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管制瓶综合参数图像检测系统的研究 摘要 机器视觉技术广泛应用于医药包装和食品加工行业，具有广阔的市场前景。同时， 国内的医用管制玻璃瓶检测行业属于新兴的领域，该需求使得采用机器视觉进行自动 检测成为当前研究的重要课题。本文介绍了机器视觉检测的原理、研究现状、发展趋 势和存在的问题，针对医用管制玻璃瓶检测的特点，制定了系统的总体设计方案，提 出了半封闭暗室漫射光照的照明方案，同时采用了由特征参数快速形成模板的部分特 征提取方法，模拟实现了医用管制玻璃瓶参数的检测。本文开展的主要研究工作如下： 介绍了机器视觉技术和玻璃瓶检测技术，搭建了p c + 采集卡+ 摄像机+ 照明系统 的硬件实验平台，重点提出了半封闭暗室漫射光照的照明方案，并验证了该系统 照明环境的实用性。 实验了图像滤波，增强，分割等多种经典算法，分析比较了各种算法的优劣，选 择了合适项目的维纳滤波、大津法分割、c a n n y 边缘检测等算法，并在p c 机上验 证了整套算法的可行性。 结合管制玻璃瓶的测试要求，采用模板匹配，h o u g h 变换等算法，提出了采用特 征参数快速形成模板的方法进行特征提取，特征检测，并对检测误差进行了分析， 提出减小误差的有效研究方向，为后期改进系统设计做了准备。 编写了应用界面，针对不同用户编写了适合生产的主界面和适合工程人员的图像 处理等分界面。 关键词：机器视觉：图像处理：管制瓶检测：暗室照明；模板匹配 r e s e a r c ho nt u b e - t y p eb o t t l ei n t e g r a t e dp a r a m e t e ri m a g e i n s p e c t i o ns y s t e m a b s t r a c t m a c h i n ev i s i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nm e d i c i n ep a c k a g i n ga n d f o o dp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s ，w h i c hw o u l df l o u r i s ht h em a r k e ti nt h ef u t u r e a n dm e a n w h i l e ， a s 锄e m e r g i n ga e a t h ei n s p e c t i o no fm e d i c a lt u b e - t y p eb o t t l ep r o d u c e sal a r g ed e m a n d i n l a n d , w h i c hl c a d sa u t o m a t i cd e t e c t i o nb a s e do nm a c h i n ev i s i o nt ob ea l li m p o r t a n ts u b j e e t o fo u rc u r r e n tr e s e a r c h a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft u b e - t y p eb o t t l ei n s p e c t i o n , t h i s p a p e rp r o p o s e dan e ws c h e m ef o rt h ew h o l et u b e t y p eb o t t l ei n s p e c t i o ns y s t e mt h a t i n c l u d e dad i f f u s i o ni l l u m i n a t i o nm e t h o di ns e m i - d o s e dd a r k r o o ma n dap a r t i a l c h a r a c t e r i s t i ce x t r a c t i o nm e t h e dt h r o u g hap a r a m e t e r _ m a d e t e m p l a t e n l e m a i n c o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r g l y ，m a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g ya n dg l a s sb o t t l ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yw e r e i n t r o d u c e d ，a n dat u b e - t y p eb o t t l ev i s i o ni n s p e c