（控制理论与控制工程专业论文）机器视觉技术在空瓶检验系统中的研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 由于基于机器视觉的检测技术具有非接触、实时、精度高等特点，因此近 年来得到了迅速发展和广泛应用。空瓶检验系统是以机器视觉技术为基础，集 光机电算于一体的检测设备。它以视觉检测代替传统的人工检测，实现对空瓶 质量的检测。随着我国对食品安全日益重视且国外验瓶系统无法适应国内回收 瓶质量参差不齐的现状，开发具有自主知识产权的空瓶检验系统即是国内啤酒 生产企业的迫切需要，也是我国啤酒装备制造业发展的必然趋势。 本文根据啤酒灌装的实际工艺以及检测系统的基本检测要求，设计了基于 机器视觉的空瓶检验系统，详细分析了空瓶检测系统的组成结构和工作流程。 主要对空瓶检验系统中的机器视觉技术进行了深入研究，详细探讨了图像采集 的关键技术，开发了瓶口、瓶底及瓶壁图像的检测算法。 本文的主要的研究工作如下： l 、探讨了图像采集的关键技术，设计了能为空瓶检验系统提供清晰图像的 图像采集系统。根据瓶壁图像采集的要求，设计了多级反射一次成像的光学成 像装置，并分别应用于系统的入口和出口瓶壁检测，实现了瓶壁全方位检测。 采用频闪光源照明并协调配合快门速度的方法以解决图像拖尾模糊的问题。 2 、根据高速检测的要求，提出仅对所采集图像中反映被检对象特征的区域 进行处理的思路，开发快速、高效的算法以实现对检测区域的自动跟踪，实时 确定图像中处理对象位置，减少对无用像素的处理，提高处理速度。 3 、针对瓶口外轮廓为圆形，成图像复杂多样的特点，文中首先探讨了瓶口 图像处理区域的跟踪算法。通过对比分析确定了基于先验圆心的最小二乘圆拟 合法瓶口处理区域跟踪算法。为实现高速检测，提出了基于连通域矩特征的缺 陷特征提取方法，对提取特征进行统计决策分类，以排除噪声影响，得到正确 的判别结果。实验数据表明上述算法能达到理想的检测准确率。 4 、在瓶底和瓶壁智能检测算法研究过程中，根据瓶颈位置边缘点成对出现 的特点，对穿越瓶颈的特定直线进行线扫描，得到直线方向上灰度梯度最大的 一组点，利用对称分析结合概率统计的方法对该组点进行分析，以确定瓶壁四 山东大学硕士学位论文 部分的中心轴线位置，完成对瓶壁检测区域的跟踪。在瓶底检测中，采用最小 二乘圆拟合方法对瓶底检测区域进行跟踪。提出瓶底和瓶壁多分区检测的思路， 通过提取分区内的缺陷特征，应用统计决策判断的方法，对瓶底和瓶壁合格与 否进行分类。实验证明该算法检测精度和速度能达到系统要求。 5 、在系统研究开发过程中，总结了实现空瓶检验系统实时、高速、准确检 测的技术要点。主要包括合理配置硬件、设计快速高效的算法和各检测单元独 立并行工作。 关键字：机器视觉；智能检测；图像采集；特征提取；最小二乘圆拟合 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nt h ev i s i o n - b a s e di n s p e c t i o ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y a n du s e dw i d e l yi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hc a nb ed e f i n i t e l ya s c r i b e dt oi t sa d v a n t a g e s ， s u c ha sn o n - c o n t a c ta n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，h i 曲a c c u r a c y , a n ds oo n t h ee m p t y b o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mi st h ev i s i o nb a s e di n t e l l i g e n ti n s p e c t i o ne q u i p m e n t s i n t e g r a t e do fo p t i c a l ，m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a lf u n c t i o n s t h es y s t e mp e r f o r m s w e l li nq u a l i t yi n s p e c t i o no fe m p t yb o t t l eb e f o r eb e e rf i l l i n gi n s t e a do fm a n u a lw o r k a st h ef o o ds a f e t yd r a w sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nc h i n a , a n dt h ef o r e i g n e q u i p m e n tf o re m p t yb