方學(xué)軍

（貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 貴州 貴陽(yáng) 550003）

香煙生產(chǎn)線的速度非常快，比如GDX-2包裝機(jī)組的速度就達(dá)7包/秒，但在包裝過程中往往會(huì)產(chǎn)生各種瑕疵，如破損、翹邊、翻蓋、露白、反包、疊角、印刷未上色等，這給在線檢測(cè)帶來很多麻煩。用人工只能抽檢，結(jié)果有很多的不合格品流入市場(chǎng)，管理層也無法進(jìn)行有效監(jiān)管，對(duì)品牌價(jià)值和產(chǎn)品信譽(yù)都造成很大影響。因而，一套高效的香煙外包裝視覺檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)香煙生產(chǎn)線尤為重要。設(shè)計(jì)既能實(shí)現(xiàn)高速在線檢測(cè)，又能進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)處理的香煙外包裝視覺檢測(cè)系統(tǒng)，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

1 檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

檢測(cè)系統(tǒng)按功能可分為3個(gè)部分：成像單元、圖像采集與處理單元、控制單元，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。成像單元由CCD攝像機(jī)、LED光源構(gòu)成，負(fù)責(zé)原始圖像數(shù)據(jù)的采集，CCD攝像機(jī)向圖像處理子系統(tǒng)輸出模擬視頻信號(hào)。由于煙包位于生產(chǎn)線上，需檢測(cè)5個(gè)面，因此只需設(shè)置2個(gè)對(duì)面放置的CCD攝像機(jī)與LED光源進(jìn)行檢測(cè)。

圖像采集與處理單元負(fù)責(zé)接收模擬視頻信號(hào)，數(shù)字化模擬視頻信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)目的對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果傳送至MCU控制器?？刂茊卧怯蓡纹瑱C(jī)、顯示單元、報(bào)警單元、光電傳感器、通信模塊和其他擴(kuò)展功能模塊等器件構(gòu)成，用來完成煙包在傳送帶上的定位、包裝瑕疵的煙包的剔除操作以及顯示、報(bào)警等功能，為了組成閉環(huán)柔性系統(tǒng)，還可以設(shè)置通信模塊。

1.1 CCD攝像機(jī)與鏡頭的選取

用圖像處理方法進(jìn)行煙包識(shí)別的原理可在獲取煙包的圖像后，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理并識(shí)別煙包與設(shè)定合格品之間的區(qū)別。成像質(zhì)量對(duì)整個(gè)檢測(cè)的準(zhǔn)確性及速度至關(guān)重要，也就是說，實(shí)現(xiàn)缺陷識(shí)別的基礎(chǔ)是獲取清晰的煙包圖像。因此在選擇CCD攝像機(jī)的時(shí)候，有幾個(gè)項(xiàng)目特別重要，那就是快門、異步重置外觸發(fā)和鏡頭。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

快門速度決定了感光元件的曝光時(shí)間，傳送帶上的煙包是移動(dòng)的，經(jīng)計(jì)算決定快門速度T≤1.22×10-4秒，故可選1/10000秒快門速度的攝像機(jī)；當(dāng)傳送帶上的煙包到達(dá)檢測(cè)位置時(shí)，必須精確的控制CCD攝像機(jī)進(jìn)行拍照，這要求CCD相機(jī)具有異步重置外觸發(fā)功能；決定了CCD攝像機(jī)的其他指標(biāo)后，由煙包傳送過程中的最小物距（工作距離）可算出鏡頭焦距約為15.52mm，所以，應(yīng)選擇標(biāo)定焦距為16mm的鏡頭。

1.2 光源與照明方式的確定

對(duì)于煙包在線檢測(cè)系統(tǒng)來說，因?yàn)闊煱臄z速度快、間隔很小，光源以常亮照明方式連續(xù)工作為好。這就要求它必須具有較長(zhǎng)的壽命，且發(fā)光穩(wěn)定，功耗較低，為了防止整個(gè)照明系統(tǒng)受自然光或現(xiàn)場(chǎng)其他照明燈光的影響，保證采集的圖像質(zhì)量穩(wěn)定，應(yīng)將成像單元置于一封閉空間內(nèi)對(duì)煙包拍照，因此可采用漫反射效果好的熒光燈燈源。

圖2 照明效果圖

2 基于DSP的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)

用大容量FPGA實(shí)現(xiàn)高速的圖像采集，并對(duì)圖像作濾波等預(yù)處理，用DSP實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別。圖像處理器采用這種結(jié)構(gòu)方式，可把圖像采集和圖像處理有機(jī)結(jié)合，充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，由此設(shè)計(jì)開發(fā)的實(shí)時(shí)圖像處理器，既能實(shí)現(xiàn)高頻圖像信號(hào)的精確采集，又能保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性，并且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

針對(duì)煙包檢測(cè)的特點(diǎn)和實(shí)際要求，設(shè)計(jì)嵌入式圖像處理器，主要包括：視頻解碼、圖像采集控制、數(shù)據(jù)傳輸控制、DSP及其外圍器件等。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。視頻解碼主要實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD傳送的視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，以及同步信號(hào)的提取。由于DSP運(yùn)行速度高，為減少DSP的等待時(shí)間，可以采用高速同步FIFO來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、傳輸?shù)热蝿?wù)，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖器，以和高速的DSP相匹配。對(duì)視頻解碼芯片及FIFO的控制由FPGA來實(shí)現(xiàn)，而FPGA的控制參數(shù)由DSP提供。DSP是圖像處理模塊的核心，接收主機(jī)的指令，讀取FIFO傳送的圖像數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并進(jìn)行運(yùn)算，再將處理結(jié)果通過MCU控制器接口發(fā)送回控制器。

