（电子科学与技术专业论文）医药灌装生产线中产品异物的视觉检测技术研究.pdf

硕+ 学位论文 a bs t r a c t m e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t sa r ei m p o r t a n tp h a r m a c yo ft h ep h a r m a c e u t i c a li n d u s t r y a n dh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc l i n i c a l h o w e v e r , d u et ot h ep r o d u c t i o np r o c e s so r e n v i r o n m e n tr e a s o n s ，s o m eo ft h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t sm a yc o n t a i ns c r a pg l a s s ， f i b e r , r u b b e r , h a i ra n do t h e rf o r e i g ns u b s t a n c e s ，w h i c hc o u l dc a u s eg r e a td a m a g et o h u m a nb o d i e s t h e r e f o r e ，c h i n a sp h a r m a c o p o e i as t i p u l a t e st h a tt h ee x a m i n a t i o no f f o r e i g ns u b s t a n c e si nm e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t sm u s tb ec o n d u c t e do nb o t t l e - - b y - - b o t t l e b a s i s c u r r e n t l y , m a n u a li n s p e c t i o ni st h em o s tp o p u l a rm e t h o da m o n gd o m e s t i c m a n u f a c t u r e r s s u b je c t i v i t y , l o we f f i c i e n c ya n dh i g he m i s s i o nf a c t o r so ft h i sm a n u a l p r o c e s sa r et h eb o t t l e n e c ko ft h ea u t o m a t i cm e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t i o nl i n e m a c h i n e v i s i o nt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yu s e dt oi n s p e c tt h ef o r e i g ns u b s t a n c eo ft h em e d i c i n e f i l l i n gp r o d u c t s ；t h en e wm e t h o da c c e s s e st h er e a l - t i m ei m a g eo fm e d i c i n ef i l l i n g p r o d u c t sq u i c k l ya n da c c u r a t e l ya n da c h i e v e sd e t e c t i n g ，m e a s u r i n g ，a n a l y z i n ga n d d i a g n o s i n gt h ef o r e i g ns u b s t a n c e so ft h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t s a tt h es a m et i m e ， t h eq u a l i t yo ft h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t si se n s u r e da n dt h ea u t o m a t i o no ft h e m e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t i o nl i n ei si m p r o v e db yt h ew a y f i r s t l y , t h e s i ss u m m a r i z e st h ep r e s e n tr e s e a r c hs t a t u sa b o u tv i s i o ni n s p e c t i o n t e c h n o l o g yo ft h ef o r