基于机器视觉技术的香烟滤棒内置物检测系统设计

作者：徐洋时间：2019-01-29来源：电子产品世界收藏

作者徐洋(中国电子科技集团公司第41研究所，安徽蚌埠 233000)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201901/397277.htm

　　摘要：本文进行了一种基于机器视觉技术的香烟滤棒内置物检测系统设计，用于检测香烟滤棒内置物可能出现的缺失、偏移等缺陷。搭建了一套基于背光照明的机器视觉检测系统，利用灰度化、兴趣区域定位、投影变换等处理得到内置物的投影曲线，根据曲线波形确定内置物的位置和有无。本检测系统对卷烟材料的生产和质量控制有一定的指导意义。

　　关键词：滤棒;机器视觉;投影

　　0 引言

　　滤棒是生产香烟滤嘴的主要原料，它在卷烟过程中经过切割等工序能制作成香烟的滤嘴。为了提高吸烟的安全性尤其是选择性去除烟气中的有害成分，目前国内很多卷烟厂都在香烟滤嘴中加入了一些特殊内置物，如有特殊吸附效果的活性炭以及对人体某些器官有调理作用的泌润球等，用此来达到“减害降焦”的目的。

　　在这种加入内置物的滤棒生产过程中，可能出现内置物缺失、内置物在滤棒内偏离预定位置等缺陷，为保证滤棒及香烟的质量，需要对滤棒进行质量检测;目前对该类特殊的香烟滤棒还没有一种完善的检测方法，因此急需一种检测方法，准确检测出合格的香烟滤棒。

　　1 检测原理

　　滤棒在普通照明下，内置物是不可见的。由于滤棒材料和内置物透光率的不同，含内置物的滤棒在背景光照射下，内置物会形成明显的阴影。本系统主要由光源、挡光板、图像采集组件、控制器组成，如图1所示。在打光上，采用背光照射方式，平行光源、滤棒和工业相机安装于同一条线上，滤棒置于一带有槽的不透光挡板槽上，光源与图像采集组件分别置于挡板两侧;当光源从挡板一侧照射时光线只从滤棒内穿过，图像采集组件在挡板的另一侧采集滤棒图像传送至工控机;控制器对滤棒图像进行灰度化、兴趣区域定位、投影变换等处理，得到投影曲线，根据曲线波形情况来判断滤棒是否存在缺陷，当检测到缺陷时发出报警信号。

　　2 硬件设计

　　2.1 控制器设计

　　控制器主要由工控板、接口板、带触摸屏的彩色液晶屏组成，是系统控制的核心。工控板用于操作系统以及上位机软件的运行，本系统采用的是COM-Express模块，COM-Express模块是基于PCI Express 总线的高集成度计算机模块，安装于用户针对特殊应用的载板上。接口板是根据COM-Express模块对外接口设计的底板，实现了工控板的外围扩展，主要包括电源电路、接口板单片机电路、输入信号采集电路、图像采集组件通讯接口、输出驱动电路、液晶及触摸屏接口等。显示屏作为人机交互界面，可查看系统运行的相关信息，并可通过触摸屏设置系统相关参数。

　　2.2 光源组件设计

　　光源是图像采集性能稳定的重要保障，负责以合适的方式将光线投射到检测目标上，尽可能地突出检测目标的特征量部分，使需要检测的部分与背景产生明显对比^[1]。LED 灯具有成本低、光强稳定、使用寿命长及免维护等优点，本系统采用白色条形LED 灯作为香烟滤棒内置物检测系统的光源。光源通过恒流源进行驱动，并与图像采集组件同步，以频闪方式进一步降低发热，进一步提高了光源寿命。

　　2.3 图像采集组件设计

　　图像采集组件主要由CMOS相机和光学镜头组成。获取高质量的图像是机器视觉系统进行缺陷检测的关键，综合考虑成本与检测效率，本系统采用1/3"CMOS图像传感器的工业相机，其具有高达744×480的分辨率，USB 数据传输接口，在最高分辨率下帧速率为76，且体积非常小;综合考虑物距、喷码尺寸以及尽量减少畸变的影响，本系统选用焦距为4.2 mm的镜头。

　　在图1所示工作位置下，图像采集组件拍摄的完好滤棒图像如图2所示。

　　3 检测算法设计

　　含有内置物的位置，光线穿过较少，在采集的滤棒图像中，像素灰度值也相对较低，呈聚集的阴影。系统利用此特征，通过图像处理算法计算得到内置物的投影曲线，根据曲线波形确定内置物的位置或有无，实现内置物的检测。

　　若图像尺寸为M行×N列，以灰度图像中像素的灰度均值为投影特征对图像进行水平和垂直方向投影，图像的二维灰度信息映射成2个独立的一维投影序列。计算公式如下：

0.1.jpg

　　其中，gy(j)为图像的第j行灰度水平投影值，gx(i)为图像的第i列灰度垂直投影值;为灰度图像上坐标为的像素点的灰度值。

　　对图2进行灰度变换，并对灰度图像进行感兴趣区域(ROI)的定位。定位采用水平投影的方法^[2]，以灰度图像的行像素平均灰度值为特征进行水平方向的投影，投影曲线如图3所示。　

由于滤棒部分灰度值较高，投影曲线上滤棒的对应位置投影值较大，以曲线的平均值为基准值，可以很好的分割出滤棒感兴趣区域，高于基准值的部分即为感兴趣区域，如图4所示。

　　在滤棒图像兴趣区域内，采用垂直投影方法对滤棒内置物进行检测，垂直投影曲线如图5所示。由于滤棒图像中的内置物呈聚集的阴影，投影曲线上阴影部分对应的投影值也小，在投影曲线图像上表现为四个幅值较大的波谷，且波峰与波谷数值差异较大。分区间找到各区间的满足一定阈值的最小值，其对应的就是滤棒中内置物的位置，图5中，投影曲线上垂直白线即为找到的内置物位置。

　　对于存在内置物缺失或内置物偏移的滤棒，其垂直投影曲线及内置物定位效果分别如图6和7所示。图6中，滤棒中第二个内置物缺失，在投影曲线上对应的第二个内置物的检测区间内不存在满足条件的波谷。同理，图7中，第三个内置物偏移了预定位置，对应的投影曲线第三个内置物的检测区间内也不存在满足条件的波谷，即滤棒存在缺陷。