王 鵬

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄新陽(yáng)工業(yè)區(qū)新陽(yáng)路1號(hào) 361022

卷煙物流中的成品件煙分揀系統(tǒng)主要以煙箱條碼來(lái)識(shí)別煙箱品牌，并將煙箱品牌信息發(fā)送給控制中心，控制中心發(fā)送指令給相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將相應(yīng)品牌的煙箱推送到對(duì)應(yīng)物流通道中［1］。但在條碼識(shí)別過程中，由于存在一種條碼對(duì)應(yīng)多種品牌（同一牌號(hào)但銷售地區(qū)不同）以及條碼印刷質(zhì)量不良、條碼污染等現(xiàn)象，造成誤檢率偏高，需要進(jìn)行人工干預(yù)，增加了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)器視覺技術(shù)是一種新興的檢測(cè)技術(shù)，即采用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷，并通過光學(xué)器件進(jìn)行非接觸感知，自動(dòng)獲取和解釋某個(gè)真實(shí)場(chǎng)景的圖像，以獲取信息和（或）控制機(jī)器［2］。目前機(jī)器視覺技術(shù)在煙草行業(yè)已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)檢測(cè)和品質(zhì)監(jiān)控過程中，如在線外觀檢測(cè)、異物剔除、新測(cè)定方法開發(fā)等［2-6］。因此，為解決一種條碼對(duì)應(yīng)多種品牌的問題，根據(jù)生產(chǎn)需求制訂了煙箱編碼規(guī)則，使每種牌號(hào)的每個(gè)品牌都有唯一的編碼，并將該編碼印刷在煙箱側(cè)面。采用機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)及模板匹配算法，通過高精度彩色工業(yè)相機(jī)抓拍煙箱側(cè)面的編碼并進(jìn)行識(shí)別，得到煙箱品牌信息，以期準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)分揀操作，解決煙箱分揀誤檢率偏高等問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煙箱品牌視覺檢測(cè)分揀系統(tǒng)主要由高精度彩色工業(yè)相機(jī)、條形光源、工控機(jī)、光電傳感器等組成，見圖1。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到煙箱到達(dá)抓拍位置時(shí)，向工控機(jī)發(fā)送信號(hào)，工控機(jī)接收到信號(hào)后，觸發(fā)條形光源頻閃并同時(shí)控制工業(yè)相機(jī)抓拍。工業(yè)相機(jī)將獲得的編碼通過USB接口傳遞給工控機(jī)，工控機(jī)中的主程序通過機(jī)器視覺算法對(duì)圖像進(jìn)行處理、匹配、判斷等工作，識(shí)別出煙箱品牌，并將識(shí)別出的煙箱品牌信息通過I/O串口傳送給物流分揀系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)正確無(wú)誤的分揀操作。如果系統(tǒng)中沒有煙箱品牌模板，則系統(tǒng)會(huì)報(bào)錯(cuò)，工控機(jī)通過I/O串口通知控制板進(jìn)行報(bào)警，停止煙箱分揀，等待操作工進(jìn)行處理［7-9］。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有品牌建模、歷史圖片瀏覽、搜索、統(tǒng)計(jì)等功能。

圖1 煙箱品牌視覺檢測(cè)分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、建模程序、輔助程序［10-12］，主要是實(shí)現(xiàn)控制相機(jī)抓拍、圖像識(shí)別/顯示、模型建立、歷史圖片瀏覽/統(tǒng)計(jì)、班次管理等功能。主程序和建模程序均采用 C++語(yǔ)言編程［13］。

2.1.1 主程序

（1）主程序主要是控制相機(jī)抓拍、品牌識(shí)別和顯示圖像，見圖2。目前用于品牌識(shí)別的基本算法包括光學(xué)字符識(shí)別算法（OCR，Optical Character Recognition）與模板匹配算法。OCR光學(xué)字符識(shí)別［14］是通過電子設(shè)備（如掃描儀或數(shù)碼相機(jī)）檢測(cè)打印在紙上的字符的暗、亮度以確定其形狀，并采用字符識(shí)別法將形狀解析成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信息，即對(duì)文本資料進(jìn)行掃描，然后對(duì)圖像文件進(jìn)行分析處理，獲取文字及版面信息的過程。模板匹配［10］是指在灰度圖像中快速地定位到與某一已知參考模板匹配的區(qū)域，即通過建立的參考模板，應(yīng)用模板匹配方式，系統(tǒng)在獲取的每幅圖像中搜索該模板，并計(jì)算出相應(yīng)的相似度量。