o t t l ei n s p e c t i o nc a n t m e e tt h e q u a l i t y s i t u a t i o no ft h e r e c y c l e db o t t l e si no u rc o u n t r y , t h er e s e a r c ho ne m p t yb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mw i t h f u l li n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sb e c o m e sc r i t i c a li m p o r t a n t ，w h i c hw i l l m e e tt h en e e d so ft h eb e e ri n d u s t r ya n dt h em a r k e t i nt h i sp a p e r , t h el o c a t i o no fe m p t yb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mo nl i q u i df i l l i n gl i n e i sd e s c r i b e d t h ed e s i g no ft h eh i 曲- s p e e do n l i n eb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do n m a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y , t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dp r i n c i p l e sa r ep r o v i d e di n d e t a i l s t h e ns o m ed e e pr e s e a r c ho nt h em a c h i n ev i s i o ns y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g i e s f o rt h ei m a g er e c o g n i t i o ns y s t e ma r ep r e s e n t e d ，a sw e l la sa ni n t e l l i g e n ti n s p e c t i o n a l g o r i t h mf o rt h er e c o g n i t i o no ft h ef i n i s h ，b a s ea n ds i d e w a l lo fe m p t yb o t t l e m c o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e ra n a l y z e st h eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb o t t l ef l a w sa n ds t u d i e s t h ek e yt e c h n o l o g i e so fi m a g ea c q u i s i t i o n t h e ni td e s i g n sa ni m a g ea c q u i s i t i o n s y s t e mp r o v i d i n gt h ec l e a ri m a g e sf o rf i n i s h ，b a s ea n ds i d e w a l lo fe m p t yb o t t l e s r e s p e c t i v e l y p a r t i c u l a r l yt h ep a p e rp r e s e n t sa no p t i c a li m a g i n gs e t t i n gt oi m p l e m e n t o m n i d i r e c t i o n a li m a g ea c q u i s i t i o no fs i d e w a l l f o rt h ep u r p o s eo fs o l v i n gt h e p r o b l e mt h a th e a v y - t a i l e di m a g e s w e r ec a p t u r e da sb o t t l e sm o v i n gu n d e rh i 曲s p e e d ， t h ep a p e rp r o p o s e dam e t h o dw i t hs t r o b o s c o p ec o o p e r a t i n gw i t hs h u t t e rs p e e d 2 t h em a i nc o n s