空頭和缺支是卷煙包裝中常見(jiàn)的生產(chǎn)缺陷。所謂空頭即煙支中煙絲不飽滿，在頂部形成空凹，國(guó)標(biāo)GB/T22838中對(duì)煙支空頭的界定是煙絲表面空凹大于1mm即為空頭。缺支是指在煙支包裝過(guò)程中，煙支的裝入量小于規(guī)定煙包的數(shù)量。

    空頭和缺支都屬于生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)在包裝檢驗(yàn)的過(guò)程中加以剔除。目前，煙廠大多采用機(jī)械式、紅外光電檢測(cè)式的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多非常復(fù)雜，系統(tǒng)維護(hù)成本及故障率較高。
    本文提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的煙支質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)利用CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭及ARM控制器構(gòu)成圖像采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了包裝線上煙包實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量判定及剔除功能。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以LPC2368為主控制器。LPC2368為NXP公司推出的基于ARM7TDMI內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部集成了58 KB RAM及512 KB ROM、USB2.0控制器、高速AD/DA轉(zhuǎn)換器等，并有豐富的I/O管腳，完全可以滿足系統(tǒng)中數(shù)字圖像采集、處理以及判定算法的需求。

    實(shí)際應(yīng)用包含空頭和缺支檢測(cè)兩套系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)完全一樣，分置于生產(chǎn)流水線的兩側(cè)。檢測(cè)攝像頭采用的是CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620，控制器通過(guò)邏輯電路控制攝像頭的采集操作，并讀取圖像信息；光電傳感器采用Autonics的BF3R型光纖放大器，當(dāng)煙支包裝盒進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，光纖放大器輸出低電平，系統(tǒng)開(kāi)始圖像采集；系統(tǒng)中還包含有一個(gè)超高亮度的LED作為圖像采集補(bǔ)充光源，控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制LED的亮滅；鍵盤(pán)及液晶構(gòu)成了人機(jī)界面，操作員可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境及產(chǎn)品要求設(shè)定檢測(cè)參數(shù)等；LPC2368中集成了USB控制器，系統(tǒng)中還包含了USB通信接口，與軟件配合可以將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)處理。
2 圖像采集電路設(shè)計(jì)
    OV7620是一種高集成度、高分辨率的CMOS數(shù)字圖像傳感器，內(nèi)部集成了感光單元和A/D轉(zhuǎn)換器件。由于OV7620采集的圖像數(shù)據(jù)量較大，標(biāo)準(zhǔn)的320×240圖片每幀數(shù)據(jù)為7.68 KB，而且每輸出1個(gè)像素點(diǎn)僅37 ns。如將OV7620與控制器直接相連，對(duì)控制器的要求極高，LPC2368無(wú)法滿足速度要求。
    因此，檢測(cè)系統(tǒng)中利用了FIFO圖像緩存技術(shù)，利用FIFO存儲(chǔ)器AL422B作為圖像數(shù)據(jù)緩存，將OV7620采集的數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)序轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到AL422B中，然后通過(guò)微控制器讀取緩存圖像數(shù)據(jù)。圖像采集連接電路如圖2所示，其輸出時(shí)序如圖3所示。其中，VSYNC、HREF及PCLK分別為OV7620的垂直同步信號(hào)、水平同步信號(hào)及像素同步信號(hào)。