t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e db ya d o p t i n gp c ， a c q u i s i t i o nc a r dc a m e r aa n di l l u m i n a t i o ns y s t e m 1 1 嵋d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fad i f f u s i o n i l l u m i n a t i o nm e t h o di ns e m i c l o s e dd a r k r o o mw a sf o c u s e do ni nt h i sp a p e r s e c o n d l y , a f t e rc o m p a r i n gs o m ec l a s s i ca r i t h m e t i ci nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，w i n n e r f i l t e r 、o t s ua n dc a n n ye d g ed e t e c t i o nw e r ec h o s e na st h em a i na r i t h m e t i cw h i c hh a d p r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t yb yl o t so f e x p e r i m e n t s t h i r d l y , t e m p l a t em a t c h i n ga n dh o u g ht r a n s f o r mw e r ea d o p t e dt oc o m p u t et h e c h a r a c t e r i s t i co f t h et u b e - t y p eb o t t l e ，a n de r r o ra n a l y sw a sd o n e f i n a l l y , t h eg u iw a sd e s i g n e d , i n c l u d i n gm a i nw i n d o wa n dd i f f e r e n ti n t e r f a c ef o r d i f f e r e n tu s e r s k e yw o r d 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 ；t u b e - t y p eb o t t l ei n s p e c t i o n ；d a r k r o o m i l l u m i n a t i o n ；t e m p l e tm a t c h i n g 插图清单 图l 一1 自动视觉检测系统一3 图l一2抗生素管制瓶、安瓿瓶示例一7 图2 - - 1 系统框图一9 图2 2 照明缺陷图a , b 。c 一l o 图2 3 管制瓶检钡0 光照实验平台曲一1 3 图2 4 照明系统俯视图架构一一1 4 图2 5 照明系统正面图架构1 4 图2 - - 6b l 2 8 5 0 背光源和r l l 3 6 0 环形光源1 5 图2 - - 7 镜头计算示意图一2 0 图2 8 光源设计实验情景图2 3 图2 9 管制瓶检测实验系统平台a , b , c ，d 一一一2 4 图2 一l o 瓶身裂纹及瓶口缺陷拍摄一2 4 图3 1 检测算法流程2 6 图3 - - 2 背景差影法2 7 图3 3 中值滤波原理图一2 8 图3 4 低通滤波器处理框图一2 9 图3 5 维纳滤波各种模板比较3 0 图3 6 图像滤波的处理结果对比一3 1 图3 7 管制瓶图像及其直方图示例二一一3 2 图3 8 灰度直方图比较一3 3 图3 9 双峰法直方图一一一3 5 图3 一l o 各阈值分割算法在不同图像上的结果一一一一3 7 图3 一l l 阈值分割算法执行效能对比一一3 7 圈3 一1 2 分水岭算法过程一一3 8 图3 1 3s o b e l 算子模板a , b 一一3 9 图3 一1 4 算子模板a , b ，c 一3 9 图3 一1 5 各种边缘检测算法比较一一4 l 图4 1 管制瓶缺陷检测算法流程4 3 图4 2c 型医用管制瓶规格尺寸4 3 图4 3a 型，c 型医用管制瓶外形标准一4 4 图4 4 瓶身尺寸检测结果4 5 图4 5 模板图像a ，缺陷图像b ，放大缺陷图c 4 6 图4 6 瓶身面积周长检测结果4 7 图4 7 瓶口缺陷处理图a , b ，c ，d 一4 7 图4 8h o u g h 圆检测算法的取点图a , b 一4 9 图4 9 改进h o u g h 变换后瓶口内外径图a , b 一5 0 图4 一l o 瓶口模板5 l 图4 一l l 改进采集部分后整个系统的流程设计5 4 图4 一1 2 界面设计流程一5 8 