（控制理论与控制工程专业论文）基于机器视觉的在线空瓶检测系统的研究与开发.pdf

原创性声明 i i l l l ll ll l l l l l11l1 11 1 1 1 1u i y 17 9 12 2 0 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，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：量玺墅 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：监导师签名：孕挈乒一日期：趔 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 发展现状3 1 3 论文主要工作5 第2 章空瓶检测系统硬件设计7 2 1 系统的设计目标7 2 2 系统整体结构综述8 2 2 1 机器视觉概述8 2 2 2 系统整体结构与工作流程1 l 2 3 图像采集与处理部分硬件设计1 2 2 3 1 光源1 2 2 3 2 镜头15 2 3 3 相机17 2 3 4 采集卡1 9 2 3 4 图像处理器2 0 2 4 运动控制部分硬件设计2 l 2 5 本章小结2 3 第3 章空瓶检测系统软件设计2 4 3 1 机器视觉软件开发方法的选择2 4 3 2 图像采集与处理部分软件设计2 5 3 2 1 多线程技术简介2 6 3 2 2 软件结构2 7 山东大学硕士学位论文 3 2 3 线程同步2 8 3 3 运动控制部分软件设计3 0 3 4 图像处理部分与运动控制部分通信设计3 2 3 5 本章小结3 5 第4 章空瓶图像处理方法3 6 4 1 引言。3 6 4 2 关键图像处理技术3 7 4 2 1 对比度增强3 7 4 2 2 图像去噪3 7 4 2 3 边缘检测3 8 4 2 4 圆拟合方法3 9 4 2 5 阈值分割4 2 4 2 6 连通性分析4 4 4 3 瓶口缺陷检测4 6 4 3 1 瓶口成像特点4 6 4 3 2 瓶口缺陷检测步骤4 8 4 3 3 旋转扇形扫描法判断完整圆环4 9 4 3 4 改进的密集度分析法判断缺陷5 l 4 4 瓶底缺陷检测5 2 4 4 1 瓶底成像特点5 2 4 4 2 瓶底缺陷检测步骤5 3 4 5 瓶壁缺陷检测5 5 4 5 1 瓶壁成像特点5 5 4 5 2 瓶壁缺陷检测步骤5 6 4 6 本章小结5 8 第5 章软件优化与整机测试5 9 5 1 软件优化5 9 山东大学硕士学位论文 5 2 整机测试6 2 5 - 3 本章小结6 5 第6 章结论6 6 参考文献6 8 致谢7 1 攻读学位期间主要研究成果7 2 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) “i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) ”i i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h 1 1 2t h es t a t u so ft h eo n l i n ee m p t yb o t t l ei n s p e c t i o n ”3 1 3m a i nc o n t e n to fs u b j e c tr e s e a r c h 一5 c h a p t e r2h a r d w a r ed e s i g no fe m p t y b o r i ci n s p e c t i o ns y s t e m ”7 2 1f o u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h es y s t e m 一7 2 2s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e 8 2 2 1s u m m a r yo f m a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y 8 2 2 2s 乜佻t i l r eo f t h i ss y s t e ma n dt h ew o r kf l o w 1 1 2 3h a r d w a r ed e s i g no f i m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s u r l i t 1 2 2 3 1l i g h ts o u r c e 一1 2 2 3 2l e n s 1 5 2 3 3c 锄e r a l 1 7 2 3 4a c q u i s i t i o nc a r d 1 9 2 3 4i m a g ep r o c e s s i n gu n i t - - 2 0 2 4h 莉w a r ed e s i g no f m o t i o nc o n t r o lu n i t 2 1 2 