机器视觉空瓶检测案例设计

1 引言
　　机器视觉是利用光电成像系统采集被控目标的图像，经计算机或专用的图像处理模块进行数字处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，进行尺寸、形状、颜色等的识别。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能力相结合，大大提高了生产的柔性和自动化程度。
2 机器视觉空瓶检测系统
　　附图是基于pc的机器视觉系统在啤酒生产线上空瓶检测系统中的应用。该系统主要由相机、镜头、光源、图像采集卡、pc平台和控制单元等六部分组成，各个部分之间相互配合，最终完成对酒瓶的质量检测和剔除。下面以附图为例，对各个组成部分的功能和选型进行介绍。

 

　　2.1 相机
　　在选择相机时，主要有以下几个方面的问题要考虑：
　　（1） 相机的扫描方式：相机按照扫描方式可以分为面扫描和线扫描相机。
　　线扫描相机是指对物体进行行扫描的相机，线扫描相机又可分为隔行扫描和逐行扫描。线扫描相机适用于以下情况：对固定的物体做一维的测量；对象物体处于运动状态；需处理可旋转圆柱体的边缘图像；需要对象物体的高分辨率图像，而又要考虑价格因素等。线扫描相机的特点是运动平稳、速度跟踪精度高、光源强度要求高。目前，线扫描相机的分辨率已经达到几千线，检测速率也达到60桢/秒甚至更高。
　　面扫描相机一次只能拍摄一副图像。由于面扫描相机的自身局限性，使其不适于动态目标连续无遗漏的高精度检测。但是，针对其工作原理，采用以下技术：选用桢传送或行间传送ccd；采用高速快门（电子快门）；采用单场技术；选用高频光源等，是完全可以进行动态图像的实时采集的，完全可以满足工业在线检测的要求。
　　（2）相机的颜色：工业相机按颜色可以分为黑白和彩色相机。其中，黑白相机比彩色相机的分辨率高，而且数据采集速度快。随着相机制造技术的不断发展，现在，彩色相机也越来越多的得到了应用。这是因为过去的彩色相机系统要由三台相机组成，这三台相机分别对应r（红色）、g（绿色）、b（蓝色）波长，而现在则出现了单ccd彩色相机。彩色相机可以提供更强的观察和区别能力，因此在医学、生物学以及一些工业过程控制方面发挥了重要作用。
　　（3）相机的输出接口形式：相机输出接口形式有rs422、rs644、usb、ieee1394以及cameralink等，在选择图像处理卡时应注意其是否支持所选用相机的输出形式。
　　2.2 镜头
　　镜头的几个主要参数有：成像面，ccd感光片尺寸，焦距，视野，物距，景深和视角选择镜头时应考虑以下几个因素：
　　（1）镜头的成像面与所用的ccd相机是否匹配。成像面与镜头本身的设计及生产有关。成像应该是越大越好。可是有些厂家的镜头由于设计或生产上达不到技术要求，成像面会较小。
　　（2）确定镜头的焦距、物距和视野（这个主要是依据实际的工作或安装环境来确定）。这几个参数关系是：焦距越小，视角越大，最小物距越短，视野越大。以最常用的三种镜头（50mm，25mm，16mm）为例：50mm的镜头焦距是最大的，所以50mm镜头的视角就最小，而视野就最小，最小物距却是最远的；25mm的镜头焦距次之；16mm的镜头焦距则是最小的，所以16mm镜头的视角就最大，而视野也就最大，最小物距是最近的。
  　　2.3 光源
　　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数据的质量和至少30％的应用效果。由于被检测物体的颜色、材质、折射率等特性的千差万别，就必须根据每个特定的应用实例，选择相应的照明装置，以达到最佳的效果。光源按其照射方式可分为背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，其优点是能获得高对比度的图像；前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧， 这种方式便于安装；结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上，根据它们所产生的畸变， 解调出被测物的三维信息；频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上， 照相机拍摄要求与光源同步，这样能有效地拍摄高速运动物体的图像。有卤素灯、荧光灯和led 光源等， 其主要性能的比较见附表。

 