图4 - - 1 3 主操作界面a , b 5 8 图4 一1 4 图像处理界面a 及相应界面菜单b 5 9 图卜1 5 图像处理界面运行显示图 图4 - 1 6 圆检测界面a , b 表格清单 表2 1 几种常用光源的性能比较 表2 _ 2o k _ a m l 5 0 0 摄像机特征参数列表 表2 _ 3 日本精工镜头s r l 2 5 7 5 特征参数列表 表3 1 c a n n y 算子梯度 表3 _ 2 边缘检测算子的性能比较列表 表4 - i 定标计算参数表 表4 2 实验室定标计算尺寸对应表 表4 3 生产线定标计算尺寸对应表 表4 - 4 测量值长度计算 表4 - 5 缺陷检测结果统计( 单位：只) 6 0 6 0 表4 _ 61 0 m l c 型8 7 管制瓶尺寸检测的实例统计结果( 单位：m m ) 5 7 ：!砣丝铊舛弱鲐弱铂 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金i b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表示谢意 一拌彦陟 签字日期：z 刁年月刃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g b 互些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金目b 王些盘 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一繇恋私y名：柳 签字日期：山司年月p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 首先感谢我的母校合肥工业大学对我的培养，7 年来，在计算机与信息学院各位 领导和老师的指导下，我从一名高中生成长为电路与系统专业的硕士生，这里的每一 间教室，每一条马路上，都留下我美好的回忆，跟着合肥工业大学一起成长的日子， 是青春的痕迹，今日我以学校为荣，明天会全力让学校以我为荣! 衷心感谢我的导师鲁昌华教授，他一直给予我们生活，学业，工作中全力的支持 和指导。尤其是在我忙碌的找工作期间，是他一直鼓励我，支持我，一边进行项目研 究，一边有条理的找合适自己的工作。本论文也自始至终都是在鲁老师的关心和指导 下完成的。鲁老师以他渊博的学识、求实创新的精神、严谨的治学态度深深的感染了 我们，使我们在求学的路上始终能健康成长，也激励我们在以后人生的道路中不断的 自我提高。在此，我对鲁老师对我的培养、教育、关心和爱护表示诚挚地感谢! 感谢合肥工业大学智能测试研究室的各位同学，他们给了我很多帮助和集体的温 暖，使我在一个团结、融洽、积极上进的氛围中学习和生活。同时要感谢本次项目的 参与者，汪济洲，蔡磊，刘浩同学以及相关的厂商，他们在本文研究中一些问题上与 我积极的沟通，并且给予了我积极的帮助。 感谢一直给予我无私关心和照顾的同学朋友们，在我远离家乡求学的七年里，他 们给予了我亲人般的关爱，帮我分担生活，学习，工作中的喜怒哀乐，并在论文撰写 期间给我的照顾和支持，使我能快乐、顺利地完成论文，这罩祝愿他们在未来的工作 生活中心想事成。 最后特别感谢我的家人，在外求学的7 年弹指一挥问，父母在我身上倾注了大量 的心血，这种含辛茹苦的爱、望女成风的期盼、远离身边的牵挂一直是我前行的强大 动力! 在毕业之期，衷心的祝福我的家人永远幸福，健康。 作者：李艳红 2 0 0 7 年6 月 1 1 机器视觉技术综述 1 1 1 机器视觉技术的概念【5 1 1 8 1 第一章绪论 美国制造工程师协会( s m e ) 机器视觉分会和美国机器人工业协会( r i a ) 自动 化视觉分会关于机器视觉的定义是：“机器视觉是使用光学器件进行非接触感知，自 动获取和解释一个真实场景的图像，以获取信息和控制机器或过程”。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。 机器视觉极适用于大批量生产过程中的测量、检查和辨识，如：零件装配完整 性，装配尺寸精度，零件加工精度，位置角度测量，零件识别，特性字符识 别等。 1 1 2 机器视觉技术的发剧1 8 】 机器视觉理论是在2 0 世纪5 0 年代从统计模式识别开始的，当时的主要工 作集中在二维图像分析和识别上。通常认为r o b e , s 在1 9 6 5 年发表的论文是计 算机视觉研究中的开拓性工作。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、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。g u z m a n 在图像理解中首先广泛利用启发式知识，他在1 9 6 8 年建 立的“s e e ”程序能把线画图分割成三维的物体。f a l 在1 9 7 2 年建立的i n t e r p r e t 程序利用模型来帮助对不完全线画图进行解释。