视觉拉线检测器的设计与实现

黄书智 张 明

（1.安徽中烟工业有限责任公司蚌埠卷烟厂，安徽 蚌埠233010；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠233010）

视觉拉线检测器的设计与实现

黄书智1张 明2

（1.安徽中烟工业有限责任公司蚌埠卷烟厂，安徽 蚌埠233010；2.中国电子科技集团公司第四十一研究所，安徽 蚌埠233010）

本文设计了基于机器视觉技术的拉线质量检测器，主要用于透明包装材料上拉线缺失、拉线偏移等缺陷检测。文中介绍了检测器的软件和硬件设计方案，并详细阐述了检测器开发的关键技术研究，包括图像采集组件和控制板设计。最后，总结了检测器的设计成果，并对下一步的研究进行了展望。

机器视觉；拉线检测；图像采集；控制

0 绪论

目前所使用的拉线检测方式主要光电反射式、光电对射式，产品主要应用于烟草及包装行业。两种检测方式功能对比见表1。

表1 现有检测器功能对比表

通过比较发现上述两种检测方法在不透明拉线的检测中可靠性较高，但是在用于检测环保性更好的透明拉线时经常误判，导致误判的原因是透明拉线透光性强，使得有拉线输出的电平信号与没有拉线的输出电压相近。由于现有产品存在的缺陷，部分烟厂对该产品的性能提出了更高的要求。基于机器视觉技术的拉线检测器可以解决当前技术的检测缺陷。另外，在食品、药品、化妆品等行业中，很多商品为了防潮、防止气味流失，均采用了带有拉线的透明包装材料，以上产品对于视觉拉线检测器的推广具有积极的意义。

1 总体方案设计

视觉拉线检测器是以机器视觉技术为基础的新型检测器，用于检测透明包装材料上拉线是否存在缺陷。通过对拍摄的拉线图像进行分析判断出拉线是否存在拉线缺失、拉线偏移和透明纸接头缺陷，并向外部发出相应的电平信号。检测器主要由以下几个部分组成（见图1所示）：CMOS工业相机、LED照明系统和自主研发的控制器。

图1 视觉拉线检测器组成

2 视觉拉线检测器的设计与开发

2.1 硬件设计

视觉拉线检测器主要由图像采集组件、控制器等外围设备组成。其中控制器包括一个控制组件、一个带触摸屏的彩色液晶屏及一个母板。图像采集组件由LED光源和工业相机组成，其中LED光源以一定的角度照射待检的拉线，工业相机在与拉线垂直的角度进行拍照，工业相机负责采集待检拉线的图像并传送给控制组件。控制组件通过图像处理技术对图像数据进行处理并判断拉线是否存在缺失、偏移等缺陷。视觉拉线检测器的原理框图如图2所示，下面将会分别介绍各部分的设计原理。

图2 视觉拉线检测器原理框图

2.1.1 图像采集组件

图像采集组件负责通过工业相机采集待检拉线的图像并进行初步处理后传送给控制组件。图像采集组件主要由光源、光学镜头、CMOS工业相机几部分组成。

光源是图像采集组件性能稳定的重要保障，负责以合适的方式将光线投射到检测目标上，尽可能地突出检测目标的特征量部分，使需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加足够的对比度。 LED光源具有成本低、光强稳定、使用寿命长及免维护等优点。我们现有几个产品中采用的都是LED光源，本系统也准备采用LED灯作为图像采集组件的光源。

光学镜头是整个系统与检测目标接触最近的部件，它相当于人眼的晶状体，通过它将检测目标的图像成在图像传感器的像敏单元上。镜头的质量直接影响系统的整体性能，合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像同时获得正常图像信号的基础。

图像采集组件中光源与光学镜头的安装示意图如图3所示，镜头与透明纸成垂直角度安装，LED光源与镜头成约45度照射在拉线上。当拉线缺失或拉线偏移时，兴趣区域内拉线边缘对应的图像平均亮度、位置与正常拉线发生变化，系统可以根据亮度与位置的变化来判断是否存在缺陷。

图3 光源与镜头安装示意图

图像传感器作为工业相机的成像器件，举足轻重地决定着图像的质量和性能指标。图像传感器主要分为CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）两种，两种传感器虽然属于不同的技术，但都用于将光信号转换成电荷，并处理成模拟电子信号输出，通过A/D转换器以数字形式捕获图像。

