趙巨峰, 高秀敏， 崔光茫

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

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結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)設(shè)計

趙巨峰1,2, 高秀敏1， 崔光茫2

(1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018;2.浙江大學(xué) 現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室，浙江 杭州 310027)

設(shè)計了結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)。首先分析了視覺檢測實驗系統(tǒng)的構(gòu)成因素；然后分析了如何構(gòu)建面向生產(chǎn)線的視覺檢測系統(tǒng)的思路與步驟；最后，以藥品生產(chǎn)線瓶蓋縫隙自動檢測設(shè)計為例，探討了構(gòu)建視覺檢測實驗系統(tǒng)過程中的一些問題，給出了具體的設(shè)計方案與結(jié)果。實踐效果表明，該設(shè)計實驗使教學(xué)貼近實際應(yīng)用而提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了理論知識的理解，鍛煉了學(xué)生解決工程問題的能力，取得了滿意的教學(xué)效果。

視覺檢測; 生產(chǎn)線; 學(xué)習(xí)興趣; 教學(xué)效果

0 引 言

視覺檢測技術(shù)利用了電子學(xué)、光電檢測、圖像處理、計算機技術(shù)等，將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)線，通過輔助實現(xiàn)對產(chǎn)品的尺寸、瑕疵等的快速檢測與判別[1-3]，來實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化檢測與運行。這種技術(shù)具有非接觸、定制化、速度快、兼容性好等優(yōu)點[4-6]。隨著“機器換人”的深入，視覺檢測系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)線的應(yīng)用越來越普遍[7-9]。

鑒于視覺檢測技術(shù)綜合了諸多課程內(nèi)容，決定了其是電子、測試技術(shù)與儀器、光電工程、計算機科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的本科生和研究生的重要授課內(nèi)容[10-12]。這些課程存在內(nèi)容較為抽象，相關(guān)的理論知識復(fù)雜且零碎，課程實踐性強等特點[13]。因此，單一的理論授課難以滿足教學(xué)的要求，實驗、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

本文提出的結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)的設(shè)計，作為教學(xué)相輔、學(xué)以致用的一個教學(xué)與實踐平臺，既能涵蓋課程知識內(nèi)容與實驗教學(xué)內(nèi)容，又能以理論為基礎(chǔ)增加以應(yīng)用為目的的系統(tǒng)化實踐，充分加深與訓(xùn)練學(xué)生在光電系統(tǒng)成像、光電信號獲取、數(shù)字信號處理與計算機集成等方面的綜合能力。通過系統(tǒng)與平臺提供的基礎(chǔ)元件與組件設(shè)備，學(xué)生可以根據(jù)不同生產(chǎn)線的要求自主設(shè)計并搭建系統(tǒng)，根據(jù)要求設(shè)計算法實現(xiàn)視覺檢測；通過該實驗系統(tǒng)的設(shè)計，將理論知識與實際應(yīng)用銜接與結(jié)合起來，一方面使學(xué)生能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)理論知識，掌握視覺檢測技術(shù)的基本原理與方法;另一方面有助于提高學(xué)生解決實際工程問題的能力，從而提升教學(xué)質(zhì)量與效果。

1 視覺檢測實驗系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，主要包括機械架構(gòu)與照明裝置組裝(機械結(jié)構(gòu)支撐與照明設(shè)備)，成像系統(tǒng)與視覺檢測辨識算法設(shè)計與研發(fā)(成像相機、數(shù)據(jù)采集與視覺處理系統(tǒng))。通過系統(tǒng)化地實踐學(xué)習(xí)，并能夠結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)線的實際問題，加深理論層次上的理解，最終將學(xué)校的理論學(xué)習(xí)與產(chǎn)業(yè)實踐結(jié)合與銜接起來。

1.1 實驗系統(tǒng)的組件設(shè)備與基本架構(gòu)設(shè)計

視覺檢測實驗系統(tǒng)的組件設(shè)備主要包括機械支撐架構(gòu)，LED等照明設(shè)備(包括控制光源)，模擬生產(chǎn)線，工業(yè)相機(包括相機與鏡頭，控制軟件與demo，軟件代碼可安裝于計算機并二次開發(fā))，計算機(普通臺式機，筆記本或工業(yè)電腦)，相關(guān)的軟件平臺(主要是VC軟件平臺)等。

