李萌，孫鐵波

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安223000）

基于機(jī)器視覺的食品包裝缺陷檢測研究

李萌，孫鐵波

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇淮安223000）

食品包裝對食品的外觀和質(zhì)量都具有很大的影響，若食品包裝出現(xiàn)缺陷卻最終流入市場，對食品企業(yè)的名譽(yù)會產(chǎn)生一定負(fù)面影響。本文針對食品包裝中可能出現(xiàn)的問題，對機(jī)器視覺技術(shù)中的圖像處理過程和所運(yùn)用到的算法進(jìn)行說明。闡述了機(jī)器視覺食品包裝檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，提出一種通用性和靈活性更好的食品包裝檢測系統(tǒng)。并以矩形紙質(zhì)食品包裝為例進(jìn)行應(yīng)用分析，結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠很好的滿足食品包裝實時、快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的檢測要求。

機(jī)器視覺；食品包裝；缺陷

食品包裝（food packaging）是食品作為商品的重要組成部分，它能夠保護(hù)食品在流通過程中免受外來因素污染，保持食品的衛(wèi)生與品質(zhì)，好的食品包裝也能夠帶給消費(fèi)者良好感官體驗，刺激消費(fèi)者的購買欲，為企業(yè)贏得更大的市場競爭力[1-2]。食品包裝檢測的目的是控制包裝質(zhì)量，防止因包裝上的缺陷導(dǎo)致質(zhì)量受損的食品流入市場，目前大多數(shù)食品檢測企業(yè)仍采用人工監(jiān)測的方式進(jìn)行檢測，但這種方式具有人工工作強(qiáng)度大、檢測精度低和管理不規(guī)范等問題，檢測結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期，因此部分大型食品企業(yè)開始引進(jìn)自動檢測設(shè)備，對食品包裝實行實時在線檢測，能夠重復(fù)大批量進(jìn)行食品包裝檢測，同時準(zhǔn)確性和規(guī)范性得以大幅提高[3-4]。

機(jī)器視覺（machine vision）是指利用圖像攝取裝置代替人眼功能，圖像處理功能代替人腦功能，對產(chǎn)品進(jìn)行信息分析、提取目標(biāo)色素，進(jìn)而控制生產(chǎn)過程的一種人工智能技術(shù)[5]。機(jī)器視覺中用于圖像攝取的設(shè)備不會直接與產(chǎn)品接觸，對于設(shè)備本身和產(chǎn)品來說都更安全，且可以采用紅外線、微波等掃描技術(shù)，探測到人眼無法觀察到的范圍，擴(kuò)大了視覺范圍。同時機(jī)器視覺機(jī)器穩(wěn)定性好，可以長時間在惡劣的環(huán)境中工作而不影響檢測精度和工作效率[6]。進(jìn)入21世紀(jì)，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展帶動機(jī)器視覺技術(shù)也在不斷提高，應(yīng)用范圍和控制能力進(jìn)一步加深，國外多家機(jī)器視覺系統(tǒng)研究和制造企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)出性能優(yōu)良的機(jī)器視覺儀器，并作為產(chǎn)品進(jìn)行銷售[7]。而我國機(jī)器視覺技術(shù)起步較晚，其研究和技術(shù)相對滯后，與發(fā)達(dá)國家相比仍有一定差距，目前國內(nèi)企業(yè)通常采用在國外相關(guān)設(shè)備及核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對性開發(fā)一些包裝檢測系統(tǒng)，用于特定包裝的檢測工作[8]。但整體來說，目前的機(jī)器視覺包裝檢測系統(tǒng)普遍存在圖像攝取裝置少、算法固定等缺陷，在具體使用過程中，容易出現(xiàn)檢測不全面的問題[9]。

本文以矩形紙質(zhì)食品包裝為例，對機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出一種通用性和靈活性更佳的檢測系統(tǒng)模型，能夠更好的滿足實際生產(chǎn)需要。

1 機(jī)器視覺技術(shù)中的圖像處理技術(shù)

1.1 圖像處理過程

圖像處理是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部分，其處理過程可根據(jù)檢測精度和設(shè)備精細(xì)度分為三部分。第一部分為初級處理操作，即圖像預(yù)處理過程，包括降低圖像噪聲、提高圖像對比度及清晰度，由于環(huán)境因素使圖像攝取裝置對圖像判斷產(chǎn)生一定干擾性影響，為了使這種影響降到最低，需要對收集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，通過圖像增強(qiáng)技術(shù)將圖像本身容易被忽略的細(xì)節(jié)部分顯現(xiàn)出來，提取出圖像的特征，方便后續(xù)處理。第二部分為中級處理操作，即將圖像中提取出來的特征輸入圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行圖像分割處理，將圖像分為目標(biāo)部分和其他組成部分，圖像分割處理是整個圖像處理過程中最困難、最重要的一步，如果軟件中的設(shè)計算法不穩(wěn)定或不成熟的話，極易導(dǎo)致分割結(jié)果不準(zhǔn)確，影響后續(xù)識別工作。第三部分為高級處理操作，即將圖像整體特征值進(jìn)行識別后執(zhí)行相關(guān)函數(shù)算法以及其他處理工作。