2.1.2 控制组件

控制组件通过图像处理技术对图像数据进行处理并判断是否存在缺陷拉线。控制组件主要由工控板、接口板组成。

工控板用于操作系统以及上位机软件的运行，本系统准备采用的是COM Express模块，COM Express模块是基于PCI Express总线的高集成度计算机模块，安装在客户自己设计的、针对特殊应用的载板上。

接口板用于工控板的外围扩展，主要包括电源电路、接口板单片机、图像采集组件通讯接口、包装机组控制系统通讯接口、液晶及触摸屏接口等。电源电路包括+12V、+5V、+3.3V直流电源转换电路，将+24V直流电源转换为COM Express模块、工业相机等工作所需电源。接口板单片机选用的是当前流行的TI公司的基于Cortex-M4F的32位单片机STM32F407，负责执行上位机软件的控制命令，包装机组控制系统通讯接口用于接口板单片机向控制系统发送剔除信号。

2.2 软件设计

视觉拉线检测器的软件主要包括控制器上位机界面、控制器接口板控制软件。

2.2.1 控制器上位机界面设计

控制组件上位机软件负责图像处理以及系统的整体控制。其基本功能包括：通过控制组件接口板上的通讯接口与图像采集组件通讯，从图像采集组件接收采集到的图像数据；通过图像处理技术对采集到的图像数据进行处理，判断是否存在拉线缺失、偏移等缺陷，如果当前拉线存在缺陷则向接口板CPU发送中断触发信号，由其向包装机组控制柜发送剔除信号；通过显示屏显示系统运行的相关信息；通过触摸屏响应用户的参数设置等操作。

图像处理技术是控制组件上位机软件开发的难点。为了降低开发难度、缩短开发周期、提高软件可靠性，本系统准备采用目前成熟的机器视觉函数库OpenCV，该库是由Intel公司资助开发的开源机器视觉库，库中包含了大量的图像处理基本函数，我们可以在这些函数的基础上进行软件设计。控制组件上位机软件的基本流程如图4所示。

图4 控制组件上位机软件基本流程

控制组件上位机软件除了包括图像处理技术还包括关键的人机界面设计。主要包括四个子界面：工作界面、统计界面、设置界面和实验室界面。

2.2.2 控制组件接口板控制软件设计

控制组件接口板控制软件主要负责执行控制组件上位机软件的命令，对外围设备进行相关操作。完成的功能主要包括：接收上位机的控制指令；LED光源控制；向包装机组控制柜发送检测状态信号及诊断信号。

3 结束语

综上所述，本文是基于机器视觉设计的关于拉线检测器，针对检测器中的图像采集技术、光源照明机安装、图像处理等关键技术进行了研究。目前检测器已设计完成并在包装机组上使用，反馈效果较好。下一步将针对不同的拉线特点优化算法满足市场使用需求。

［1］陈勇.基于机器视觉的表面缺陷检测系统的算法研究及软件设计[D].天津：天津大学,2006.

［2］李俊.机器视觉照明光源关键技术研究[D].天津：天津理工大学，2006.

［3］孙碧亮.基于机器视觉的检测算法研究及其在工业领域中的应用[D].武汉：华中科技大学,2006.

［责任编辑：李书培］

图4 上压辊有限元分析应变图

通过以上的分析结果可以得出，上压辊所受局部最大应力为3.8MPa，材料屈服极限为620MPa，由钢带调直机上压辊滚子的要求可知，上压辊的结构是合理的。

【参考文献】

［1］李祥林,薛万夫,张日升.振动切削及其在机械加工中的应用[M].北京:北京科学技术出版社,1985(10):21-25.

［2］黄庆学,马立峰,梁爱生,等.单轴双偏心定尺滚切剪运动轨迹求解及计算机仿真[J].重型机械,2004,253(41):18-21.

［3］曹冲振,赵春雨,王凤芹,等.小尺度注塑件浇道剪切机构综合[J].制造业自动化，2008(12):14-16.

［4］严慧萍．高速剪切设备剪切装置的结构设计[J]．制造业自动化,2002,24(10): 26-28.

［5］夏建芳,周新衡.摆式飞剪剪切机构优化设计[J].机械设计与研究,2003,19(3): 6-9.

［责任编辑：朱丽娜］

The Design and Achievement of Tear-Tape Detect Instrument in Vision

In order to resolve the problem of tear-tape missing and tear-tape excursion,this paper designs a tear-tape quality detected instrument based on the machine vision technology.This article introduced the software and hardware design precept of detected instrument,and the key technologies are described particularly,insist of the design of control board and image capture group.At last,the main design results of the detected instrument are summarized and the future research is presented.

Machine vision；Tear-tape detect；Image capture；Control