食品包裝(food packaging)是食品作為商品的重要組成部分，它能夠保護(hù)食品在流通過(guò)程中免受外來(lái)因素污染，保持食品的衛(wèi)生與品質(zhì)，好的食品包裝也能夠帶給消費(fèi)者良好感官體驗(yàn)，刺激消費(fèi)者的購(gòu)買欲，為企業(yè)贏得更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。食品包裝檢測(cè)的目的是控制包裝質(zhì)量，防比因包裝上的缺陷導(dǎo)致質(zhì)量受損的食品流入市場(chǎng)，目前大多數(shù)食品檢測(cè)企業(yè)仍采用人工監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行檢測(cè)，但這種方式具有人工工作強(qiáng)度大、檢測(cè)精度低和管理不規(guī)范等問(wèn)題，檢測(cè)結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期，因此部分大型食品企業(yè)開(kāi)始引進(jìn)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)食品包裝實(shí)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，能夠重復(fù)大批量進(jìn)行食品包裝檢測(cè)，同時(shí)準(zhǔn)確性和規(guī)范性得以大幅提高。
機(jī)器視覺(jué)(machine visior)是指利用圖像攝取裝置代替人眼功能，圖像處理功能代替人腦功能，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行信息分析、提取目標(biāo)色素，進(jìn)而控制生產(chǎn)過(guò)程的一種人工智能技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)中用于圖像攝取的設(shè)備不會(huì)直接與產(chǎn)品接觸，對(duì)于設(shè)備本身和產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都更安全，且可以采用紅外線、微波等掃描技術(shù)，探測(cè)到人眼無(wú)法觀察到的范圍，擴(kuò)大了視覺(jué)范圍。同時(shí)機(jī)器視覺(jué)機(jī)器穩(wěn)定性好，可以長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境中工作而不影響檢測(cè)精度和工作效率。進(jìn)入21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也在不斷提高，應(yīng)用范圍和控制能力進(jìn)一步加深，國(guó)外多家機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)研究和制造企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的機(jī)器視覺(jué)儀器，并作為產(chǎn)品進(jìn)行銷售口〕。而我國(guó)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)起步較晚，其研究和技術(shù)相對(duì)滯后，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有一定差距，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)通常采用在國(guó)外相關(guān)設(shè)備及核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)性開(kāi)發(fā)一些包裝檢測(cè)系統(tǒng)，用于特定包裝的檢測(cè)工作。但整體來(lái)說(shuō)，目前的機(jī)器視覺(jué)包裝檢測(cè)系統(tǒng)普遍存在圖像攝取裝置少、算法固定等缺陷，在具體使用過(guò)程中，容易出現(xiàn)檢測(cè)不全面的問(wèn)題四。
本文以矩形紙質(zhì)食品包裝為例，對(duì)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出一種通用性和靈活性更佳的檢測(cè)系統(tǒng)模型，能夠更好的滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。
1、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中的圖像處理技術(shù)
1.1圖像處理過(guò)程
圖像處理是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心部分，其處理過(guò)程可根據(jù)檢測(cè)精度和設(shè)備精細(xì)度分為三部分。第一部分為初級(jí)處理操作，即圖像預(yù)處理過(guò)程，包括降低圖像噪聲、提高圖像對(duì)比度及清晰度，由于環(huán)境因素使圖像攝取裝置對(duì)圖像判斷產(chǎn)生一定干擾性影響，為了使這種影響降到最低，需要對(duì)收集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)圖像增強(qiáng)技術(shù)將圖像本身容易被忽略的細(xì)節(jié)部分顯現(xiàn)出來(lái)，提取出圖像的特征，方便后續(xù)處理。第二部分為中級(jí)處理操作，即將圖像中提取出來(lái)的特征輸入圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像分割處理，將圖像分為目標(biāo)部分和其他組成部分，圖像分割處理是整個(gè)圖像處理過(guò)程中最困難、最重要的一步，如果軟件中的設(shè)計(jì)算法不穩(wěn)定或不成熟的話，極易導(dǎo)致分割結(jié)果不準(zhǔn)確，影響后續(xù)識(shí)別工作。第三部分為高級(jí)處理操作，即將圖像整體特征值進(jìn)行識(shí)別后執(zhí)行相關(guān)函數(shù)算法以及其他處理工作。
