梁橋康，謝兵兵，郭東妮，孫 煒，王耀南

（1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082；2.電子制造業(yè)智能機(jī)器人技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082；3.機(jī)器人視覺(jué)感知與控制技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082）

1 引 言

標(biāo)簽作為商品的一部分，代表著商品本身的身份信息，標(biāo)簽質(zhì)量的好壞影響著商品的外表美觀(guān)、銷(xiāo)售份額以及間接關(guān)系著企業(yè)生產(chǎn)該商品所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。在飲料瓶進(jìn)行熱縮套標(biāo)和運(yùn)輸時(shí)，可能會(huì)造成標(biāo)簽的損壞。隨著近些年來(lái)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域技術(shù)［1］的快速發(fā)展，越來(lái)越多的飲料食品包裝行業(yè)選擇將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用于食品流水生產(chǎn)線(xiàn)上，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)［2］具有檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、檢測(cè)速度快，檢測(cè)精度高以及可以在人類(lèi)所不能適應(yīng)的惡劣環(huán)境下工作等一系列的特點(diǎn)，所以對(duì)飲料食品的柱面標(biāo)簽進(jìn)行缺陷檢測(cè)對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。

為了適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)日益增長(zhǎng)的物質(zhì)需求，基于機(jī)器視覺(jué)的高速無(wú)人自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越多的被研究學(xué)者提出且應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中。文獻(xiàn)［3］利用LED 照明管道的環(huán)形內(nèi)表面，研制了一種用于管道內(nèi)表面的全景光學(xué)環(huán)形凝視檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將采集到的環(huán)形圖像展開(kāi)為矩形圖像以便于后續(xù)的缺陷檢測(cè)；文獻(xiàn)［4］提出了一種快速、易于實(shí)現(xiàn)的均勻紋理和非織構(gòu)表面圖像缺陷檢測(cè)的規(guī)律性測(cè)量方法，該方法能夠檢測(cè)出微小的缺陷；文獻(xiàn)［5］開(kāi)發(fā)了一種用于馬鈴薯檢驗(yàn)和分級(jí)的高速彩色機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯圖像一系列特征值進(jìn)行分析處理，從而能對(duì)馬鈴薯的大小、形狀和外部缺陷進(jìn)行分級(jí)處理；文獻(xiàn)［6］針對(duì)空調(diào)標(biāo)簽利用圖像差分算法檢測(cè)標(biāo)簽是否存在缺陷，采用基于等價(jià)類(lèi)行程算法標(biāo)記出標(biāo)簽缺陷的目標(biāo)區(qū)域，但是該方法只適用于平整的而且形狀規(guī)整的矩形標(biāo)簽；文獻(xiàn)［7］提出了一種四相機(jī)對(duì)飲料瓶標(biāo)簽進(jìn)行檢測(cè)的方案，此方法缺陷檢測(cè)效果有限；文獻(xiàn)［8］利用了光路的折返原理以及異步式采集模式，并采用光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，此方法對(duì)設(shè)備的位置精度和安裝精度要求比較高。

現(xiàn)有的缺陷檢測(cè)技術(shù)難以適應(yīng)柱面標(biāo)簽檢測(cè)需求，因此本文設(shè)計(jì)了一種飲料柱面標(biāo)簽缺陷檢測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了柱面標(biāo)簽的畸變以及矯正補(bǔ)償、多相機(jī)采集圖像的拼接融合和標(biāo)簽缺陷檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其檢測(cè)原理

為了獲取完整的柱面標(biāo)簽圖像，需要從不同的角度來(lái)獲取飲料柱面標(biāo)簽各個(gè)方位區(qū)域的圖像信息，從而才能實(shí)現(xiàn)對(duì)柱面標(biāo)簽的缺陷檢測(cè)?；跈C(jī)器視覺(jué)的柱面標(biāo)簽缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由視覺(jué)檢測(cè)單元、控制器單元以及剔除單元構(gòu)成。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)圖Fig.1 Inspection system frame design

（1）視覺(jué)檢測(cè)單元：如圖1所示，4 臺(tái)CCD 彩色相機(jī)、4 個(gè)LED 條形光源以及光電傳感器組成了視覺(jué)檢測(cè)單元，其中相機(jī)與相機(jī)兩兩之間互成90°，從而可以全方位多角度的獲取標(biāo)簽圖像信息。

（2）控制器單元：由1臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和1臺(tái)PLC 控制器構(gòu)成。工控機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互以及對(duì)相機(jī)采集到的圖像進(jìn)行處理；PLC 控制器負(fù)責(zé)底層的電氣運(yùn)動(dòng)控制，工控機(jī)將檢測(cè)到的結(jié)果發(fā)送給PLC，PLC則執(zhí)行相應(yīng)的指令動(dòng)作。

（3）剔除單元：由剔除器構(gòu)成，當(dāng)有缺陷的標(biāo)簽次品運(yùn)送至剔除器的位置時(shí)，PLC 控制器將向剔除器發(fā)送指令并將該飲料瓶進(jìn)行剔除。