圖3 圖像處理器的總體結(jié)構(gòu)

DSP處理圖像時(shí)可進(jìn)行平滑濾波、邊緣檢測(cè)、定位配準(zhǔn)、圖像識(shí)別等。平滑濾波完成圖像識(shí)別的預(yù)處理功能。圖像識(shí)別的過程，以煙包檢測(cè)為例，即先對(duì)圖像進(jìn)行定位配準(zhǔn)、邊緣檢測(cè)，測(cè)得圖像的邊緣數(shù)據(jù)，再對(duì)邊緣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，根據(jù)檢測(cè)閾值來判斷該被測(cè)物體是否合格。

3 圖像處理器軟件主體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件的流程分四個(gè)步驟，首先是系統(tǒng)上電初始化，加載程序和初始化各種參數(shù)，然后系統(tǒng)開始運(yùn)行。依靠光電感應(yīng)開關(guān)和機(jī)械定位裝置等設(shè)備探測(cè)煙包的位置，當(dāng)煙包剛好處于最佳攝像位置時(shí)，光電開關(guān)發(fā)出一個(gè)圖像采集觸發(fā)指令，并實(shí)時(shí)傳送給圖像處理器。圖像處理器接收觸發(fā)指令，在FPGA的控制下完成圖像的采集，并通過FIFO將數(shù)據(jù)分批傳送至DSP。接下來是圖像處理，即通過一定的圖像處理算法完成各種檢測(cè)任務(wù)。最后將檢測(cè)結(jié)果輸出到MCU控制器，由控制器統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果和控制相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件的主體結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先通過FLASH和PROM分別加載DSP和FPGA的程序，復(fù)位DSP和FPGA，系統(tǒng)初始化，打開DSP的中斷，準(zhǔn)備進(jìn)行圖像采集。接著當(dāng)被測(cè)煙包處于最佳攝像位置時(shí)，由光電開關(guān)探測(cè)煙包的位置，并向FPGA發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖，F(xiàn)PGA檢測(cè)到采樣脈沖即控制采集一幅圖像。接下來，通過選通信號(hào)，F(xiàn)PGA將采集的圖像數(shù)據(jù)依次寫入FIFO。FIFO半滿即產(chǎn)生DSP中斷，DSP執(zhí)行中斷子程序，讀取FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)。DSP讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)，輸出端同步計(jì)數(shù)，保證圖像和數(shù)據(jù)同步。在兩次中斷的間隔時(shí)間，DSP還可以同時(shí)執(zhí)行其它工作，如處理上一幀圖像數(shù)據(jù)或輸出結(jié)果等。最后通過同步計(jì)數(shù)數(shù)值判斷是否完成了一副圖像的采集，如果完成了則進(jìn)行圖像處理。

圖像處理主要完成圖像預(yù)處理及圖像識(shí)別兩部分功能。通過中值濾波消除噪聲，使圖像的背景均勻，即為圖像預(yù)處理功能，濾波處理后煙包瑕疵等待檢測(cè)的指標(biāo)仍保持原有特征，此過程可以由DSP或者大容量的FPGA來完成。進(jìn)行圖像識(shí)別時(shí)，首先進(jìn)行邊緣檢測(cè)和閾值分割，得到圖像的邊沿相關(guān)數(shù)據(jù)，再計(jì)算邊沿的周長(zhǎng)和圖像的面積，和檢測(cè)閾值進(jìn)行比較，判斷被測(cè)煙包是否合格，此過程由DSP完成。最后圖像處理器再將檢測(cè)結(jié)果送到MCU控制器，從而控制設(shè)備進(jìn)行后續(xù)操作，并可以通過USB總線接口將訊息傳送到上位管理機(jī)，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的結(jié)果的分析統(tǒng)計(jì)與記錄。

4 總結(jié)與展望

本課題利用DSP處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，研究了將DSP技術(shù)和MCU等嵌入式技術(shù)應(yīng)用于香煙外包裝視覺檢測(cè)過程領(lǐng)域的方法，解決了圖像處理數(shù)據(jù)量大和檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高之間的矛盾，針對(duì)煙包在線檢測(cè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了視覺檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分提出了實(shí)現(xiàn)方案，包括CCD攝像機(jī)的選取、光源照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，闡述了針對(duì)煙包常見包裝問題的檢測(cè)原理，針對(duì)圖像處理的要求以及處理平臺(tái)的硬件資源，提出了實(shí)時(shí)處理軟件的工作流程，并介紹了檢測(cè)軟件的主體結(jié)構(gòu)。

本文作為一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)的研究，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)可大大提高生產(chǎn)效率，但如何提高系統(tǒng)的抗干擾性能還有待更進(jìn)一步的研究。

［1］謝林軍，安靖.香煙小包裝嵌入式視覺在線檢測(cè)系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2010,26:73-75.

［2］楊繼志，郭敬.機(jī)器視覺在煙草行業(yè)的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2011,24（6）:124-126.

［3］王思為，朱明.基于DM642機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2006,12（2）：175-177.

［4］劉黨輝，沈蘭.DSP芯片及其在圖像技術(shù)中的應(yīng)用[J].測(cè)控技術(shù)，2001,20(5):16-23.