[align=center]The application of Machine vision in the empty bottle inspection 李巍巍 （山東藝術(shù)學(xué)院現(xiàn)代技術(shù)教育部，山東 濟(jì)南）[/align] 摘要：針對現(xiàn)場啤酒空瓶檢測的特點(diǎn)，分析機(jī)器視覺在啤酒空瓶檢測方面的應(yīng)用價值，將其應(yīng)用于啤酒瓶空瓶檢測，在啤酒生產(chǎn)線綜合應(yīng)用PLC與計算機(jī)，形成在線啤酒空瓶檢測機(jī)。 關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺,空瓶檢測 Abstract：Aimed at the characteristic of empty bottle inspection, analyzed the machine vision and its value of application in empty bottle inspection. The system applied the machine vision in the empty bottle inspection. Combined the PLC with computer, applied it in the beer production line, formed the empty bottle inspector. Key words：machine vision, empty bottle inspection 1 引言 在啤酒釀造過程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素很多，例如原料質(zhì)量、工藝、釀酒技術(shù)等，另外酒瓶缺陷和污物（瓶口、瓶身和瓶底）也是影響啤酒質(zhì)量的一個關(guān)鍵要素。所以在啤酒灌裝前必須對空啤酒瓶進(jìn)行檢測，把不合格品剔除，才能進(jìn)行啤酒的灌裝。而目前我國大多數(shù)啤酒廠還是采用人工對空啤酒瓶質(zhì)量進(jìn)行檢測，效率低下，速度慢，勞動強(qiáng)度大。 機(jī)器視覺極適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量、檢查和辨識，線陣CCD在連續(xù)、掃描在線測量中的應(yīng)用非常具有優(yōu)勢。用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度，而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，可極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。所以，針對啤酒瓶檢測這種帶有高度重復(fù)性的工作，應(yīng)用機(jī)器視覺理論開發(fā)一套啤酒空瓶檢測裝置實(shí)現(xiàn)空瓶的自動化檢測在實(shí)際中具有很大的意義。 2 機(jī)器視覺簡介 簡言之，機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。 2.1 機(jī)器視覺的原理 機(jī)器視覺是用計算機(jī)來分析從攝像機(jī)所獲得的圖像的一種方法，分析結(jié)果被用來報告信息（探測結(jié)果）、控制工藝過程或移動物體。 采用CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等[sup][1][/sup] 。 2.2機(jī)器視覺的特點(diǎn) 機(jī)器視覺檢測技術(shù)具有速度快、精度高、自動化程度高等突出的優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求，在實(shí)際中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。機(jī)器視覺與傳統(tǒng)計算機(jī)視覺從廣義上來說都是利用圖像處理技術(shù)達(dá)到對目標(biāo)的理解、識別等，但是從應(yīng)用上來說機(jī)器視覺具有獨(dú)特的特點(diǎn): 1、機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、電光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)，人機(jī)接口技術(shù)等。