圖2 分揀系統(tǒng)主程序界面

由于煙箱印刷質(zhì)量問題，且存在污染現(xiàn)象，使用OCR識(shí)別技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別，其算法設(shè)計(jì)復(fù)雜、計(jì)算量大、識(shí)別速度慢。因此，在系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)中采用了適應(yīng)性更強(qiáng)的模板匹配算法進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。在煙箱編碼過程中，煙箱碼分為多位差異、一位或兩位不同的單位差異，見表1。對(duì)于多數(shù)情況下的多位差異碼，只要建立一個(gè)定位配備模板即可，即“0定位”，見圖3a；對(duì)于少數(shù)情況下的一位或兩位不同的單位差異，除了需要“0定位”，還要建立一個(gè)精確識(shí)別的匹配模板區(qū)域，即“1模板匹配”，才能在分揀操作時(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤，見圖3b。

表1 煙箱編碼特征

圖3 模板匹配建模

（2）根據(jù)模板匹配算法，主程序的處理流程為：煙箱到位，工業(yè)相機(jī)抓拍，采集圖像，根據(jù)模板匹配算法開始循環(huán)匹配，見圖4。如果編碼為多位差異，只需進(jìn)行“0定位”，即定位匹配，即可完成識(shí)別；如果編碼屬于單位差異，除了進(jìn)行定位匹配外，還需進(jìn)行“1模板匹配”，即精確匹配，才能完成識(shí)別。兩種情況中，如果模板不能匹配，則返回信息提示更換模板或結(jié)束匹配。匹配完成后，給分揀工位發(fā)送信號(hào)進(jìn)行分揀操作。

圖4 主程序處理流程圖

2.1.2 建模程序

建模程序是對(duì)各種品牌的煙箱建立模型，修改和保存各品牌參數(shù)文件，從而使系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別不同品牌煙箱。當(dāng)檢測(cè)有新品牌時(shí)，由于模板匹配不成功，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，此時(shí)要將該品牌的模板添加到系統(tǒng)中。建模程序的處理流程為：當(dāng)需要添加新品牌時(shí)，首先進(jìn)行煙箱模板選擇，查找、添加煙箱品牌。添加完成后，選擇檢測(cè)項(xiàng)，包含“0定位”與“1模板匹配”，見圖5。根據(jù)煙箱條碼的類型選擇檢測(cè)項(xiàng)，同時(shí)設(shè)置編碼檢測(cè)位置，以便相機(jī)抓拍識(shí)別。設(shè)置檢測(cè)參數(shù)，參數(shù)類型為定位分?jǐn)?shù)，為提高相機(jī)拍照后灰度轉(zhuǎn)換效果，編碼字體為黑色和藍(lán)色字時(shí)設(shè)置為“50～65”，編碼字體為紅色字時(shí)設(shè)置為“30～45”。配置完成則添加成功，否則修改或重新設(shè)置直到品牌添加完成。

圖5 建模程序處理流程圖

2.1.3 輔助程序

輔助程序包括歷史圖片瀏覽與分析、班次管理、條煙數(shù)量統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了信息查詢、歷史記錄等功能。該部分采用VB語(yǔ)言編程，其處理流程為：開始調(diào)用輔助程序時(shí)，首先對(duì)輔助功能進(jìn)行選擇，見圖6。當(dāng)選擇歷史圖片瀏覽時(shí)，程序根據(jù)“時(shí)間+班次+品牌編號(hào)”進(jìn)行條件限制，返回并顯示數(shù)據(jù)結(jié)果；當(dāng)選擇班次管理時(shí)，程序根據(jù)“時(shí)間段+班次數(shù)量”進(jìn)行班次設(shè)定，然后添加班次；當(dāng)選擇統(tǒng)計(jì)功能時(shí)，程序根據(jù)“時(shí)間+品牌編號(hào)”進(jìn)行條件限制，返回并顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖6 輔助程序處理流程圖

2.2 除塵裝置

圖7 除塵裝置結(jié)構(gòu)圖

由于煙箱品牌視覺檢測(cè)分揀系統(tǒng)的工作環(huán)境灰塵較大，會(huì)影響相機(jī)鏡頭和光源的透明度。為此設(shè)計(jì)了除塵裝置以消除這種干擾，見圖7。該裝置由分揀線提供氣源，氣嘴分別安裝在相機(jī)鏡頭和光源的上方，當(dāng)煙箱品牌視覺檢測(cè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，每隔1 h氣嘴吹出高壓氣體，清除相機(jī)鏡頭和光源表面的灰塵，以提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

3 應(yīng)用效果

基于機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)和模板匹配算法的煙箱品牌視覺檢測(cè)分揀系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行使用，煙箱品牌的平均誤檢率由原來(lái)的12.10%降低到0.28%，有效提高了檢測(cè)效率和可靠性，保證了分棟工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性，滿足了實(shí)際應(yīng)用需求。

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