考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)上的光線(xiàn)條件不理想，本系統(tǒng)采用四個(gè)條形光源對(duì)系統(tǒng)裝置內(nèi)進(jìn)行打光，為使光線(xiàn)充滿(mǎn)視覺(jué)成像單元內(nèi)，四個(gè)光源同樣兩兩互成90°，而且考慮到光線(xiàn)是否在各方向均勻散射，在檢測(cè)柜的內(nèi)壁采用了漫反射結(jié)構(gòu)，使得光源在各個(gè)方向上散射的光線(xiàn)基本是均勻的，這樣相機(jī)采集到的標(biāo)簽圖像質(zhì)量具有一定的穩(wěn)定性而且不受光照不均勻的影響。

2.2 系統(tǒng)的檢測(cè)流程

柱面標(biāo)簽缺陷檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)器視覺(jué)與圖像處理技術(shù)在實(shí)際企業(yè)生產(chǎn)中的典型應(yīng)用。在滿(mǎn)足檢測(cè)要求的情況下，使檢測(cè)系統(tǒng)的圖像處理算法快速、簡(jiǎn)單、有效是本文研究的重點(diǎn)。

檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程如圖2所示，經(jīng)熱縮套標(biāo)后的飲料瓶，經(jīng)傳送帶運(yùn)輸至檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)柜內(nèi)，首先檢測(cè)相機(jī)光源等是否連接完好，一切連接正常后通過(guò)光電傳感器檢測(cè)飲料瓶是否經(jīng)過(guò)指定位置，如經(jīng)過(guò)將觸發(fā)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集；然后對(duì)采集到的標(biāo)簽圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括平滑濾波處理、柱面標(biāo)簽反投影校正等；將預(yù)處理之后的標(biāo)簽圖像進(jìn)行拼接融合，形成一幅完整的標(biāo)簽展開(kāi)圖；其后利用飲料顏色與標(biāo)簽的顏色信息，通過(guò)顏色空間的雙閾值以及形態(tài)學(xué)處理算法來(lái)判斷該標(biāo)簽是否具有缺陷，PLC控制器將該檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的飲料瓶上，如具有缺陷當(dāng)飲料瓶運(yùn)送至剔除器工位時(shí)，PLC 將向剔除器發(fā)送指令將該飲料瓶進(jìn)行剔除。

圖2 系統(tǒng)檢測(cè)流程圖Fig.2 Flow chart of system inspection

3 檢測(cè)系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

3.1 柱面反投影校正

飲料標(biāo)簽在套標(biāo)之前是平面標(biāo)簽，在熱縮套標(biāo)時(shí)將標(biāo)簽粘貼在飲料瓶上，使得標(biāo)簽呈柱面形狀，所以飲料瓶上的標(biāo)簽在水平方向和豎直方向都存在著一定的畸變。這樣造成了一定程度上標(biāo)簽圖像信息的損失，文獻(xiàn)［9］提出一種柱面反投影算法，但是該方法計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，難以滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)時(shí)性要求；文獻(xiàn)［10］提出了一種圓柱曲面模型來(lái)描述在裝訂成冊(cè)的文檔形成的曲面與其為平面狀態(tài)時(shí)之間的關(guān)系；文獻(xiàn)［11］提出了一種基于二次曲線(xiàn)分割（CS）的方法來(lái)校正粘貼在柱面上的二維碼圖像所產(chǎn)生的畸變。

如圖3所示，其中弧線(xiàn)AD 表示飲料柱面，A′D′表示柱面展開(kāi)后形成的平面，點(diǎn)P 為柱面上的一點(diǎn)，x為點(diǎn)P到OO′的垂直距離，x′為弧線(xiàn)PO′展開(kāi)后實(shí)際的長(zhǎng)度，根據(jù)對(duì)應(yīng)位置關(guān)系計(jì)算出其關(guān)系式如式（1）所示：

圖3 柱面水平校正關(guān)系圖Fig.3 Cylindrical horizontal correction

在垂直方向上由于相機(jī)在成像時(shí)會(huì)根據(jù)物體的遠(yuǎn)近不同而產(chǎn)生透視畸變，透視畸變的特點(diǎn)為當(dāng)物體離鏡頭越遠(yuǎn)則該物體在相機(jī)上所成的像也就越小。

垂直方向畸變?nèi)鐖D4所示，圓柱的后半部分被遮擋了，所以在圖像上只能觀(guān)察前半部分的圓柱面。圖中點(diǎn)Pfront和點(diǎn)Pback都位于圓柱上的同一高度，其中由于柱面的原因Pfront為離相機(jī)最近的點(diǎn)，所以在圖像上Pback為柱面上離相機(jī)最遠(yuǎn)的點(diǎn)，由此導(dǎo)致同一高度的點(diǎn)在成像時(shí)具有了不同的高度，在圖像平面上的相應(yīng)位置分別為P′front和P′back，通過(guò)相似關(guān)系可以得到：

