彭彥卿，劉　成，陳李清，許國澎

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.國藥控股星鯊制藥(廈門)有限公司，福建 廈門 361026)

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采用機(jī)器視覺技術(shù)的軟膠囊藥板質(zhì)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭彥卿1，劉成1，陳李清2，許國澎1

(1.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024；2.國藥控股星鯊制藥(廈門)有限公司，福建 廈門 361026)

采用機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)軟膠囊藥板質(zhì)量檢測系統(tǒng).通過圖像采集將被檢測軟膠囊藥板轉(zhuǎn)換成圖像信號，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)像素亮度、顏色分布等信息對目標(biāo)特征進(jìn)行提取，并綜合使用包括聚類算法、形態(tài)學(xué)分析、圖像濾波、邊緣檢測及模板匹配在內(nèi)的數(shù)字圖像處理算法，對軟膠囊常見缺陷模式進(jìn)行識別.系統(tǒng)如果判斷藥板存在質(zhì)量問題，則控制現(xiàn)場設(shè)備將不合格產(chǎn)品分檢出來.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)每分鐘可檢測軟膠囊2 400粒，對黑點(diǎn)的檢測精度可達(dá)0.3 mm，檢測準(zhǔn)確率達(dá)到99.7﹪以上.

軟膠囊藥板；質(zhì)量檢測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；機(jī)器視覺；鋁塑泡罩包裝機(jī)

軟膠囊產(chǎn)品是制藥行業(yè)中一種量大面廣的產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中由于產(chǎn)量大、單粒價格低，不可避免地出現(xiàn)異形、空殼、滲油等不合格膠囊.長久以來，國內(nèi)軟膠囊產(chǎn)品的廠家為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，一直都是采用人員篩選的方法去掉這些問題膠囊.人工檢測主要依賴分揀工人的主觀經(jīng)驗(yàn)，利用肉眼獲取膠囊圖像、利用大腦識別膠囊圖像、并以手工操作的方式剔除不合格膠囊.人工視覺檢測效率低、精度差，難以滿足企業(yè)大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)需求[1].基于計(jì)算機(jī)視覺[2-5]的檢測方法可有效解決以上問題，但由于存在檢測和建模難度大等因素，至今仍未有成品的專用設(shè)備面市.基于此，本文設(shè)計(jì)一個基于機(jī)器視覺技術(shù)的軟膠囊藥板質(zhì)量檢測系統(tǒng).系統(tǒng)選取高分辨率的機(jī)器視覺系統(tǒng)，配合拍照觸發(fā)電路，使得拍照速度自動與被測物的速度相匹配，通過顯示圖像監(jiān)視檢測過程，也可通過界面顯示的檢測數(shù)據(jù)動態(tài)查看檢測結(jié)果，分析、總結(jié)檢測結(jié)果以了解上游設(shè)備情況.

1　系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)首先必須保證原有生產(chǎn)線的生產(chǎn)速度，目前用于軟膠囊產(chǎn)品生產(chǎn)線的鋁塑泡罩包裝機(jī)最快包裝速度為300板/min，兩板同時檢測，其單次檢測運(yùn)算時間必須小于200 ms/板.機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)流程圖如圖1所示.由于原設(shè)備振動比較大，最好將相機(jī)隔離安裝，以免設(shè)備的振動影響相機(jī)的拍攝.

1.1鋁塑泡罩包裝機(jī)

鋁塑泡罩包裝機(jī)是將透明塑料薄膜或薄片制成泡罩，用熱壓封合、粘合等方法將軟膠囊產(chǎn)品封合在泡罩與底板之間的機(jī)器.包裝機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括PVP放卷機(jī)構(gòu)、PVP成型機(jī)構(gòu)、夾持步進(jìn)機(jī)構(gòu)、PTP放卷機(jī)構(gòu)、熱封合等.本次改制就是在軟膠囊產(chǎn)品進(jìn)入沖填的泡罩后，泡罩在封合前，利用CCD照相機(jī)將被檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號.

改制方法如下：a)在輸送帶下端增加一塊LED背景光源；b)在光源上方安裝2臺照相機(jī)，同時檢測一排軟膠囊，保證全方位檢測每一粒待測的軟膠囊；c)照相機(jī)上方安裝一臺電腦顯示屏；d)在泡罩機(jī)增加剔除裝置，剔除裝置分為左右兩個部分，可分開剔除兩行藥板.

