（控制科学与工程专业论文）基于机器视觉的药品包装检测技术研究.pdf

硕十学位论文 摘要 随着科技的迅速发展，工业生产流程进一步细化，产品越来越复杂，生产厂 家逐渐加强了对产品质量检测环节的投入。视觉检测技术正越来越多地应用于各 个领域，代替人进行全自动的产品检测、工艺验证，甚至整个生产工艺的自动控 制。在药品包装行业中，传统的人工包装质量检测的方法劳动强度大，效率低， 易出现误检和漏检现象。通过应用机器视觉的方法可以提高其检测效率和成功率， 在达到确保产品质量的同时，减轻工人劳动强度并降低生产成本。 本文首先分析了国内外机器视觉的研究现状以及对机器视觉的需求，概括了 机器视觉的特点，并将机器视觉的具体应用情况作了总结。 其次，论文结合铝塑泡罩包装生产线，运用图像处理及分类检测技术，构建 了一套由成像单元、图像处理单元、分类检测单元组成的机器视觉质量检测系统。 深入研究了机器视觉成像系统的关键技术，设计了基于图像采集卡和c c d 工业相 机的p c 图像采集方案，并针对药片包装流水线复杂的现场，研究了一套合适的系 统光源照明方案，满足了系统获得清晰泡罩药片图像的要求。 在系统获得的泡罩药片图像基础上，论文详细分析了泡罩药片图像的预处理、 分割和边缘检测方法。针对泡罩药片包装的产品缺陷，提出了基于支持向量机的 药片泡罩缺陷检测方法。结合统计学习理论，重点分析了基于傅立叶描述子提取 特征向量和支持向量机的分类器训练方法，通过与基于b l o b 分析、基于模板匹 配的缺陷检测方法进行比较，结果表明基于支持向量机的分类检测算法具有较好 的检测效果。 最后，论文通过软件实现了系统设计的泡罩药片的图像处理和分类检测算法， 并详细论述了了软件的函数库的选择和功能，以及软件总体结构和流程。 关键词：机器视觉；泡罩药片检测；图像处理和分析；分类检测 a b s t l ? a c t a st h eh i g h s p e e dd e v e l o p m e n to ft e c h n 0 1 0 9 ya n dl n o r ed e t a i l e d i np r o d u c m g p r o c e s sa sw e l la st h em o r ec o m p l i c a t e dp r o d u c t i o i l t h cm a n u f a c t u r e s 盯ep a ”n gi n o r e a t t e n t i o nt ot h ei l l s p e c t i o no fp r o d u c tq u a l i t ys t e pb ys t 印n o w v i s u a ld e t e c t l o n t e c h l l o l o g yi si n c r e a s i n g l yb e i n ga p p l i e di nv a r i o u s 氐l d s a n d i tc 锄s u b s t i t u t et h e m a 肌a lf o r 如1 l ya u t o m a t e dp r o d u c tt e s t i n ga n dc e r t i f i c a t i o np r o c e s s ，o re v e nt h ee n t l r e p r o d u c t i o np r o c e s s c o n t r 0 1 i np h a r m a c e u t i c a lp a c k a g i i l g ， c o n v e n t l o i l a lq u a i n y i n s p e c t i o nm e t h o db ym a n u a lp a c k a g i n gi sw i t hh i g hw o r kl o a db u t 1 0 we m c i e n c y ，a n d i tc a nb e c o m ee r r o rc h e c ka n d1 a c k i n gc h e c ke a s i l y u s i i l gam a c h i n ev l s l o l ln l e t h o d c a ni n c r e a s et h ei n s p e c t i o ne 伍c i e n c ya n ds u c c e s sr a t ew h i l ee n s u r i n gt h eq u a l l t yo t p r o d u c t i o n ，锄di tc a na l s oa l l e v i a t et h e w o r k e rl o a d 姐dr e d u c et h ep r o d u c t c o s t f i r s t l y ，t h i sp a p c ra n a l y z e st h ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs i t u a t i o na n dt h en e e do t m a c h i n ev i s i o n t h es p e c i a l t i e so fm a c h i n ev i