1.2圖像處理算法
圖像處理算法在很大程度上決定了視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果及效率，所以針對(duì)不同包裝產(chǎn)品選擇合適的圖像處理算法是十分重要的，食品包裝主要運(yùn)用到的圖像處理算法包括二值化處理和邊緣檢測(cè)等。
二值化處理也被叫做閡值分割，是較為常見(jiàn)的圖像分割處理方式，主要是將圖像特征部分和背景部分分開(kāi)，具體做法為首先根據(jù)圖像的像素對(duì)比度確定分割閡值，利用灰度處理使目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域通過(guò)不同的灰度區(qū)分開(kāi)。設(shè)定一個(gè)值，可以得出圖像算法：
其中“o"代表黑色，001”代表白色，上式代表圖像中像素值若大于等于T，則灰度值為“o"，圖像中像素值若小于T，則灰度值為“n'
圖像的信息主要集中在邊緣部分，灰度變化也最顯著，邊緣檢測(cè)就是將圖像灰度有明顯階躍變化的像素集合，區(qū)分目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域，即根據(jù)相鄰區(qū)域的邊緣劃分目標(biāo)范圍。邊緣分為階躍邊緣和屋頂狀邊緣，其中階躍邊緣中圖像灰度變化非常明顯，呈垂直跳躍式，而屋頂狀邊緣中圖像灰度變化比較弱，呈漸變式。邊緣檢測(cè)主要是提取圖像中的交界線，使用灰度倒數(shù)變化表征圖像邊緣變化，最后運(yùn)用算法求取導(dǎo)數(shù)值，邊緣檢測(cè)算法中需利用算子求導(dǎo)，常用算子包括Robert算子、Sobel算子、Prewitt算子等。
以Robert算子為例進(jìn)行介紹，Robert算子是利用局部差尋找邊緣，即：
其中（i，j）代表邊緣點(diǎn)，{R（i，j）}代表邊緣圖像，R （i，j）代表Robert算子梯度幅值，選擇合適的門限值RT，則應(yīng)滿足：
Robert算子的優(yōu)點(diǎn)是定位精度和噪聲敏感度較高。
2、機(jī)器視覺(jué)食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1機(jī)器視覺(jué)食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
機(jī)器視覺(jué)食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)的硬件包括圖像攝取裝置、圖像處理和分析裝置、結(jié)果輸出裝置三大部分。其基本構(gòu)造如圖1所示。
圖1 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)原理
Fig.l The schematic disgram of Machine Vision System
其中圖像攝取裝置的作用為將攝取到的圖像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別數(shù)據(jù)，具體設(shè)備包括光源、采圖觸發(fā)傳感器、鏡頭、CCD工業(yè)攝像機(jī)和圖像卡。圖像處理和分析裝置的硬件設(shè)備包括智能相機(jī)和PC系統(tǒng)，其中智能相機(jī)包括圖像采集、通信和圖像處理三大模塊，具有集成化特點(diǎn)，內(nèi)部已經(jīng)具有固化的視覺(jué)算法，使用和開(kāi)發(fā)相對(duì)都比較簡(jiǎn)單，但由于程序固定，推廣相對(duì)困難，只能按自身需要選擇最合適的智能相機(jī)，靈活度較低。而PC系統(tǒng)的可開(kāi)發(fā)性和靈活性更大，能夠根據(jù)不同的檢測(cè)精度和數(shù)據(jù)量要求進(jìn)行開(kāi)發(fā)運(yùn)用，系統(tǒng)利用率更高，因此本設(shè)計(jì)選擇PC系統(tǒng)作為圖像處理和分析裝置的硬件設(shè)備。
結(jié)果輸出裝置的硬件設(shè)備包括顯示屏和可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，它的作用是方便查看檢測(cè)結(jié)果和及時(shí)去除不合格產(chǎn)品包裝，這個(gè)過(guò)程中應(yīng)注意去除間隔時(shí)間和開(kāi)關(guān)的設(shè)置，一是為了能正確去除不合格產(chǎn)品包裝，而是能在發(fā)現(xiàn)機(jī)器執(zhí)行錯(cuò)誤時(shí)能夠人工糾正，整個(gè)過(guò)程由PLC控制實(shí)現(xiàn)。
2.2機(jī)器視覺(jué)食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