t r a i n ti st h er e a lt i m eo p e r a t i o na st h eb o t t l e sm o v e c o n t i n u o u s l yo nt h ec o n v e y e rb e l t u s i n gi m a g e so b t a i n e df r o mt h ec a m e r a ，w ej u s t i i l 山东大学硕士学位论文 f o c u so nt h ei m a g ea r e ar e f l e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fb o t t l e s t h e nt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mo b t a i n st h ep o s i t i o no ft h eb o t t l e si nt h ei m a g ea n dt r a c k st h ed e t e c t i o n a r e ap r e c i s e l y t h em e t h o di sp r o v e dt ob ee f f i c i e n ti ni m p r o v i n gi n s p e c t i o ns p e e d 3 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i n i s hb o t t l ei m a g e s ，w h i c h s h o w st h ec i r c l ep r o f i l ea n dt h ec o m p l e x i t yo ff i n i s hi m a g e s ，a na l g o r i t h md e r i v e d f r o ml e a s t - s q u a r ec i r c l ef i t t i n gi sa p p l i e df o rr e a l t i m et r a c ko ff i n i s ha r e a si nt h e i m a g e f o rf l a wf e a t u r ee x t r a c t i o nm o m e n tf e a t u r eo fc o n n e c t e dc o m p o n e n t si s a d o p t e d a f t e rt h a t ap r o p o s e da l g o r i t h mb a s e do nf e a t u r es t a t i s t i c a ld e c i s i o n a n a l y s i si su s e df o rq u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n i tc a nd e a lw i t hc o m b i n a t i o nn o i s e p r o b l e ma n do b t a i nt h es a t i s f y i n ga c c u r a c yw i t l ll o w e rc o m p u t a t i o n a ll o a d t h e p r o p o s e da l g o r i t h m sa r ep r o v e dt ob ee f f i c i e n ti na u t o m a t i cf i n i s hi n s p e c t i o n 4 b a s ea n ds i d e w a l lc r a c k sa r er e g a r d e da sc r i t i c a ld e f e c t sf o rt h er e c y c l e d b o t t l e sa d o p t e di nb e v e r a g ep r o d u c t i o n t h es i d e w a l la x i si sd e t e r m i n e db ys c a n n i n g p o i n t so fm a x i m u mg r a y s c a l eg r a d so nt h el i n e a n dd e t e c t i o na r e ao fs i d e w a l lc o n b et r a c k e df o rr e a lt i m ew i t hh i g ha c c u r a c yw i t ht h em e t h o do fu s i n gs y m m e t r y a n a l y s i sa n dp r o b a b i l i t ys t a t i s t i c s t h ei m p r o v e dl e a s t s q u a r ef i t t