s i o na r es u m m a r i z e d ，a n dt h ea p p l l c a t l o n o fm a c h i n ev i s i o ni sg e n e r a l i z e d s e c o n d l y 觚a u t o m a t e dv i s u a li i l s p e c t i o ns y s t e mb a s e do na na l u m l n u mp l a s t l c b l i s t e rp a c k i n gp r o d u c tl i n ei sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r w h i c hi sc o n l p o s e do t = l m a 9 1 n g u n i t ，i m a g ep r o c e s s i n gu n i ta n dc l a s s i f 舛n gi n s p e c t i o nu n i t ，u s i n gl m a g ep r o c e s s m g a n dc l a s s i 母i n gi i l s p e c t i o nt e c h n i q u e t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ec o r et e c l u l l q u eo t i m a g i n gs y s t e mi nm a c h i n ev i s i o nd e e p l y ，a n das c h e m eo fi m a g e 伊a b b m gb a s e do n i m a g ec a r da n dc c dc 锄e r ai sd e s i g n e d a na p p r o p r i a t es c h e m e ofs y s t e ml i g h t l n gl s d e s c r i b e df o rc o m p l i c a t e dp i p e l i n i n gf i e l di i lt a b l e tp a c k i n g ，w h i c hi s s a t i s f i e dw i t h r e q p e s tf o rc l e a rp l a s t i cb l i s t e rt a b l e t s i m a g e am e t h o db a s e do no b t a i n e dp l a s t i cb l i s t e rt a b l e t s i m a g eb ys y s t e m1 sa n a l y z e d i nt h i sp a p w h i c hi sa p p l i e dt h ei m a g ep r o c e s s i n g a n dc l a s s l t y l n gl n s p e c t l o n t e c h n i q u e f o c u so ni n f e r i o rp r o d u c ti np l a s t i cb l i s t e rt i l b l e t s p a c k l n g ，a nl n s p e c t l o n m e t h o db a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n ei sp r o p o s e d a c c o r d i n g t os t a 土i s t l c sl e a r n l n g t h c o r y ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec l a s s i f i e rt r a i nm e t h o db a s e do nf o u r i e rd e s c r i p t o r u s i i l g f o ro b t a i n i n ge i g e n v e c t o ra n ds v mu s i n gf o fc l a s s i f y i n g m o s t l y a f t e r c o m p a r i n gw i t ht h ei n s p e c t i o nm e t h o db a s e do nb l o ba n a l y s i sa n dt h el n s p e c t i o n m c t h o db a s e do nt e m p l a t em a t c h i n g ，t h er e s u l to ft h a tp r o v e dt h ei n s p e c t l o nm e t h o d b a s e ds v mh a sab e t t e ri n s p e c t i o ne f f e c t a tl a s t ，a ni m a g ep r o c e s s i n ga n dc