用于卷煙透明包裝材料的一體化視覺拉線檢測系統

孫宏杰 喬建軍

摘? ?要： 針對卷煙透明包裝材料上的拉線可能發生破損、偏移等缺陷的問題，設計一體化視覺拉線檢測系統。從硬件和軟件兩方面提出檢測系統總體設計方案。硬件上，控制接口板通過單片機集成兩路圖像采集組件通信接口、兩路光源控制電路和一路對外通信接口，實現與工控板的通信和拉線圖像采集等功能。軟件上，工控板作為上位機，負責人機界面顯示和圖像處理;單片機作為下位機，負責相機、光源和I/O信號控制。提出了包括圖像灰度化、圖像投影、圖像去噪、模板匹配等模塊的拉線檢測算法，通過模板圖像與檢測區域圖像垂直投影曲線的匹配系數判斷拉線是否發生破損、偏移等缺陷。經效果評估與客戶反饋，與光電式檢測和激光式檢測等傳統方式相比，視覺檢測杜絕了透明拉線缺失漏檢的問題，對拉線偏移的檢測精度可達到0.1 mm。

關鍵詞： 拉線檢測;包裝材料;圖像采集;灰度化;垂直投影;模板匹配

引言

在卷煙包裝生產過程中，小包和條盒外都通過透明紙和拉線實現了裹包工藝，起到了保持卷煙品質和美化產品外觀的作用。為確保產品質量，需要在帶有拉線的透明材料上安裝拉線檢測裝置，對拉線缺失、拉線偏移等問題和透明紙接頭穩定性進行檢測[1]。

國內卷煙企業中包裝機上的拉線檢測裝置主要包括光電式傳感器和機器視覺檢測器。光電式傳感器在不透明拉線的檢測中可靠性較高，但是在用于檢測環保性更好的透明拉線時經常發生誤判[2]，出現漏檢現象。目前市面上的視覺檢測器基本上還只是早期機器視覺技術剛起步時設計的產品，一般是一臺控制器配一個相機，這雖然有效地解決了檢測可靠性的問題，但若要在同一臺設備上同時實現小包和條盒的拉線檢測，就需要安裝兩臺控制器，一方面造成現場機器外掛設備太多，影響車間整潔性，另一方面也增加了設備成本[3-8]。

為滿足國內卷煙企業的需求，需要設計一款一體化視覺拉線檢測系統，即在一個控制器上同時掛載兩個相機，各自實現小包和條盒的拉線檢測。本文首先從硬件設計和軟件設計兩方面，介紹該檢測系統的總體方案;然后對拉線檢測算法進行研究和測試;最后將本文提出的檢測系統與同類產品進行對比，綜合評估系統檢測的準確性和可靠性。

1? 總體方案

1.1? 硬件設計

一體化視覺拉線檢測系統在硬件上分為顯示控制組件和兩個圖像采集組件模塊，其原理框圖如圖1所示。

控制接口板為COM-E自行設計的載板，用于COM-E的外圍擴展，主要包括單片機電路、光源控制電路、圖像采集組件通信接口以及對外通信接口。單片機采用ST公司的基于Cortex-M4F內核的32位STM32F4系列微處理器，具有低功耗、少門數、短中斷延遲、低調試成本等優點，它是ST公司專門為低功耗、低成本嵌入式應用場景設計的一款高性能MCU，可大大降低編程的復雜性?？刂平涌诎迮c工控板之間的通信通過單片機自帶的USART進行，協議參照工業控制領域目前普遍采用的Modbus通信協議。另外，控制接口板上還集成了兩路圖像采集組件通信接口、兩路光源控制電路和一路對外通信接口，分別用于接收工業相機的圖像信號并發送給工控板、給光源提供電源并觸發、與包裝機組控制系統進行信號交流。

1.2? 軟件設計

一體化視覺拉線檢測系統在軟件上主要針對兩個部分而設計：工控板部分和單片機部分。

工控板部分作為上位機，又分為人機界面部分和圖像處理部分。

人機界面部分以嵌入式Windows 7為操作系統，開發環境為Visual Studio 2010，采用基于對話框的軟件開發方法。整個界面主要包括五個子界面：“啟動”、“工作”、“統計”、“設置”和“實驗室”。系統啟動時首先進入“啟動”界面，完成相機初始化、配置參數加載、全局變量初始化等一些系統初始化工作。系統初始化完成后，關閉“啟動”界面，打開“工作”界面?！肮ぷ鳌苯缑媸窍到y工作時的默認界面，從系統初始化完成到退出系統的整個過程中，“工作”界面一直是打開的。在“工作”界面中點擊相應按鈕可打開“統計”等界面。為節省系統資源，除“工作”界面外的其他界面在返回“工作”界面時均會關閉。圖2a和圖2b所示分別為拉線正常和拉線偏移時的“工作”界面。