1 9 7 7 年d a v i dm a r t 提出了不同 于“积木世界”分析方法的计算视觉( c o m p u t a t i o n a lv i s i o n ) 理论，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。 机器视觉系统的发展始于7 0 年代美国，采用了3 2 k 字节存贮器d e c l i s 1 1 计算机和有1 2 8 1 2 8 象素的c c d 摄像机1 9 7 3 年，美国自然科学基金会( n f s ) 制定了发展视觉系统和机器人的计划，并在斯坦福、普度等大学率先展开研究。 在日本，同期也展开了研究，并成功的将计算机视觉系统用于印刷电路板的质 量检测。2 0 世纪8 0 年代机器视觉系统进入发展正轨，2 0 世纪9 0 年代发展趋于成熟，2 0 世纪9 0 年代后高速发展。 在机器视觉发展的历程中，有3 个明显的标志点，一是机器视觉最先的应用来自 “机器人”的研制，也就是说，机器视觉首先是在机器人的研究中发展起来的；二是 2 0 世纪7 0 年代c c d 图像传感器的出现，c c d 摄像机代替硅靶摄像是机器视觉发展 历程中的一个重要转折点；三是2 0 世纪8 0 年代c p u 、d s p 等图像处理硬件技术的飞 速进步，为机器视觉飞速发展提供了基础条件 国内机器视觉发展真正开始起步是2 0 世纪8 0 年代，2 0 世纪9 0 年代进入发展期，加 速发展则是近几年的事情。中国正在成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一，其中 最主要的原因是中国已经成为全球的加工中心，许许多多先进生产线已经或正在迁徙 至中国，伴随这些先进生产线的迁徙，许多具有国际先进水平的机器视觉系统也进入 中国。未来机器视觉的发展将呈现下列趋势1 2 0 j ： 1 技术方面的趋势是数字化，实时化，智能化 图像采集与传输的数字化是机器视觉在技术方面发展的必然趋势。更多的数字摄 像机，更宽的图像数据传送带宽，更高的图像处理速度，以及更先进的图像处理 算法将会推出，将会得到更广泛的应用。这样的技术发展趋势将使机器视觉系统 向着实时性更好和智能程度更高的方向不断发展。 2 智能摄像机将会占据市场主要地盘 智能摄像机具有体积小，价格低，使用安装方便，用户二次开发周期短的优点， 非常适合生产线安装使用，越来越受到用户的青睐，智能摄像机所采用的许多部 件与技术都来自i t 行业，其价格会不断降低，逐渐会为最终用户所接受。因此， 在众多的机器视觉产品中，预计智能摄像机在未来会占据主要地位。另外，机器 视觉传感器会逐渐发展成为光电传感器中的重要产品。 3 机器视觉的市场份额迅速扩大 一方面已经采用机器视觉产品的应用领域，对机器视觉产品的依赖性将更强，另 一方面机器视觉产品将应用到其他更广的领域。在工业，科学研究，军事和民用 四大领域的应用将进一步扩展。 2 i 1 3 机器视觉技术的应用以及实现【2 1 l 机器视觉技术的应用领域非常广泛，可以分为：工业，科学研究，军事和民用四 大领域。 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4 类：产品质 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、汽车工业、半 导体材料生产、医疗设备、药品、食品生产、电子产品生产等等。 科学研究领域包括：材料分析、生物分析、化学分析、生命科学等。 军事领域包括：航天、航空、兵器( 敌我目标识别、跟踪) 及测绘。 民用领域有：智能交通、安全防范、文字识别、身份验证等。 机器视觉技术的实现是随着图像处理理论，电子技术和自动化技术的发展一道发 展起来的。一般包括采集，分析和控制三个部分。采集的目的是采集到满足分析要求 的相应质量的图像，这是机器视觉的基础。分析包括图像增强和处理，其目的是按照 机器视觉最终的功能要求，对采集到的图像进行分析处理，然后输出结果，这是机器 视觉系统的核心。控制分为输入和输出控制，包括控制机器视觉系统本身，以达到准 确采集图像的目的，也包括根据图像处理与分析的结果，输出信号，驱动相应机构， 实现机器视觉系统的功能。 图l 一1 自动视觉检测系统 机器视觉技术实现的器件一般包括：光源，光学系统( 镜头) ，摄像机，图像采 集卡，计算机( 或图像处理系统) ，图像处理软件，输入与输出控制，执行机构等， 见图l l 。整个实现过程可以描述为，机器视觉系统在控制命令下，首先采用 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 摄像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，根据象素分布和亮度、颜色等信息，转变成 数字信号；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、合格，不合格、有无等，最终用于实际检测、测量和控 制。 3 1 1 4 机器视觉技术面临的闯题嗍 由于机器视觉技术是集合光、机、电和图像处理理论一起的综合技术，因此 它的发展依赖于这些技术的成熟发展。 