i n gi su s e di nb a s e t r a c k i n g t h eb o t t l e sf o ra n yd e f e c t so rp r e s e n c eo fa l i e no b j e c t sa r ec h e c k e du s i n g f l a wf e a t u r ee x t r a c t i o na n ds t a t i s t i c a ld e c i s i o n ，a n dt h eo n e sw i t ha n yd e f e c ta r e r e j e c t e da n ds e p a r a t e df r o mt h em a i ns t r e a m t h ep r o p o s e da l g o r i t h m sa r ep r o v e dt o b ee f f i c i e n ti nt h ea u t o m a t i cb a s ea n ds i d e w a l li n s p e c t i o n 5 t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rt h ep r o c e s so ft h ee m p t yb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e m w i t ht h e a d v a n t a g e s o fh i g h a c c u r a c y , i n t e g r a t i o n ，r e a l t i m ea n dh i 曲一s p e e d c h a r a c t e r i s t i c sa r es u m m a r i z e d ，w h i c hi n c l u d e st h ep r o p e rc o n f i g u r a t i o no fh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，t h eq u i c ka n de f f i c i e n ta l g o r i t h ma n dt h ei n d e p e n d e n tp a r a l l e l p e r f o r m a n c eo fm o d e l s k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ，i n t e l l i g e n ti n s p e c t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n ，l e a s t s q u a r e c i r c l ef i t t i n g i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整坌堕 e l期：蜊蔓帅日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：叠垒鱼导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 食品安全事关国计民生，很多国家将其视为国家公其安全范畴，不断加大 监管力度。在当代中国，食品安全同样受到举国关注。食品安全除了食品本身 质量安全之外，食品包装物的质量安全也是刁i 容忽视的一个方面。 食品包装被称为“特殊食品添加剂”，它是现代食品工业的最后一道工序， 生产厂家是将食品与食品包装作为一个整体销售给消费者的，食品包装已经成 为作为商品的食品不可分割的重要组成部分。不合格、不卫生的食品包装会给 消费者带来严重的身心伤害，同时也必然会给食品生产厂家带来声誉上的毁坏 和经济一的损失其草会引起诉讼。图11 为不合格食品包装案例。 圈1 一i 不合格食品包装案例 我国食品安全管理体系的大力推进，食品包装产品3 c 认证的即将展开， 都使得食品包装品的质量、安全柃测、检验变得阿益重要。在人们的r 常食品 中，液体类食品占据了半壁江山，这类食品例如啤酒、饮料等多采用瓶装，保 证其包装用瓶的安全、卫生，重要性不言而喻。 2 0 0 6 年国内啤酒产量达到3 4 9 5 万吨，比上年增1 48 3 ，2 0 0 7 年前1 1 个 月啤酒产量达到3 6 6 81 2 万吨，同比增长1 0 8 f ”。如此巨大的市场需求促使啤 酒生产和包装漫各的迅速发展，啤酒灌装生产线大多是高速、大规模的生产线， 如图1 2 所示。数以万计的空瓶同时出现在生产线上，并以每小时几万瓶的速 度快速运动着。这个灌装生产线的入口足空瓶，其中多数是回收来的旧瓶，经 山东大学硕士学位论文 过沈瓶机清洗后进行灌装，生产线的出口即为瓶装产品。保证每只瓶在灌装 前是合格的，既是必要的，同时又是困难的。灌装前的空瓶质量榆测也成为高 速q - 产线卜的必备检测设备。 一般的灌装生产线流程如图i - 3 。 