l a s s i 矽i n gi n s p e c t i o na r i t h m e t l cd e s l g n e dt o r m p l a s t i cb l i s t e rt a b l e t si si n l p l e m e n t e db y f t w a r e ，锄di ta l s od e s c r i b e st h e 如n c t i o nof s e l e c t e ds o r w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，t h eg e n e r a l 行a 加e w o r ko fs o r w a r ea n dt h en o wo f s o r w a r e k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；i n s p e c t i o no fp l a s t i cb l i s t e rt a b l e t ；i m a g ep r o c e s s 吨a n d 锄a l y s i s ；c l a s s i f y i n gi n s p e c t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 是即易 日期5 砷年5 月专7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名 幻以 一， 日期：年 日期产 s 月弓7 日 r 月孓、日 硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 第l 章绪论 随着中国医药市场的发展，药品包装越来越受到业界的重视，并逐渐成为市 场竞争的重要因素。尤其是中国加入w t o 后，国际上更多的制药企业进入了中国， 加剧了我国制药行业的竞争，同时也提高了整个行业的技术水平及质量，从而带 动了药品包装业的发展，使得药品包装正在成为我国包装领域中技术含量高、效益 显著的非常活跃的分支。然而，市场的现状是大多数医药产品的包装质量档次偏 低，与发达国家相比仍存在较大差距。有数据表明，目前我国有6 5 的医药包装产 品还达不到发达国家2 0 世纪8 0 年代的水平，包装材料质量及包装对医药产业的贡 献率偏低。在发达国家，医药包装成本占药品价值的3 0 ，而我国的比例还不足 1 0 。为规范药品包装的发展，我国已逐渐推出医药行业的规范标准体系，并从政 策上支持药品包装的发展。 目前，药品包装的方式主要有瓶装、袋装、铝塑泡罩包装三种【l 】。近年来，药 品的铝塑泡罩包装在我国得到了快速发展，由于这种包装具有贮存期长、携带方 便的特点，越来越受到制药企业和消费者的欢迎，正在逐步取代传统的玻璃瓶包 装和散包装，而成为固体药品包装的主流。铝塑泡罩包装，又称水泡眼包装，简 称为p t p ( p r e s st l l r o u g hp a c k a g i i l g ) ，是一种新型的固体药品包装形式。它是先将透 明塑料硬片吸塑成型后，将片剂、丸剂、胶囊等固体药品填充在凹槽内，再与涂 有粘合剂的铝箔片加热粘合在一起，形成独立的密封包装。铝塑泡罩包装具有多 种优点，可以给患者提供一次剂量的药品包装，既方便又经济。此外，铝塑泡罩 包装保护药品的性能好，生产速度快，成本较低，贮存占有的空间小，重量轻， 运输方便，安全性好。由于泡罩包装铝箔表面印有文字说明，在多种片剂的发放 过程中可避免发错药的现象。因此，铝塑泡罩包装成为各种药品片剂、胶囊包装 的主要方式。 由于在包装过程中，会出现药品漏装、缺损、污渍和蚊虫粘附等情况，因此 药品包装的质量检测成为制药行业生产过程中的一个重要环节。目前国内的许多 制药厂家，还是采用人工监控的办法来检测药品包装质量。人工挑选法需要人眼 时时盯着流水线上密密麻麻的药品，劳动强度大，由于人工目测不可避免会受到 个人的视力、情绪、光线等因素的影响，带有很大的个人主观性，故而检测标准 难以统一、检测效率低、分选差异大，加上现场环境噪音和药品包装本身反光， 工人极易疲劳，致使部分不合格产品不能及时挑选出来。显然，这种检测方法既 基于机器视觉的药品包装检测技术研究 费时费工，又难以保证检测质量。有些厂家采用了光电自动检测方法，但也只能 检测出药片的漏装，不能检测出缺损、污渍和蚊虫粘附等情况，而且每一种包装 药型都要求有对应的光电检测模具配套使用，这在频繁更换药型的生产线上颇为 不便 2 1 。还有一些厂家采用重量验测法，通过检测产品重量来区分合格与不合格产 品，但这种方法易受现场震动干扰而造成误检和漏检，且无法检测出裂片和碎片 的产品，因此难以广泛推广。 为了满足药品包装质量及市场竞争的要求，保证药品包装检测的科学性、准 确性，研究开发一种实时检测系统已势在必行。针对以上方法的不足之处，本文 提出一种基于机器视觉的药品包装检测方法。鉴于目前计算机图像识别处理技术 的发展水平及其在其它工业检测领域的成功应用，本文设想利用摄像头代替人的 眼睛，让计算机代替人的大脑来进行药品包装是否合格的识别分类，研制出一套 针对药品包装产品的自动图像检测系统。