1 引言 機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品，如CCD、CMOS和光電管等，將被攝取的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，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(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，再根據(jù)判別的結(jié)果控制現(xiàn)場的設(shè)備。典型的工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機(jī)，圖像處理單元（或圖像采集卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等。 隨著中國加入WTO，市場競爭日益激烈，卷煙企業(yè)為了提高產(chǎn)品的競爭力，更好的開拓市場，在加大卷煙質(zhì)量的技改力度、提高卷煙質(zhì)量的同時(shí)，對(duì)卷煙制品的包裝形式及包裝質(zhì)量也加大了改造力度，以在激烈的市場競爭中更好的鞏固和開拓市場。卷煙產(chǎn)品包裝質(zhì)量的檢測，是市場營銷過程中保證質(zhì)量的一個(gè)重要手段。傳統(tǒng)的煙支條盒包裝質(zhì)量完全由人眼檢測，而長時(shí)間工作會(huì)使人眼產(chǎn)生視覺疲勞，難以避免產(chǎn)品錯(cuò)檢、漏檢情況的出現(xiàn)?；跈C(jī)器視覺開發(fā)的檢測系統(tǒng)使得在產(chǎn)品質(zhì)量的檢測過程中用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷，降低了人為因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，在提高卷煙包裝質(zhì)量的技改方面滿足了企業(yè)的需求。 2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)采用線性光源以產(chǎn)生照明能量集中、光強(qiáng)分布均勻的一條光帶；采用多個(gè)相機(jī)對(duì)條盒需要檢測的各個(gè)面進(jìn)行拍照，以保證檢測的全面性；采用外觸發(fā)模式使各個(gè)面的圖像分通道進(jìn)入圖像采集單元；經(jīng)過處理單元對(duì)各通道的圖像進(jìn)行復(fù)雜的表面檢測運(yùn)算，如果發(fā)現(xiàn)任何一個(gè)通道的圖像存在表面質(zhì)量缺陷，則對(duì)下位機(jī)給出控制信號(hào)，使執(zhí)行單元在該不合格條盒通過時(shí)將其剔除；系統(tǒng)顯示器實(shí)時(shí)顯示各通道圖像及其檢測結(jié)果，并給出缺陷的分析結(jié)果。 系統(tǒng)的圖像采集單元包括圖像采集卡、D/A轉(zhuǎn)換卡、光源、CCD相機(jī)，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為圖像處理單元，以PLC控制系統(tǒng)控制執(zhí)行單元。 3 圖像采集 圖像的獲取實(shí)際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)化成能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。一般利用光源、光學(xué)系統(tǒng)，相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理單元獲取被測物體的圖像。 光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。條盒的外包裝透明紙對(duì)光的反射、折射效果都很強(qiáng)，所以系統(tǒng)的照明系統(tǒng)采用多種型號(hào)的LED條形光源組合構(gòu)成，照明方式為反射式照明，為延長光源的使用壽命，保持光源的高亮度、高穩(wěn)定性，相機(jī)拍照時(shí)采用頻閃光，頻閃速度與相機(jī)的掃描速度同步。 在機(jī)器視覺中，CCD攝像機(jī)以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。按照其所用的CCD器件可分為線陣式和面陣式兩大類。線陣式攝像機(jī)一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機(jī)前移過，才能獲得完整的圖像，而面陣式攝像機(jī)則可以一次獲得整幅圖像的信息。在條盒包裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)中需要一次取得條盒外包裝五個(gè)面的圖像，設(shè)計(jì)中采用四個(gè)面陣式CCD攝像機(jī)同步拍照。 圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照、完成圖像采集和數(shù)字化、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。它一般具有以下模塊：1.A/D轉(zhuǎn)換模塊2.時(shí)序及采集控制模塊3.圖像處理模塊4.PCI總線接口及控制模塊5.相機(jī)控制模塊6.數(shù)字輸入/輸出模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用外觸發(fā)模式對(duì)條盒進(jìn)行拍照，圖像采集卡通過TTL信號(hào)與外部裝置（傳感器、光源頻閃控制器、PLC等）進(jìn)行通信，用于響應(yīng)頻閃、拍照和給出剔除信號(hào)。 4．圖像的分析處理 目前卷煙條盒包裝主要存在破損、翹邊、反包、包裝錯(cuò)位、封簽（偏移、疊角、缺失）等缺陷，在圖像處理單元利用圖像定位、邊緣檢測、斑點(diǎn)分析等算法，對(duì)各個(gè)通道的圖像進(jìn)行分析，以確定產(chǎn)品包裝是否存在質(zhì)量缺陷。 4.1定位配準(zhǔn)（Locator） 定位配準(zhǔn)是圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行缺陷檢測的必要條件，定位準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到整個(gè)視覺系統(tǒng)的成敗。