5s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 2 3 c h a p t e r3s o f t w a r ed e s i g no f e m p t yb o r i ci n s p e c t i o ns y s t e m 2 4 3 1t h ee h o i c eo f s o f t w a r ed e v e l o p m e n tm e t h o d o f t h ei n s p e c t i o ns y s t e m 2 4 3 2s o f t w a r ed e s i g no fi m a g ea c q u s i t i o na n dp r o c e s s 2 5 3 2 1i r l 仃o d u c t i o no f m u l t i t h r e a dt e c h n o l o g y 2 6 3 2 2s t n l c n l r eo f s o f t w a r es y s t e m 2 7 山东大学硕士学位论文 3 2 3s y n c h r o n i z a t i o no f t h r e a d s 2 8 3 3s o f t w a r ed e s i g no f m o t i o nc o n t r o lu n i t 3 0 3 4c o m m u n i c a t i o no fi m a g ep r o c e s su n i ta n dm o t i o nc o n t r o lu n i t 3 2 3 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 3 5 c h a p t e r4m e t h o d so f e m p t yb o t t l ei m a g ep r o c e s s 3 6 4 1i n t r o d u c t i o n 3 6 4 2c o r et e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s 3 7 4 2 1i m a g ee n h a n c e m e n t 3 7 4 2 2i m a g ef i l t e r 3 7 4 2 3e d g ed e t e c t i o n 3 8 4 2 4f i t t i n gc i r c l e s 3 9 4 2 5t h r e s h o l d i n g 4 2 4 2 6c o n n e c t i o na n a l y s e 4 4 4 3i n s p e c t i o no f b o t t l em o u t h 4 6 4 3 1f e a t u r e so f b o t t l em o u t hi m a g e ：4 6 4 3 2s t e p so f b o t t l em o u t hi n s p e c t i o n 4 8 4 3 3r o t a r yf a n s h a p e dm e t h o d 4 9 4 3 4m o d i f i e dd e n s i t ym e t h o d 51 4 4i n s p e c t i o no f b o t t l eb o r o m 5 2 4 4 1f e a t u r e so f b o t t l eb o r o mi m a g e 5 2 4 4 2s t e p so f b o t t l eb o t t o mi n s p e c t i o n 5 3 4 5i n s p e c t i o no f b o t t l eb o d y 5 5 4 5 1f e a t u r e so f b o t t l eb o d yi m a g e 5 5 4 5 2s t e p so f b o t t l eb o d yi n s p e c t i o n 5 6 4 6s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 5 8 c h a p t e r5o p t i m i z i t i o no fs o f t w a r ea n dt e s to f t h es y s t e m 5 9 5 1s o f t w a r eo p t i m i z i t i o n 5 9 v 山东大学硕士学位论文 5 2t e s to f t h es y s t e m 6 2 5 3s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 6 5 c h a p t e r6c o n c l u s i o n 6 6 r e f e r e n c e s 6 8 t h a n k s 7 1 m a i nr e s e a r c hr e s u l t sd u r i n gp o s t g r a d u a t e 7 2 山东大学硕士学位论文 摘要 随着国家对食品安全的日益重视，啤酒生产企业对啤酒质量也愈发重视， 很多啤酒生产企业在灌装生产线上使用了各种在线检测设备以确保啤酒的质 量。