实验证明这种方法具有较好的理论研究 价值和应用意义，可以极大地降低工人的劳动强度，大幅提高生产效率和产品合 格率，具有较大的推广价值，为企业创造更大的经济效益和社会效益，大大促进 药品包装检测行业的自动化、智能化，推动企业的长足发展。 1 2 机器视觉技术的理论及其发展 视觉是人类最强有力的一种感觉能力，它给人们提供有关周围环境极为丰富 的信息。通过视觉人们可以了解环境中各种物体的属性( 形状、颜色、大小) 、空间 位置以及它们之间的关系等，从而使人们能与周围环境进行智能的交互作用，完 成各种复杂的任务和行动。机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉 功能的科学和技术，也就是用机器代替人眼来做测量和判断。美国制造工程师协 会( s m es o c i e t yo f m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ) 机器视觉分会和美国机器人工业协会 ( r i ar o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 的自动化视觉分会对其的定义是：“机器视觉是 通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像以获得 所需信息或用于控制机器人运动的装置”【3 j 】。 随着现代科技的飞速发展，在工业企业生产中，对产品质量和生产效率的要 求越来越高，尤其对产品质量的在线自动检测要求更为强烈。在现代工业的自动 化生产中，涉及到大量的各种各样的检验、生产监视以及识别应用，例如零件批 量加工的尺寸检查、自动装配的完整性检查、电子装配线的元件自动定位、i c 上 的字符识别等。这些其中大部分具有高度重复性的工作通常人眼无法连续、稳定 地完成，而一般的物理量传感器也难有用武之地。因此人们开始考虑利用光电成 像系统采集被控目标的图像，然后经过计算机或专用的图像处理模块进行数字化 处理，而后根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息来进行尺寸、形状、颜色等 的判别。这样，就把计算机的快速性、可重复性与人眼视觉的高度智能化和抽象 2 硕士学位论文 能力有效地结合起来。从应用上来说机器视觉具有独特的特点： 1 机器视觉强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数字图像处 理理论中的许多技术目前还难以应用于机器视觉，它们的发展速度远远超过其在 工业生产中的实际应用速度。 2 机器视觉强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要有合理的性 能价格比，要有通用的工业接口，能够由普通工人来操作，有较高的容错能力，有 较高的安全性，不会破坏工业产品，还必须有较强的通用性和可移植性。 3 机器视觉更是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、机械工程技术、 控制技术、光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、 计算机软硬件技术、人机接口技术等。这些技术在机器视觉中是并列关系，相互 协调应用才能构成一个成功的机器视觉应用系统。 4 研究机器视觉，不光要具有研究数学理论和编制计算机软件的能力，更需要 的是光、机、电一体化的综合能力。 机器视觉是一个相当新且发展十分迅速的研究领域，并成为计算机科学的重 要研究领域之一，也是计算机视觉( c o m p u t e rv i s i o n ) 理论在工业领域应用的一个重 要分支。机器视觉是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别开始的，当时的工作主要集 中在二维图像分析和识别上，如光学字符识别，工件表面、显微图片和航空图片 的分析和解释等。6 0 年代，r o b e r t s ( 1 9 6 5 ) 通过计算机程序从数字图像中提取出诸如 立方体、楔形体、棱柱体等多面体的三维结构，并对物体形状及物体的空间关系 进行描述。r o b e r t s 的研究工作开创了以理解三维场景为目的的三维机器视觉的研 究，研究的范围也进一步深入，从边缘、角点等特征提取，到线条、平面、曲面 等几何要素分析，一直到图像明暗、纹理、运动以及成像几何等，并建立了各种 数据结构和推理规则到了7 0 年代，已经出现了一些视觉应用系统。7 0 年代以d a v i d m a 玎教授为首的研究小组提出了不同于“积木世界”分析方法的计算视觉理论 ( c o n l p u t a t i o n a lv i s i o n ) ，该理论在8 0 年代成为机器视觉研究领域中的一个十分重要 的理论框架。机器视觉的全球性研究热潮是从2 0 世纪8 0 年代开始的，到了8 0 年代 中期，机器视觉获得了蓬勃发展，新概念、新方法、新理论不断涌现，比如，基 于感知特征群的物体识别理论框架、主动视觉理论框架、视觉集成理论框架等【6 】。 从2 0 世纪9 0 年代起，机器视觉逐渐发展成一个高科技信息技术领域。它采用 最新的光投影、取像、数据采集、计算机图像处理等技术，把机器“眼( 即摄像及 取像装置) 所“看到”的信息加以处理，抽取出关键数据作为生产过程控制、检验等 的重要输入信息。