聽裝飲料灌裝液位機器視覺檢測系統(tǒng)的設(shè)計*

李宏義,王玥

(新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,河南 新鄉(xiāng) 453006)

摘要:設(shè)計了一種利用機器視覺技術(shù)測量聽裝飲料灌裝液位的自動檢測系統(tǒng),文中介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),設(shè)計了基于動態(tài)閾值的圖像檢測算法,以保證檢測的精度,提高檢測的可靠性。實際應(yīng)用表明,本檢測系統(tǒng)具有很高的的靠性和實用性。

關(guān)鍵詞:飲料灌裝;機器視覺;圖像處理;視覺測量

收稿日期：*2015-03-15

作者簡介：李宏義(1972-),男,河南周口人,講師,主要從事計算機測量與控制技術(shù)研究。

中圖分類號：TS27

鋁質(zhì)易拉罐里的飲料灌滿與否是通過檢測罐內(nèi)飲料液位的高低來判斷的。目前這種聽裝飲料液位的檢測是根據(jù)核能物質(zhì)產(chǎn)生的低能X射線穿過被測物質(zhì),透過的射線強度隨檢測物料料面位置而變化的原理來檢測灌裝液體物料容量。近幾年國家有關(guān)部門加強了對放射源的管理,從含源儀器申購到檢測、日常管理、安全、檢查,到儀器報廢其放射源必須回購,其麻煩和費用不一而足[1],我國只有少數(shù)企業(yè)采用這種X射線設(shè)備對液位進行檢測。其他企業(yè)一般靠操作工人眼觀察,當(dāng)灌裝速度達到20000罐/小時以上時,就遠遠超出了人眼所能分辨的極限,只好放棄對這項指標(biāo)的檢測。

鑒于此,我們設(shè)計了一套聽裝飲料灌裝液位在線檢測的系統(tǒng),利用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)免接觸快速檢測,最高檢測速度為35000罐/小時,同時將灌裝不合格的易拉罐加以剔除。不使用放射性材料,系統(tǒng)安全、穩(wěn)定,為圖像處理技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。

1液位檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1液位檢測系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

飲料經(jīng)旋轉(zhuǎn)式灌裝機罐裝之后,經(jīng)過很短的一段直鏈道輸送至壓蓋機壓蓋。為了便于拍照和降低液面的晃動,需對原機械裝置進行改造,將直鏈道加長,并加裝鏈道分離裝置,并增設(shè)一條旁路鏈道。將灌裝不合格的易拉罐通過旁路軌道剔除出去,灌裝合格的易拉罐送至壓蓋機壓蓋。圖1為設(shè)備系統(tǒng)簡圖。

圖1　聽裝飲料液位檢測系統(tǒng)圖 1 灌裝機 2 鏈道 3易拉罐 4 背景板 5 照相機 6 拍照光源 7 鏈道分離器 8 旁路鏈道 9 壓蓋機 10、11 接近開關(guān)

液位檢測系統(tǒng)主要由以下部分組成[1]:

(1)輸送鏈道:和灌裝機同步,灌裝后的易拉罐由此鏈道送往壓蓋機。

(2)CCD照相機:對罐口進行拍照,實時取得罐口圖像。對于快速移動的物體,需要考慮在曝光時間內(nèi)處于工業(yè)相機當(dāng)中的運動對象數(shù)量,還需要考慮對象分辨率。本設(shè)備采用艾菲特的AFT-030SC/SM高速高分辨率工業(yè)數(shù)字相機,它的分辨率是656*492 Pixel,曝光時間最短為20μS,采用外觸發(fā)模式采集高速移動的易拉罐照片。

(3)拍照光源:使被觀察的特征與被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度,從而易于特征的區(qū)分。本設(shè)備采用3.2瓦白色環(huán)形RL5428高亮度LED光源,光源以頂視光垂直對罐口進行照射,控制器用ACP2405型機器視覺光源控制器,具有亮度可調(diào)、低溫、均衡、無閃爍、無陰影。

(4)背景板:配合罐口光源,降低CCD照相機獲得圖片的噪聲,降低圖像處理的難度。采用暗黑麥爾登呢做背景板,它纖維紋理細,吸收光線的能力強,能減少反射光對罐口成像的干擾,在得到的圖片的灰度直方圖中目標(biāo)和背景的灰度值差異較大,待檢測的目標(biāo)特征突出于黑色背景。