在线空瓶验瓶系统是在灌装前对空瓶缺陷和异物进行检测的设备。传统的 灌装前啤酒瓶检验方式是人工灯光检验，这种方式效率低、精度差、检验人员 易疲劳难以保证检测质量。机器视觉检测技术在国外已经发展到比较成熟的阶 段，而国产机器视觉检测设备的研发还在起步阶段，因此目前国内市场上的在 线空瓶检测系统主要还是依赖进口。然而进口设备价格昂贵，后期维护费用高， 同时因为不能很好的适应我国啤酒瓶回收瓶占多数的现状，检测效果不是很理 想。本课题的目的就是研发一套既适合我国国情，又拥有完全的自主知识产权、 低成本的在线空瓶检测系统。 在线空瓶检测系统是集机器视觉、精密机械、实时控制于一体的高速在线 检测设备，要求各部分精密配合，互相协调才能达到预期检测效果。其主要技 术包括光学、机器视觉、图像处理、计算机控制、变频调速等。为了完成该系 统的设计和开发，本课题主要包括如下工作： 根据在线空瓶检测系统的功能要求，设计机器视觉硬件系统架构。首先设 计了双c p u 卡的高配置双系统工控p c 作为核心处理和控制单元，然后分别对瓶 口检测、瓶底检测、瓶壁检测所要用到的光源、镜头、相机以及采集卡进行了 详细的理论分析和合理的选型，最后根据运动控制部分的功能要求，本课题设 计了基于数据采集卡和运动控制卡板卡的运动控制架构。 在硬件系统搭建成功的基础上，对整个系统的软件系统进行设计与开发。 在v i s u a lc + + 软件开发环境中，利用c + + 语言的封装性和继承性的特点开发了整 个软件系统，包括基于多线程技术的图像采集和图像处理软件以及基于板卡开 发技术的运动控制软件，并对两部分软件的通信方式进行了设计与实现。 对空瓶图像处理算法进行了研究以及代码实现。首先本课题研究了能够应 用于在线空瓶检测系统空瓶图像处理的关键图像处理技术，然后根据空瓶图像 各个部分的成像特点划分了检测区域以及实现了各个检测单元的缺陷检测步 山东大学硕士学位论文 骤。在这过程中，提出了一些创新性的空瓶图像处理算法，包括旋转扇形扫描 法判断整圆、改进的密集度分析法判断缺陷、以及瓶壁图像快速定位法等。 对软件优化方法进行了研究。合理地利用全局变量、多线程技术以及 w i n d o w s 消息机制可以有效地优化软件系统。提出样机的测试方法，并根据检 测标准详细地记录了测试数据，并对测试数据进行了分析。 通过机器视觉软硬件系统研究与设计以及在试验平台上对样机进行的大量 测试，证明了本文提出的集光机电于一体的在线空瓶检测系统结构合理、性能 稳定，各项指标已达到或超过预期目标。 关键词：机器视觉；图像采集；图像处理；特征识别；多线程 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sb e e rf a c t o r i e sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h eq u a l i t yo fb e e r ， a n da l s oo u rc o u n t r yp a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h es a f e t yo ff o o d ，t h e r e f o r e n u m e r i c a lb e e rf a c t o r i e su s ev a r i o u si n s p e c t i o ne q u i p m e n t st oe n s u r et h eb e e rq u a l i t y t h eo n l i n ee m p t yb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mi sa ne q u i p m e n tt oi n s p e c td e f e c t sa n d f o r e i g n m a t t e r sb e f o r ef i l l i n g t h et r a d i t i o n a lm e t h o di sm a n u a li n s p e c tu s i n g l i g h t i n g ，w h i c hh a sl o we f f i c i e n c y ，b a dp r e c i s i o na n da l s ow o r k e r sw o u l db et i r e d e a s i l y ，s oi tc a n n o te n s u r ei n s p e c t i o nq u a l i t y m a c h i n ev i s i o ni n s p e c t i o nt e c h n i q u e i sm a t u