這些技術(shù)在機(jī)器視覺中是并列關(guān)系，相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個成功的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)。 2、機(jī)器視覺更強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中惡劣的環(huán)境，要有合理的性價比，要有通用的工業(yè)接口，能夠由普通工人來操作，有較高的容錯能力，有較高的安全性，不會破壞工業(yè)產(chǎn)品，還必須有較強(qiáng)的通用性和可移植性。 3、機(jī)器視覺更強(qiáng)調(diào)實(shí)時性，要求高速度和高精度，因而計算機(jī)視覺和數(shù)字圖像處理理論中的許多技術(shù)日前還難以應(yīng)用于機(jī)器視覺，它們的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用速度。 3 啤酒瓶檢測的特點(diǎn) 啤酒空瓶的檢測具有如下特點(diǎn)： 1、材料是玻璃，這對很多傳統(tǒng)檢測技術(shù)來說是個難題； 2、啤酒空瓶檢測強(qiáng)調(diào)實(shí)時、在線，確保對過程實(shí)現(xiàn)全面控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率。比如現(xiàn)在很多啤酒生產(chǎn)線生產(chǎn)速度在36000瓶/時以上，這是許多傳統(tǒng)檢測手段無法提供的； 3、空瓶形狀復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)接觸方式檢測，而非接觸方式是傳統(tǒng)檢測技術(shù)所不能解決的問題。 針對啤酒空瓶檢測的特點(diǎn)與要求，實(shí)際中主要針對四個方面進(jìn)行檢測，檢測環(huán)節(jié)與檢測內(nèi)容簡列如下： 1、瓶口檢測：瓶口密封面檢測,螺紋檢測 2、瓶壁檢測:瓶壁內(nèi)、外表面污物檢測,磨損度檢測 3、瓶底檢測: 瓶底污物,裂紋 4、瓶內(nèi)殘液檢測:殘留堿液,殘留油,殘留水 空瓶經(jīng)過檢測機(jī)，如果上述4項(xiàng)檢測都合格則順利進(jìn)入生產(chǎn)線的下一個環(huán)節(jié)，如果不合格將由剔除器來剔除。如瓶子破損則被剔除到垃圾箱，直接銷毀；如瓶子內(nèi)有殘留液，則剔除到另一條傳送帶，經(jīng)過傳送帶傳送到洗瓶環(huán)節(jié)。 4 系統(tǒng)設(shè)計 在圖像的采集處理上，系統(tǒng)通過4個相機(jī)分別獲取瓶口、瓶底、瓶壁的圖像，并加以識別處理，圖象處理的結(jié)果可送入人機(jī)界面，也可以通訊給PLC。人機(jī)界面與驗(yàn)瓶機(jī)PLC通訊，可以讀寫PLC內(nèi)部數(shù)據(jù)。瓶子通過無壓力傳送單元傳入驗(yàn)瓶機(jī)，而驗(yàn)瓶機(jī)PLC結(jié)合檢測元件與編碼器，最終達(dá)到剔除不合格瓶子的結(jié)果。系統(tǒng)框架如圖1-1所示。 4.1 CPU模塊 選用SIMATIC S7-300系列CPU315-2DP。它具有MPI接口和PROFIBUS-DP主/從接口，可用于中大規(guī)模的I/O配置，也可用于建立分布式I/O結(jié)構(gòu)，正適合建立與各遠(yuǎn)程子站相接的結(jié)構(gòu)。它具有64K的程序存貯器，2048個位存貯器，64個計數(shù)器，128個定時器，定時范圍為10ms-9990s。 CPU315-2DP總I/O地址空間為1024/1024字節(jié)，其中過程映像I/O為128/128字節(jié)。數(shù)字I/O總數(shù)為8192個通道，其中集中的I/O為1024個通道。模擬I/O總數(shù)為512個通道，其中集中的I/O通道數(shù)為256I/128O。每個系統(tǒng)可以擴(kuò)展32個模塊，模塊內(nèi)集成背板總線。 [align=center][IMG=機(jī)器視覺在啤酒瓶檢測中的應(yīng)用]/uploadpic/tech/2008/4/20080408150508393357.jpg[/IMG] 圖1-1系統(tǒng)硬件框架[/align] 4.2 視覺傳感器 視覺傳感器采用VS710，它是一個智能化的、一體化的、帶PROFIBUS接口的、分布式的灰度級工業(yè)視覺系統(tǒng)，它將圖象處理器、CCD、I/O集成在一個小型機(jī)箱內(nèi)，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式或集成的I/O和RS232接口。