采用数字相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图 像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号。而后图像 系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、长度、数量、位置等。 最后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如尺寸、角度、偏移量、个数、 基于机器视觉的药品包装检测技术研究 合格不合格、有无等。机器视觉检测的特点是自动化、客观、非接触和高精度， 与一般意义上的图像处理系统相比，机器视觉强调的是精度和速度，以及工业现 场环境下的可靠性。直到目前，机器视觉仍然是一个非常活跃的研究领域。 1 3 基于机器视觉的检测技术现状及其发展方向 】3 1 国内外机器视觉技术的发展及应用现状 机器视觉技术的发展与计算机视觉理论的发展是相辅相成的。研究表明，人 类接受的外部信息当中，大约7 0 8 0 是通过视觉渠道获得的。视觉感知在人类 生活中起着重要作用，我们每天都通过视觉接受大量信息。这些信息通过大脑处 理后，就变成我们理解客观世界的知识和经验。随着人工智能技术的发展，人们 想到如果采用计算机技术来代替人脑处理这些信息，会最大限度发挥计算机技术 的水平，最终形成了计算机视觉的理论。如果将这些理论再进一步应用到工业生 产的实际中，使机器也像人一样具备“视觉”能力的话，机器的智能化水平将大大 提高，机器将具有更强的适应性，因而机器视觉技术也得到了迅猛发展【7 】。 机器视觉发展到至今己经是一门由计算机科学、信号处理、人工智能、模式 识别、人工神经网络等多学科综合而成的交叉学科。机器视觉技术应用的发展是 在吸收其他技术基础之上伴随着其他学科的发展而发展的。机器视觉技术应用的 发展大致可以分为四个阶段：上世纪五十年代到六十年代是机器视觉技术应用发展 的第一个阶段，机器视觉技术应用尚处于研究阶段，新兴相关技术的萌芽催生了 机器视觉技术；上世纪七十年代到八十年代是机器视觉技术应用的第二个阶段， 也是起步的阶段，在这一时段当中，拥有相关技术的人们开始尝试将机器视觉技 术应用于工业现场；而现今可以称为机器视觉技术应用发展的第三个阶段，在这 个阶段当中已经有了许许多多的应用，并且人类也积累了相当多的关于机器视觉 技术应用的经验；第四个阶段也就是机器视觉技术被广泛应用的阶段，那时的机 器视觉技术对人类将不再神秘。 机器视觉技术的应用非常广泛，按照其应用类型可分为两大类：视觉检测和 视觉控制机器人导航。视觉检测是指对一幅图像或图像的子部分与预定义标准进 行特征比较，它已经应用到汽车、木材、织物、包装、玻璃和金属处理工业中的 产品检测。机器人导航是指对包含道路规划、避免碰撞、自适应位置控制和机器 人相对于特定目标在三维空间中精确方位定位：它们的应用例子包括机械产品的装 配或是印刷电路板，装载或卸载机械装置并且自适应控制吹涂料或焊接任务等。 根据最近的统计，视觉检测已经成为机器视觉的基本应用领域。 机器视觉还可以按照其应用领域将其分为四类：工业、科学研究、军事和民 用。工业领域是机器视觉应用中比重最大的领域，按照功能又可以分成四类：产 4 硕士学位论文 品质量检测、产品分类、产品包装、机器人定位。其应用行业包括印刷包装、汽 车工业、半导体材料和元器件连接器生产、药品和食品生产、烟草行业、纺织行 业等。在科学研究领域可以利用机器视觉进行材料分析、生物分析、化学分析和 生命科学，如血液细胞的自动分类计数、染色体分析、癌症细胞识别等。机器视 觉在军事领域还可以用在航天、航空、兵器( 敌我目标识别和跟踪) 及测绘等各个方 面，特别是在卫星遥感系统中，机器视觉技术被用于分析各种遥感图像进行环境 监测，或者根据地形、地貌的图像和图形特征对地面目标进行自动识别、理解和 分类等。机器视觉技术在民用领域还可用在智能交通、安全防范、文字识别、身 份验证、医疗设备等方面，尤其是在医学领域，机器视觉可以用于辅助医生进行 医学影像的分析，利用数字图像处理技术、信息融合技术对x 射线透视图、核磁共 振图像、c t 图像进行适当叠加，然后进行综合分析，有利于医生做出准确判断【s 】。 当前的机器视觉系统从整体上可以分为两种基本类型：智能相机视觉系统和 基于p c 的板卡式视觉系统。智能相机视觉系统并不是一台简单的相机，而是一种 高度集成化的微小型嵌入式机器视觉系统【9 1 。它将图像的采集、处理与通信功能集 成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器 视觉解决方案。同时，由于应用了最新的d s p 、f p g a 及大容量存储技术，其智能 化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。智能相机一般由图像采集单 元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。