在图像处理理论方面，边缘提取和阈值分割又是机器视觉应用在检测领域中 的重点研究内容。边缘检测概念在1 9 5 9 年c a n n y 最早提出了边缘检测的连续 原则。d e m i g n y 在理论分析和实验的基础上给出了边缘检测的离散准则，并证 明在离散准则c a n n y 提出的第三个准则可以被阈值操作所取代。同时，每年 都有许多边缘检测算法出现，如基于梯度的r o b e r t s ，s o b e l 和p r e w i t t 算子，基于 二阶导数的l a p l a c i a n 算子，基于形态学的边缘检测，基于小波变换的边缘算 子等。阈值分割的大部分研究在阈值的确定上，到现在尚无通用的理论。现在 应用得比较广泛的有迭代法、0 t s u 法、小波阈值分割等。所有阈值方法都是 根据具体应用来选取使用，同时机器视觉系统的大脑一一软件理论技术如多线 程技术、a c t i v e x 、动态链接库等的完善，使机器视觉系统智能化程度更高。应 用中因地制宜的选择算法，并开发出性价比高的算法流程，就成为当前需要解 决的问题。 在电子技术和自动化技术方面，集成电路的发展使现在的机器视觉系统越 来越小，很多视觉系统已经设计成一个小型的视觉传感器就可以完成识别、测 量等功能。各种稳定性好、扩展能力强的控制器如p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r 可编程逻辑控制器) 、i 0 控制卡的发展，也使机器视觉系统的运动 和视觉协调更一致。c c d 和c m o s 芯片技术的性能增加相应地提高了图像采 集的速度和质量。目前机器视觉朝着两个大方向发展，一个是嵌入式，如传感器和 智能摄像机，另一个是基于p c 的采用板卡和s d k 的解决方案，这就要求我们一方面加 速电子业，自动化技术的发展，把高端技术应用在图像处理控制方向上，另一方面， 需要按照生产应用的不同需求，选取合适的设备，完成任务。 对于国内机器视觉技术，由于研究时间不长，虽然有一些成功的研究软件，但与 之配套的硬件设施还没有得到大力开发和试制，更谈不上大规模推广应用。因此还存 在许多需继续解决的问题，如国内研究的对象大多为静态的，不易受损的产品个体， 对快速运动的易受损的产品的无损检测分级及相关硬件设备还正在研究试制之中，另 外以前对产品研究最多的是单渠道单指标的分级，对产品品质进行全量检测多渠道同 时并行还是国内学者正在研究与攻克的难题之一。所以当前我们的任务是跟踪国际最 新动态，在充分利用国外已取得研究成果的基础上探索新的理论和方法，并大力发展 新型视觉处理硬件，大幅度提高处理速度，使机器视觉技术能够满足实时处理需求， 为我国现代化服务。 4 1 2 管制瓶视觉检测技术 1 2 1 管制瓶视觉检测技术发展1 5 0 l 现代工业自动化生产涉及到各种各样的检查、测量和零件识别等应用，这 类应用的共同特点是连续大批量生产、对外观质量的要求非常高。通常这种带 有高度重复性和智能性的工作只能靠人工检测来完成，经常在一些工厂的现代 化流水线后面看到数以百计的检测工人来执行这道工序，在给工厂增加巨大的 人工成本和管理成本的同时，仍然不能保证1 0 0 的检验合格率，即“零缺陷”。 现今的管制瓶生产速度可以达到2 5 3 0 瓶，秒，这种速度是人工检测根本 无法适应的。利用计算机视觉、模式识别及人工智能技术代替人工进行产品质 量检测能与自动生产线的生产速度很好配合；能避免人工检测中由于疲劳造成 的误检和漏检现象：能克服人的主观因素对于产品标准掌握的不良影响：能有 效地解放劳动力，因此管制品行业的产品自动检测势在必行。 在机器视觉理论基础上发展起来的机器自动视觉检测( a u t o m a t e dv i s u a l i n s p e c t i o n ，a v i ) 技术，以其非接触性，较高的精度和能够快速获得被测物体信息 等优点，满足了现代工业生产对检测的需求，医用管制玻璃瓶视觉检测技术属于 在工业产品生产中的一种基于玻璃材质的a v i 技术。 发达国家的玻璃制品行业目前应用了计算机在线自动检测设备。丹麦的一 家公司自1 9 9 1 年开始着手研制，目前已经开发成功了多种用于玻璃制品质量 检测的计算机视觉在线设备。检测的内容主要包括产品的外形尺寸检测( 高度、 直径、不规则度等) 及内部缺陷检测( 裂纹，气泡等) 。法国s g c c 国际公司 m 1 型全自动多功能玻璃瓶罐在线检测机1 9 9 8 年3 月曾在北京国际玻璃机械设 备展销会展出，倍受国内玻璃制品生产厂家的青睐。日本的a g r 国际公司研 制生产了功能较齐全的玻璃瓶罐生产和用于饮料灌装的在线自动检测设备。德 国的m i h o d a v i d 公司研制并生产了用于饮料工业的在线玻璃瓶检测系统。 国内在视觉方面的研究也已经多年，不过以前主要是做一些算法方面的研究。 都是针对特定的检测目标设计来具体解决问题的算法。如今国内一些公司和研究单 位开始转向实用型机器视觉系统的开发和研究。已经涌现了好几家机器视觉公司， 如北京大恒，深圳视觉龙，北京微视新技元等公司。 