1.2圖像采集系統(tǒng)

光源系統(tǒng)采用背景照明，光源采用LED藍(lán)色平板光源[6]，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用遮光箱體.工業(yè)相機(jī)支架與生產(chǎn)線設(shè)備實(shí)行物理隔離，防止設(shè)備抖動傳遞到相機(jī)，圖2為圖像采集系統(tǒng).

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺檢測軟件包含各種模式識別算法庫和模型庫，需要對生產(chǎn)線上所有可能的合格產(chǎn)品圖像進(jìn)行采集、訓(xùn)練及建模[7]，以保證算法的準(zhǔn)確性及魯棒性.

軟件開發(fā)包括圖像采集、設(shè)備驅(qū)動、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、核心目標(biāo)檢測識別算法、人機(jī)交互同步顯示及控制輸出和處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)并存檔等關(guān)鍵功能.

2　軟膠囊缺陷識別

2.1技術(shù)要求及質(zhì)量指標(biāo)

軟膠囊藥板常見的缺陷包括多粒，缺粒，含油量不夠(瘦丸)，含油量過多(胖丸)，藥丸異形，藥丸內(nèi)含氣泡、黑點(diǎn)或異物.缺?；蚝瑲馀莸哪z丸顏色比例與正常值有較大差別，單泡罩內(nèi)含多粒的膠丸邊緣信息十分豐富，異形丸幾何參數(shù)與正常膠丸有很大差別，而含氣泡、黑點(diǎn)或異物的膠丸，其內(nèi)部的顏色、亮度與正常膠囊有差別.

要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線無人檢測和機(jī)器設(shè)備自動化連線的要求，系統(tǒng)必須確保軟膠囊產(chǎn)品達(dá)到以下幾點(diǎn)技術(shù)要求：1)現(xiàn)有鋁塑泡罩包裝機(jī)運(yùn)行75～100沖·min-1，每次沖裁兩板，約150～200板·min-1，每板的軟膠囊10～12粒兩種規(guī)格，最高每次要檢測軟膠囊24粒，兩板的檢測運(yùn)算時間不大于300 ms，對黑點(diǎn)的檢測精度要求為0.3 mm；2)同時判斷每周期兩板泡罩的軟膠囊產(chǎn)品，檢測其泡艙里面的24粒膠丸有無缺?；蛞粋€泡罩里有兩粒膠丸、每粒膠丸是否存在含油量不夠(瘦丸)、含油量過多(胖丸)、膠丸里面有無氣泡(含油量不夠)、膠丸有無異型或缺陷等；檢測泡罩里有無異物、膠丸有無黑點(diǎn)等.只要某一板的產(chǎn)品存在任何一項(xiàng)缺陷，就將該板軟膠囊產(chǎn)品視為不合格品并單獨(dú)剔除；3)統(tǒng)計(jì)出缺陷產(chǎn)品的缺陷類別及數(shù)量，可據(jù)此分析判斷上游設(shè)備情況.

2.2軟膠囊圖像處理和缺陷識別

魚肝油軟膠囊外形為設(shè)計(jì)好的規(guī)則魚狀，是極具代表性的軟膠囊產(chǎn)品.針對2.1提到的軟膠囊常見缺陷模式和技術(shù)指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)綜合使用包括聚類算法、形態(tài)學(xué)分析、圖像濾波、邊緣檢測及模板匹配在內(nèi)的數(shù)字圖像處理算法.