(5)接近開關(guān):為采集圖像和剔除不合格產(chǎn)品提供易拉罐的精確位置信息。當(dāng)易拉罐進入鏡頭中時,接近開關(guān)動作,觸發(fā)AFT-030SC/SM拍照.。

(6)鏈道分離器:為一氣缸控制的活動擋板,氣缸伸出,封閉旁路鏈道,易拉罐進入壓蓋機輸送鏈道;氣缸縮回,封閉輸送鏈道,打開旁路鏈道,易拉罐進入旁路鏈道。

(7)旁路鏈道:將灌裝不合格的易拉罐從輸送鏈道上分離出去,送給后面的回收裝置。

(8)圖像處理中心:由工控機IPC-610L構(gòu)成,照相機將所拍照片傳送給工控機,內(nèi)部監(jiān)控軟件能高速進行圖像處理,并能通過I/O卡實施控制。傳送來的照片經(jīng)過處理,提取出液位信息,并將次品剔除。

(9)灌裝機及鏈道控制設(shè)備:灌裝機及鏈道的控制復(fù)雜,專設(shè)一臺S7-300 PLC來完成控制任務(wù),除和變頻器配合完成對灌裝機和鏈道的控制外,該PLC還和工控機的監(jiān)控軟件通信,向工控機傳送系統(tǒng)運行狀態(tài),執(zhí)行工控機傳來的控制命令。

1.2液位檢測設(shè)備電氣控制系統(tǒng)

圖2為控制系統(tǒng)硬件框圖

圖2　飲料液位檢測裝置電氣系統(tǒng)

圖像處理的運算量大,要求計算的時間要短,還要對灌裝液位不合格的易拉罐剔除,因此采用工控機和PLC相結(jié)合的方式:工控機負責(zé)圖像采集、處理,得到液位信息。PLC負責(zé)整個系統(tǒng)的電氣控制,包括灌裝機、壓蓋機及鏈道速度控制,旁路鏈道的氣缸電磁閥控制,通過觸摸屏設(shè)定工藝參數(shù)。工控機通過RS485異步通訊和I/O板卡與PLC通信。當(dāng)接近開關(guān)感應(yīng)到易拉罐到位后,PLC將觸發(fā)信號送給相機進行圖片的采集,同時PLC再送另一路信號給工控機,處理采集到的數(shù)據(jù)。工控機將次品的位置傳遞給PLC,和后端的接近開關(guān)配合完成次品的定位計算,從而控制旁路電磁閥將次品剔除。

2機器視覺液位檢測算法

2.1圖像處理軟件的編制

機器視覺的核心是計算機算法,雖然已有成品視覺軟件包出售,如德國的Halcon,VisionPro,加拿大的Mil等但是售價昂貴,而且不便于控制功能擴展。本系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用VC++6.0編寫,復(fù)雜的圖像算法通過調(diào)用OpenCV來實現(xiàn)。監(jiān)控軟件采集易拉罐圖像,對采集來的圖像進行分析,提取出液位信息,在PLC的配合下,將灌裝不合格的產(chǎn)品從生產(chǎn)線上剔除出去。液位信息實時顯示在液晶顯示器上,同時還能通過顯示器進行各種參數(shù)的修改。

2.2圖像處理

將采集來的照片按要求做灰度化處理,根據(jù)灰度直方圖確定二值化灰度閾值,進行邊緣提取后,最后計算液位。

由于圖像傳感器、通道傳輸、解碼處理以及現(xiàn)場電機等產(chǎn)生的干擾,給圖像處理帶來很多困難,因此,要對采集到的圖像做濾波處理,抑制噪聲,突出目標(biāo)。本系統(tǒng)采用自適應(yīng)濾波,根據(jù)圖像的局部方差來調(diào)整濾波器,比線性濾波器具有更好的選擇性,可以更好地保存圖像的邊緣和高頻細節(jié)信息[2]。

首先估計出像素的局部矩陣和方差:

η是圖像中每個像素的M×N的鄰域,本系統(tǒng)取3×3[3]。

然后,對每一個像素用自適應(yīng)濾波器估計出其灰度值:

這里V2是圖像中噪聲的方差。

為了能得到更清晰的目標(biāo)邊界,對濾波后得到的灰度圖像b進行銳化處理。通過調(diào)用OpenCV的邊緣檢測Sobel算子來對圖像進行銳化:

void cvSobel(*原始圖像矩陣,*目標(biāo)圖像矩陣,xorder,yorder,3)

這里xorder為x方向Sobel算子,yorder為y方向Sobel算子[4]:

x方向算子 y方向算子

進行銳化處理后的圖像如圖c,可見邊界灰度跳變明顯。最后做二值化處理,由于檢測設(shè)備照明良好,圖片的目標(biāo)和背景的灰度值相差較大,本設(shè)備采用基于灰度直方圖的方法進行閾值分割。先將直方圖與一個一維高斯濾波器進行卷積來完成平滑處理,便于灰度閾值的自適應(yīng),通過調(diào)用OpenCV的cvAdaptiveThreshold()函數(shù)以自適應(yīng)閾值對圖像進行二值化處理。

a原始圖像　b 灰度圖像 c銳化圖像　d 二值圖像 圖3　圖像灰度變換效果

二值化后圖像如圖d所示。從圖上可以看出飲料液面邊緣清晰,線條連貫性較好,沒有干擾像素出現(xiàn),便于邊緣的提取。

2.3液位計算

液位測量和計算基于邊緣提取原理來實施。

首先標(biāo)定測量標(biāo)尺。將一液位為H0的易拉罐作為基準(zhǔn),對測量系統(tǒng)的測量比β=H1/H0進行標(biāo)定,其中H1測量值,以像素點的數(shù)量表示,β是測量比,單位是像素數(shù)/mm,這樣當(dāng)測量未知液位時,只要測定出其圖像中像素點數(shù)量,除以β即可獲得實際液位[4]。計算機自下而上對整幅二值圖像由左到右逐行掃描,首先找到下緣弧線的最低點,此點記為P1(x1,y1),x1為P1像素點的x坐標(biāo),y1是y坐標(biāo),單位是像素。再尋找x=x1直線和中間那條弧線的交點P2(x1,y2),液位高度H由公式H=(y2-y1)/β計算,H的單位為mm。表1列舉了該檢測系統(tǒng)對一組液位測量的結(jié)果。

表1　部分測量結(jié)果(單位 mm)

由表1計算可知,測量偏差均值0.5mm,均方差是5.8mm,測量精度滿足設(shè)計要求。

3結(jié)束語

本液位檢測系統(tǒng)實現(xiàn)了對聽裝飲料灌裝液位的非接觸在線實時測量,并能將灌裝不合格產(chǎn)品加以剔除,可以應(yīng)用于食品、化工、醫(yī)藥等灌裝液體物料流水線的在線測量。本系統(tǒng)已經(jīng)在寒山啤酒35000生產(chǎn)線上運行數(shù)月,性能穩(wěn)定,液位測量準(zhǔn)確,實現(xiàn)了現(xiàn)代企業(yè)對產(chǎn)品100%檢測的目標(biāo),確保了灌裝質(zhì)量。

(責(zé)任編輯呂春紅)

參考文獻：

[1] 段峰,王南,劉煥軍.基于機器視覺的智能空瓶檢測機器人研究[J].儀器儀表學(xué)報,2004(5):624-627.

[2] 孫兆林. MATLAB 6.x圖像處理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2002, 226-229.

[3] 劉瑞禎,于仕琪. OpenCV教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2007:243-244.

[4] 雷良育,周曉軍,潘明清. 基于機器視覺的軸承內(nèi)外徑尺寸檢測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005(3):131-134.

Design of Machine Vision System to Detect the Liquid Level of Can

LI Hong-yi,et al

(Department of Electrical and Mechanical Engineering,Xinxiang Vocational

and Technical College,Xinxiang 453006,China)

Abstract:This paper presents a machine visualization to measure canned beverage filling level of automatic detection system.It introduces the hardware structure of the system and designs the image detection algorithm based on dynamic threshold in order to ensure the accuracy of detection and improve the reliability of detection. The actual application showed that the detection system has high reliability and practicability.

Key words: beverage filling;machine vision detection; image processing; vision measurement