e i g ns u b s t a n c e sf o rt h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t s t h ek e y m a c h i n ev i s i o ni m a g i n gt e c h n o l o g ya n dt h ef o r e i g ns u b s t a n c e sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t sa r ea n a l y z e d ，t h e nt h ev i s u a ld e t e c t i o ns y s t e mo ft h e m e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t i o nl i n ei sd e s i g n e d b e c a u s eo ft h el a c ko ft h et r a d i t i o n a l b a c k l i g h tf o r m s ，i m p r o v i n gt h eb a c k l i g h ta n dl i g h t i n gb a c ka tt h eb o t t o ma r ed e s i g n e d t oo b t a i nc l e a ri m a g e so ft h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t s e m p l o y i n gm e c h a n i c a l d e v i c e sf o rf i l l i n gb o t t l e so fh i g h s p e e dr o t a t i n g s t o p p i n g ，v i s u a li n s p e c t i o ns y s t e m o b t a i n ss e q u e n t i a li m a g e so ft h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t sb yc o n t r o l l i n gi m a g e a c q u i s i t i o nd e v i c e sa n du s e st h es e q u e n t i a li m a g e so fm o v e m e n ta n ds t a t i co b j e c t si n t i m ea n ds p a c eo nt h eb o t t l et od i s t i n g u i s hb e t w e e nd i f f e r e n c e si nt h ei n t e r f e r e n c ea n d l i q u i di n t e r n a lf o r e i g nb o d i e sa n do v e r c o m e st h ei n t e r f e r e n c eo fb o t t l e i na c c o r d a n c ew i t ht h es p e c i f i cr e q u i r e m e n t so fm e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t s ，t h e t h e s i sc a r r i e so u ti n d e p t hs t u d ya n de x p l o r a t i o na b o u ti m a g ed e n o i s i n g ，f o r e i g n o b je c td e t e c t i o na n de x t r a c t i o no ff o r e i g nb o d i e sa n dd e s i g n st h ea d a p t i v em e d i a n f i l t e r a l g o r i t h m a n db a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r ma n d a d a p t i v ef u z z y f i l t e r i i i a l g o r i t h m ，w h i c hs u p p r e s se f f e c t i v e l y t h ei m a g en o i s ea n dr e t a i nw e l lt h ei m a g e d e t a i l s a g a i n s tt h ef o r e i g ns u b s t a n c e sd e t e c t i o n ，t h ei n t e r f r a m ed i f f e r e n c e m e t h o d a n dt h ec o m b i n a t i o no fb a c k g r o u n ds u b t r a