其中hf和hb分別表示在圖像上點(diǎn)P′front和P′back的縱坐標(biāo)值，d為鏡頭至物體之間的距離。

圖4 柱面垂直校正關(guān)系圖Fig.4 Cylindrical vertical correction

經(jīng)過(guò)水平以及垂直方向上的校正補(bǔ)償即可對(duì)柱面標(biāo)簽進(jìn)行近似的展開(kāi)，其后通過(guò)雙線(xiàn)性插值算法對(duì)缺失的像素點(diǎn)進(jìn)行近似計(jì)算，如圖5所示，可以看出經(jīng)過(guò)校正后的圖像（b）已經(jīng)非常近似于平面標(biāo)簽。

圖5 柱面標(biāo)簽校正對(duì)比圖Fig.5 Image of cylinder label calibration contrast

3.2 標(biāo)簽圖像拼接融合

完成柱面標(biāo)簽的反投影校正后每一對(duì)相鄰的標(biāo)簽進(jìn)行圖像配準(zhǔn)［12-13］找到對(duì)應(yīng)位置關(guān)系，然后對(duì)其進(jìn)行拼接融合處理［14］，其中漸入漸出算法是常用的拼接融合方法，其權(quán)重是成線(xiàn)性變化的，受其啟發(fā)可以將其權(quán)重變?yōu)榉蔷€(xiàn)性［15-16］，使拼接過(guò)渡自然，于是將其線(xiàn)性函數(shù)權(quán)重改進(jìn)為基于sigmoid 函數(shù)的權(quán)重，sigmoid函數(shù)表達(dá)式如式（3）所示，其權(quán)重ωs的變化如圖6所示。

圖6 sigmoid函數(shù)權(quán)重變化圖Fig.6 Sigmoid function weight change graph

權(quán)重ωs的表達(dá)式如式（4）所示，其取值范圍為（0，1），其中i表示重疊區(qū)域中的像素點(diǎn)在圖像水平方向上的坐標(biāo)值，L和R分別表示重疊區(qū)域的左邊界和右邊界水平方向上的坐標(biāo)值，通過(guò)調(diào)節(jié)k值大小來(lái)改變sigmoid函數(shù)的變化趨勢(shì)。

根據(jù)權(quán)重ωs則可對(duì)兩圖像進(jìn)行拼接融合，而重疊區(qū)域的像素點(diǎn)灰度值計(jì)算公式如式（5）所示：

3.3 缺陷檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

在飲料瓶的標(biāo)簽進(jìn)行包裝套標(biāo)時(shí)，會(huì)由于標(biāo)簽熱縮機(jī)不均勻而導(dǎo)致塑料薄膜標(biāo)簽的破裂，而破裂后的區(qū)域顯示的是飲料液體本身的顏色。針對(duì)飲料液體本身的顏色信息特征再結(jié)合標(biāo)簽的顏色，可以對(duì)飲料液體自身的顏色進(jìn)行提取，即將飲料液體顏色作為前景，標(biāo)簽信息較為復(fù)雜且不具有統(tǒng)一性，即作為背景。本文提出了一種基于顏色空間的雙閾值算法來(lái)進(jìn)行標(biāo)簽缺陷檢測(cè)，該算法基于RGB和HSV兩種顏色空間，RGB顏色空間是計(jì)算機(jī)技術(shù)中最常用的顏色表示方式，而HSV顏色空間是根據(jù)人類(lèi)對(duì)于顏色的直觀(guān)特性而提出來(lái)的，比較接近于人類(lèi)對(duì)色彩的感知方式，而且對(duì)環(huán)境中的亮度干擾具有一定的穩(wěn)定性。

圖7 柱面標(biāo)簽拼接展開(kāi)圖Fig.7 Cylinder label mosaic image

在顏色空間下針對(duì)飲料液體自身的顏色特征，分別統(tǒng)計(jì)飲料液體RGB 空間下三通道的均值Rm、Gm、Bm以及HSV 三通道的均值Hm、Sm、Vm，然后設(shè)計(jì)一個(gè)上下閾值，如式（6）～（7）所示：

然后根據(jù)篩選出來(lái)的像素點(diǎn)進(jìn)行連通形成一個(gè)個(gè)區(qū)域，對(duì)這些區(qū)域作形態(tài)學(xué)處理中的閉操作運(yùn)算，最后對(duì)這些區(qū)域作并集運(yùn)算即可將破裂的標(biāo)簽區(qū)域分割出來(lái)，如圖8中紅色區(qū)域所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)飲料柱面標(biāo)簽提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)以及圖像處理技術(shù)的標(biāo)簽缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全方位的獲取標(biāo)簽的圖像信息，提出了柱面反投影補(bǔ)償算法以及基于顏色空間的雙閾值標(biāo)簽缺陷檢測(cè)算法，該算法計(jì)算量較小，運(yùn)行速度較快，對(duì)于飲料柱面標(biāo)簽破損具有良好的檢測(cè)效果。系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性，可以對(duì)近似于圓柱體的飲料柱面標(biāo)簽缺陷檢測(cè)，有望在飲品行業(yè)進(jìn)行廣泛的推廣應(yīng)用。

圖8 標(biāo)簽缺陷檢測(cè)示意圖Fig.8 Label defect inspection Image