戚金周
河南中烟工业有限责任公司 河南 郑州 450000
摘要：为满足国内卷烟企业的需求，需要设计一款一体化视觉拉线检测系统，即在一个控制器上同时挂载两个相机，各自实现小包和条盒的拉线检测。本文首先从硬件设计和软件设计两方面，介绍该检测系统的总体方案；然后对拉线检测算法进行研究和测试；最后将本文提出的检测系统与同类产品进行对比，综合评估系统检测的准确性和可靠性。
关键词：拉线检测；包装材料；图像采集；模板匹配
引言
卷烟包装机由上游机及下游机组成，烟支经过卷烟包装机上游机完成小盒包装，小盒通过皮带传输通道进入下游机完成小盒透明纸及条盒的包装[1]。小盒在皮带传输通道上完成盒装外观的检测，合格的烟包通过皮带输送到下游机、不合格的烟包经小盒外观检测系统检测确定后由剔除装置将其剔除。但是烟包在传输过程中有一个面与传输皮带接触，相机不能对小盒在传送过程中与传送带接触的小盒面进行图片信息采集；在生产过程中出现的小盒底面包装质量问题不能自动检测剔除。且卷烟包装机在小盒包装成大条过程中不能对小盒外观进行检测，从而造成小盒面与皮带接触面有质量缺陷的烟包易流入市场。
1总体方案
1.1硬件设计
多功能视觉拉线检测系统分为硬件控制组件和两个图像采集模块，如图1所示。控制接口是COM-E外围设备扩展专用的COM-E板，主要由单相电路、照明电路、图像构建组件和外部通信接口组成。ST STM 32 F4系列32位微处理器基于M4F皮质内核，具有低功耗、低停机时间、低调试成本等特点，是专为低功耗、低成本嵌入式应用而设计的功能强大的MCU，可显着降低编程复杂性。控制接口和控制面板之间的通信使用单片机附带的usart进行，协议指向工业控制中当前常用的Modbus通信协议。此外，控制面板还集成了两种图像采集方法，两种用于照明电路，一种用于外部通信，接收工业照相机的图像，并将其传输到配电盘，为光源供电，以及与包装控件进行信号交换。
1.2图像采集装置
相机的选择不仅取决于它是否满足检测系统的设计要求，还取决于它在数据传输过程中是否会影响系统。分辨率、图像传输速度、曝光时间和接口格式都将包括在照相机选择中。从上述注意事项中选择VCC-3CL5M相机。在机器视觉系统中，画像卡主要负责控制CCD摄像机，以放大和数字化采集的图像。此外，Picture卡还连接到PC，能够以高达130 MB/秒的数据速率快速将数据传输到PC。加拿大Matrox配有强大的32位PCI总线画中卡，可帮助您快速将图像信息传输到PC。内建4 Mbps快取记忆体，可确保即时传输影像资料。
1.3传感器测试
首先，对LR-W500C传感器的外部直流电源进行静态测试，在参数设置后检查好的猫(猴沙)的品牌标志以及内框纸和铝箔。其中，标识识别数据在910-990范围内，内部纸张质量数据在305-420范围内，铝箔质量数据在95-200范围内。在ZB47YB517微型包装型材循环之前，将传感器安装在第三包装站上方。定制的操作设备在品牌标识前面带有缺失的缺陷包，在检测到YB517作者的缺陷垫时，将自动删除该缺陷包。然后进行各种检查(包括多个连续科目、多个科目、多个科目等)。)，以准确检测并清除损坏的包装。同时清除坏包装:(1)在综合传感器系统显示屏的“故障指示器”页上显示517个商标错误，并且“故障统计”页上的商标标志数增加1。(2)可以在触摸屏的“设置开关”页上打开和关闭检测功能。
1.4软件设计
一体化视觉拉线检测系统在软件上主要针对两个部分而设计：工控板部分和单片机部分。工控板部分作为上位机，又分为人机界面部分和图像处理部分。人机界面部分以嵌入式Windows7为操作系统，开发环境为VisualStudio2010，采用基于对话框的软件开发方法。整个界面主要包括五个子界面：“启动”、“工作”、“统计”、“设置”和“实验室”。系统启动时首先进入“启动”界面，完成相机初始化、配置参数加载、全局变量初始化等一些系统初始化工作。