在已有的組件設(shè)備的基礎(chǔ)上，由學(xué)生根據(jù)實際工業(yè)生產(chǎn)線，組建實驗系統(tǒng)，設(shè)計視覺檢測算法，并編程實現(xiàn)功能，重點培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、系統(tǒng)化設(shè)計能力、算法設(shè)計與編程能力。具體的生產(chǎn)線包括電子產(chǎn)品(檢查元件方向等)，飲料應(yīng)用(檢查缺蓋和批號)，醫(yī)療行業(yè)(檢測藥品是否存在、瓶蓋是否符合要求等)，機械產(chǎn)品(檢查表面、結(jié)構(gòu)瑕疵等)等。視覺檢測實驗系統(tǒng)的基本架構(gòu)設(shè)計如圖1所示，學(xué)生一般按照這個基本架構(gòu)展開相關(guān)設(shè)計與實驗。

圖1 結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)的基本架構(gòu)

1.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與照明裝置組裝

購置與設(shè)計加工了多功能、兼容性好、擴(kuò)展性強的通用機械構(gòu)架，該機械構(gòu)架提供了整體固定的結(jié)構(gòu)框架，為照明系統(tǒng)和成像設(shè)備提供固定的支架，適用于大部分生產(chǎn)線。購置與加工了小機械構(gòu)件，能夠根據(jù)具體的生長線應(yīng)用場景與機械支架進(jìn)行組合，滿足不同的需求。學(xué)生可提出自己的思路，另外再委托加工或購置相關(guān)零件與元件。

照明系統(tǒng)裝置直接決定了所得到視覺圖像的質(zhì)量，也是后續(xù)視覺檢測算法準(zhǔn)確率的保障。結(jié)合一系列生產(chǎn)線的情況及其檢測物品的形狀、檢測指標(biāo)及照明材料反光特征和顏色，采用適用于不同生產(chǎn)線的LED照明系統(tǒng)(條狀，環(huán)狀等)，并配備可調(diào)節(jié)設(shè)備以改變光照亮度等。

根據(jù)生產(chǎn)線的具體檢測要求，對機械結(jié)構(gòu)與照明裝置進(jìn)行綜合設(shè)計與組裝，主要考慮照明方式(反射或透射)、照明角度、照明光強、照明形狀、照明色溫等因素對視覺檢測結(jié)果的影響，探索如何探測獲取圖像能夠最大可能地有助于后期的視覺檢測。

通過以上裝置組裝實驗，學(xué)生熟悉了機械架構(gòu)與照明系統(tǒng)對視覺檢測的重要性，并針對生產(chǎn)線的實際要求，能夠自己探索設(shè)計合適的裝置，實踐了機械結(jié)構(gòu)的組裝與LED照明系統(tǒng)的使用方法，鞏固了理論知識，也為下一步進(jìn)行成像系統(tǒng)與視覺檢測辨識算法設(shè)計與研發(fā)創(chuàng)造了條件，有助于增強解決實際工程問題的能力。

1.3 成像系統(tǒng)與視覺檢測算法設(shè)計

在視覺檢測技術(shù)研究中，首先需要進(jìn)行視覺信息的獲取，即利用光學(xué)成像系統(tǒng)的功能。根據(jù)已有的光學(xué)成像系統(tǒng)，包括多個成像相機(型號不同)、多組成像鏡頭(焦距，視場角等不同)等，由學(xué)生遴選與工業(yè)生產(chǎn)線所需的視覺檢測要求相符合的光學(xué)成像系統(tǒng)，設(shè)計最佳的成像方式(相機與鏡頭)，以實現(xiàn)相對最佳的視覺圖像信息獲取；為實現(xiàn)成像系統(tǒng)的最佳性能，學(xué)生可以利用相機SDK底層代碼，編寫成像控制程序，實現(xiàn)二次開發(fā)，以配合下一步圖像信息處理工作。

傳統(tǒng)的圖像獲取一般是最高分辨率、最大視場的圖像。但對于很多工業(yè)生產(chǎn)線，比如高速行進(jìn)中的次品檢測，可以選取高速成像且犧牲部分分辨率；又如體積較小產(chǎn)品檢測與處理，通常所需要的視覺信息就局限于產(chǎn)品的周圍，所獲取的圖像只需要包含這部分即可，無需大視場,因此，傳統(tǒng)的做法會限制視覺檢測技術(shù)的應(yīng)用。學(xué)生可以根據(jù)具體生產(chǎn)線的情況，自己設(shè)計并利用二次開發(fā)技術(shù)，提出合理的圖像獲取手段——平衡全局/局部分辨率與成像速度，以獲取最有利的視覺圖像信息。