更重要的，通過PC WINDOWS下的Pro Vision參數(shù)化軟件進(jìn)行組態(tài)，VS710第一次將PC的靈活性、PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和一體化設(shè)計結(jié)合在一起，在PLC和PC體系之間找到了完美的平衡[sup][2][3][/sup] 。 VS710集成數(shù)字化照相機(jī)：高分辨率CCD,768＊512方形象素；直接象素數(shù)字化采樣，無轉(zhuǎn)換誤差；集成全幀快門，適合運(yùn)動物體。 VS710集成CPU快速處理灰度圖像：80486 100M CPU，直接處理象素數(shù)據(jù)；16MB RAM，可執(zhí)行復(fù)雜程序；16MB FLASHDISK，最多存儲200個程序；2MB 圖像存儲器，可在處理圖像時同步抓取下一幅圖像；采用倍速掃描技術(shù)，圖像采集過程中即可進(jìn)行評估；半幀模式時吞吐率達(dá)25件/秒，全幀模式時達(dá)16件/秒。 VS710采用標(biāo)準(zhǔn)連接接口： PROFIBUS-DP，傳輸率9.6Kbps-12Mbps；節(jié)點(diǎn)地址號1-125，標(biāo)準(zhǔn)9針接口；9.6Kbps-115Kbps。 VS710采用ProVision軟件進(jìn)行參數(shù)化：利用PROFIBUS-DP對幾個從屬VS710進(jìn)行遠(yuǎn)程配置；用RS232和PROFIBUS進(jìn)行在線參數(shù)傳輸；畫面只顯示有問題的圖像而不影響處理性能。 4.3 視頻檢測環(huán)節(jié) 以瓶底檢測為例，閃光燈通過光學(xué)透鏡和濾光系統(tǒng)照射在瓶口中，瓶口密封面反射光線傳送到CCD相機(jī)，在CCD相機(jī)中成像為圓環(huán)。處理后的圖像將用于評估，以判斷瓶口的好壞。 [align=center][IMG=機(jī)器視覺在啤酒瓶檢測中的應(yīng)用]/uploadpic/tech/2008/4/2008040815053149849J.jpg[/IMG] 圖2 瓶口檢測圖像[/align] 圖像的主要形狀是環(huán)形，如果沿環(huán)形的某個位置上有缺陷，則缺陷處的灰度相對環(huán)形的其他位置會有一個較大的變化。這個灰度的變化是我們檢測的重要參數(shù)，通過它可以確定瓶口是否有缺損。圖3為有殘缺瓶口的圖像。 [align=center] 圖3 有殘缺瓶口的圖像 圖4[/align] 在圖象上畫一條線，然后分析線上的灰度值，對灰度的變化進(jìn)行分析，變化最大的點(diǎn)即為外邊緣點(diǎn)，同樣的方法找另外兩個點(diǎn)，通過三點(diǎn)即可以確定圓心。 使用相同的畫線分析灰度變化的方法可以找到內(nèi)徑圓，這樣就得到我們所要處理的精確區(qū)域，在這個圓環(huán)內(nèi)尋找灰度變化點(diǎn)，從而找到缺陷點(diǎn)。 5 小結(jié) 本系統(tǒng)主要是PLC、視覺系統(tǒng)、傳感器、上位機(jī)的靈活結(jié)合應(yīng)用，系統(tǒng)采用視覺傳感器拍攝和處理實(shí)時圖象，最終準(zhǔn)確剔除壞瓶。使用了多個光電開關(guān)以及編碼器，利用距離的確定性來準(zhǔn)確的定位高速運(yùn)動中的瓶子，以達(dá)到準(zhǔn)確剔除的目的。在生產(chǎn)線中實(shí)時處理圖象，具有設(shè)置處理精度，自動剔除有缺陷瓶，顯示處理結(jié)果，統(tǒng)計歸檔重要信息的功能。 參考文獻(xiàn) [1] 關(guān)勝曉. 機(jī)器視覺及其應(yīng)用發(fā)展. 自動化博覽，2005年3期 [2] 鐘權(quán)龍，許積飆. 西門子機(jī)器視覺系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用. 現(xiàn)代制造，2004年22期 [3] Siemens AG. SIMATIC VS710 Hardware Configuration. Siemens AG Bereich Automation and Drives Geschaeftsgebiet Industrial Automation Systems Postfach 4848,D-90327 Nuemberg. 1998 通訊地址：山東省濟(jì)南市文化東路91號 山東藝術(shù)學(xué)院現(xiàn)代技術(shù)教育部網(wǎng)絡(luò)中心 李巍巍 收 郵編：250100 聯(lián)系電話：13688638006