1 2 2 管制瓶视觉检测技术i h 题1 5 2 1 国内的管制瓶视觉检测行业属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的 普及不够，与国外同类产品相比较，国内厂家在管制瓶视觉检测技术上还是有很大 差距，开发的产品往往在精度和稳定性上不如国外同类产品，但价格上会优惠很多。 国内玻璃瓶视觉检测技术面临问题简述如下： 1 规格不一，通用性差。我国管制瓶除少数几种有国家统一标准外，大多数 规格千差万别，如瓶高、瓶底和瓶壁的厚度，以及玻璃瓶的垂直度等参数 指标都有较大的差异，管制瓶生产厂家通常根据厂家的要求进行生产，这 样就使得开发出的每一套测试设备通用性能差。 2 引进设备，价格昂贵。例如沧州四星玻璃公司引进意大利的z g 一3 5 管制瓶 标准自动检测线投资3 0 万美元。在检测功能上仅有对管制瓶的瓶口残缺进 行检测和对管制瓶内异物进行检测。若在目前拥有的十条生产线上都安装 进口检测线需投资3 0 0 万美元左右，价格昂贵。 3 精度和速度，难达到需求。从检测系统的硬件实现，到软件的设计，到光 源，采集，图像处理，机械控制，各个部分都直接影响着测量的精度和速 度。目前国内的管制瓶检测技术，大多集中在图像处理部分，对光源的设 计，采集系统的规划，机械设备的控制等都需要进一步的研究开发，我们 需要不断的学习国外的先进技术，开发出高精度，快速度的检测系统。 4 电子业的发展，制约着检测技术国产化。由于国内的电子业主体还在制造 加工上发展，核心l c 设计多数在国外。这就影响到国内检测技术研究人员 只能选择国外的现有产品来设计系统，检测技术全面国产化成为一个漫长 又挑战的过程。 在未来的几年内，国内管制瓶视觉检测的应用状况将由初期的低端转向高端，工 厂生产自动化将朝着更智能、更快速的方向发展，对机器视觉的需求也逐渐增多，管 制瓶视觉检测技术的应用也将进一步促进自动化技术向智能化发展。另外，由于用户 的需求是多样化的，且要求程度也不相同，个性化与通用性方案和服务在竞争中将日 益重要，即用特殊定制的产品来代替标准化的产品也是管制瓶视觉检测技术未来发展 的一个取向。 1 3 本文的研究背景 本文涉及到的医用管制瓶机器视觉检测系统是由沧州四星玻璃有限公司提 出的，也是合肥市重点科研计划资助项目， 编号：合科2 0 0 6 2 7 】。四星玻璃公 司主要从事各类医用管制瓶的研发、生产等业务，产品系列有7 m l 安瓿瓶，l o m l 6 1 型管制抗生素管制瓶，l o m l8 7 型抗生素管制瓶等( 统称医用管制玻璃瓶， 本文简称管制瓶) ，管制瓶具体形状见图l 一2 。 药品灌装生产前必须对管制瓶进行检测，把尺寸不合格，有瓶身瓶口缺陷的剔除， 才能进行药品的封装。而目前我国大多数玻璃器皿生产厂家还是采用人工对空瓶质量 进行检测，效率低下，速度慢，劳动强度大。所以，急需要开发一套医用管制瓶检测 装置实现空瓶的自动化检测。 6 图l 一2 抗生素管制瓶、安瓿瓶示例 管制瓶的检测具有如下特点： 1 材料是玻璃，具有光滑表面， 明部分要求扎常高； 2 管制瓶形状复杂，大小不一， 传统检测技术所不能解决的。 还有透明半透明特性，因此对检测设备的照 不利于实现接触方式检测，而非接触方式是 3 快速，高精度检测，需要在产线运动的状态下，2 5 瓶秒拍摄图像，处理图 像，明确给出判定结果。 4 。检测系统要求实时、在线，确保对过程实现全面控制，这就要求检测系统 的抗干扰能力非常强，才能提高生产效率和产品的合格率。 现在很多管制瓶生产线生产速度最快可以达到3 0 瓶秒，而最低分拣联动速 度8 0 0 0 瓶，班，由于前述检测特点，传统意义上的许多检测技术己不能满足要求， 需要开发新的产品检测技术。机器视觉技术相对于传统检测技术在检测领域中 的优点有：非接触、速度快、精度高、实时性强、现场抗干扰能力强等，完全 满足管制瓶缺陷检测的要求。本文即为根据机器视觉技术所具有的优点，因地 制宜的开发的一套检测系统。 1 4 本文的研究内容 本文从两方面着手，一方面设计照明系统，选择合适的光照设备，设计最 佳最经济的采集方案，得到优质的图像，为下一步简化图像处理流程做充分的 准备，另一方面，在计算机上通过大量实验对比，寻找合适的图像处理算法， 采用简单的特征值快速形成模板的方法，进行图像分析，得到图像的部分特征， 判断出缺陷，并在运行界面中给予明确显示，从采集到成功缺陷检测，构造一 套完整检测系统。 第一章绪论主要对机器视觉进行综述，从机器视觉的原理，发展趋势，应 用，实现到面临的问题进行分析，然后提出了与本文相关的管制瓶视觉检测技 术，概述了该技术的发展例程和面临的问题。 7 第二章主要讨论系统的总体设计框架，然后重点提出光源的设计方案。本 文作者在项目的准备中，曾与各视觉厂家沟通交流，通过研究、分析、实验各 个设备的规格标准，制定了采集方案，并提出了自己的照明方案，文中会详细 介绍各硬件设备( 包括图像采集设备，照明设备) 的选择原则以及设备参数配 置，重点是照明方案的分析设计。 