為了弄清楚蒸汽本身的安全風(fēng)險，英國伯明翰大學(xué)研究人員設(shè)計了一種可以模擬電子煙蒸汽的裝置，并可以產(chǎn)生蒸汽冷凝液。隨后，研究人員從八名健康的非吸煙人士肺部提取了肺泡巨噬細(xì)胞，并將這些細(xì)胞分別暴露在普通電子煙液體、有尼古丁和沒有尼古丁的人工蒸汽冷凝液中。

視覺檢測技術(shù)是本項目中最核心的技術(shù)，類似于“人腦”的思考與判斷。在工業(yè)生產(chǎn)線的視覺檢測技術(shù)，①需要完成類似人腦的功能，比如找到瑕疵區(qū)域、找出次品等；②盡可能地快速檢測,即速度問題。在已有的模擬生產(chǎn)線與照明、成像系統(tǒng)基礎(chǔ)上，針對不同生產(chǎn)線的視覺檢測需求與要求，分析對應(yīng)的視覺信息圖像，分析獲得圖像的全局與局部的一些特征，計算相關(guān)數(shù)據(jù)(如元件的尺寸，縫隙的寬度等)，實現(xiàn)視覺檢測。在視覺檢測過程中，有時候需要學(xué)生對圖像進(jìn)行增強優(yōu)化，這是因為獲取的圖像可能對比度低、亮度不均勻等，通過直方圖均衡化、顯著性增強等圖像優(yōu)化方法來增強有用的圖像信息，以快速獲取最凸顯有用視覺信息的圖像。

在建立組裝的機械結(jié)構(gòu)、照明裝置的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過動手組裝成像設(shè)備與系統(tǒng)，并利用成像系統(tǒng)的二次開發(fā)能力編程實現(xiàn)成像的控制與視覺檢測的統(tǒng)一與綜合設(shè)計，強化學(xué)生對成像傳感器的深刻理解，提高學(xué)生對生產(chǎn)線視覺檢測的建模能力。利用整套系統(tǒng)，充分利用對照明、成像參數(shù)的控制，綜合設(shè)計算法獲取最佳的視覺圖像，自主設(shè)計視覺檢測算法計算獲取實現(xiàn)視覺檢測目的，培養(yǎng)解決面向生產(chǎn)線的視覺檢測的系統(tǒng)集成與一體化的能力。

1.4 結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)的軟件集成

學(xué)生結(jié)合實際生產(chǎn)線，在以上硬件平臺上與算法設(shè)計基礎(chǔ)上，實驗室提供基礎(chǔ)的各個模塊的代碼，學(xué)生需要將各算法改造成代碼并集成為具有可視化界面的軟件。該軟件功能基本包括對相機的控制、對圖像的優(yōu)化以及視覺檢測。

學(xué)生通過對整個系統(tǒng)的了解與熟悉，最后通過綜合軟件的集成掌握視覺檢測的用途，明確系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成，掌握系統(tǒng)的設(shè)計與使用及開發(fā)方法,各個組件設(shè)備的參數(shù)設(shè)置。

2 藥品生產(chǎn)線瓶蓋縫隙自動檢測設(shè)計實例

該視覺檢測實驗系統(tǒng)面向杭州電子科技大學(xué)的部分本科生與研究生進(jìn)行了應(yīng)用嘗試，作為“光電檢測技術(shù)”“光電圖像處理”等課程的輔助實踐教學(xué)，浙江大學(xué)的部分研究生也參與了討論與改進(jìn)。其中，藥品生產(chǎn)線瓶蓋縫隙自動檢測設(shè)計是學(xué)生實際參與和完成的典型作品之一。

在某一廠家的實際藥品生產(chǎn)線中，如圖 2左圖所示，橡膠軟蓋子的帽檐與瓶體之間的距離不能超過1 mm，且藥瓶移動的速度為750個/min。針對該生產(chǎn)線應(yīng)用，即找出不符合要求的瓶子，開展視覺檢測實驗系統(tǒng)構(gòu)建，構(gòu)建的實物圖如圖2所示。

圖2 藥瓶與視覺檢測實驗系統(tǒng)的實物圖

在學(xué)生的構(gòu)建過程中，根據(jù)生產(chǎn)線的速度(750個/min)要求與視覺探測要求(距離不超過1 mm)，首先選擇了LED面照明設(shè)備，USB3.0的一款工業(yè)相機(視頻60幀/s，尺寸為1 024×768)，工業(yè)電腦(小型)與顯示器，構(gòu)造了模擬生產(chǎn)線，采用透射式光照。