系统初始化完成后，关闭“启动”界面，打开“工作”界面。“工作”界面是系统工作时的默认界面，从系统初始化完成到退出系统的整个过程中，“工作”界面一直是打开的。在“工作”界面中点击相应按钮可打开“统计”等界面。为节省系统资源，除“工作”界面外的其他界面在返回“工作”界面时均会关闭。
2拉线检测算法研究与应用
2.1新通道设计
为实现小盒卷烟在上、下游包装设备上的传递，原装置采用皮带传输的方式来实现烟包的传输。如需要检测烟包与皮带接触面质量需要将烟包底部显现出来，即将传输通道由原来的一段改进为二段。两段通道由新装置连接起来，烟包在此处实现外观的检测。
2.2算法设计
食品袋体日期喷码在图像采集后需要对图像进行处理，将关键信息进行提取，其中检测算法可描述为：一是喷码区域定位以及生产日期字符校正，主要涉及模板匹配算法、相似性度量筛选等；二是生产日期字符分割，主要涉及垂直投影法。总体来说，目标区域快速定位以及图像缺陷准确判断是需要解决的主要问题。
2.3数据分析
改进后单班次单机组小盒缺陷次数由2.17次/月减少为0，平均剔除烟包36.33盒/月。改进前设备无法检测小盒底面，主要依靠人工对成品烟包进行抽检，容易漏检和误检；改进后实现了在线检测和缺陷小盒的准确剔除，有效保证了卷烟产品质量。
2.4检测方式的选择
在对比出现质量问题的烟包与正常烟包的外观可知，次烟包的正面商标纸部分缺失，但是，透明纸完好无损。烟盒主要分为商标纸、内框纸和铝箔纸。缺陷烟包商标纸缺失后露出内框纸和铝箔纸，采用光电传感器作为检测元件对商标纸、内框纸及铝箔纸的颜色差异进行检测，能够达到识别缺陷的目的。但目前所用的传感器性能精度不够，需要寻找精度更高的传感器作为检测元件，实现精确检测的目的。
2.5图像灰度化
在一体化视觉拉线检测系统中，工业相机采集到的拉线图像是彩色数字图像，由R（红）、G（绿）、B（蓝）三种颜色组成。图像灰度化是为了将RGB图像转换为单通道的GRAY图像，提高后续处理速度。灰度化处理公式为
(1)
其中，Y为灰度变换后的图像灰度信息，R、G、B分别为彩色图像像素的红、绿、蓝颜色分量信息。
2.5 PLC 测试
程序编写后，使用编程工具把程序写入 PLC 中，用实验 室的开关板与试验台输出指示灯模拟输入信号和输出信号， 进行程序的初步调试。
2.6 模板匹配
模板匹配是指计算检测图像投影数据与模板投 影数据的最佳匹配位置与最佳匹配系数，判断拉线 是否破损或偏移。模板图像与拉线破损情况 下检测区域的垂直投影曲线对比。当拉线出现破损 时，投影曲线上的平均灰度值较低，即4个波峰值 都较正常时低很多，这样匹配系数也较正常时低， 从而可以判断该拉线为破损拉线。 当拉线偏移出去时，投影曲线上4个波峰不复存 在，这使得匹配系数更低，从而可以判断该区域没 有拉线。
结束语
卷烟包装机小盒外观检测装置改进后，解决了烟包与皮带接触面未能检测的问题，改进后未对检测设备产生其他负面影响设备运行稳定。改进后单机台每月的缺陷次数降低了5.3次，保证了产品质量的可靠性。且改造费用较低，效果较为明显。
参考文献
[1]刘欢,唐曌堃.基于计算机视觉的易碎产品包装检测系统设计[J].自动化与仪器仪表,2019(12):30-33.
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[5]汪以歆,余光辉,徐镪,范洪辉.一种基于机器视觉的产品外包装印刷缺陷检测技术[J].江苏理工学院学报,2019,25(04):7-14.