    OV7620在兩個(gè)VSYN脈沖之間輸出一幀圖像，圖像像素點(diǎn)按行輸出，每輸出一個(gè)PCLK脈沖，即輸出一點(diǎn)數(shù)據(jù)；在一行數(shù)據(jù)輸出期間，HREF保持高電平。OV7620的SCL、SDA為SCCB總線，用于對(duì)外部控制器對(duì)OV7620內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)OV7620初始化。
    圖像采集電路工作原理如下：系統(tǒng)上電后，LPC2368通過(guò)P0.21、P0.22模擬SCCB總線時(shí)序?qū)V7620進(jìn)行設(shè)置，并初始化74HC74狀態(tài)。當(dāng)包裝線上煙包進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)光電開(kāi)關(guān)輸出有效電平信號(hào)，LPC2368置P0.20為低電平。VSYN出現(xiàn)一個(gè)跳變時(shí)，D觸發(fā)器輸出Q變?yōu)榈碗娖剑⒈３值较乱粋€(gè)VSYN脈沖信號(hào)。當(dāng)OV7620輸出行數(shù)據(jù)時(shí)，HREF變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)74HC11-1的輸出變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過(guò)反相器74HC04-3后變?yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)AL422B的寫(xiě)信號(hào)WE及LPC2368的EINT0也變?yōu)榈碗娖剑珹L422B進(jìn)入寫(xiě)數(shù)據(jù)模式，并且觸發(fā)LPC2368外部中斷。
    AL422B寫(xiě)脈沖控制信號(hào)WCK與OV7620的PCLK連接，當(dāng)WE為低電平時(shí)，PCLK每輸出一個(gè)脈沖，AL422B就寫(xiě)入一個(gè)行像素?cái)?shù)據(jù)；寫(xiě)完一行數(shù)據(jù)后，HREF變?yōu)榈碗娖剑?4HC04-3輸出變?yōu)楦唠娖?，AL422B禁止寫(xiě)入，直到HREF再次變?yōu)楦唠娖?。在中斷程序中，LPC2368將P0.20拉高，當(dāng)產(chǎn)生第二個(gè)VSYN脈沖時(shí)，D觸發(fā)器的Q端變?yōu)楦唠娖?，此時(shí)74HC11-2輸出及LPC2368的P0.19變?yōu)楦唠娖?，表示一幀圖像采集完成，控制器可以開(kāi)始讀取緩存中的圖像數(shù)據(jù)。
      當(dāng)LPC2368判斷P0.19端口狀態(tài)改變后，置P0.9和P0.10口為低電平，使AL422B進(jìn)入讀數(shù)據(jù)模式，并控制P0.15產(chǎn)生讀脈沖控制信號(hào)，每輸出一個(gè)脈沖，AL422B輸出一個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)，LPC2368通過(guò)端口P0.0～P0.7讀取圖像數(shù)據(jù)。
      AL422B的RRST和WRST為讀寫(xiě)復(fù)位控制信號(hào)，當(dāng)置為有效信號(hào)時(shí)，AL422B中讀/寫(xiě)地址指針復(fù)位。當(dāng)控制器LPC2368從AL422B中讀取了一幀圖像后，通過(guò)P0.11和P0.15置RRST和WRST信號(hào)使AL422B內(nèi)部指針復(fù)位，準(zhǔn)備下一次的采集。
3 系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)
      為了抑制圖像中不需要的部分，突現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的重要特征，照明是圖像采集過(guò)程中的重要部分。實(shí)際應(yīng)用中，包裝流水線所在環(huán)境背景較為復(fù)雜，對(duì)檢測(cè)影響較大。因此，在系統(tǒng)中利用了2個(gè)功率為1 W的高亮度LED電珠作為背景光補(bǔ)償。系統(tǒng)中利用MAX16800作為光源恒流驅(qū)動(dòng)芯片以保證背光光源的穩(wěn)定性，并利用LPC2368的管腳P0.8控制LED的亮滅，當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)光電開(kāi)關(guān)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)輸出時(shí)，系統(tǒng)將關(guān)閉背光電源。光源電路如圖4所示。

    由于LPC2368管腳驅(qū)動(dòng)能力較弱，不足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)光耦，因此電路中利用一個(gè)三極管對(duì)管腳輸出進(jìn)行電流放大。兩片MAX16800作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)芯片，CS+與CS-之間并聯(lián)的電阻為1 Ω，此時(shí)OUT端輸出電流為200 mA。電路中，當(dāng)P0.8輸出低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，MAX16800的EN端為高電平，LED亮；反之LED滅。
    根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T22838中所描述，煙支直徑為7.7 mm，將香煙的煙絲端部空陷深度大于1.0 mm、空陷部分與煙支整體界面面積比大于2/3的煙支，被視為空頭煙支。假設(shè)將空頭煙支空陷部分的截面視為一個(gè)圓，凹陷的形狀看作圓錐形，則空頭煙支的截面圖如圖5所示。
    根據(jù)已知條件，便可計(jì)算出空頭煙支空陷部分的最
    