機(jī)器視覺(jué)食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)的軟件作用為對(duì)攝取到的圖像進(jìn)行特定目標(biāo)的分析、處理和識(shí)別，包含圖像處理工具軟件、程序語(yǔ)言軟件、檢測(cè)工具軟件和系統(tǒng)設(shè)置軟件。
VisualC++環(huán)境程序是一種而向?qū)ο蟮目梢暬沙绦�，它可以兼容多種開(kāi)發(fā)程序，能滿足Win32的開(kāi)發(fā)需求，能夠自主生出程序框架，編程效率高，同時(shí)具有獨(dú)立性、多態(tài)性及可繼承性等特點(diǎn)，是程序結(jié)構(gòu)趨向合理化和數(shù)據(jù)分離化。開(kāi)發(fā)工具包選擇德國(guó)Machine Vision Technology CMYtec)公司推出的HAL-CON軟件，它具有完整的圖像處理函數(shù)庫(kù)(CImage Pro-cessing Library)，運(yùn)算功能齊全，計(jì)算能力強(qiáng)大。檢測(cè)工具系統(tǒng)可針對(duì)產(chǎn)品實(shí)際容易出現(xiàn)缺陷的地方進(jìn)行集中檢測(cè)，具體內(nèi)容包括灰度檢測(cè)、模板匹配、邊緣錯(cuò)位檢測(cè)、邊緣角度檢測(cè)、邊緣線距離檢測(cè)和條碼識(shí)別等。
系統(tǒng)設(shè)置軟件包括系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)設(shè)置、品牌包裝圖像設(shè)置、品牌檢測(cè)窗口設(shè)置、檢測(cè)運(yùn)行設(shè)置和關(guān)閉系統(tǒng)。以邊緣角度檢測(cè)流程為例，說(shuō)明食品包裝的具體檢測(cè)流程，邊緣角度檢測(cè)流程如圖2所示。
圖2 邊緣角度檢測(cè)流程圖
Fig.2 The inspection flow of edge angle
3、機(jī)器視覺(jué)食品包裝缺陷檢測(cè)的應(yīng)用分析
本文以某矩形紙質(zhì)食品包裝的缺陷檢測(cè)為例，對(duì)上文提出的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)例分析。在選取光源時(shí)考慮到矩形紙質(zhì)包裝的光反射及折射能力強(qiáng)，因此選擇LE D條形組合照明燈，為保持光源的穩(wěn)定性及高亮度，CCD工業(yè)攝像機(jī)采用頻閃光，同時(shí)使用6臺(tái)CCD工業(yè)攝像機(jī)同時(shí)進(jìn)行六而分別拍照。
檢測(cè)系統(tǒng)界而軟件信息包括當(dāng)前信息、品牌信息和檢測(cè)信息三大塊，其中當(dāng)前信息模塊顯示了目前系統(tǒng)包含的信息和信息設(shè)置，品牌信息模塊能夠根據(jù)設(shè)置中保持的標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)品牌圖像進(jìn)行修改、刪除等操作，檢測(cè)信息模塊能夠存儲(chǔ)并識(shí)別缺陷圖案，若運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷圖案能夠自動(dòng)報(bào)警。具體運(yùn)行過(guò)程為：運(yùn)行檢測(cè)界而，點(diǎn)擊“顯示選中通道”，選擇合適圖像攝取區(qū)域，點(diǎn)擊“圖像瀏覽”，瀏覽正常圖像和缺陷圖像及數(shù)目，點(diǎn)擊“測(cè)試圖像”，檢測(cè)并核實(shí)圖像信息，完成檢查步驟。
本系統(tǒng)能夠很好的對(duì)矩形紙質(zhì)食品包裝實(shí)現(xiàn)6個(gè)而的檢測(cè)，能夠識(shí)別的缺陷包括條包反包、錯(cuò)牌、斜置、倒置、破損、褶皺、端而變形、印刷錯(cuò)誤和表而有異物。檢測(cè)樣品共計(jì)10000個(gè)，其中嚴(yán)重缺陷漏檢3個(gè)，漏檢率為0.03 %，一般缺陷漏檢18個(gè)，漏檢率為0.18 %檢測(cè)精度較高，每個(gè)包裝檢測(cè)時(shí)間低于100毫秒，檢測(cè)效率較高。界而具有自動(dòng)保存和瀏覽缺陷包裝圖像的功能，方便使用，易上手。
4、結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)用于食品包裝缺陷檢測(cè)的圖像攝取裝置及圖像處理算法進(jìn)行介紹，提出食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最后就矩形紙質(zhì)食品包裝檢測(cè)系統(tǒng)為例，對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用予以說(shuō)明，證明該系統(tǒng)的檢測(cè)工具能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要，具有良好的通用性和靈活性，可投入實(shí)際生產(chǎn)中。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/
本文標(biāo)題：基于機(jī)器視覺(jué)的食品包裝缺陷檢測(cè)研究
本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/consultation/10839320609.html
相關(guān)文章