　　设计时可以根据要求选用光源，但大多数情况下，选用led光源是一种趋势。
　　2.4 图像采集卡
　　图像采集卡是视频信号从相机到电脑之间传输的桥梁。目前大多数相机还是模拟信号输出，图像采集卡则将各种模拟视频信号经a/d转换成数字信号送入计算机，供计算机作处理、存储、传输等之用。选择图像采集卡要考虑以下几个方面：
　　（1） 视频输入的格式和数据传输率：大多数摄像机使用rs422或者eia644作为输出信号格式，这样图像采集卡就需要支持系统使用的摄像机所采用的输出信号格式。从灵活性来说，如果两种格式都支持就更好。当摄像机以较高的速度拍摄高分辨率图像后， 会产生很高的输出速率， 这时摄像机一般使用多路信号同时输出，而图像采集卡必须能够支持多路输入及摄像机的输出速率。
　　（2） 数据的吞吐量：当图像采集卡的信号输入速率较高时，需要考虑图像采集卡与图像处理系统之间的带宽问题。在使用pc时，图像采集卡使用pci接口。pci接口的理论峰值带宽为132mb/s。但在实际使用中， 多数计算机上pci接口的平均数据传输率为50～90mb/s，有可能在瞬间高传输率时不能满足传输的需要。为了避免与其他pci设备产生冲突时丢失数据，图像采集卡上应有数据缓存。在一般情况下， 有2mb的板载存储器可以满足大部分的任务要求。
　　（3） 数字i/o控制：在机器视觉系统中，输入/输出的控制很重要。系统中常要根据处理过程的需要来决定摄像机的拍摄时间。如果采用了可重设的摄像机，需要产生重设信号。在一些系统中，由于需要设定拍摄的帧率，应该有像素时钟发生器。外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可以保证不同设备输出的视频信号具有相同的帧行起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号或复合视频信号。如果图像采集卡已经具有数字i/o功能，能够产生摄像机和其他电子设备所需的选通、触发及其他电子信号，对系统是很有用的， 否则将需要独立的数字i/o 卡。
　　2.5 pc平台
　　本系统中pc平台用于接受图像采集卡输出的图像，然后由图像处理软件进行预处理、分析和识别，判断空瓶质量的好坏，最后将判断结果发送给plc。由于图像采集卡和图像处理软件的运行都消耗很大的系统资源，因此应当选用高性能的工控机作为pc平台，保证系统快速稳定的运行。
　　2.6 控制单元
　　本系统选用plc作为底层控制器，它通过i/o口与光电传感器，编码器，击出器，图像采集子系统等相连，通过图像采集子系统控制ccd摄像机的拍摄以及直接控制击出器的动作。同时plc通过485总线与工控机连接，接收工控机传来的控制信息和系统参数等。
　　在系统运行过程中，plc负责及时地通知图像采集子系统启动ccd摄像机，抓拍处于拍摄位置的空瓶。为了达到这一目的，需要使用光电传感器来检测空瓶的位置。在系统中使用了反射式光电传感器，这种光电传感器在没有接收到从反光板反射回来的光束时，就会输出触发信号。将光电传感器安装到ccd摄像机拍摄位置旁，把输出接到plc的i/o输入口上。当没有空瓶经过时，光电传感器可以接收到反射光束，没有输出信号，而当有空瓶经过时，光电传感器无法接收到返回的光束，于是输出触发信号。plc从输入口接收到此信号后，即可判定空瓶已到达拍摄位置，从i/o输出口输出启动信号给图像采集系统，启动ccd摄像机，摄像机及时进行拍摄，获取被检空瓶的图像。
　　在专门的信息处理模块对获取的图像信息进行分析处理后，将得出空瓶质量是否合格的结论。如果不合格，主控的工控机就会通过485总线发出控制命令，要求plc控制击出器击出该空瓶。plc在接到击出命令后，需要标定不合格空瓶，并追踪其位置，当不合格空瓶到达击出器所在位置时控制击器动作，击出不合格空瓶。为了确定需击出空瓶位置，在系统中使用一个编码器与驱动传送带的电机相连，当电机转动时，编码器相应发出脉冲。计算脉冲的数目，即可知道传送带运动的距离。这样一来，如果能测出不合格空瓶要运动多长距离才到达击出位置就能将其准确击出。可以在事先把编码器的脉冲输出与plc的i/o输入口相连，然后在传送带上放一空瓶，让其依次经过检测位置和击出位置，plc使用计数器记下此过程中脉冲的数目，这一数值即对应着检测位置和击出位置之间的距离。
3 视觉处理软件
　　视觉处理软件是基于pc的机器视觉系统的重要组成部分，主要通过对图像的分析、处理和识别，实现对特定目标特征的处理。视觉处理软件的编写非常复杂，如果从底层开始编写，往往需要很长的开发周期，而且自己编写的软件在运行速度、稳定性等方面也很难达到要求。为了满足系统集成商和终端用户的需求，图像采集卡的生产厂家都为自己的产品开发了相应的图像处理软件包。这样，我们就可以将工作重心放在软件应用层面的开发上，使用这些软件包进行二次开发，节约了开发成本。因此，在对整个机器视觉系统选型时，应该根据系统应完成的功能和图像采集卡厂家提供的软件包的功能来对图像采集卡进行选型。图像采集卡厂家提供的软件包应具备以下的功能：
　　边缘寻找功能：边缘寻找是图像处理中最为基本也是最为常用的工具。通过边缘寻找，将所拍图像中的目标与背景区分开，减少处理象素数，提高软件处理速度。
　　目标定位功能：当被测空瓶在生产线上高速顺序地通过相机的拍摄区域时，由于生产线的不稳定和拍摄时间的误差，各个空瓶会出现在拍摄图像的不同区域。通过目标定位功能，使处理软件中的感兴趣区域（roi）随着工件在图像中位置的变化而变化，始终定位在工件的关键部位。
　　图像预处理功能：包括二值化、边缘锐化、反差调节等等，通过适当的预处理算法，可以突出目标图像、提高图像分析速度和简化分析过程，是必不可少的功能。
　　字符读取功能（ocr）：对于主要应用于各种字符读取的视觉系统来说，此功能尤为重要。
　　接口功能：软件包应该能够方便的和其他软件或控件接口，一起运行。
4 结束语
　　基于pc的机器视觉系统具有高速度、高精度、高度自动化的特点，集成了当今先进的传感器、计算机、数字图像处理和机器视觉技术，可广泛应用于工业制造、电子半导体、包装、农业、医药和啤酒生产等领域，可以大幅度提高了现有生产线的自动化水平，保障产品质量，提高生产效率。但是我国机器视觉的研究起步比较晚，目前市场上的该类设备仍然主要依靠进口。随着社会生产力水平的不断提高和工厂自动化程度的提高，此项技术的应用前景非常广阔，只有在理论和实际技术上进行深入的研究和探索，才能缩小和国外先进技术的差距，占领国内机器视觉市场。