機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用在煙草雜物剔除系統(tǒng)中
| 一、引言 機(jī)器視覺(jué)主要研究用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。它是20世紀(jì)70年代在遙感圖像處理和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐漸興起的，并應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)上的自動(dòng)收獲機(jī)械和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)、分選，工業(yè)生產(chǎn)流水線的在線質(zhì)量檢測(cè)、控制，公安系統(tǒng)的罪犯識(shí)別，交通的監(jiān)視與管理、自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)等。機(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)實(shí)用性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，要有合理的性價(jià)比，要有通用的工業(yè)接口，有較高的容錯(cuò)能力和安全性，有較強(qiáng)的通用性和可移植性。機(jī)器視覺(jué)更強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性，要求高速度和高精度。 二、煙草雜物剔除系統(tǒng)概述 隨著卷煙生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，煙葉從進(jìn)人卷煙廠的生產(chǎn)流水線到生產(chǎn)出成品卷煙的整個(gè)過(guò)程，己逐漸脫離人工輔助，特別是把葉改成片葉后，不再有入工鋪葉的工藝過(guò)程，因此混在煙葉中的雜物及霉?fàn)€煙葉等無(wú)法去除。它們對(duì)卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大。煙草雜物剔除設(shè)備就是一種使用在煙葉初加工的打葉復(fù)烤絲、葉絲和梗絲的制絲生產(chǎn)線上來(lái)去除雜物及霉?fàn)€煙葉的系統(tǒng)。 煙草雜物剔除系統(tǒng)主要由6個(gè)部分組成： 1.物料單層化處理裝置 其作用是把煙葉等物料由較厚的層疊狀態(tài)變成很薄的單層狀態(tài)，并利用“壓風(fēng)”和“托風(fēng)”使煙葉從皮帶機(jī)輸出端平穩(wěn)地拋出，且沿可預(yù)知的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定運(yùn)行，為后續(xù)的攝像檢測(cè)提供條件。 2.物料照明系統(tǒng) 其作用是為物料提供照明。要獲得高質(zhì)量的圖像信號(hào)，對(duì)物料的充分照明是非常重要的必備條件之一。 3.物料圖像采集系統(tǒng) 其作用是獲得物料的圖像(物料表面的反射光線)信息，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬圖像信號(hào)變成計(jì)算機(jī)能夠接受和處理的數(shù)字圖像信號(hào)。它包括攝像機(jī)和圖像采集卡。 4.光學(xué)系統(tǒng) 其作用是把物料表面的反射光線盡可能準(zhǔn)確無(wú)誤地送到光電檢測(cè)元件(如CCD感光無(wú)件)上。它包括透過(guò)式有機(jī)玻璃板、平面反光鏡、攝像機(jī)鏡頭等。 5.實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng) 其作用是對(duì)采集到的數(shù)字圖像信號(hào)迸行必要的運(yùn)算和處理，提取出特征參數(shù)，經(jīng)智能判斷決策模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則輸出判斷結(jié)果，并據(jù)此生成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令。它包括計(jì)算機(jī)硬件(如DSP或?qū)Ｓ脠D像處理卡)和軟件。 6.雜物剔除系統(tǒng)。 其作用是把雜物從煙葉流中分離出去。在該系統(tǒng)中采用的是壓縮空氣噴吹方式。它包括高速氣動(dòng)電磁閥組和噴吹腔體。其功能方塊圖圖l。  圖1 煙草異物剔除系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖 三、機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵技術(shù)在煙草雜物剔除系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn) (一)光源 在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，好的光源與照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，并不是簡(jiǎn)單照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量。在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部分之間，應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對(duì)比度。同時(shí)，還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，一般使用透射光和反射光。對(duì)于反射光情況應(yīng)充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對(duì)位置、物體表面的紋理、物體的幾何形狀等要素。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。表1列出了幾種主要光源的相關(guān)特性。  在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，對(duì)煙葉和雜物的判別是基于特征信息(如顏色、紋理、形狀等)進(jìn)行的。因此，要求光源的顯色性好，光譜范圍寬，能覆蓋可見(jiàn)光的整個(gè)范圍，且發(fā)光強(qiáng)度高，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。綜合考慮這些因素，選用了線狀純白的LED光源來(lái)照明物料。 (二)光學(xué)鏡頭 光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要。一個(gè)鏡頭的成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣，即其對(duì)像差校正的優(yōu)良與否，可通過(guò)像差大小來(lái)衡量。常見(jiàn)的像差有球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、色差等6種。對(duì)定焦鏡頭和變焦鏡頭來(lái)講，同一檔次的定焦鏡頭的像差肯定比變焦鏡頭小，因?yàn)樽兘圭R頭必須折中考慮，使在各種不同焦距下的成像質(zhì)量都相對(duì)較好，不允許出現(xiàn)某個(gè)焦距(在變焦范圍內(nèi))下很差的情況。因此，在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)應(yīng)優(yōu)先選用定焦鏡頭。