图1 2 啤酒灌装线一角 口；女u 一 图1 3 啤酒生产灌装线在线检测设备分布幽 空瓶经过清洗以后，可能存在瓶口破损，瓶身、瓶底破损，瓶底内壁、瓶 身存在固体异物，这些次瓶会导致啤酒封装失败或者封装出现隐患，严重影响 山东大学硕士学位论文 啤酒质量，因此这些空瓶不能进入下一步灌装流程，必须在灌装线进行检测， 分拣处理。 国家标准g b 4 5 4 4 1 9 9 6 中对啤酒瓶的产品分类、技术要求、试验方法及标 志、包装要求各方面做出明确规定【2 】，其中对瓶形的定义如图1 - 4 。 囊口 图1 - 4 啤酒瓶形状 对外观表面质量的规定如表1 1 。 表1 - 1 啤酒瓶质量标准 山东大学硕士学位论文 在h 内，传统的灌装线空瓶检验方式是人工灯光检验，人工空瓶枪测不可 避免地存在着不足，如视觉疲劳引起的工作误差。人工空瓶检测是在荧光灯箱 前进行的，检测人员对平视运动着的瓶，不容易发现瓶底、瓶口部分的缺陷。 当生产线速度提高到1 0 瓶秒以上时，视觉残留将使检测人员难以发现所有的 缺陷。而1 0 瓶秒亦即3 6 0 0 0 瓶小时的灌装速度只足目前巾等速度的啤酒q i 产 线，因此，在丰流啤酒生产线速度已经达到4 5 0 0 0 瓶小时并向着更高速发展的 今大，传统的人工榆测方式已经不能满足高速自动化生产线的需要。人工检测 现场如罔1 5 所示。 幽l 一5 效率低下，可靠性低的人【榆测 表1 2 人上检测与机器视觉自动检测的比较 人工检测机器视觉自动检测 速度慢 易出错 易疲劳、有隋绪，小易保持检测效果 检测环境蛭求高 不易实现信息集成 人i 成本高 速度高 高精度、高可靠性不易出错 检测效果稳定，l u2 4 小时不停检测 适1 多种的检测环境 可实现信息集成 使_ l l j 成本低 从表1 2 可以看m ，在啤酒灌装生产前采用机器视觉在线检测系统代替传 统的人 柃测能孵满足时产品质量的高要求，并甘省人力成本，足符合市场需 求的。 山东大学硕士学位论文 1 2 机器视觉技术及其发展 空瓶在线检测系统主要是利用机器视觉理论和技术，对食品饮料灌装生产 线上空瓶质量进行检测，机器视觉技术是- - i - j 综合性的前沿学科，其研究应用 相当活跃。 8 0 年代初，m a r r 首先提出了第一个较为完善的视觉系统框架。目前最权威 的定义是美国制造工程师协会给出的定义【3 】，m a c h i n ev i s i o ni st h eu s eo fd e v i c e s f o ro p t i c a ln o n c o n t a c ts e n s i n gt oa u t o m a t i c a l l yr e c e i v ea n di n t e r p r e ta ni m a g eo fa r e a ls c e n ei no r d e rt oo b t a i ni n f o r m a t i o na n d o rc o n t r o lm a c h i n e so rp r o c e s s e s 许多 专家也认同一个更为形象的解释：“机器视觉就是用机器代替人眼进行观察和判 断 。总的来说，机器视觉就是建立在图像处理、模式识别、人工智能和视觉计 算基础上的- - i 前沿交叉学科。它的目标是从图像中恢复一个场景的有用信息。 图像处理技术和机器视觉技术两个学科在内容和目标上都是存在区别的， 图像处理在于要使图像经处理后变得更好，图像处理系统的输出仍然是一幅图 像，而机器视觉系统输出的是与图像内容有关的信息。 机器视觉技术正广泛地应用于零件识别与定位、产品检验、移动机器人导 航、遥感图像分析、医学图像分析、安全鉴别、监视与跟踪、国防系统等各个 方面。可以说，需要人类视觉的场合几乎都需要机器视觉。 1 3 机器视觉在智能检测中的应用 机器视觉已经在各个不同行业得到了广泛应用，基于机器视觉的智能检测 是其最重要应用之一。通过机器视觉在线检测及时发现生产过程中出现的不合 格品，及早将其从生产线上剔除，证明能够使得质量控制更快速、更准确，有 效提高了产品检测的可靠性。机器视觉智能检测主要应用于半导体及电子行业、 汽车及其零部件工业、包装行业、金属加工、印刷业、玻璃制品业，也越来越 多的应用到医药业检测、烟草行业检测、农产品检测、食品加工过程检测等， 这种非接触、高效率的智能检测方法应用范围必将逐步扩大。图1 - 6 为几种机器 视觉应用于在线检测的实例【4 】。 山东大学硕士学位论文 一 ，a 移： l a ) 泡罩包装t p 的药片榆测 哑 ：b 幽竺j = 亡l 。 一一 b ) 食品外包装检测 一 c ) i u ，元器件检测d 1 硬币检测 图卜6 机器视觉柙能检测应用实例 1 4 空瓶检验系统的研究现状 141 国外设备现状 i 于发达国家对包装前后的产品进行严格而精确的检测已经成为项十分 重要的生产规范，欧美等国家较早地，f 展了基于机器视觉方面的产品检测研究， 甘前机器视觉检测产品在国外的生产线上应用非常广泛，存在着少数品牌垄断 空瓶检测市场格局的现象。这些品牌主要有德围h e u f t 、德国k r o n e s 、德 国m i h o 、美国f i l t e c 和f 1 本k t s l 5 i 。如图1 7 所示。 