c t i o na n dt i m ed i f f e r e n c em e t h o da r e p r e s e n t e d ；t h e yc a ne f f e c t i v e l ye x c l u d ev a r i e t yp o s s i b l ei n t e r f e r e n c e so f t h eb o t t l ea n d a c c u r a t e l yd e t e c tt h es m a l lf o r e i g nb o d yt a r g e t si nt h em e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t s b y t h ea n a l y s i so ft h ec o m m o ne d g ed e t e c t i o na l g o r i t h m s ，a ni m p r o v e dc a n n ye d g e d e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hi m p r o v e st h ep r e c i s i o na n da c c u r a c yo ft h e f o r e i g ns u b s t a n c e se d g ed e t e c t i o n f i n a l l y , t h et h e s i si n t r o d u c e si nd e t a i lt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h a ti n s p e c t st h e f o r e i g ns u b s t a n c e s ，i n c l u d i n gt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，h i t a s o r t i n gd e v i c ea n ds o f t w a r es y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n i th a sl a i dag o o d f o u n d a t i o ni no r d e rt of u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p k e y w o r d s ：m e d i c i n ef i l l i n gp r o d u c t i o nl i n e ；f o r e i g ns u b s t a n c e ；v i s u a li n s p e c t i o n ； i m a g ed e - n o i s i n g ；o b j e c td e t e c t i o n ；e d g ed e t e c t i o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：髫认罕日期：加 年易月 易e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：智茯绎日期：幼7 年易月易日 导师签名：影霆井! 乡日期：如o ，年6 月6日 颤十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着人类生活质量的提高和全球污染的加重，人类对医药产品的依赖和需求 急剧膨胀，同时各国政府对医药生产和质量管理也提出了更为严格的要求和标准。 由于加工制造业中心向中国的转移，以及世界各国对医药产品的大量需求，使得 医药产品生产和加工成为我国国民经济的朝阳产业。据统计，2 0 0 6 年中囡医药 市场总量达2 5 0 0 亿元，比上一年增长了1 9 7 以上，估计到2 0 1 0 年中国将成为 全球第五大医药产品市场，医药产品市场总量将达到4 8 0 0 亿元人民币，到2 0 2 0 年中国医药产品市场总量预计将达到9 6 0 0 亿元人民币。为了满足医药产品快速 增长的需求，我国加速了对医药设备的研发与生产，“九五”和“十五”的十年称 为中国医药工业迅速发展的十年，国家对制药企业实行强制性g m p ( g o o d m a n u f a c t u r i n gp r a c t i c e ) 认证制度。随着中国医药产品企业g m p 认证工作的深入， 对医药产品的质量，提出了越来越高的要求这促进了企业对制药设备的升级换 代。 医片j 药液灌装以后，由于生产工艺和封装技术等原因医药灌装产品中可能 含有玻璃碎屑、毛发、纤维、橡皮等异物。如果这些异物混同药液一起被病人使 用，将会给病人的身体健康带来很大危害”1 。为了克服这些异物所带来的危害， 必须对灌装后的药液产品进行细致的检测，行业中称为实瓶检测，这种检测通常 是在灯光下由人工进行的，如图i1 所示。 囤l1 人工检测 我国从1 9 8 5 年就丌始对医药灌装产品实行可见异物检测。