r ei na b r o a d ，b u ti ti sj u s to nt h ew a yi no u rc o u n t r y ，s ot h i sk i n do f e q u i p m e n ti sd 印e n do ni m p o r t t h e s ei m p o r t i n ge q u i p m e n t sa r ea l w a y se x p e n s i v e ， a n da tt h es a m et i m et h e ya l en o ta d a p tt ot h er e u s e db o t t l e si nc h i n a , w h i c hm e a n s t h er e s u l ti sn o ts a t i s f i e d t h et a r g e to ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ha n dd e v e l o pa n o n l i n 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 h i c hn o to n l yh a sl o wc o s tb u ta l s os a t i s f i e s t h er e q u i r e m e n to fo u tc o u n t r y ss i t u a t i o n t h eo n l i n ee m p t yb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mi sh i g h s p e e do n l i n ei n s p e c t i o n e q u i p m e n tw h i c h c o m b i n e sm a c h i n ev i s i o n ，p r e c i s em a c h i n e r ya n dr e a l t i m ec o n t r 0 1 e a c hp a r ti s r e q u e s t e dt o c o o r d i n a t e p r e c i s e l ya n dm u t u a l l y t oa c h i e v et h e a n t i c i p a t e di n s p e c t i o ne f f e c t i t sm a i nt e c h n o l o g yi n c l u d e so p t i c s ，m a c h i n ev i s i o n ， i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e rc o n t r o l ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds oo n t h em a i n w o r k so ft h i sp a p e ra r ca sf o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h eo n l i n ee m p t y b o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e m ，t h i s p r o j e c td e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fm a c h i n ev i s i o nh a r d w a r es y s t e m f i r s to fa l l ，t h i s p r o j e c tu s e d a ni n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e rw i t ht w oc p uc a r da st h ec e n t r a l p r o c e s s i n ga n dc o n t r o l l i n gu n i t t h e nt h r o u g ht h e o r ya n a l y z i n g ，l i g h ts o u r c e ，l e n s ， c a m e r aa n di m a g ea c q u i s i t i o nc a r dw e r es e l e c t e d ，a n dw e r eu s e di nb o t t l em o u t h i n s p e c t i o n ，b o t t l eb o t t o mi n s p e c t i o na n db o t t l eb o d yi n s p e c t i o n a tl a s tt h i sp r o j e c t d