藥板檢測的第一步是邊緣搜索，處理模板匹配，獲得泡罩內(nèi)在測的每粒軟膠囊的具體位置；利用點(diǎn)集分布的方法，對泡罩內(nèi)部的膠丸進(jìn)行自動閾值分割[8]，獲得藥丸外輪廓，計(jì)算藥丸面積.在數(shù)字圖像中，邊緣可描述為圖像深度上的不連續(xù)(灰度值的突變)、方向上的不連續(xù)(結(jié)構(gòu)或輪廓的突變)、物質(zhì)屬性的變化(不同的材料有不同的反射率)和場景照明的變化(不均勻光照下尤其明顯).邊緣檢測的目的是提取這些不連續(xù)和變化信息，從而獲得目標(biāo)的特征.由于數(shù)字圖像的變量離散性，常選擇特定邊緣檢測模板，并通過卷積來實(shí)現(xiàn)計(jì)算.現(xiàn)有常見的邊緣檢測模板算子有Robert算子，Prewitt算子，Sobel算子，Laplacian算子和Canny算子.經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，選擇最常用的Robert邊緣檢測模板，其卷積算子為：

(1)

其邊緣梯度值的近似計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：f(i,j)表示對應(yīng)于第i行、第j列的像素點(diǎn)灰度值.

針對軟膠囊不同的缺陷模式，具體有如下6個主要識別方法：1)針對藥板缺粒和空泡，采用顏色矩陣技術(shù)，對泡罩內(nèi)點(diǎn)集進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢測，進(jìn)行識別.2)針對多粒的解決方案：邊緣野值點(diǎn)聚類.在邊緣搜索中，多粒形態(tài)有豐富的點(diǎn)集，通過對野值點(diǎn)進(jìn)行集合聚類[9]進(jìn)而識別.3)針對存在黑點(diǎn)的膠丸，對腹部區(qū)域中點(diǎn)集亮度屬性進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，當(dāng)達(dá)到亮度閾值和面積閾值，則判定有膠丸黑點(diǎn).具體步驟為：首先對圖片進(jìn)行灰度增強(qiáng)處理，然后對取得的圖層取輪廓，去掉最大的輪廓(膠丸的輪廓)，剩下的就是黑點(diǎn)輪廓，計(jì)算輪廓內(nèi)的面積，如果大于閾值則判定為膠丸黑點(diǎn)，并標(biāo)記出來.4)針對缺油癟殼的軟膠囊，對腹部區(qū)域中點(diǎn)集亮度進(jìn)行中線小波濾波，采用谷底形態(tài)分析，當(dāng)達(dá)到長度閾值，則判定為癟殼軟膠囊.5)針對異形膠丸，采用的技術(shù)為：a、膠囊尺寸檢測，閾值分類；b、膠囊邊緣點(diǎn)集主成分取向的野值聚類.6)針對含油量不足、有氣泡或漏油的軟膠囊，采用的技術(shù)為：a、對膠囊腹部點(diǎn)集進(jìn)行顏色指標(biāo)進(jìn)行邊緣識別，九宮掃描內(nèi)部邊緣點(diǎn)集，超過面積閾值，則判定為氣泡；b、對膠囊腹部點(diǎn)集進(jìn)行顏色矩陣計(jì)算，檢測內(nèi)部邊緣特征，當(dāng)超過長度閾值，則判定有漏油.

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體實(shí)施步驟如下：

1)利用傳感器啟動觸發(fā)拍照，獲取圖片.圖3(a)為正常膠丸的實(shí)驗(yàn)室檢測圖.

2)進(jìn)行模板匹配，獲得泡罩具體位置，泡罩外的區(qū)域不作處理.對數(shù)字圖像進(jìn)行邊緣檢測和魚腹部區(qū)域點(diǎn)集屬性濾波后方差分類，如果存在豐富的點(diǎn)集和邊緣信息，則膠丸判定為多粒.圖3(b)為單泡罩內(nèi)多粒軟膠囊檢測圖.

3)對泡罩內(nèi)部的藥丸進(jìn)行自動閾值分割，若泡罩內(nèi)無分割結(jié)果，則判為缺粒.圖3(c)為缺粒軟膠囊檢測圖.

4)獲得膠囊整體形狀，計(jì)算魚身的長、寬、圓度，魚尾的長、寬、與水平線的夾角等參數(shù)；獲得魚身上半部分，計(jì)算魚身上半槽的長、寬參數(shù)；獲得魚身上半弧線，計(jì)算弧線長度、弧線峰數(shù)(極大值個數(shù))、弧線峰點(diǎn)距弧線最左端、最右端的距離：若上述計(jì)算結(jié)果未在設(shè)定范圍內(nèi)，則判斷為藥丸異形.典型的異形丸是歪頭丸，圖3(d)為歪頭丸檢測圖.