并对微粒大小及 数量进行严格控制，1 9 9 8 年8 月2 4 日，国家药监局j e 式印发关于实施 有关规定的通知，明确要求医药灌装产品生产必须在2 0 0 0 医药灌装生产线中产品异物的视觉检测技术研究 年底前达到g m p 标准阳1 。2 0 0 5 版药典中规定对药液产品中可见异物需要进行逐 一检查h 1 ，因此灌装药液的检测越来越受到制药企业的重视。 虽然我国有巨大的医药生产市场，以及医药产品的高增长率，但医药检测设 备落后。目前，国内销售的检测设备大多数为美德产品，这些设备由于知识产权 的保护、昂贵的人力资源以及缺乏与之竞争的产品的原因，价格普遍昂贵，无法 为我国中小企业所接受。另外，这些产品普遍使用美德等国标准，与我国的生产 标准存在一定差异，这也是进口产品在我国企业不能被广泛采用的一个主要原因。 所以在国内，还是采用传统的检测方法：人工检测法( 见图1 1 ) 。这种人工检测方 法的主要弊端有：1 1 由于人们现在对自身的健康越来越关注，因此对药品、食品、 饮料等产品的质量提出了更高的要求，希望其生产环境能达到卫生无菌，而人工 检测会增加卫生风险；2 ) 随着自动化技术的快速发展，现代生产线的速度越来越 快，人工检测很难满足流水线的生产要求；3 1 在制造工业发展的同时，使得产品 的制造精度大大提高，因而需要相应高精度的检测方法；4 ) 现代生产工艺强调实 时、在线、非接触式检测，来保证对制造过程的全面控制，从而提高生产效率和 产品的合格率，传统的检测方法是无法达到这种要求的；5 ) 因为不同的检测者之 间存在差异，所以人工检测无法持续保持一致的检测效果，从而无法对检测流程 实现实时的控制；6 ) 传统的检测方法不能适应现代质量控制和统计流程控制( s p c ) 的要求，从而不能实现对产品的持续改进。 因此急需研究适合我国国情的灌装药液异物自动检测设备，以此消除人为因 素引起的误检率，从而降低企业的人力成本，提高经济效益和社会效益。 1 2 医药灌装产品视觉检测的国内外研究现状 国外医药灌装产品质量检测大都采用机器视觉的方法来进行，通过分析灌装 药液产品的实时图像，来对产品的质量进行判断。在灌装药液异物的检测过程中， 采用了旋转急停法，也就是让灌装容器高速旋转，灌装药液中的异物会随液体一 起运动，立即停止后，通过对灌装瓶中运动目标的检测，来判断药液中是否有异 物存在。 在视觉检测设备的生产厂商中，产品性能突出的有德国的塞登纳得、日本的 卫材、意大利的贝威蒂和美国的博世等公司开发的用于灌装药液等产品检测的视 觉检测设备哺。7 1 。这些检测装置都是采用了旋转急停的方式进行运动分析，以区 分灌装药液中所存在的异物和瓶身上痕迹异物等的干扰，其检测速度可以达到 2 0 0 瓶分钟以上。 德国赛登纳得( s e i d e n a d e r ) 公司的医药灌装产品异物检测机将药液异物分类3 类，针对不同类型异物采用光反射法、光透射法、不移动的大颗粒图像获取方法， 2 硕士学位论立 然后通过图像序列分析方法判断药液是否合格该系统可实时跟踪并测量每个异 物的大小，在00 2 秒的时间内，探测计算出异物的数量和每一个异物的大小，分 辨率高，检测速度快，误检率及漏检率小。同时配有自动工位计数，可以在任何 位置剔除次品。 围12 德国s e i d c n a d e r 的灌装药液异物检测机 意大利贝威蒂( b r e v e t t i ) 佥司生产的全自动灯检机采用视觉检测技术，光源处 采用人造偏振光来获取更高品质的图像，并且在每一个摄像系统中配置一套处理 装簧，不同于德幽设备的每三个摄像系统共用一套处理装置，可以完成从强大的 处理过程中获取更多数量的成像，使后续处理达到晟佳效果。 图】3 意太利b r e v e t t i 的灌装药渣灯检机 美国博世( b o s c h ) 公司推出的异物检测机中，采用了s l i d i n g i m a g et e c h n o l o g y 检测技术，该方法不需旋转相机和光学系统，而是让每一个相机视窗分成许多个 虚拟帧，在有产品经过时，会对每一个药液瓶拍摄多副图像，每张图像都会被进 行处理，分析会不会有异物的存在，并与拍白于同个药液瓶的其它图像进行对比， 这样该设备就能榆测出产品中运动的异物。 医药曩袭生产拽中产品异物的视重橙铡技术研究 圈i5 日本e i s a i 株式会社的灌装药液灯桂机 对于灌装药液产品的机器视觉检测技术的研究，从收集到的资料来看，各种 视觉检测系统基本上都采用了基于p c 机的结构”，或者使用了d s p 处理器”“。 关于检测方法，在预处理和特征提取过程中，主要依靠各种基本数字图像处理方 法结合一定的经验，针对具体的检测目标设计专用的算法；而在识别判断中，一 般都采用多条经验规则配合多个闽值来完成异物目标识别判断。其中，文献 1 1 】 提出了一种基于方向梯度的瓶口检测方法，通过沿瓶口切线方向的扫描计算梯度 值，再根据图像上目标的位置、大小、形状、灰度值来区分裂纹和图像噪声。文 献 1 2 1 提出了一种对玻璃瓶上部进行检测的算法，采用反射式照明方法获取空瓶 的图像，然后采用特征规则分析采集到的图像用以确定空瓶的质量。w e l 提出了 一种检测纯净水水瓶的视觉检测算法“，该算法在获取了水瓶图像后，分割图像 为多个小区域，再根据像素强度来确定区域中是否存在缺陷，这种方法检测速度 较快，但是只依据一种特征来确定是否有缺蹈尽管为了减少噪声干扰而分割图 像，可还是不能从根本上消除噪声的影响，检测的可靠性不够理想。