图像采集单元相当于 普通意义上的c c d 或c m o s 相机和图像采集卡，它将光学图像转换为模拟或数字图 像，并输出至图像处理单元；图像处理单元类似于图像采集或处理卡，它可对图 像采集单元的图像数据进行实时的存储，并在图像处理软件的支持下进行图像处 理；图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下，完成图像处理功能， 如几何边缘的提取、b l o b 、灰度直方图、0 c v 或o v r 、简单的定位和搜索等图像 处理算法的实现，在智能相机中，以上算法一般都封装成固定的模块，用户可直 接应用而无需编程；网络通信装置也是智能相机的重要组成部分，主要完成控制 信息、图像数据的通信任务，智能相机一般均内置以太网通信装置，并支持多种 标准网络和总线协议，从而使多台智能相机通过现场总线技术构成更大的机器视 觉系统。智能相机机器视觉系统具有易学、易用、易维护、安装方便等特点，由 于相机内部硬件系统高度集成，外观较小，具有较高的可靠性，也极大的提高了 机器视觉应用系统的应用开发速度：相比较智能相机视觉系统而言，基于个人计 算机( p c ) 或工控机的板卡式视觉系统则是一种较为传统的典型机器视觉系统，它 一般是由光源、c c d 或c m o s 相机、图像采集卡、图像处理软件以及一台p c 机或 工控机构成。在板卡式视觉系统中，开发者可以根据实际需要在整个系统的各环 节选择性能最合适、成本最低廉的产品，或者根据新的需求更换某些部件，这种 较好的灵活性可以给开发者更大的便利和自由。比如一般而言板卡式视觉系统的 基丁二机器视觉的药品包装检测技术研究 处理算法由开发者自己来实现，灵活性较大，可以达到较好的性能，灵活性比智 能相机更高。目前智能相机在实现复杂的算法，特别是实现高精度、大数据量的 处理方面，相比板卡式视觉系统还有较大的差距。而在系统速度方面，板卡式视 觉系统可以通过配置高速相机，采用高速处理器，来达到某些应用行业运动速度 非常快的检测要求，而智能相机如果想达到同样的处理速度，则其成本将是非常 高昂的，大部分智能相机目前的处理速度还无法和板卡式视觉系统相匹敌。在精 度方面，板卡式视觉系统检测精度相比智能相机则更高，目前的技术水平下，智 能相机因受其处理器、内存等各方面影响而不利于执行更复杂的算法，所以还无 法达到板卡式视觉系统的检测精度。在检测幅面方面，智能相机的劣势也较为明 显，智能相机虽然也可以采用高像素分辨率的图像芯片，但涉及到一些生产工艺、 电路设计等问题，其成本会非常高昂，高档的配置未必可以轻松地选用。特别是 在复杂性和灵活性的检测方面，板卡式视觉系统可以用于更复杂的应用，也可以 更灵活地进行控制。 现代科学技术的飞速发展推动了工业产品生产的自动化。制造工业领域在提 高生产率的同时也在致力于提高产品的质量。目前工业产品的高速生产线上每分 钟都有成百上千的产品或配件被生产出来，这些飞速从生产线上穿过的产品及配 件使人工检测越来越无法胜任，同时使用接触性传感方式的自动检测受到检测速 度的限制也不能应用于高速在线检测，要满足统计质量控制的要求，必须使用机 器自动检测的方法。因而利用机器视觉对产品进行在线高速检测已经成为保证产 品质量的一种最重要而有效的手段【l o 】。 1 3 2 机器视觉技术在药品包装行业的应用 随着机器视觉技术和计算机图像处理技术的快速发展，视觉检测技术的发展 己经拓展到几乎每个可能的工业领域。最主要的应用行业集中在汽车、制药、电 子与电气、制造、包装食品饮料、医学等。这类视觉检测应用的共同特点是连续 大批量生产、对产品外观质量以及包装质量的要求非常高。当前采用人工来执行 这些工序，在给工厂增加巨大的人工成本和管理成本的同时，也仍然不能保证1 0 0 的产品检验合格率，即“零缺陷”。而在制药企业的生产过程中，药品关系到人类 的生命健康，即便是o 1 的缺陷的存在，当产品流通到市场后也会对病人造成难 以估计的损失，严重时甚至会导致医疗事故的发生，也必然会对企业在市场上的 生存和行业内的竞争产生极为不利的影响。因此，在现代自动化生产过程中，机 器视觉系统开始广泛地应用于药品包装质量检测及控制等各个领域，医药行业也 正好借此大力加快提升现代化的进程，许多的传统手段、方法都在悄然快速地改 变着【1 1 1 。 传统的检测往往由人工来完成，易受到检测人员主观因素的影响，其检测效 6 硕士学位论文 率和精度不能够保证。机器视觉技术就是用计算机来处理和分析图像信息并做出 结论，它与医药企业目前在数粒，打码，泡罩板缺粒，药片残缺、断片，加装说 明书，编码识别等检测环节使用的光电传感器相比，检测内容更丰富、更稳定、 更精确，且符合医药行业包装线经常改变包装产品的现状。 ( 1 ) 机器视觉常用于流水线上药品包装盒上相关药品日期、编号信息的自动检 测系统。它利用线阵c c d 配合包装盒的一维运动获取目标图像，然后由计算机对 图像进行处理，检测出日期编号等信息的遗漏与正确与否，并据此发出相应的控 制指令给执行机构，达到自动检测的目的。 ( 2 ) 药片包装缺损检测系统中机器视觉技术应用。目前大多数制药厂在药片包 装生产线上，一般采用人工进行目测的方法分拣次品，检测人员的工作状况严重 影响了药片包装生产线的工作效率，而且包装质量不能从根本得到保证。有些厂 家采用长时间录像机进行录像方式来弥补由于人工检测所带来的失误，但这失去 了实时检测的意义。利用机器视觉系统代替人进行药片包装缺损检测，具有计算 机精度高、速度快的特点，能迅速而准确地检测出药片包装的缺损，并对其进行 综合分析，从而对成品和废品进行可靠分离。 