5)對非異形魚肝油膠丸，只需獲得魚身內(nèi)部檢測區(qū)域.用內(nèi)部區(qū)域?yàn)V波值對內(nèi)部檢測區(qū)域進(jìn)行濾波，并進(jìn)行閾值分割，提取分割結(jié)果面積大于內(nèi)部其它缺陷最小面積的部分.圖3(e)為存在氣泡的膠丸檢測圖.

6)對內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行灰度增強(qiáng)，提取灰度小于小黑點(diǎn)提取閾值的區(qū)域，再篩選出區(qū)域直徑大于最小黑點(diǎn)直徑(單位為mm)的區(qū)域.圖3(f)為存在黑點(diǎn)的膠丸檢測圖.

經(jīng)過對軟膠囊藥板樣本檢測結(jié)果整合、統(tǒng)計(jì)、顯示，本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)檢測系統(tǒng)達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：1)每板膠囊12粒，同時檢測2板，每分鐘沖切可達(dá)100次，檢測速度可達(dá)到2 400粒·min-1；2)對單個泡罩內(nèi)缺?；蚨嗔５乃幇?、含油量不標(biāo)準(zhǔn)的瘦丸和胖丸、內(nèi)部含氣泡的膠丸、泡罩內(nèi)含異物的膠丸，外形有缺陷的異形膠丸及存在黑點(diǎn)的膠丸均能檢出，且對黑點(diǎn)的檢測精度可高達(dá)0.3 mm；3)檢測準(zhǔn)確率達(dá)到99.71%以上.共測試3批，第一批測試4 182片，漏檢12片，檢測準(zhǔn)確率99.71%；第二批測試4 892片，漏檢14片，檢測準(zhǔn)確率99.73%；第三批測試7 884片，漏檢5片，檢測準(zhǔn)確率99.94%.

4　結(jié)語

本文給出了基于機(jī)器視覺技術(shù)的軟膠囊藥板質(zhì)檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)框圖，并根據(jù)提出的技術(shù)要求及質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì).總結(jié)了軟膠囊藥板常見缺陷，針對各種缺陷模式給出了識別方案.在此基礎(chǔ)上開發(fā)的圖像處理系統(tǒng)根據(jù)獲得圖像信號的像素亮度和顏色分布等信息，對目標(biāo)特征進(jìn)行抽取，判斷藥板是否存在變形、含油量不合格、存在黑點(diǎn)等質(zhì)量問題，進(jìn)而根據(jù)結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備，將不合格的產(chǎn)品分檢出來.多次實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)檢測速度可達(dá)到2 400粒/min，對黑點(diǎn)的檢測精度可高達(dá)0.3 mm，檢測準(zhǔn)確率達(dá)99.71%以上，可進(jìn)一步推動軟膠囊生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)完全自動化.

[1]石吉勇，鄒小波，趙杰文.滲油醋膠囊高光譜快速檢測技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2015,46(7):210-213.

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(責(zé)任編輯李寧)

Design of a Soft Capsule Plates Testing System Using Computer Vision

PENG Yanqing1,LIU Cheng1,CHEN Liqing2,XU Guopeng1

(1.School of Electrical Engineering & Automation,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China; 2.Sinopharm Xingsha Pharmaceutical (Xiamen),Xiamen 361026,China)

A soft capsule plates testing system was designed using computer vision.Soft capsule drug plates to be detected were transformed into image signals through the image acquisition and the image processing system got extraction of the target features according to brightness and color distribution of pixel information.Through various techniques employing digital image processing algorithms including clustering algorithm,morphological analysis,image filtering,edge detection and template matching,pattern recognition of soft capsules’ common defects was then done.Drugs board detected for quality faults was sorted out by local devices.The experimental results show that the system can test 2 400 soft capsules per minute with a testing accuracy of 0.3 mm for black spots at a 99.7% accuracy rate and higher.

soft capsule plate;quality test;system design;computer vision;aluminum plastic bubble cap packaging machine

2015-12-12

2016-04-05

廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(3502Z20141150)

彭彥卿(1966-)，女，教授，博士，研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)及應(yīng)用等.E-mail：pyqxm@163.com

TQ460.5

A

1673-4432(2016)03-0023-05