德旧k r o n e s 空瓶拒线检测系统德国m i h o 空瓶在线检洲系统 战 。k_ 山东大学硕士学位论文 美国f i l t e c 空瓶在线检测系统日本k t s 空瓶在线检测系统 图1 7 国外的空瓶在线检测系统 啤酒瓶空瓶验瓶设备的技术指标主要是检测速度、检测污损或异物的大小 ( 亦即灵敏度) 及检测的可靠性( 包括不合格瓶检出率和合格瓶误检率) 等。 对于德国克朗斯和海富为代表的进口设各而言，他们的最高检测速度为7 2 0 0 0 瓶j 、时，由于目前灌装线的最高速度为6 0 0 0 0 瓶j , 时，所以其最高检测速度 应该是理论推算值。经调研发现，其检测精度和可靠性都是在国外较好的瓶源 条件下测试得到的，这些瓶普遍制作良好且同一类型瓶颜色差别甚微。 1 。4 2 国外设备在国内的应用现状 上述设备在我国啤酒生产企业虽有应用，但效果并不理想，除了空瓶检测 系统本身的因素外，瓶源也是影响验瓶机检测性能的重要因素。目前我国大多 数啤酒厂使用的瓶多为回收重复使用，有不同程度的磨损，使得在使用空瓶检 测系统时往往达不到理想的效果。若提高空瓶检测系统的灵敏度会导致大量的 误剔除，反之则会漏掉不合格瓶。我国企业所用啤酒瓶与国外啤酒瓶的差异， 使得进口空瓶检测系统在我国总是达不到其理想工作状态。总之，上述进口设 备的共同缺点是：( 1 ) 设备售价昂贵；( 2 ) 售后服务价格高昂；( 3 ) 不适应我 国啤酒瓶的特点。 1 4 3 国内研究现状 进口设备的上述缺点和我国啤酒厂家对在线验瓶设备的需求推动了国内在 线验瓶设备的研究的发展。国内对于啤酒瓶检测设备的研究起步于本世纪初， 主要是一些高校研究单位在瓶的图像处理方面开展了一些工作。包括湖南大学、 浙江大学、北京工j 业大学、兰州理工大学、合肥工业大学7 】【8 】【9 等，但至今未 见产业化实例。 山东大学硕士学位论文 国内也有几个设备生产企业尝试开发此类产品，例如广州大元公司、广州 轻工集团、北京赛腾动力公司等。但这些公司所走的技术路线并不是逐个攻破 系统的各项关键技术，而是抓住市场机遇做国外产品的系统集成，以便获取眼 前利润。由于他们没有从根本上获得关键技术和知识产权，这就使其所产设备 在性能上无法与外国同类设备相比，也就无法占有足够的市场份额。 1 5 论文主要工作 本文对空瓶检验系统的关键理论和技术进行了深入研究和探讨，重点对视 觉系统的搭建和各部分的检测算法进行了研究，主要内容如下： 第一章阐明了课题的研究背景，主要介绍了机器视觉技术及其发展现状， 并对机器视觉在智能检测中的应用做了详细调研。重点分析了空瓶在线检测系 统在国内外应用与研究的现状，指出自主研发适应我国啤酒行业的空瓶检验系 统的重要意义。 第二章主要研究了空瓶质量在线智能检验系统的基本结构，分析了系统的 基本工作流程，说明了系统硬件结构，并对视觉检测与控制系统进行了探讨。 研究了机械结构中速差传送机构的原理及其作用，对系统中残留液检测的原理 也给予了一定的介绍。为完成监测和控制任务，开发了应用于监控计算机上的 人机界面，文中给出了人机界面的总体结构并简要介绍了各功能模块。最后研 究了空瓶检验系统实现实时、高速检测的技术要点，用于指导后续的系统搭建 和算法研究。 第三章对图像采集系统的关键技术进行了深入研究，从照明方案设计到相 机、镜头、图像采集卡的类型和技术参数的选择。设计了适用于瓶口、瓶底、 瓶壁的不同照明方案，根据光学成像原理进行科学计算，最后确定光源、相机、 镜头的类型和尺寸，选择适应系统高速采集需要的图像采集卡，并采用频闪光 源照明并协调快门速度的方法解决了图像拖尾模糊问题。设计的图像采集系统 可以为空瓶检验系统提供清晰无失真的图像。 第四章是对空瓶瓶口质量检测算法的研究，为满足系统高速精确检测需要， 提出仅对图像中反映被检对象特征的区域进行处理的思路，并应用于后续的瓶 底和瓶壁检测算法。为准确快速跟踪瓶口检测区域，对比了h o u g h 变换法和重 r 山东大学硕士学位论文 心法两种圆检测的常用算法，并提出了缩短h o u g h 变换处理时间的一点改进。 最后得出重心法和最小二乘圆拟合法结合算法满足速度和精度要求的结论。然 后基于连通域矩特征进行缺陷特征提取，对提取到的特征进行统计决策分类， 实验证明能够很好的排除噪声影响，并达到理想的检测准确率。 第五章对空瓶瓶底和瓶壁质量检测算法进行研究。根据瓶颈位置边缘点成 对出现的特点，线扫描得到直线方向上灰度梯度最大的一组点，提出了利用对 称分析结合概率统计的方法，准确快速的确定瓶壁四部分的中心轴线位置，从 而完成瓶壁检测区域的跟踪。对瓶底图像，改进瓶口检测算法提出的最小二乘 圆拟合方法，用于瓶底检测区域跟踪。提出了瓶底和瓶壁多分区检测思路，提 取检测分区内缺陷特征，应用统计决策判断方法，对瓶底和瓶壁合格与否进行 分类。实验证明该算法检测精度和速度能达到系统要求。 最后总结了论文的主要工作，并在分析论文中工作不足的基础上，展望了 下一步需要开展的研究。 9 山东大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章空瓶检验系统结构 空瓶质量在线智能检验系统是在当今食品饮料包装行业对食品安全的要求 同益提高的情况下诞生的，具备高速度、高精度、全自动化的特点，是灌装生 产线上的重要检测设备之一。