1.2 圖像處理算法

圖像處理算法在很大程度上決定了視覺檢測系統(tǒng)的檢測效果及效率，所以針對不同包裝產(chǎn)品選擇合適的圖像處理算法是十分重要的，食品包裝主要運(yùn)用到的圖像處理算法包括二值化處理和邊緣檢測等。

二值化處理也被叫做閾值分割，是較為常見的圖像分割處理方式，主要是將圖像特征部分和背景部分分開，具體做法為首先根據(jù)圖像的像素對比度確定分割閾值，利用灰度處理使目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域通過不同的灰度區(qū)分開。設(shè)定一個閾值，可以得出圖像算法：

其中“0”代表黑色，“1”代表白色，上式代表圖像中像素值若大于等于T，則灰度值為“0”，圖像中像素值若小于T，則灰度值為“1”。

圖像的信息主要集中在邊緣部分，灰度變化也最顯著，邊緣檢測就是將圖像灰度有明顯階躍變化的像素集合，區(qū)分目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域，即根據(jù)相鄰區(qū)域的邊緣劃分目標(biāo)范圍。邊緣分為階躍邊緣和屋頂狀邊緣，其中階躍邊緣中圖像灰度變化非常明顯，呈垂直跳躍式，而屋頂狀邊緣中圖像灰度變化比較弱，呈漸變式。邊緣檢測主要是提取圖像中的交界線，使用灰度倒數(shù)變化表征圖像邊緣變化，最后運(yùn)用算法求取導(dǎo)數(shù)值，邊緣檢測算法中需利用算子求導(dǎo)，常用算子包括Robert算子、Sobel算子、Prewitt算子等。

以Robert算子為例進(jìn)行介紹，Robert算子是利用局部差尋找邊緣，即：

上市中卷積算子可以表示為：

其中（i，j）代表邊緣點(diǎn)，{R（i，j）}代表邊緣圖像，R（i，j）代表Robert算子梯度幅值，選擇合適的門限值RT，則應(yīng)滿足：

Robert算子的優(yōu)點(diǎn)是定位精度和噪聲敏感度較高。

2 機(jī)器視覺食品包裝檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機(jī)器視覺食品包裝檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

機(jī)器視覺食品包裝檢測系統(tǒng)的硬件包括圖像攝取裝置、圖像處理和分析裝置、結(jié)果輸出裝置三大部分。其基本構(gòu)造如圖1所示。

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)原理Fig.1 Theschem atic disgram ofM achine Vision System

其中圖像攝取裝置的作用為將攝取到的圖像轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可識別數(shù)據(jù)，具體設(shè)備包括光源、采圖觸發(fā)傳感器、鏡頭、CCD工業(yè)攝像機(jī)和圖像卡。圖像處理和分析裝置的硬件設(shè)備包括智能相機(jī)和PC系統(tǒng)，其中智能相機(jī)包括圖像采集、通信和圖像處理三大模塊，具有集成化特點(diǎn)，內(nèi)部已經(jīng)具有固化的視覺算法，使用和開發(fā)相對都比較簡單，但由于程序固定，推廣相對困難，只能按自身需要選擇最合適的智能相機(jī)，靈活度較低。而PC系統(tǒng)的可開發(fā)性和靈活性更大，能夠根據(jù)不同的檢測精度和數(shù)據(jù)量要求進(jìn)行開發(fā)運(yùn)用，系統(tǒng)利用率更高，因此本設(shè)計選擇PC系統(tǒng)作為圖像處理和分析裝置的硬件設(shè)備。

結(jié)果輸出裝置的硬件設(shè)備包括顯示屏和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它的作用是方便查看檢測結(jié)果和及時去除不合格產(chǎn)品包裝，這個過程中應(yīng)注意去除間隔時間和開關(guān)的設(shè)置，一是為了能正確去除不合格產(chǎn)品包裝，而是能在發(fā)現(xiàn)機(jī)器執(zhí)行錯誤時能夠人工糾正，整個過程由PLC控制實現(xiàn)。

2.2 機(jī)器視覺食品包裝檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

機(jī)器視覺食品包裝檢測系統(tǒng)的軟件作用為對攝取到的圖像進(jìn)行特定目標(biāo)的分析、處理和識別，包含圖像處理工具軟件、程序語言軟件、檢測工具軟件和系統(tǒng)設(shè)置軟件。