机器视觉系统在药品缺陷检测上的应用，主要在于药品的外观检查和药片的 包装方面，它又主要对药片包装时可能产生的药片缺损、蚊虫污染、漏装、胶囊 漏粉等不良状况进行检测，此类检测系统已有产品问世。近十年来，美国、德国、 意大利、英国、瑞士等国家在药品包装在线质量检测与控制方面，进行了多产品、 多层次的研究，不断开展相应的在线实时检测方面的研究。他们围绕如何配合、 满足高速生产线上产品的检测需要，设计出工艺性、抗干扰性、稳定性都很好的 在线质量检测系统。例如，美国邦纳国际工程有限公司就针对药品的液体灌装检 测和贴标及喷码检测发展了一套基于视觉传感器p r e s e n c e p l u s 的机器视觉检测系 统，它与世界上许多知名的制药厂家都有着非常良好的合作，很多大型制药企业 都是其非常重要的客户【1 2 】。美国康耐视公司也针对药片的泡罩包装开发了一套基 于机器视觉的检测方案，在很多制药企业得到了应用。美国n i 公司的基于p c 的视 觉缺陷检测系统，在使机器视觉和运动控制功能与其被广泛应用的l a b v i e w 虚拟仪 器软件相结合方面做的比较突出，在降低劳动强度、提高产品质量等方面，发挥 了不小作用。这类产品都以其完善的功能、方便的操作以及良好的人机交互性， 受到市场的广泛好评。 1 4 研究内容与论文构成 当前药片检测是制药行业中对药片生产质量进行控制的一项关键技术。相比 较国外的制药行业而言，国内的制药行业大部分都还在采用人工检测等传统的检 测方法来分拣次品，工作量大且检验速度较慢，生产效率相当低。由于制药行业 7 基于机器视觉的药品包装检测技术研究 中铝塑泡罩包装方式的大量推广，并且由于泡罩包装本身的反光非常容易使人产 生视觉疲劳导致检测效率低和漏检率高，传统的检测办法开始逐渐不能满足生产 的需要，因此利用机器视觉的方法对产品进行检测成为一种最佳的解决办法。 虽然国外企业已经有机器视觉公司成熟的解决方案应用于制药行业，但其机 器视觉成套系统价格普遍偏高，较难和当前国内使用的设备配套，不具有较好的 性价比。本文研究了一种基于机器视觉的药片泡罩包装自动检测系统，通过计算 机视觉检测技术及算法的应用，能够做到对各种药片对象自动进行有效检测，结 果证明能够极大的提高检测率和生产效率，保证产品质量，降低成本，降低工人 的劳动强度，具有巨大的经济效益和社会效益。 本论文主要研究以下几个方面的内容： 1 构建一套适合于药片泡罩包装检测的机器视觉系统 针对药片泡罩包装过程中最常见的不合格品现象，比如某一板包装泡罩内出 现了部分药片漏装或包装时药片本身受挤压导致缺损等现象，构建了一套基于工 控机的板卡式机器视觉系统，其目标是通过选用合适的光源和采光方式来获得尽 可能大的对比度的图像，以方便于后续进行的图像处理。 2 研究合适的图像处理算法提取药片特征 由于药片泡罩包装流水线经过检测区域时的速度很快，相机对药片拍照时必 须扩大摄像头的视野，从而通过相机采集到的每帧图像会包含药片的数量较大， 采用合适的图像预处理和分割描述方法对每个药片进行处理，提取其图像特征最 后转换为特征向量是整个算法的关键。 3 采用合适的分类检测算法对缺陷药片进行分类 分别介绍了基于b l o b 分析、基于模板匹配、基于支持向量机三种不同的泡罩 药片包装产品缺陷的检测及分类方法。通过实验及比较，发现基于支持向量机的 泡罩药片检测方法具有最好的检测成功率。 4 泡罩药片包装机器视觉系统的软件开发与实现 介绍了系统软件平台的选择，以及系统相关函数库的使用。分析了系统软件 的各部分功能模块和具体流程图的实现。 8 硕士学位论文 第2 章药片泡罩包装机器视觉检测系统设计 本章主要介绍基于机器视觉的药片泡罩包装检测系统的整体需求与设计。首 先介绍药片泡罩包装机的基本形式、主要结构以及工作原理，然后介绍药片包装 机器视觉质量检测系统的组成原理与相关设备，而后结合药片泡罩包装的生产过 程，以泡罩药片为研究对象，展开了对机器视觉检测系统硬件部分的设计。 2 1 药片泡罩包装机的结构及原理 药片泡罩包装是目前药机行业中最主要的产品包装方式，其工作过程是将各 种药片用p v c 成型包装于铝塑板上，其应用范围相当广泛，适用于各种规格的片 剂、胶囊、胶丸、素片及各种异型片。药片泡罩包装机是将透明塑料薄膜或薄片 形成泡罩，用热封合、粘合等方法将药片封合在泡罩和底板之间的一种机器。 药片泡罩包装机从总体结构及工作原理上一般可以分为辊式泡罩包装机、辊 板式泡罩包装机、平板式泡罩包装机三种类型，其中又以平板式泡罩包装机使用 范围最广，性价比最高。从自动化程度上药片泡罩包装机又可以分为半自动包装 机、自动包装机和全自动生产线三种。通过多年的高速发展，全自动生产线的包 装机占据了大部分的市场份额，大大提高了药片包装的生产效率。 本文针对平板式自动药片泡罩包装机进行视觉检测缺陷系统的研究与设计。 平板式药片泡罩包装机主要包括机架、输送机、上料充填装置、预热成型装置、 气动装置、p v c 放卷及步进装置、冲裁、热封装置、电气控制等各部分【1 3 】。平板 式自动药片泡罩包装机生产流程图如图2 1 所示，其系统主要结构工作原理如下： 衬 p 图2 1 平板式自动药片泡罩包装机生产流程图 1 ) 上料充填装置 上料充填装置由振动电机和上料电机构成，与通用上料机或圆盘上料机相配 套，通过上料系统可以使各种不同规格药片整齐有序的排列，为下一步的预热成 9 基于机器视觉的药品包装检测技术研究 型作好准备。 