基于機器視覺技術的香煙濾棒內置物檢測系統(tǒng)設計

作者：徐洋時間：2019-01-29 來源：電子產品世界

加入技術交流群
- 掃碼加入
  和技術大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

作者徐洋(中國電子科技集團公司第41研究所，安徽蚌埠 233000)

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/201901/397277.htm

　　摘要：本文進行了一種基于機器視覺技術的香煙濾棒內置物檢測系統(tǒng)設計，用于檢測香煙濾棒內置物可能出現的缺失、偏移等缺陷。搭建了一套基于背光照明的機器視覺檢測系統(tǒng)，利用灰度化、興趣區(qū)域定位、投影變換等處理得到內置物的投影曲線，根據曲線波形確定內置物的位置和有無。本檢測系統(tǒng)對卷煙材料的生產和質量控制有一定的指導意義。

　　關鍵詞：濾棒;機器視覺;投影

　　0 引言

　　濾棒是生產香煙濾嘴的主要原料，它在卷煙過程中經過切割等工序能制作成香煙的濾嘴。為了提高吸煙的安全性尤其是選擇性去除煙氣中的有害成分，目前國內很多卷煙廠都在香煙濾嘴中加入了一些特殊內置物，如有特殊吸附效果的活性炭以及對人體某些器官有調理作用的泌潤球等，用此來達到“減害降焦”的目的。

　　在這種加入內置物的濾棒生產過程中，可能出現內置物缺失、內置物在濾棒內偏離預定位置等缺陷，為保證濾棒及香煙的質量，需要對濾棒進行質量檢測;目前對該類特殊的香煙濾棒還沒有一種完善的檢測方法，因此急需一種檢測方法，準確檢測出合格的香煙濾棒。

　　1 檢測原理

　　濾棒在普通照明下，內置物是不可見的。由于濾棒材料和內置物透光率的不同，含內置物的濾棒在背景光照射下，內置物會形成明顯的陰影。本系統(tǒng)主要由光源、擋光板、圖像采集組件、控制器組成，如圖1所示。在打光上，采用背光照射方式，平行光源、濾棒和工業(yè)相機安裝于同一條線上，濾棒置于一帶有槽的不透光擋板槽上，光源與圖像采集組件分別置于擋板兩側;當光源從擋板一側照射時光線只從濾棒內穿過，圖像采集組件在擋板的另一側采集濾棒圖像傳送至工控機;控制器對濾棒圖像進行灰度化、興趣區(qū)域定位、投影變換等處理，得到投影曲線，根據曲線波形情況來判斷濾棒是否存在缺陷，當檢測到缺陷時發(fā)出報警信號。

　　2 硬件設計

　　2.1 控制器設計

　　控制器主要由工控板、接口板、帶觸摸屏的彩色液晶屏組成，是系統(tǒng)控制的核心。工控板用于操作系統(tǒng)以及上位機軟件的運行，本系統(tǒng)采用的是COM-Express模塊，COM-Express模塊是基于PCI Express 總線的高集成度計算機模塊，安裝于用戶針對特殊應用的載板上。接口板是根據COM-Express模塊對外接口設計的底板，實現了工控板的外圍擴展，主要包括電源電路、接口板單片機電路、輸入信號采集電路、圖像采集組件通訊接口、輸出驅動電路、液晶及觸摸屏接口等。顯示屏作為人機交互界面，可查看系統(tǒng)運行的相關信息，并可通過觸摸屏設置系統(tǒng)相關參數。

　　2.2 光源組件設計

　　光源是圖像采集性能穩(wěn)定的重要保障，負責以合適的方式將光線投射到檢測目標上，盡可能地突出檢測目標的特征量部分，使需要檢測的部分與背景產生明顯對比^[1]。LED 燈具有成本低、光強穩(wěn)定、使用壽命長及免維護等優(yōu)點，本系統(tǒng)采用白色條形LED 燈作為香煙濾棒內置物檢測系統(tǒng)的光源。光源通過恒流源進行驅動，并與圖像采集組件同步，以頻閃方式進一步降低發(fā)熱，進一步提高了光源壽命。

　　2.3 圖像采集組件設計

　　圖像采集組件主要由CMOS相機和光學鏡頭組成。獲取高質量的圖像是機器視覺系統(tǒng)進行缺陷檢測的關鍵，綜合考慮成本與檢測效率，本系統(tǒng)采用1/3"CMOS圖像傳感器的工業(yè)相機，其具有高達744×480的分辨率，USB 數據傳輸接口，在最高分辨率下幀速率為76，且體積非常小;綜合考慮物距、噴碼尺寸以及盡量減少畸變的影響，本系統(tǒng)選用焦距為4.2 mm的鏡頭。

　　在圖1所示工作位置下，圖像采集組件拍攝的完好濾棒圖像如圖2所示。

　　3 檢測算法設計

　　含有內置物的位置，光線穿過較少，在采集的濾棒圖像中，像素灰度值也相對較低，呈聚集的陰影。系統(tǒng)利用此特征，通過圖像處理算法計算得到內置物的投影曲線，根據曲線波形確定內置物的位置或有無，實現內置物的檢測。

　　若圖像尺寸為M行×N列，以灰度圖像中像素的灰度均值為投影特征對圖像進行水平和垂直方向投影，圖像的二維灰度信息映射成2個獨立的一維投影序列。計算公式如下：

0.1.jpg

　　其中，gy(j)為圖像的第j行灰度水平投影值，gx(i)為圖像的第i列灰度垂直投影值;為灰度圖像上坐標為的像素點的灰度值。

　　對圖2進行灰度變換，并對灰度圖像進行感興趣區(qū)域(ROI)的定位。定位采用水平投影的方法^[2]，以灰度圖像的行像素平均灰度值為特征進行水平方向的投影，投影曲線如圖3所示?！?/p>

由于濾棒部分灰度值較高，投影曲線上濾棒的對應位置投影值較大，以曲線的平均值為基準值，可以很好的分割出濾棒感興趣區(qū)域，高于基準值的部分即為感興趣區(qū)域，如圖4所示。

　　在濾棒圖像興趣區(qū)域內，采用垂直投影方法對濾棒內置物進行檢測，垂直投影曲線如圖5所示。由于濾棒圖像中的內置物呈聚集的陰影，投影曲線上陰影部分對應的投影值也小，在投影曲線圖像上表現為四個幅值較大的波谷，且波峰與波谷數值差異較大。分區(qū)間找到各區(qū)間的滿足一定閾值的最小值，其對應的就是濾棒中內置物的位置，圖5中，投影曲線上垂直白線即為找到的內置物位置。

　　對于存在內置物缺失或內置物偏移的濾棒，其垂直投影曲線及內置物定位效果分別如圖6和7所示。圖6中，濾棒中第二個內置物缺失，在投影曲線上對應的第二個內置物的檢測區(qū)間內不存在滿足條件的波谷。同理，圖7中，第三個內置物偏移了預定位置，對應的投影曲線第三個內置物的檢測區(qū)間內也不存在滿足條件的波谷，即濾棒存在缺陷。