VisualC++環(huán)境程序是一種面向?qū)ο蟮目梢暬沙绦?，它可以兼容多種開發(fā)程序，能滿足Win32的開發(fā)需求，能夠自主生出程序框架，編程效率高，同時具有獨(dú)立性、多態(tài)性及可繼承性等特點(diǎn)，是程序結(jié)構(gòu)趨向合理化和數(shù)據(jù)分離化。開發(fā)工具包選擇德國Machine Vision Technology（MYtec）公司推出的HALCON軟件，它具有完整的圖像處理函數(shù)庫（Image Processing Library），運(yùn)算功能齊全，計算能力強(qiáng)大。檢測工具系統(tǒng)可針對產(chǎn)品實際容易出現(xiàn)缺陷的地方進(jìn)行集中檢測，具體內(nèi)容包括灰度檢測、模板匹配、邊緣錯位檢測、邊緣角度檢測、邊緣線距離檢測和條碼識別等。系統(tǒng)設(shè)置軟件包括系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)設(shè)置、品牌包裝圖像設(shè)置、品牌檢測窗口設(shè)置、檢測運(yùn)行設(shè)置和關(guān)閉系統(tǒng)。以邊緣角度檢測流程為例，說明食品包裝的具體檢測流程，邊緣角度檢測流程如圖2所示。

圖2 邊緣角度檢測流程圖Fig.2 The inspection flow of edgeangle

3 機(jī)器視覺食品包裝缺陷檢測的應(yīng)用分析

本文以某矩形紙質(zhì)食品包裝的缺陷檢測為例，對上文提出的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)進(jìn)行實例分析。在選取光源時考慮到矩形紙質(zhì)包裝的光反射及折射能力強(qiáng)，因此選擇LED條形組合照明燈，為保持光源的穩(wěn)定性及高亮度，CCD工業(yè)攝像機(jī)采用頻閃光，同時使用6臺 CCD工業(yè)攝像機(jī)同時進(jìn)行六面分別拍照。

檢測系統(tǒng)界面軟件信息包括當(dāng)前信息、品牌信息和檢測信息三大塊，其中當(dāng)前信息模塊顯示了目前系統(tǒng)包含的信息和信息設(shè)置，品牌信息模塊能夠根據(jù)設(shè)置中保持的標(biāo)準(zhǔn)圖像對品牌圖像進(jìn)行修改、刪除等操作，檢測信息模塊能夠存儲并識別缺陷圖案，若運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)缺陷圖案能夠自動報警。具體運(yùn)行過程為：運(yùn)行檢測界面，點(diǎn)擊“顯示選中通道”，選擇合適圖像攝取區(qū)域，點(diǎn)擊“圖像瀏覽”，瀏覽正常圖像和缺陷圖像及數(shù)目，點(diǎn)擊“測試圖像”，檢測并核實圖像信息，完成檢查步驟。

本系統(tǒng)能夠很好的對矩形紙質(zhì)食品包裝實現(xiàn)6個面的檢測，能夠識別的缺陷包括條包反包、錯牌、斜置、倒置、破損、褶皺、端面變形、印刷錯誤和表面有異物。檢測樣品共計10000個，其中嚴(yán)重缺陷漏檢3個，漏檢率為0.03%，一般缺陷漏檢18個，漏檢率為0.18%，檢測精度較高，每個包裝檢測時間低于100毫秒，檢測效率較高。界面具有自動保存和瀏覽缺陷包裝圖像的功能，方便使用，易上手。

4 結(jié)語

本文對機(jī)器視覺用于食品包裝缺陷檢測的圖像攝取裝置及圖像處理算法進(jìn)行介紹，提出食品包裝檢測系統(tǒng)中的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，最后就矩形紙質(zhì)食品包裝檢測系統(tǒng)為例，對機(jī)器視覺技術(shù)的實際運(yùn)用予以說明，證明該系統(tǒng)的檢測工具能夠滿足實際生產(chǎn)需要，具有良好的通用性和靈活性，可投入實際生產(chǎn)中。

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Research of Food Packaging Defects Detection Based on M achine Vision

LIMeng，SUNTie-bo
（DepartmentofElectricaland Mechanical Engineering，Jiangsu Food&PharmaceuticalScience College，Huai′an 223000，Jiangsu，China）

Food packaging could affect the appearance and quality of the food.The reputation of the company could be affected when the defect food package come into themarket.Thisarticle focuseson the possible problems of the packaging.The picture processing and algorithm of themachine vision technology were introduced. The hardware and software of themachine vision food packaging system were introduced.A food packaging detection system was proposed with a good universality and flexibility.The rectangle paper food packaging was used asa realexample analysis.The results indicated that the proposed system could satisfy the requirementof the food packaging.

machine vision；food packaging；defect

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.24.029

2016-07-14

淮安市重點(diǎn)研發(fā)計劃（工業(yè)及信息化）（HAG2015018）；淮安市應(yīng)用研究與科技攻關(guān)（農(nóng)業(yè)）計劃項目（HAN2014037）

李萌（1982—），男（漢），講師，碩士，研究方向：機(jī)器視覺、自動化控制。