第三章主要讨论针对所拍摄图像的预处理算法，包括图像的差影、滤波、 增强等算法，随后继续讨论图像分割、边缘检测的算法，通过大量的理论分析 和对比实验，选择最合适本检测系统的算法。 第四章主要对圈像进行特征提取，缺陷判断，误差分析，界面设计。特征 提取部分分瓶身和瓶口特征两部分进行，分别计算出瓶高，瓶底直径，瓶口内 径，瓶口外径，并判断是否符合规格。在缺陷判断部分，采用模板匹配法，分 别就瓶身瓶口的杂质，气泡，缺口，划痕等进行计算判断。误差分析部分，分 别就仪器和算法的精度，从定性和定量两方面进行分析。界面设计部分采用了 模块设计法，分块有层次的把整个系统综合起来。 第五章将总结全文的工作，并对今后应进一步完善的工作提出了一点建议。 由于在校时间有限，本文所作的研究是整个项目的前期工作，包括采集部 分照明系统的设计，图像处理算法的设计，以及检测算法的完成。在硬件方面， 作者只在实验室现有条件下验证了检测算法的可行性，并且在此基础上证明了 理论硬件的可行性软件方面的算法还有待进一步改进，机械联动装置部分还 需要深入研究，希望通过本文的研究能够为下一步完善系统的组建和实际应用 提供一定的借鉴作用。 8 第二章管制瓶在线视觉检测系统的设计 本章主要介绍医用管制瓶在线自动检测系统的总体设计框架，包括硬件设 计和软件设计流程。其中硬件设计主要为硬件设备的选择原则( 包括图像采集 设备，照明设备) 和设备参数。软件设计主要为图像算法处理流程和缺陷检测 过程。 工业优良检测系统设计应当满足以下技术要求： 1 实时性好，系统必须达到指定的检测速度2 5 瓶秒： 2 参数测量设定要求，可以根据不同类型瓶体设置不同参数，设定检测指标 精度； 3 系统扩展要隶，通过扩展的i o ，检测信号和控制执行结构。 根据以上技术要求，系统设计时需遵循以下原则：完整性原则，最大限度 的满足管制瓶生产中的检测要求；可靠性原则，整个系统必须具备一定的稳定 性；经济原则，系统实用成本低；扩展性原则，考虑生产工艺的改进，系统要 能改进升级。 2 1 总体设计框架 系统的总体硬件结构可以分为以下五个单元，照明单元，采集单元，图像 处理单元，机械单元和控制单元。机械单元主要完成现场设备的传动、定位、 次品分类击出等，控制单元主要完成系统的参数设定，检测计算结果获取、统 计分析，及对各单元通信的综合控制。本文主要讨论前三个单元，设计框架见 图2 1 ，其中由暗室，背光源和环光源构成了照明单元，分别拍摄瓶身和瓶口 的摄像机，镜头以及采集卡构成了采集单元，由计算机主体构成了图像处理单 元。 图2 一i 系统框图 针对采集对象是生产线上的管制瓶这一特点，本论文提出照明单元由三部 分组成，由暗室负责隔绝外界光的干扰，背光源主要负责对瓶身光照，环光源 负责对瓶口光照。暗室的设计和光源的选择将在本章的第二节中详细介绍。 9 采集单元中，本论文选用了采集卡和两台摄像机组合的采集方案，分别对 管制瓶的瓶口和瓶身进行拍摄，基于对项目精度和速度的考虑，采集设备的选 择标准将会在本章第三节中详细分析 图像处理单元属于检测算法类，算法优化和执行都在计算机上进行，分为 采集图像处理和图像特征检测两部分，分别在第三章和第四章中会详细阐述。 2 2 照明系统设计】 照明系统是机器视觉系统的一个重要因素，因为它直接影响输入数据的质 量和最后处理结果的精确度。由于没有通用的视觉照明设备，所以针对每个特 定的应用实例场合，选择相应的照明装置，以达到最佳效果。本节会从照明位 置，照明环境，光源选择三个角度分析，结合管制瓶照明特点，提出合适本项 目的照明设计。 2 2 1 照明问题分析 本文中研究对象是管制瓶，在图像采集过程中，它不仅存在一般物体照明 拍摄中会出现的光照不均，阴影等现象，还有其玻璃瓶表面光滑，透明或者半 透明状的特征。 图玉一2 照明缺陷图a , b , c 光滑物体在光照下的镜面反射光很强，使得面阵c c d 光敏面上的曝光量超 过其饱和曝光量，所成画面亮度失真，淹没所要检测的缺陷的信息，拍摄时， 具体表现为管制瓶局部反光太强，呈现不均匀的亮线或者亮点，如图2 2 。 在图2 2 a 中，瓶颈处照明呈现亮点：图2 2 b 中，不仅瓶颈处有亮点， 整个瓶身也照度不均，瓶身下部明显曝光过度；图2 2 c 中，由于光源位置的 不合适，瓶口拍摄形成阴影干扰，这些都直接影响后期的图像分割。所以透明 及半透明物体拍摄时，不仅要考虑物体透射，反射作用，还要考虑物体所处环 境，因为当照明透明的管制瓶时，实际上是在照明它周围的环境，环境稳定单 一有利于采集到清晰稳定的管制瓶图像，但在实际生产线上，背景和灯光照明 实时变化，这对管制瓶的成像质量影响非常大。 下面分别从照明位置，照明环境和光源类型三个方面来进一步分析。 2 2 1 1 照明位置 传统的照明按照光源相对于摄像机和被测物的位置可分为背向照明、前向 照明、环形照明等。 1 背向照明 背向照明也叫逆光照明，是被测物放在光源和摄像机之间，光照使背景变为 白色而显现出物体的轮廓，其优点是能获得高对比度的图像，但是对于透明 或半透明的物体，逆光效果并不好。正面逆光照明时，由于光照过强而无法 成像，改变背景也无效，产生这样结果是由于光照太强而且分布不均匀所致， 而太弱的光照强度又使成像不清，不能突出缺陷。