其排除出生產線。機器視覺檢測的結果可以作為計算機輔助質量CAQ （Computer Aided Quality）系統的信息來源，也可以和其它控制系統集成。 　　.2） 系統設計 　　煙盒包裝生產線視覺檢測系統采用歐姆龍公司的F150視覺傳感器。其主要性能指標是，像素為512×480，可以紀錄16個不同物件的標準畫面，存儲23個畫面不合格物件圖像，即可以確定23種不合格的情況，便于在生產中做出比較和回饋。圖像處理采用二值化方法。數據及圖像的存儲通過RS232口與PC機相連。攝影機和照明裝置為F150-SL20/50型，其中攝影機部分為1/3寸CCD個體攝像元件，帶智能照明，脈沖發光，即頻閃，電子快門有1/100，1/500，1/2000，1/10000秒的多種選擇。檢測范圍為50mm×50mm，設定距離16.5mm-26.5mm。 　　視覺檢測系統的基本構成如圖1[6]所示： [align=center] 圖1 視覺檢測系統的基本構成 [/align] 圖中的主要部件功能如下： 　　在系統中起核心作用的是控制器，其基于二值化和灰度理論，可以處理CCD鏡頭以像素為單位轉換而來的電信號，并提供多種測量模式，輸入輸出和通信手段。控制器通過專用信號線與攝像機及智能照明裝置相連，后者內含CCD器件，可配合多種標準鏡頭。特別要說明的是本系統采用智能照明，可進行八段光亮設定，可以穩定的攝取適合檢查的圖像。使用者可通過手持書寫器，在顯示器上選擇測量模式，檢查區域及設定檢查條件。最后在控制器中產生特定信號，由PLC接收，控制電磁閥產生剔除動作，完成取像，檢測，剔除等一整套動作。 3 系統仿真 　　針對視覺檢測系統中的幾個重要問題，我們進行了專門的研究和仿真。 　　1） 待檢測物件顏色與照明光源及外光源之間的關系，是否有特殊的要求? 　　2） 包裝生產線上要求對香煙盒的外包裝進行局部缺陷檢測，比如：外觀破損，邊緣測定，印刷位置，封口情況等。一個攝像頭是否可以同時檢測兩到三個面? 　　3）視覺檢測系統檢測物件的精度是否可達到期望的要求? 　　物件圖像的視頻端口外接通用數碼錄影機，由USB端口傳入PC機，再用專用軟件在顯示器展示出來。操作步驟如下： [align=center] 圖 2 標準畫像[/align] 　　1） 錄標準畫像。將待測物件放入攝像頭的測試范圍，并作為標準畫像記錄。記錄時，要邊看畫像邊根據菜單進行照明及快門設定。本例中快門速度為10000/s，照明為初始默認值。如圖2所示 [align=center] 圖3 檢查項目及領域設定[/align] 　　2） 檢查項目和領域設定。畫面上會顯示幾種類型的應用實例,選擇其中的某幾項檢測項目。接著設定檢查領域，進行各種形狀的設定，能設定最大16個領域。在本例中，分別進行了灰度搜索，邊緣灰度位置，平均密度的設定。如圖3所示 　　3） 位置修正。檢測時，物件的位置不穩定時，需要進行位置修正。作為位置修正標準的領域及修正方法可自動進行設定。這一點對于工業生產線，非常實用。本例中對其中的某個檢查的項目進行了位置修正，使之更符合生產實際。 [align=center] 圖4 合格物件[/align] [align=center] 圖5 不合格物件[/align] 　　4） 確認，檢測。其中前一幅圖像為合格物件，即OK，如圖4所示。后一副圖像為不合格物件，即NG，如圖5所示。 4 結論 　　本文介紹了一種應用于煙草工業包裝生產線進行產品質量檢測的新型技術手段，即利用機器視覺系統方便，快捷，有效地實現物件檢測。 　　在實際應用中，我們注意到特定的光源色對不同的物件顏色區分有很大差異，一般要根據實際情況調整。比如，采用紅色LED光源的CCD攝像頭時，它對紅與黃顏色的區分就不理想，這種情況下可以采用綠色的光源。除此之外，生產現場攝像頭最好用燈罩型裝置屏蔽外來雜光源。 　　另外，由于一個攝像頭檢測物件的多個面時，鏡頭與物件不垂直，而是與物件的兩個待測面或三個待測面呈一定的角度，因此，需要考慮這種形變帶來的誤差。在生產線上，當物件移動位置不穩定時，可以用位置補償來修正檢測范圍。另外，當煙盒外包裝需檢測部位與背景在灰度上近似時，采用本次仿真實驗選用的攝像頭，對煙盒開口精度1毫米并不能達到。 　　對香煙包裝生產線來說，檢測系統輔助裝置的設計和安裝十分關鍵，即要在生產線上使煙盒需要檢測的各個面都處于傳感器的視覺范圍之內，完成全包裝檢測。 　　本次仿真試驗中，采用的是歐姆龍公司中端的F150視覺檢測系統，而對于最新推出的F160系統，則可以滿足更高端的指標要求，尤其是對待測物件從比較型檢測轉變到測量型檢測，但同時成本會有一定的提高。結合不同檢測系統的成本及工業現場實際要求，可以比較靈活的采用不同的系統。 　　試驗仿真結果表明，視覺檢測系統對煙草生產線煙盒外包裝的檢測可以達到預期的效果。 參考文獻 　　【1】 OMRON公司《傳感器綜合樣本》 2001年 　　【2】 Kenneth R.Castlemen 著 朱志剛 等譯 《數字圖像處理》 北京： 電子工業出 　　版社 2002年 　　【3】 趙守忠 《傳感器技術及其應用》 合肥：中國科學技術大學出版社 1997年 　　【4】 OMRON公司 F-150-3 Vision Sensor manual 1： SETUP MANUAL 2000年 　　【5】 OMRON 公司F-150-3 Vision Sensor manual： EXPERT MENU OPERATION MANUAL 2000年 　　【6】 王林，沈立緯 《視覺檢查系統在煙草行業的應用》 2001年