傳統(tǒng)的物體定位技術(shù)通過尋找統(tǒng)計(jì)模板（參考圖像）與物體（產(chǎn)品圖像）間的灰度級(jí)相關(guān)度的方法來決定物體的X、Y坐標(biāo)，本系統(tǒng)定位采用幾何特征匹配，通過設(shè)置興趣域并學(xué)習(xí)興趣域內(nèi)物體的幾何特征，然后在圖像內(nèi)尋找相似形狀的物體，不依賴于特殊的像素灰度，提高了定位物體的能力，在改變物體角度、尺寸、明暗度等條件的情況下仍能精確定位物體。應(yīng)用中的特點(diǎn)： ·基于圖像中條盒輪廓或邊緣找尋和定位條盒； ·設(shè)定模板后，所有查找都基于模板操作； ·對(duì)于相似的模板進(jìn)行加權(quán)處理，能自動(dòng)去模糊化（二意性）； ·容許陰影、對(duì)比度低、邊緣不清或背景噪音； ·定位器返回找到條盒特征的X、Y坐標(biāo)。 4.2邊緣檢測（Edge） 邊緣是指圖像局部亮度變化最顯著的部分，主要存在于目標(biāo)與目標(biāo)、目標(biāo)與背景、區(qū)域與區(qū)域（包括不同色彩）之間。圖像中被查找的邊緣被標(biāo)記為從全暗至全亮或從全亮至全暗范圍內(nèi)的灰度值變化，邊緣工具從圖像中去除常量或變化緩慢的背景，保留作為圖像特征的邊緣，并計(jì)算邊緣的幅度和角度。邊緣的幅度指穿過邊緣時(shí)灰度值的變化量；邊緣的角度是指邊緣與垂直方向的夾角。下圖為兩個(gè)三角形。其中，箭頭的方向表示邊緣的角度，箭頭的大小表示邊緣的幅度。每一三角形具有同樣的邊緣角度，但由于背景的灰度值不同，左邊三角形的幅度大于右方三角形。 大多數(shù)由真實(shí)圖像產(chǎn)生出的邊緣幅度圖像包含虛假的或噪聲邊緣像素，這些邊緣像素是視頻噪聲、反射或其它圖像缺陷所造成的。通過在邊緣幅度圖像中設(shè)置閥值，可消除這些虛假像素。設(shè)置閥值在消除虛假邊緣的同時(shí)，還常會(huì)消除真正的邊緣。因?yàn)檎嬲倪吘壋Ｓ梢恍┼徑袼氐募蠘?gòu)成。通過在邊緣圖像中設(shè)置邊緣滯后閥值，可在消除虛假邊緣的同時(shí)，保留真正的邊緣。邊緣滯后閥值消除了一些像素，這些像素的灰度較那些與其它邊緣像素不相鄰的像素低一定的幅度，較邊緣幅度圖像高一定的幅度。這一方法保留了形成真正邊緣的連續(xù)邊緣像素，而消除了由噪聲或其它圖像缺陷而形成的邊緣像素。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通過在邊緣工具中設(shè)置邊緣滯后閥值和幅度范圍來檢測條盒邊緣及透明紙褶皺的缺陷。 4.3斑點(diǎn)分析（Blob Analysis） Blob分析可為視覺系統(tǒng)提供圖像中斑點(diǎn)的數(shù)量、位置、形狀和方向，還可提供相關(guān)斑點(diǎn)間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其是一種對(duì)閉合目標(biāo)形狀進(jìn)行分析處理的基本方法。 Blob分析從場景的灰度圖象著手進(jìn)行分析，在進(jìn)行分析以前，利用二值化（Bilinear Interpolation）把圖像分割為構(gòu)成斑點(diǎn)（Blob）和局部背景的像素集合，典型的目標(biāo)像素被賦值為1，背景像素被賦值為0。分割時(shí)設(shè)定了兩種方法固定閥值分割（Hard Threshold）和動(dòng)態(tài)閥值分割（Soft Threshold）。 當(dāng)圖像被分割為目標(biāo)像素和背景像素后，進(jìn)行連通性分析，在圖像中尋找一個(gè)或多個(gè)相似灰度的“斑點(diǎn)”,并將這些“斑點(diǎn)”按照四鄰域或者八鄰域方式進(jìn)行連通性分析，將目標(biāo)像素聚合為目標(biāo)像素或斑點(diǎn)的連接體，就形成了一個(gè)Blob單元。通過對(duì)Blob單元進(jìn)行圖形特征分析，可以將單純的圖案灰度信息迅速轉(zhuǎn)化為圖案的形狀信息，包括圖形的質(zhì)心、面積、周長等。使用Blob分析，通過多級(jí)分類器的過濾，在一定程度上可滿足對(duì)條盒透明紙破損、反包、盒皮印刷等缺陷的檢測需求。 5．系統(tǒng)的總體開發(fā) 在條盒外包裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)中，采用的處理方式是基于PC機(jī)的檢測處理系統(tǒng)。開發(fā)時(shí)綜合考慮了系統(tǒng)與相機(jī)、采集卡、外部PLC、以及PC本身外設(shè)的連接與通信控制，提供了友好的人機(jī)界面和可靠歷史記錄存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫；檢測到質(zhì)量缺陷時(shí)，提示缺陷類別，對(duì)執(zhí)行單元給出剔除信號(hào)。 執(zhí)行單元是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其作用就是響應(yīng)上位機(jī)給出的剔除指令，準(zhǔn)確無誤地剔除不合格的條盒。在生產(chǎn)流水線運(yùn)行的高峰時(shí)期，速度可達(dá)到8條/s，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，設(shè)計(jì)中電控系統(tǒng)采用西門子的S7-200 PLC，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中應(yīng)用高速的電磁閥組和噴吹腔體，使其能夠?qū)μ蕹盘?hào)給出快速響應(yīng)。 6．結(jié)束語 本文探討了基于機(jī)器視覺的條盒包裝質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，介紹了機(jī)器視覺和機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本概念，通過對(duì)系統(tǒng)開發(fā)的介紹，列舉和闡述了在表面缺陷檢測中常用到的定位、邊緣檢測及Blob分析等算法。 機(jī)器視覺的誕生和應(yīng)用，極大地解放了人類生產(chǎn)力，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平，其應(yīng)用前景極為廣闊。隨著煙草行業(yè)提質(zhì)降耗工程的全面實(shí)施，它也將越來越多地應(yīng)用于煙草生產(chǎn)質(zhì)量的檢測和監(jiān)控，為提升煙草企業(yè)的市場競爭力做出更大的貢獻(xiàn)。