學(xué)生通過照明的輔助，發(fā)現(xiàn)將光照調(diào)整到一定亮度，視覺圖像具有很好的可分辨性，通過增強優(yōu)化、二值化等操作，實現(xiàn)了縫隙的提取；學(xué)生通過實際物理尺寸與圖像像素的關(guān)系，標(biāo)定了比例，即多少像素對應(yīng)多少物理尺寸，由此計算獲得縫隙尺寸。集成軟件界面如圖3右圖所示，而圖3左圖所示的是運行界面，通過軟件運算實現(xiàn)視覺檢測后，可以給出判斷，如圖3右圖所示。在軟件中，若是縫隙尺寸不大于1 mm,將給出GOOD評價，若大于1 mm將給出BAD評價并給出縫隙寬度。

圖3 軟件運行界面與視覺檢測結(jié)果

通過藥品生產(chǎn)線瓶蓋縫隙自動檢測設(shè)計實驗，將各個環(huán)節(jié)的知識綜合起來，能夠使理論與實際相結(jié)合、學(xué)以致用，學(xué)生對此非常投入，增強了對照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、圖像處理等知識與技術(shù)的理解，掌握了許多相關(guān)的知識點，提高了動手能力。此外，在同樣的組件設(shè)備基礎(chǔ)上，可以開展其他結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)設(shè)計，并且課堂外也可以進(jìn)行，使得學(xué)生可以自主安排進(jìn)度與實驗步驟，在現(xiàn)有課程安排的基礎(chǔ)上，對他們充分利用時間與相關(guān)實驗設(shè)備有非常好的幫助。從實踐來看，提高了教學(xué)效果。

此外，部分經(jīng)過鍛煉的學(xué)生參與了電子設(shè)計競賽等大賽，取得了好成績。

3 結(jié) 語

為提升電子類、光電類、計算機類等學(xué)生在光電系統(tǒng)成像、光電信號獲取、數(shù)字信號處理與計算機集成等方面的綜合能力，本文在傳統(tǒng)授課的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測實驗系統(tǒng)的設(shè)計思路，以強化綜合應(yīng)用專業(yè)知識與培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)化解決實際工程問題的能力。分析討論了引導(dǎo)學(xué)生如何構(gòu)建實際視覺檢測實驗系統(tǒng)，即實驗系統(tǒng)的組件設(shè)備與基本架構(gòu)設(shè)計,機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與照明裝置組裝,成像系統(tǒng)與視覺檢測算法設(shè)計與視覺檢測實驗系統(tǒng)的軟件集成，并以藥品生產(chǎn)線瓶蓋縫隙自動檢測設(shè)計為實例做了分析討論。結(jié)合生產(chǎn)線的視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，通過系統(tǒng)化地實踐學(xué)習(xí)，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)線的實際，加深理論層次上的理解，將學(xué)生的理論學(xué)習(xí)與產(chǎn)業(yè)實踐銜接起來。實踐表明，使用這類手段，使教學(xué)貼近實際應(yīng)用而提升學(xué)生興趣，能鞏固學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解，很好地鍛煉了學(xué)生解決工程問題的能力，總體上提高了綜合教學(xué)質(zhì)量, 取得了滿意的教學(xué)效果。

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Visual Detection Experimental System Design for Production Line

ZHAOJu-feng1,2,GAOXiu-min1,CUIGuang-mang2

(1. Electronics and Information College, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China;2. State Key Lab of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

In order to improve the ability of students of electronics and optoelectronics, the ability of students to solve practical engineering problems, and to make students better understand the basic theory and method of visual detection technology, a visual detection experimental system of production line was designed by combing with relative courses. Firstly, experimental system components were detailed introduced and analyzed. Secondly, steps for building the system were analyzed. Finally, taking the automatic detection for bottle cap of the drug production line as an example, some problems during building the visual detection system were discussed, and specific design scheme and results were provided. Combining with classroom teaching, the system is applied in undergraduate and graduate courses. The practice show that, this kind of design experiment can enhance the students' interest in learning, and make them well master the theory. This kind courses can also train students to solve engineering problems. The teaching effect is satisfactory.

visual detection; production line; learning interest; teaching effect

2015-07-13

國家自然科學(xué)基金項目(61405052;61378035)

趙巨峰(1985-)，男，浙江紹興人，講師，現(xiàn)主要從事光學(xué)成像、視覺圖像處理的研究。

Tel.： 13858094578； E-mail：dabaozjf@hdu.edu.cn

TP 271; TN 911

A

1006-7167(2016)04-0059-04