所以要产生清晰的缺陷图 像必须使光源分布均匀，且要达到一定的光照强度。另外成像效果还要受光 源形状光照面积等多方面因素的影响。 2 前向照明 前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种方式优点是便于安装，但是拍 摄中，由于光照不均，会造成很明显的阴影，或者局部亮点亮线太多，直接影响 后期的边缘检测。 3 环形照明 环形光源可以提供充足的无阴影的照明，对于圆形瓶口的照明非常有效。环 形光源、偏振器和滤光片一起使用，可以进一步消除光泽表面的镜面反射。 2 2 1 2 照明环境 当今流行的表面检测系统一般采用两种不同的照明方式，一种是明室照明， 一种是暗室照明。 l ，明室照明 明室照明采用的一种是漫射光源照明，一种是平行光源照明。 漫射光源照明利用半透明磨砂玻璃罩、乳白罩或特制的格栅，使光线形成多方 向的漫射，其光线柔和可以消除阴影减少镜面反射，使一个区域得到均匀照 明，还可以扩大照明光线的覆盖范围。 平行光源是从c c d 取像常用的一种照明光源。由平行光管发射出的光束是 准平行的，等效于由无穷远射来的光束。平行光具有良好的方向性和准直 性。平行光照射到无缺陷的光滑表面时，反射光中的绝大部分为镜面反射 光。镜面反射光遵循理想光路反射，只有小部分漫反射光进入c c d 成像， 从而消除了镜面反射光的影响。在缺陷处，反射光将改变方向，使得反射 光投影到c c d 上，在c c d 的像敏面上成像平行光源照明的优点是所得图 像的灰度级差别较大、对比度高，图像比较清晰；缺点是由于平行光具有 良好的方向性，其辐射亮度在各方向上是不对称的，因此对各种缺陷的显 现力不同。在相同条件下，当划痕或裂纹方向与平行光入射方向垂直时， 图像中缺陷表现最清晰，而当划痕或裂纹走向与入射光方向一致时，在图 像中几乎看不到这种缺陷。 2 暗室照明 暗室照明理论来源于最初的摄影胶片处理设备一一暗房，即在特殊的光线 条件下的工作室称为暗室。暗室是一个半封闭的空问，可以有效的阻挡外 来光和杂散光的干扰。在暗室的不同位置开孔或者放置光源，可以有针对 性质的照明被拍摄物体，尤其对于透明半透明的玻璃状物体，暗室可以有 效的减小外界光形成的透射，反射成像。暗室照明适用于透明物体的缺陷 检测，如刮痕、缺陷、折印等 2 2 1 3 光源类型 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入图像的质 量和至少3 0 的应用效果。许多工业用的机器视觉检测系统用可见光作为光源， 这主要是因为可见光容易获得，价格低，并且便于操作。常用的几种可见光源 是白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯等。但是，这些光源的一个最大缺点是光 能不能保持稳定。以日光灯为例，在使用的第一个1 0 0 小时内，光能将下降1 5 ， 随着使用时间的增加，光能将不断下降。因此，如何使光能在一定的程度上保 持稳定，是实用化过程中急需要解决的问题。几种常用光源的性能比较见表2 1 。 表2 _ 1 几种常用光源的性能比较 光源 形状 寿命照度 特性 应用 卤素椭球体 3 0 0 0 - 4 0 0 02 7 0 0 k 3 2 发热高，预高端平扳扫描仪等 灯形状小时 5 0 k 热时润短 荧光规则 8 0 0 0 - 1 0 0 02 7 0 0 k - 6 5 扩散性好日光灯，大面积均 灯 o 小时0 0 k发热少 匀照明、廉价 白炽不规则 3 0 0 0 4 0 0 02 7 0 0 k ，2 8 寿命短，显照明用灯 灯小时 o o k 色度很高 l e d 光 多变 约1 0 0 0 0 h 多个组合节能，形状指示牌、路标、警 源较亮多变告灯 2 2 2 照明系统设计【1 3 1 1 针对研究对象管制瓶的光滑特性，为了有效的减小镜面反射，本文采用了漫 反射背光照明综合瓶口环形照明的系统。漫射光照明可以消除阴影。减小镜 面反射，能使一个区域得到均匀照明，还可以扩大照明光线的覆盖范围。为 了进一步的消除亮点，我们可以在光源前加特制的柔光罩，柔光罩是用廉价 的打印白纸做成的，利用半透明的塑料纸能够很容易地做成立体的柔光罩。 实验中使照明灯光穿过柔光罩，光线被有效的散射，形成漫射照明的效果 背光照明可以突出管制瓶的轮廓，增加背景物体的反差，上方环形照明光源 不仅可以提供管制瓶瓶口无阴影照明，而且可以增加瓶身光照度，使瓶身细 节更清晰。 2 针对研究对象管制瓶的透明特性，为了弱化产线上复杂背景对管制瓶成像的 影响，本文借用了暗室照明的理论，在传送带特定框架上固定一个半封闭的 黑匣子，使照明环境单一化起来实验中结构如图2 - - 3 ，其中图2 3 a 为 采集光照正面图，图2 3 b 为右侧面图。 图2 3 管制瓶检测光照实验平台a ，b 3 针对光源选择需求，拍摄图像会考虑到管制瓶的高度，宽度，裂纹，杂物， 口径等信息，需要照明光源稳定，均匀，亮度高，寿命长，综合表2 一l 的光 源特性，实际产线生产中选择多组l e d 光源。由于是对瓶口