e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fm o t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n ad a t aa c q u i s i t i o nc a r da n d i i i 山东大学硕士学位论文 am o t i o nc o n t r o lc a r d a f t e r f i n i s h i n g t h ew h o l ed e s i g no fh a r d w a r e ，t h i s p r o j e c td e s i g n e da n d d e v e l o p e dt h em a c h i n ev i s i o ns o f t w a r es y s t e m i nv i s a u lc + + d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta n db yu s i n gc + + l a n g u a g e ，t h ew h o l es o f t w a r es y s t e mw a sd e s i g n e d ， i n c l u d i n gi m a g ea c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n gs o f e w a r e b a s e do nm u l t i t h r e a d t e c h n i q u e ，m o t i o nc o n t r o ls o f t w a r ea n da l s od e s i g n e dt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e b e t w e e ni m a g ep r o c e s s i n g p a r ta n dm o t i o nc o n t r o lu n i t t h i sp r o j e c tr e s e a r c h e dt h ee m p 够b o t t l ei n s p e c t i o n a l g o r i t h m sa n dr e a l i z e d t h e m f i r s to fa l l ，t h ec o r ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e sw e r er e s e a r c h e d ，w h e r ew e r e u s e di ne m p t ) ，b o t t l ei n s p e c t i n gs y s t e m t h e na c c o r d i n gt oi m a g ef e a t u r e si ne v e r y i n s p e c t i n gu n i t ，w ed i v i d e dt h ei m a g ei n t os e v e r a li n s p e c t i n ga r e a sa n dp r o v i d e d s t e p st op r o c e s si m a g e si ne v e r yu n i t t h i sp r o j e c ta l s op r o v i d e ds o m eo fc r e a t i v e a l g o r i t h m si ne m p t ) rb o t t l ei m a g ep r o c e s s i n g ，s u c ha sr o t a r yf a n s h a p e dm e t h o df o r 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着中国经济的发展，个人收入不断增加，生活水平不断提高，啤酒饮料 销量也随之增多。经济低迷仍没挡住世界人民饮酒的兴致，2 0 0 8 年世界主要国 家的啤酒产量均创下新高【l 】，连续7 年占据首位的中国，更是突破了4 0 0 0 万千 升大关。麒麟控股公司公布的调查结果称，2 0 0 8 中国的啤酒产量同比增长5 5 ， 连续七年第一，虽然受到原材料价格上涨以及世界金融危机的影响，但2 0 0 8 年仍然突破4 0 0 0 万千升大关，比位居第二的美国高出1 8 0 0 多万千升。预计从 2 0 1 0 年开始，我国啤酒行业将迎来较好的发展机遇：国民经济持续快速发展和 城市化水平的提高、西部大开发、振兴东北老工业基地和大力发展国家基础产 业等重大发展战略都为啤酒行业的快速发展创造了有利条件。今后我国啤酒生 产增长率还会维持在一个较高的水平，啤酒行业将达到和超过1 0 0 0 亿元的销售 收入。庞大的啤酒销售市场使得国内啤酒生产企业对啤酒瓶的需求量巨大，我 国每年需要近3 2 0 7 亿只啤酒瓶。