圖像處理部分在軟件開發上選用成熟的機器視覺函數庫OpenCV，該函數庫中包含了大量的圖像處理基本函數，可以在這些函數的基礎上進行圖像處理軟件設計。圖像處理主要涉及以下幾種處理方法：圖像灰度化、圖像去噪、圖像投影等。

單片機部分作為下位機，主要負責接收并執行工控板部分軟件的命令，對光源和I/O信號進行相關操作。單片機部分主要包含I/O信號處理、光源控制和串口通信功能模塊等。為提高開發效率、方便軟件維護，采用C語言進行單片機部分的軟件設計。

2? 拉線檢測算法研究與應用

2.1? 算法流程

在一體化視覺拉線檢測系統中，圖像處理是關鍵。為了得到準確的檢測結果，需要對由圖像采集系統獲取的拉線圖像進行處理，具體流程包括圖像灰度化、圖像投影、圖像去噪、模板匹配、輸出檢測等，如圖3所示。

2.2? 圖像灰度化

在一體化視覺拉線檢測系統中，工業相機采集到的拉線圖像是彩色數字圖像，由R（紅）、G（綠）、B（藍）三種顏色組成。圖像灰度化是為了將RGB圖像轉換為單通道的GRAY圖像，提高后續處理速度?；叶然幚砉綖?/p>

其中，Y為灰度變換后的圖像灰度信息，R、G、B分別為彩色圖像像素的紅、綠、藍顏色分量信息。圖4所示為興趣區域內的合格拉線（模板）及其對應的灰度圖。

2.3? 圖像投影

圖像投影采用垂直投影。垂直投影是指對二維圖像作投影變換，把拉線的圖像特征轉換為一維空間的數據特征，以利于后續的快速模板匹配。對灰度化后的圖像進行垂直投影的計算公式為

其中，為模板水松紙左側投影曲線;為模板水松紙左側灰度化后的圖像亮度;為待檢水松紙左側投影曲線;為待檢水松紙左側灰度化后的圖像亮度;為圖像高度;為圖像寬度。

圖5所示為對模板圖像與檢測區域進行垂直投影變換形成的一維曲線。橫坐標代表圖像的列數，縱坐標表示平均灰度值。從圖5中可以看出，模板投影曲線的特征為兩側數據平穩且值較低，中間部分呈現四個波峰形狀且最左側波峰最大;從檢測區域的投影曲線中也可以找到一段曲線與模板投影曲線類似。所以，將模板投影曲線與檢測區域投影曲線匹配，就能找到一個最佳匹配位置與最佳匹配系數。

2.4? 圖像去噪

圖像去噪是指對原始投影曲線進行濾波處理，把投影曲線上一些干擾數據的影響力削弱，保證后續模板匹配的準確性。

2.5? 模板匹配

模板匹配是指計算檢測圖像投影數據與模板投影數據的最佳匹配位置與最佳匹配系數，判斷拉線是否破損或偏移。圖6a是模板圖像與拉線破損情況下檢測區域的垂直投影曲線對比。當拉線出現破損時，投影曲線上的平均灰度值較低，即4個波峰值都較正常時低很多，這樣匹配系數也較正常時低，從而可以判斷該拉線為破損拉線。圖6b是模板圖像與拉線偏移情況下檢測區域的垂直投影曲線對比。當拉線偏移出去時，投影曲線上4個波峰不復存在，這使得匹配系數更低，從而可以判斷該區域沒有拉線。

3? 效果評估與反饋

一體化視覺拉線檢測系統在硬件和軟件研制過程中采用系列化、模塊化、標準化的設計理念，多數通用模塊得到了市場的長期檢驗，能保證產品的可靠性。與傳統的光電式檢測器和激光式檢測器對比，其優勢對比如表1所示。

該檢測器已在多家卷煙企業的設備上使用，在使用過程中運行穩定，性能良好，能夠準確檢測拉線缺失、偏移等缺陷，并正確剔除不合格煙包。與傳統的檢測方式相比，杜絕了透明拉線檢測缺失漏檢的問題，對拉線偏移的檢測精度可達到0.1 mm。與傳統的光電式傳感器相比，顯示更加直觀、調試更加方便、檢測準確度更高，獲得了客戶的認可。

4? 結論和展望

本文從硬件設計和軟件設計兩方面，介紹了一體化視覺拉線檢測系統的總體方案，并對拉線檢測算法進行了研究和測試。將該檢測系統與同類產品進行對比，表明系統檢測準確、可靠，能夠獲得客戶的信賴。

在一體化視覺拉線檢測系統的后續改造中，計劃利用高速通信網絡實現海量圖像數據的傳輸與云端存儲，同時在云服務器上進行數字孿生體構建，實現云端二次復檢，起到節約物理資源的作用，并降低在線檢測的跟蹤優化成本。

系統實現了參數變化的實時預測，對實際檢測過程優化提供了指導，大幅提升了生產線拉線質量檢測的智能化水平。

參考文獻

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