2 ) 预热成型装置 预热成型装置由上、下加热板、成型模具等部件构成，配合气动装置完成包 装机的主要工序包装成型。基于热塑原理，通过温控器模块稳定的温度控制 和正压吹气工序可使p v c 材料在热塑温度范围内预热成型，将药片封装在铝箔和 p v c 之间形成泡罩。 3 ) p v c 放卷及步进装置 该设备具有p v c 和铝箔两个被动放卷装置，由主电机提供动力为包装成型提 供材料。p v c 步进装置则是除了预热成型装置外的另一个重要设备。p v c 放卷主 要采用步进方式，由于采用双夹持步进，可防止在加热区内已经被加热软化的p v c 片由于快速牵拉移动而造成拉伸变形，影响泡罩质量。p v c 片会随着加热板成型 台模具的上下运动作相应的间歇运动，当p v c 夹持装置移动加热板于下止点时( 上 下加热板有间隙) ，可以减少p v c 与加热板之间的接触，使p v c 不粘片。 4 ) 热封装置及冲裁装置 热封和冲裁是包装机的最后工序，当药片已封装在泡罩内，通过热封和冲裁 后正式变成板式成品。加热器的温度必须控制准确，以利于提高包装效率。通过 采用无废料横边冲裁可以大大节省包装材料，在冲裁前也采用推板式步进方式， 以使板块平整并且方便调整。 5 ) 电气控制 电气控制部分选用变频器、p l c 、触摸屏及温控器模块构成电气控制系统，并 配以多个光电传感器作为检测，各部件的有机组合，使控制精度及工作效率大大 提高。通过触摸屏的使用，可以方便地对设备参数进行设置，也能显示系统的相 关运行参数值以及检测状态，并且可以对异常警报进行判断处理，方便管理，由 p l c 系统控制整个设备的协调高速运行。 2 2 药片泡罩包装检测系统的设计要求 依据项目要求和系统功能，药片泡罩包装机器视觉质量检测系统硬件应该满 足以下要求： 1 、为降低图像处理算法及其软件开发的难度、提高检测精度，需选用合适 的光源和照明方式，便于采集高质量药片泡罩图像，满足药片泡罩包装质量检测 的精度要求。 2 、系统装置必须具有较强的抗干扰能力，这些干扰包括检测对象或摄像机 的倾斜、检测区域的偏移、环境光、照明方式等。 3 、系统装置必须设计合理，以减小测量误差，更要求调整简单、方便。调 整内容包括摄像机的高度、垂直度，摄像机的中心线与光源中心线的同轴度，光 1 0 硕士学位论文 源的水平度，摄像机中心的中心线与传送带中心线的垂直度。 4 、传送机构应能送料及时，被检产品排列整齐、间隔均匀。 5 、设备运转平稳，并要求低噪音、低振动；能够检测不同尺寸的泡罩包装 产品，满足实际生产要求。 6 、电气控制装置接收到p l c 发送的信号后，要能迅速做出响应，执行机构 能够及时剔除含有缺陷的药片泡罩板。 7 、系统具有故障报警功能。例如，机器运行时，如果摄像机工作不正常时 要迅速报警；机械或控制装置工作不正常时，警示灯马上报警。 为了满足上述要求，首先需要对检测系统进行设备需求分析及选择。 2 3 药片泡罩包装检测系统的需求及选用 机器视觉检测系统综合运用了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技 术，通过获取待检测工件的图像，并从中提取重要的特征信息，来实现对待检测 工件质量状况的评估。可见，图像采集、处理的各个环节都影响着最后的检测效 果。为了保证各环节中信息获取的准确性，需要根据不同的待检测目标及不同的 环境状况，选取合适的硬件设备，从而完成系统设计。基于此，下面本文分别介 绍构成机器视觉检测系统的各个部件并总结如何针对本检测系统设备需求选择合 适的部件。 2 3 1 光源和照明方式 在机器视觉应用系统中，合适的光源与照明方式往往是整个系统成败的关键。 光源与照明方式的配合应尽可能地突出物体的特征，在物体需要检测的部分与那 些不重要部分之间产生明显区别，增加对比度；同时还应保证足够的整体亮度， 使得物体位置的变化不影响成像的质量。如果要成功的实现应用，任何强大的视 觉传感器，需要与其适当的照明选择相匹配。通过物体对光学的特性来选择光源 照明颜色，外观尺寸以及安装方法；另外通过对现场环境，目标物尺寸，运动速 度，工作距离，物体轮廓，颜色以及其它可能引起的缺陷和其他没有考虑到的因 素作综合对比，从而来选择到合适的照明光源。 光源选择要根据照明光线，颜色过滤器，散射，聚焦镜头等不同来考虑，光 源是任何机器视觉系统成功应用的重要条件。光源的种类划分有多种形式，通常 根据发光器件可分为l e d 、石英灯、氙灯、高频荧光灯、白炽灯、激光和光纤光 导等；按照灯的几何形状分为穹形灯、环形灯和方形灯等；而根据发出的光线特 征可分为点光源、线光源、低角度光源和面光源等【1 4 ，”】。实际使用中常用的几种 光源如图2 2 所示。 光源的特性主要包括光源的光谱能量特性、光源的亮度特性以及光源的颜色。 基于机器视觉的药品包装检测技术研究 光源的光谱分布应与接受器件的光谱响应相匹配，匹配恰当就可以用最小的能量 获得最佳的效果。光源的亮度必须根据实际检测的要求及接受器件的性能来选择， 通常光强大一些有利于提高信噪比。光的颜色要考虑光的三原色、可见光的波长 以及被测物体的颜色与光源颜色的匹配。光源设各的选择必须符合所需的几何形 状，照明亮度、均匀度、发光的光谱特性也必须符合实际的要求，同时还要考虑 光源的发光效率和使用寿命。一个好的光源应该使我们需要寻找的物体图像特征 非常明显，而且除了使