它是集光、机、电、多传感器、控制、计算机、 通讯、数字图像处理和机器视觉技术的高科技装备，其机械传动、电气控制、 多传感器检测、上位实时显示各部分必须协调配合，共同构成一个有机整体。 图2 1 为空瓶质量在线智能检测系统的样机图。 ，一7 程 图2 1 空瓶检验系统样机图 该设备及其相关技术可以广泛推广应用于流水线上各种在线检测，包括各 种包装瓶、灌装液位、瓶盖、食品外包装、药品检测、半导体芯片检测等。 本系统检测速度达到7 2 0 0 0 瓶小时，与国外同类最先进设备持平【1 0 】 1 1 】， 可以对空瓶瓶口、瓶底、瓶壁、瓶内残留液进行全方位自动检测，能识别出瓶 口破损( 最小尺寸l m m l m m ) 、瓶底和瓶壁细小污点、杂质( 瓶底中一1 1 , 至防滑 纹内侧的圆形区域最小尺寸1 8 m m x l 8 r a m 的污渍，防滑纹区域最小尺寸 3 m m x 3 m m 的污渍；瓶颈、瓶嘴区域中内外侧最小尺寸6 r a m 6 m m 的污渍， 瓶肩内弧含花纹的区域中最小尺寸8 m m 8 r a m 的污渍) ，瓶内残留碱液和清水 ( 瓶底最高点起2 m m 的自来水，l m l 浓度为1 的n a o h 溶液) ，能达到较高 山东大学硕士学位论文 的不合格瓶检出率( 9 9 9 5 ) ，较低的合格瓶误剔率( 0 3 ) 。 2 2 系统组成结构和工作流程 系统结构组成及工作流程如图2 2 所示，图2 3 为空瓶检验系统平面视图。 瓶流方向 矿 l 8 9强哥 - 口 韶 肛m 1 | 厂i ，i f f f l ： 、l ui j 巍氐 u ， 盟业 j |f| 臁确认臁器出是擎藿霸显示屏蔷簧瓢入暴紧搿鑫蓊 图2 - 2 系统结构组成及工作流程 1 i1 i 纠7 。 l| | 一 | 篇l j |。 t| 一 | ，7 ，、 u 屋 u 9 85 fi t i i 嗍，m闻 l | | | | _ 1 空瓶输入口2 入前检测3 一残留液检测4 一入e l 瓶壁检测5 速差传送机构6 瓶口光源7 瓶口相机8 瓶底吹气装置9 一瓶底光源1 0 瓶底相机1 1 出口瓶壁检测1 2 埸0 除器1 3 埸0 除确认1 4 空瓶输出口1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 l ，2 2 光电传感器 图2 3 平面视图 ( 1 ) 空瓶输入口：与整个无压力传送系统相连，洗瓶机输出空瓶由此进入系统。 1 2 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 入前检测：综合光电传感器信号判断瓶是否为倒瓶、超高瓶、超粗瓶、烂 瓶等明显不合格瓶。 ( 3 ) 残留液检测：瓶经过残留液检测单元，基于耦合电容原理对瓶内残留的超 标碱液或者清水进行检测。 ( 4 ) 入口瓶壁检测：采用多级反射一次成像技术，用一台摄像机完成瓶壁2 4 0 度画面拍摄。 ( 5 ) 速差传送机构：速差传送部分主要由橡胶皮带、带轮、传动轴、万向节和 丝杆装置组成。当到达速差传送部分时，瓶被橡胶皮带夹住，脱离履带前行。 同时，由于两套橡胶皮带有一定的速差，瓶就会产生自转运动，设计的速差传 送装置刚好使瓶在通过该部分后旋转9 0 度。 ( 6 ) 瓶口光源：采用环形低角度光源为瓶口照明。 ( 7 ) 瓶口相机：拍摄瓶口图像。 ( 8 ) 瓶底吹气装置：瓶底在洗瓶机之后可能会在外表面留有一定的泡沫、水珠 或者脏污，影响成像品质。通过吹气装置可以一定程度上改善这一现象。 ( 9 ) 瓶底光源：采用背光源为瓶底照明。 ( 1 0 ) 瓶底相机：透过瓶口拍摄瓶底图像。 ( 1 1 ) 出口瓶壁检测：通过速差传送机构，瓶经过入口瓶壁之后，在传送带中 旋转了9 0 度，故出口瓶壁采用和入口瓶壁相同的技术，再次完成瓶壁2 4 0 度画 面拍摄，和( 4 ) 配合完成瓶壁3 6 0 度全面检测。 ( 1 2 ) 剔除器：控制部分综合来自系统各个模块的信号，最后控制剔除器剔除 不合格瓶。 ( 1 3 ) 剔除确认：当由于某种原因造成不合格瓶未被剔除时，剔除确认光电传 感器能够及时发现并通知输送带停止运行。 ( 1 4 ) 空瓶输出口：将经过空瓶检验系统检测合格的空瓶传送给下一级灌装线。 ( 1 5 ) 光电传感器：处于传动带不同位置的光电传感器主要是用来确定瓶是否 到达制定的位置，当有瓶通过光电传感器所在位置时，光电传感器会发出信号， 通知系统瓶已到某一特定位置。当瓶通过1 7 、1 8 、1 9 、2 0 、2 1 光电传感器时， 系统触发摄像机拍摄图像，同时光源瞬间点亮；当瓶通过1 5 、1 6 光电传感器时， 山东大学硕士学位论文 控制部分得到信号控制剔除器剔除不合格瓶。 2 3 系统视觉检测与控制系统 系统采用基于p c 的机器视觉方案，设计方案考虑到整个视觉检测过程中 图像检测信息量大，而检测速度要求很快，采用多台p c 负责不同检测模块同 时检测，并由可编程控制器和变频器完成整个系统的控制任务，控制系统采用 1 4 图2 4 系统硬件结构图 山东大学硕士学位论文 分布式设计，由p l c 和变频器作为底层控制器，直接控制剔除器和电机等对象。 