此外，再綜合考慮圖像的放大倍率、視場(chǎng)大小、光圈大小、焦距、視角大小等因素進(jìn)行具體選擇。 在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，需要檢測(cè)的是從皮帶機(jī)輸出端以5m/s～7m/s平拋出的煙葉圖像，每個(gè)鏡頭的視場(chǎng)大小為700mm～1000mm。根據(jù)鏡頭的選用原則，選擇了焦距為50mm、物距為1500mm、視場(chǎng)為1000mm，并能與lk～2k的線陣CCD攝像機(jī)配套使用的定焦鏡頭。 (三)攝像機(jī)和圖像采集卡 攝像機(jī)和圖像采集卡共同完成對(duì)物料圖像的采集與數(shù)字化。高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)成功與否的又一關(guān)鍵所在。目前，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，CCD攝像機(jī)以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等特點(diǎn)得到了廣泛使用。CCD攝像機(jī)按照其使用的CCD器件，可以分為線陣式和面陣式兩大類。線陣CCD攝像機(jī)一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機(jī)前移過(guò)，才能獲得完整的圖像而面陣CCD攝像機(jī)則可以一次獲得整幅圖像的信息。在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，需要獲得的是以5m/s～7m/s速度從皮帶機(jī)輸出端平拋出的單層煙葉流的圖像，非常適合使用線陣攝像機(jī)。 目前的線陣CCD攝像機(jī)產(chǎn)品主要有兩大類:一類在同一時(shí)刻，R、G、B傳感器輸出的信息不是對(duì)應(yīng)被攝物料的同一位置，而是3個(gè)不同的位置，即存在R、C、B錯(cuò)位的問(wèn)題另一類采用了三棱鏡分光技術(shù)把物料上同一位置反射回來(lái)的光線的紅色分量送到R傳感器輸出，綠色分量送到G傳感器輸出，藍(lán)色分量送到B傳感器輸出，即同一時(shí)刻R、G、B傳感器輸出的信息是被攝物料的同一位置的顏色信息。對(duì)于煙草雜物剔除系統(tǒng)，要求的檢測(cè)精度很高(為lmm)，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)(從檢測(cè)到剔除的時(shí)間不大于30ms)，所以選用了采用三棱鏡分光技術(shù)的分辨率為2k的線陣CCU攝像機(jī)。 在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照、完成圖像采集與數(shù)字化、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。它一般具有以下功能模塊： L.圖像信號(hào)的接收與A/D轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的放大與數(shù)字化 2.攝像機(jī)控制輸人輸出接口，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)攝像機(jī)進(jìn)行同步或?qū)崿F(xiàn)異步重置拍照、定時(shí)拍照等 3.總線接口，負(fù)責(zé)通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線高速輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，一般是PCI接口，傳輸速率可高達(dá)130Mb/s，完全能勝任高精度圖像的實(shí)時(shí)傳輸，且占用較少的CPU時(shí)間 4.顯示模塊，負(fù)責(zé)高質(zhì)量的圖像實(shí)時(shí)顯示 5.通訊接口，負(fù)責(zé)通訊。 在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，由于選用的攝像機(jī)輸出的是R、G、B數(shù)字化信號(hào)，且均為8bit，因此圖像采集卡選用了CORECO IMAGE公司的Viper一Digital。 (四)圖像信號(hào)處理卡 圖像信號(hào)的處理是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心，它相當(dāng)于人的大腦。如何對(duì)圖像進(jìn)行處理和運(yùn)算即算法都體現(xiàn)在這里，是開(kāi)發(fā)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)圖像處理的很多工作都必須借助硬件完成，如DSP、專用圖像信號(hào)處理卡等。軟件則主要完成算法中不太成熟、尚需不斷探索和改變的部分。 對(duì)于煙草雜物剔除系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，所以其圖像處理系統(tǒng)當(dāng)然應(yīng)該是實(shí)時(shí)的。為了滿足實(shí)時(shí)性要求，采用了DSP技術(shù)、應(yīng)用硬件(FPGA)和軟件相結(jié)合的方法，來(lái)完成圖像處理的任務(wù)，即用識(shí)別定位軟件對(duì)送到DSP內(nèi)存中的表征煙草或雜物特征信息的數(shù)據(jù)，一幀一幀地進(jìn)行處理，區(qū)分出哪些是雜物哪些是煙葉，并根據(jù)雜物的位置信息發(fā)出相應(yīng)的剔除指令給剔除模塊的電磁閥，控制高壓空氣吹掉雜物。在處理的時(shí)間上必須要注意的是，為了滿足系統(tǒng)對(duì)物料圖像連續(xù)無(wú)遺漏處理的實(shí)時(shí)性要求，必須使圖像的處理速度大于圖像采集的速度。 (五)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)功能的最終實(shí)現(xiàn)是要靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成的，它是系統(tǒng)的最后一個(gè)也是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是把合格煙葉和雜物分離開(kāi)的氣動(dòng)剔除系統(tǒng)。它包括高速電磁閥組和噴吹腔體。為了使整個(gè)系統(tǒng)的剔除率能達(dá)到較高的水平，除了采用簡(jiǎn)單高效的算法，選用自主開(kāi)發(fā)的專用DSP芯片以外，氣動(dòng)剔除系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，特別是快速性和穩(wěn)定性也十分重要，其中電磁閥的影響很大，其響應(yīng)頻率應(yīng)能達(dá)到500Hz左右。 四、結(jié)束語(yǔ) 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的誕生和應(yīng)用，極大地解放了人類勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平，改善了人類生活現(xiàn)狀，其應(yīng)用前景極為廣闊。隨著煙草行業(yè)提質(zhì)降耗工程的全面實(shí)施，它也將越來(lái)越多地應(yīng)用于煙草行業(yè)的質(zhì)量檢測(cè)、監(jiān)控和分揀，為提升我國(guó)煙草企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力做出更大的貢獻(xiàn)。 |