经济利益驱使啤酒厂首先选择使用回收瓶， 大量的啤酒瓶中新瓶仅占2 0 左右，其余8 0 为回收瓶，不仅如此，对新瓶压 价厉害，也致使啤酒瓶的质量不高。因此对啤酒瓶的检测是啤酒生产过程中一 个很重要的环节。 随着国家对食品安全越来越重视，啤酒生产企业对啤酒的质量也愈发重视， 很多啤酒生产企业在灌装生产线上使用了各种在线检测设备以确保啤酒的质 量。传统的灌装前啤酒瓶检验方式是人工灯光检验如图1 1 所示，由工作人员 在传送带旁边肉眼查看。这种方式效率低、精度差、检验人员易疲劳难以保证 检测质量，尤其在高速灌装生产线上，检验人员无法对速度高达3 4 万瓶d , 时 的生产线上所有啤酒瓶进行全面认真的检查，只能对面积较大的瓶身进行检查， 瓶口和瓶底无法检测，导致部分不合格啤酒流入市场，不仅影响企业形象，还 会损害消费者利益。 山东大学硕士学位论文 图1 - 1 传统人工灯光检测 在一些国家，啤酒生产厂家对清洗之后的空瓶进行严格的检测己成为十分 重要的规范，并且在没有检测设备的条件下进行灌装生产，也不符合食品卫生 法的规定。因此啤酒灌装前的自动检测设备越来越受到啤酒企业尤其是具有大 规模生产能力的啤酒企业的青睐。 随着计算机技术和检测技术的发展，最近几年在线自动检测技术得到了快 速的发展，基于机器视觉的在线自动化检测技术作为一种新的技术也得到了较 大发展。目前市场上已经出现了许多成熟的机器视觉检测设备。机器视觉检测 设备特别适用于大批量高速度生产过程中的测量、检查和识别。目前，它已在 汽车制造、机械加工、电器和电子工业、塑料加工和印刷、医药和食品生产中 有了广泛应用，并且有许多基于机器视觉技术的空瓶自动检测系统已经被广泛 应用于啤酒生产线上。人工检测与机器视觉自动检测的比较如表1 1 所示。 表1 - 1 人工检测与机器视觉自动检测的比较 2 人工灯光检测机器视觉自动检测 速度慢速度快 易出错高精度、高可靠性，不易出错 易疲劳、有情绪，不易保持检测效果检测效果稳定，可2 4 小时不停检测 检测环境要求高适于多种的检测环境 不易实现信息集成 可实现信息集成 人工成本高使用成本低 山东大学硕士学位论文 由表1 1 我们可以看到，与传统的人工灯光检测相比，机器视觉自动检测可 以满足高速检测的要求，并且检测精度高、可靠性高、可2 4 d , 时不间断检测。 目前，空瓶检测中已越来越多的使用机器视觉检测技术。 机器视觉检测技术在国外已经发展到比较成熟的阶段，而在国内才刚开始 发展几年，国产机器视觉检测设备的研发也还在起步阶段，因此目前国内市场 上的在线空瓶检测系统主要还是依赖进口。然而进口设备价格昂贵，后期维护 费用高，同时也因为不能很好的适应我国回收瓶占多数的现状，检测精度不是 很理想。虽然国内已经有一些单位在进行空瓶检测设备的研发，甚至有些样机 已经应用到啤酒厂，但是其检测精度不高，又由于大多都是购买图像检测单元 和图像处理算法进行系统集成，不仅自主知识产权程度低，设备研发成本也很 高，因此研发一套即适合我国国情，同时又拥有完全的自主知识产权和低成本 的在线空瓶检测系统显得非常重要。 1 2 发展现状 空瓶检测技术在国外已经有了较成熟的发展【2 】。早在1 9 5 8 年，美国工业动 力有限公司( i n d u s t r i a ld y n a m i c si n c 简称i d 公司) 推出了世界上第一台空瓶检 测系统并安装在可口可乐的北美州工厂中，之后数万套不同厂商的空瓶检测系 统被安装在世界各地不同的工厂中。 目前空瓶检测系统在国外灌装生产线上的应用非常广泛。设备品牌主要有 德国克朗斯( k r o n e s ) 、德国海富( h e u f t ) 、德国米灏( m i h o ) 、美国飞达( f i l t e c ) 等。 德国k r o n e s 空瓶检测系统德国m i h o 空瓶检测系统 图1 2 国外空瓶检测系统 山东大学硕士学位论文 在空瓶检测方面长期的应用技术积累使国外企业掌握着较为先进的检测技 术，然而国外设备价格昂贵、售后服务费用高，国内多数中小啤酒厂无力承担 高昂的设备投入和后期的维护费用，而且国内大多数啤酒厂使用回收瓶进行啤 酒灌装，使国外高精度空瓶检测系统无法达到理想效果，因此国外的空瓶检测 系统在国内中小企业和大量利用回收瓶的啤酒厂的推广应用较少。 我国啤酒厂家对在线验瓶设备的需求和进口设备的不足推动了国内在线空 瓶检测设备的研究和发展。国内的在线空瓶检测技术的研究主要集中在一些高 校和单位，他们在空瓶图像处理方面开展了一些研究工作。但是多数还处在理 论研究阶段，虽然有少数样机也投到啤酒厂，但是其研发方式主要是通过购买 昂贵的图像处理软件和相关设备进行系统集成，自主知识产权程度低、成本高， 整台检测设备价格较贵，无法广泛的应用于中国的啤酒企业。目前进行这方面 研究的国内高校主要有湖南大学、浙江大学、北京工业大学等，但未见产业化 实例；国内也有几个设备生产企业尝试开发此类产品，广州轻工集团、北京赛 腾动力科技有限公司、启科( 上海) 自动化系统有限公司、广州大元实业有限公 司已经制造出样机，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。 