所有数据都汇总于监控计算机，并由监控计算机完成系统图像、控制信息的实 时显示及人机实时交互操作，可以进行系统各模块参数、状态等的设置。图2 - 4 是在系统运行流程上的硬件分布图，图2 5 系统视觉检测和控制系统框图。 各图像处理器、残留液检测模块、p l c 及监控计算机构成一局域网络，由 于图像处理器和监控计算机间有大量实时图像数据、监控和操作指令数据传输， 对传输稳定性实时性要求高，两者之间通讯应用基于w i n s o c k 的c s 网络架构 【1 2 1 ，并选用t c p 协议。监控计算机与运动控制单元的通讯应用o p c 自动化接 口。o p c 基于微软的o l e ( 现在的a c t i v e x ) 、c o m ( 部件对象模型) 和d c o m ( 分布式部件对象模型) 技术【l3 1 ，包括一整套接口、属性和方法的标准集。其 采用客户n 务器模型，保证网络通讯稳定性和可靠性。 视觉处理系统 采图 集 像提专 图 检图取家 像测像对分 数区处象类卜一一一1 据域理特决 i 传 跟征 策 。一一一叫豁棒计簋栩 输 踪 视觉检测系统 t 光 视图图 一一一一 一一一源 觉像像 照 传采处 i 感集理 协调管理监控 明 i 交换机i j 器卡器 底层控制给定动作和状态 电机控制器 l 可编程逻辑控制器 j 智能控制算法i i f i t i 控制命令 传感器控制对象 光 位 旋 雕l | | | |卧引雕i 电 转 传 置 编 i 感 开 关 码 器器l 控制系统 卜 控制模块 图2 5 系统视觉检测和控制系统框图 山东大学硕士学位论文 2 4 空瓶检验系统人机界面 空瓶检验系统智能检测软件平台是运行在监控计算机上的监测与控制软 件，汇总来自图像处理器、可编程逻辑控制器等的系统运行数据，实现对空瓶 检验系统的监控，能够通过人机界面实现对整个系统关键信息的浏览与修改， 管理各检测单元的工作。提供以下功能界面： ( 1 ) 空瓶瓶口、瓶底、瓶壁及残留液检测模块实时图像显示； ( 2 ) 各模块检测数据显示； ( 3 ) 视觉检测部分光源参数调整； ( 4 ) 各检测模块灵敏度调整、相关数值设定、更换不同瓶型的图像处理程序、剔 除器状态设置； ( 5 ) 实时数据、历史数据的添加、删除、查询； ( 6 ) 故障诊断及报警。 人机界面总体结构如图2 - 6 ，图2 7 中a , b ，c 检测单元模块最左侧显示检测 图像，且可以在右侧操作区域实现原始图像、处理图像、合格瓶图像、不合格 瓶图像之间实时显示切换，右侧区域还有检测结果显示和检测灵敏度调整区域。 图2 - 6 程序总体框图 山东大学硕士学位论文 = j z 口一 _ i i e 日口日 g i i l a ) 瓶口检测界面b ) 瓶底检测界面 j e i 嗍口= i = _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - l l 一 m o l l - i i i 、】 f j _ - _ c ) 瓶壁检测界面d ) 残留液检测界面 f 口e _ _ _ _ - l _ _ _ - - l - _ _ dt 口_ _ _ l _ - 。i _ l _ _ _ _ _ - - l _ _ i 一 】_ _ 一 。 j 一 i + ， 1 - 一 c 一 一 。一 d ) 剔除器功能选择四向 2 5 实时、高速的机器视 e ) 仂殳数据四血 图27 系统人机界面 党系统 系统要达到7 2 0 0 0 瓶j b 时的检测速度，实现系统的实时高速是设计关键。 每一时刻系统的瓶口、瓶底、入l 瓶壁检测、出口瓶壁检测、残留液检测、不 合格瓶剔除部是并行进行的。这意味着每个瓶的平均处理时问是5 0 m s ，且系统 山东大学硕士学位论文 各模块并行处理过程中，监控计算机还要提供实时显示及人机交互。系统通过 巧妙的硬件集成配合快速高效的软件算法实现了该目标。 2 5 1 合理配置的硬件 图像采集部分的光源、镜头、相机、图像采集卡、监控计算机、可编程逻 辑控制器都是经过精心设计和选型的。设计合理的照明系统能够突出被检测物 体和背景之间的差异，大大简化后续图像处理算法，进而提高检测精度；选择 高灵敏度、较宽动态范围、高信噪比特性并且支持逐行扫描、高速电子快门和 异步触发方式的c c d 相机，配合具有合适焦距、工作距离、视野高度和相机 有效成像面高度的镜头保证了最佳成像效果，保证了高速运动下瓶图像清晰无 拖尾；支持异步触发功能的图像采集卡，实现了图像采集和图像数据传输的并 行进行；高速的可编程逻辑控制器确保控制系统的快速性和实时性。所有硬件 集成度高、速度快且配合“默契”，为软件算法提供了一个坚实的平台。 2 5 2 快速高效的软件算法 1 ) 图像处理算法：根据瓶各部分的成像特征，确定能反映瓶各部分特征的 区域形状，并将这部分区域确定为检测区域，开发快速准确的算法跟踪检测区 域，后续的图像处理算法仅运用在检测区域上，大大减少了处理像素数目，进 而节省了一部分图像处理时间；对比多种图像处理算法的精度和速度，开发了 空瓶各部分的专用处理和识别检测算法，保证达到精度和速度的最佳状态。 2 )