      系統(tǒng)上電后首先對(duì)OV7620進(jìn)行初始化，通過(guò)SCCB總線設(shè)置分辨率、數(shù)據(jù)格式及圖像開(kāi)窗大小。系統(tǒng)對(duì)液晶及鍵盤(pán)初始化后，開(kāi)始讀取光電傳感器的狀態(tài)，當(dāng)包裝線上煙包進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)，啟動(dòng)圖像采集，控制I/O管腳將圖像數(shù)據(jù)從緩沖中讀至控制器RAM。系統(tǒng)軟件調(diào)用圖像判斷算法對(duì)缺支或者空頭進(jìn)行判斷，如有缺支或者空頭，則發(fā)出剔除信號(hào)。
5 系統(tǒng)調(diào)試
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在多個(gè)卷煙廠包裝線上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。由于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境非常復(fù)雜，在系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性進(jìn)行了調(diào)整：
    (1)電源穩(wěn)定性。現(xiàn)場(chǎng)提供了24 V直流電，但由于用電環(huán)境復(fù)雜，該電源非常不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)系統(tǒng)采集及運(yùn)行穩(wěn)定性造成極大干擾。因此在實(shí)際使用中，需要在電源入口及與剔除裝置的信號(hào)出口處加裝濾波器，如有條件可以單獨(dú)利用開(kāi)關(guān)電源供電。
    (2)檢測(cè)裝置安裝。目前國(guó)內(nèi)煙機(jī)包裝線的常規(guī)流水?dāng)?shù)量為120～140包/min，煙包在包裝線上運(yùn)行狀態(tài)為周期性停止，且停止位置基本保持不變。系統(tǒng)實(shí)際安裝時(shí)，需要將檢測(cè)裝置的檢測(cè)中心線與包裝線的停止位置對(duì)齊，以保證圖像采集的完整性。
    (3)圖像檢測(cè)算法調(diào)整。圖像在采集過(guò)程中，不同程度上都會(huì)被可見(jiàn)或不可見(jiàn)的噪聲干擾，這些噪聲不但影響了圖像的視覺(jué)效果，而且擾亂了正常檢測(cè)。因此系統(tǒng)獲取圖像數(shù)據(jù)后，需要經(jīng)過(guò)濾波、二值化后再進(jìn)行判斷。以空頭為例，圖像判斷算法執(zhí)行過(guò)程如圖7所示。

    圖7(a)為實(shí)際采集的原始灰度圖像，其中第一排從左往右第4支為空頭煙支。圖7(b)為經(jīng)過(guò)濾波，并利用大津算法對(duì)圖像進(jìn)行二值化后所得到的圖像。圖7(c)為對(duì)二值化處理后的圖像進(jìn)一步進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算后的圖像。圖7(d)為二次二值化后得到的圖像，其中黑色像素點(diǎn)值為1，白色為0。從圖7(d)中很明顯可以看出，在空頭煙支對(duì)應(yīng)的區(qū)域，有明顯的成塊狀的黑色區(qū)域，據(jù)此判定該煙支為空頭煙支，此包煙應(yīng)被剔除。
參考文獻(xiàn)
[1] GB5606.3-2005.卷煙第3部分包裝、卷制技術(shù)要求及貯運(yùn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.
[2] 王法明.一種光電式煙支檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶(hù)，2008(4)：43-44.
[3] 吳炯，張秀彬，張峰，等.數(shù)字圖像中的邊緣算法的實(shí)驗(yàn)研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，20(5)：106-107.
[4] 李紹民.嵌入式足球機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(4)：520-522.
[5] 劉慧敏，舒寧，林卉.圖像邊緣信息分析中數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的應(yīng)用方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，26(4)：325-329.