目前国内外研究开发的在线空瓶检测系统主要分为基于p c 机、基于d s p 和基于智能相机的三种结构【3 】。基于p c 机的检测系统采用图像采集卡和c c d 相机或数字相机对空瓶图像进行采集，通过对瓶子图像的处理判断瓶子是否合 格；基于d s p 板卡式检测系统通过d s p 功能模块来完成图像的采集与处理， 这样可以大幅度提高处理速度又可采用较好的算法提高检测精度；基于智能相 机的嵌入式检测系统，其图像的采集、传输和处理都由智能相机完成，具有处 理速度快、集成度高的特点，但在二次开发上受限较多。目前国外空瓶检测系 统主要采用第二种结构，即基于d s p 的板卡式系统。从研发的成功率、成本和 性能稳定等方面考虑，本系统采用基于p c 机的结构，并且采用了数字相机。 4 山东大学硕士学位论文 1 3 论文主要工作 本课题放弃使用国外产品系统集成的技术路线，而是为了研制具有自 主知识产权并具有市场竞争力的设备，采用硬件平台、软件架构以及图像 处理算法完全自主开发的技术路线。本系统以高性能工控p c 作为核心硬件 设备，以v i s u a lc + + 作为软件开发环境，以c + + 作为开发语言，在完成整套 机器视觉系统的硬件设计和搭建工作的基础上，研究开发了高效的软件架 构和快速精确的图像处理算法并用c + + 语言实现了所有算法程序。本论文 的工作内容主要如下： 1 设计空瓶检测硬件系统。根据在线空瓶检测系统的总功能要求和性能指 标，设计了图像采集和处理部分硬件以及运动控制部分硬件，并针对实时精 确的系统要求，搭建了满足系统要求的硬件平台。 2 设计空瓶检测软件系统。根据多线程技术原理，设计了多系统、多线程 的软件结构，实现了图像采集和图像处理的快速执行，并实现运动控制部 分对缺陷瓶的准确剔除，同时设计了图像处理部分与运动控制部分的通信接 口以及通信软件。 3 研究空瓶图像处理方法。由数字图像处理的概念出发，研究了空瓶数字图 像处理的关键技术，然后根据瓶口、瓶底和瓶壁的成像特点，划分了合理的检 测区域，并提出了针对各个检测单元的检测方法和步骤。在这过程中，创新性 地提出了部分空瓶图像处理算法：旋转扇形扫描法可快速准确地判断圆环是否 完整，改进的密集度分析法可根据数学形态学原理判断连通域是否为缺陷。这 些算法即实用又高效，满足应用要求。 4 研究提高软件系统的稳定性和快速性的方法。论述了软件优化方法，合理的 利用全局变量、多线程技术以及w i n d o w s 消息机制可以有效地优化软件结构， 提高软件系统的稳定性和快速性。 5 样机测试。根据本课题提出的样机测试方法，对样机进行测试，提供了详细 的检测标准和测试数据，通过测试结果和数据的分析可见，本课题研究开发的 在线空瓶检测系统完全实现了系统要求，在检测指标和检测速度上达到了本系 统的设计目标。 山东大学硕士学位论文 最后总结了本论文的主要内容，并在论述本论文主要工作的基础上，提出 了进一步提高本系统性能的研究方向。 山东大学硕士学位论文 第2 章空瓶检测系统硬件设计 在线空瓶检验系统是在当今食品饮料包装行业对食品安全的要求日益提高 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设备，各部分协调配合，共同构成一个有 机整体。 2 1 系统的设计目标 本课题以目前市场上成熟的在线空瓶检测系统的性能指标 4 1 作为本系统的 研发标准，从实用、稳定、可靠、低成本、高自主知识产权的角度出发，制定 了本检测系统的功能要求： 1 瓶口检测单元 ( 1 ) 能够准确检测瓶口密封面上长为密封面宽度，宽为2 m m ，深度为2 m m 的 破损； ( 2 ) 能够准确检测瓶口3 m m x 3 m m ，深度为2 m m 的外缘缺口； ( 3 ) 能够准确检测瓶口3 m m x 5 m m ，深度为2 m m 的内缘缺口； ( 4 ) 能够准确检测瓶口密封面有瓶盖的情况； ( 5 ) 瓶口不合格瓶的检出率9 9 以上。 2 瓶底检测单元 ( 1 ) 能够检测瓶底中心至防滑纹内侧圆形区域最小尺寸为2 m m x 2 m m 的污损； ( 2 ) 能够检测瓶底含有防滑纹的圆环区域中最小尺寸为3 m m x 3 m m 的污损； ( 3 ) 能够检测防滑区前直径l m m ，长 1 2 m m 白色棉线； ( 4 ) 瓶底不合格瓶的检出率为9 9 以上。 3 瓶壁检测单元 ( 1 ) 能够检测瓶身( 除瓶肩耐磨带处) 及瓶1 5 1 下方 l o m m 处最小尺寸为 3 m m x 3 m m 的污物； ( 2 ) 能够检测位于瓶底上方 2 5 m m 处4 x 4 m m 污物； 7 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 能够检测位于耐磨带上4 x 4 m m 污物( 注：耐磨带区域若有浮雕则检测 6 x 6 m m 污物) ； ( 4 ) 瓶壁不合格瓶的检出率为9 9 以上。 4 剔除控制单元： ( 1 ) 能够对不合格瓶进行定位、跟踪和准确剔除，能够对瓶底准确吹气； ( 2 ) 能够对异常情况造成的