文献【1 4 】探 砸学位论文 讨了瓶内液体的检测方法，它在获取了多帧序列图像后采用分别累积奇数帧图 像和偶数帧图像中的各像素上最大扶度或最小灰度，然后差分算法，摄后进行阈 值分割确认药液中是否有异物存在，但这种方法对噪声敏感。且无法区分药液瓶 中的气泡和异物。a k i r a 在1 9 9 8 年针对塑料瓶中溶液异物识别，开发了自动检测 系统。该系统包含了用不同光照的两个子系统，分别针对表现为暗色或明亮点的 两种类型的异物，把从实时平台获取的塑料瓶溶液的视频图像分成奇、偶两个序 列通过对两序列的最小灰度值差分识别异物。 在中国，上述行业本身就属于新兴领域，加之产品与技术的普及不够，导致 机器视觉在检测领域的研究和应用较少，因此在我国对工业机器视觉技术的研究， 主要还是在理论研究和小型应用系统的开发上，而对集光、机、电、控制、图像 检测于一体的视觉检测设备的研制几乎是空白。目前国内生产厂商中，仅有西安 丰唐光电公司研制出全自动智能在线口服液灯检机样机，如图1 6 所示，在检测 正确率等方面还未能达到药品生产厂家的要求。我国还有一些公司在该领域进行 了探索性研究，但对视觉检测中的关键技术还掌握不多，大部分还是停留在做国 外产品的系统集成上，从而使得国产设备无法与国外同类设备相比，尤其在检测 算法方面国内对从生产线上在大量干扰背景下所获取的实时药液图像序列中分 割出微小点目标，即识别药液中异物的技术很落后，检测识别问题目前尚无突破 性进展，更缺乏实际方法的研究和系统的应用。 围16 丰唐光电全自动在线异物灯柱机 1 3 本文的主要工作 论文在囡家自然科学基金重点项目( 6 0 8 3 5 0 0 4 ) 和国家8 6 3 课题 ( 2 0 0 7 a a 0 4 2 2 4 4 ) 的资助下，开展了基于视觉的医药灌装生产线上产品异物检测技 术的研究，通过快速准确地获取医药灌装产品的实时图像信息，实现对产品中异 物的检测、测量、分析和判断，确保医药产品的质量，提高医药灌装生产线的自 动化程度。论文的主要内容如下： 第一章绪论，在深入研究医药市场发展趋势的基础上，阐述了我国对医药灌 医药灌装生产线中产品异物的视觉检测技术研究 装产品检测设备的需求，接着分析了国内外灌装药液检测设备和技术的研究现状， 然后给出了本文的结构安排。 第二章主要讨论医药灌装生产线视觉检测系统设计，在分析机器视觉成像系 统的关键技术和灌装药液产品中异物特征的基础上，提出了医药灌装生产线视觉 检测系统的设计方案。针对传统背光照明方式的不足，设计了改进的背光照明和 黑背底部两种照明方式，获得了灌装药液产品的清晰图像。为了区分瓶身与药液 内部异物，我们通过机械装置使灌装药液瓶进行高速旋转急停的方法来获取连续 的序列图像，利用序列图像中运动与静止对象在时间和空间上的差异来克服瓶身 所带来的干扰。 第三章灌装药液图像预处理，由于生产线上存在大量的噪声干扰，根据灌装 药液产品异物检测的具体要求，首先对所获取的实时序列图像进行去噪增强处理， 通过对比分析，文中提出了自适应中值滤波算法和基于小波变换的自适应模糊滤 波算法，来对图像进行降噪处理，实验结果表明，所提算法不但有效地抑制了图 像中的噪声，而且很好的保留了图像中的细节信息，为后续异物识别提供了更好 的图像。 第四章主要是对灌装药液中异物检测算法的研究，通过旋转急停的方法获取 药液图像，针对这种情况，文中提出了基于帧间差分和背景减除与时间差分相结 合的方法来对异物目标进行检测，有效地排除了瓶身上可能存在的各种痕迹的干 扰，准确检测出了药液中的微小异物目标。在分析常用的边缘检测算法基础上， 提出了一种改进的c a n n y 边缘检测算法，提高了异物边缘检测的精度和准确度。 第五章医药灌装产品异物视觉检测实验平台研制，详细阐述了实验平台的机 械结构，电气控制系统，击出分拣装置，以及软件系统的设计与实现，最后给出 了系统运行的主要界面。 结论总结了全文的研究内容，并针对存在的问题提出了下一步研究的重点和 方向。 6 硕士学位论文 第2 章医药灌装生产线视觉检测系统设计 众所周知，人类观察世界、认识世界、改造世界的信息大约有7 5 来自于视 觉，这表明视觉信息在我们生活中是非常重要的。视觉是一个对外部世界的感知 过程，从狭义上说，它是把外部景象映射到观察者的大脑中，形成有意义的解释 和描述；然而从广义来讲，还要根据这些描述和解释并结合周围环境和观察者的 目的制定出行为规划。人类很多研究都是以延伸人类能力为目的的，早期的工作是 在体力上延伸，计算机发明以来，就拓展到对人类脑力和感知能力的延伸上。对人 类视觉感知能力的计算机模拟导致了计算机视觉的产生，从而使得计算机视觉检 测技术在工业上得到了广泛的应用。视觉检测技术是精密测试技术领域内最具 有发展潜力的新技术，它综合运用了电子学、光电探测、图象处理和计算机 技术，将机器视觉引入到工业检测中，实现对物体( 产品或零件) - - 维尺寸或 位置等的快速测量，具有非接触、速度快、柔性好等突出优点，在现代产品 检测领域中有着重要的应用前景。 2 1 机器视觉技术概述 随着现代工业自动化的程度越来越高，基于人眼的检测越来越无法满足工业 现场的需求，因此迫切需要一种代替人类视觉的机器技术出现。与此同时，计算 机技术、机电工程应用技术与数字图像处理技术不断完善和发展，人类开始将计 算机的高速度、高精度、高可靠性、结果的可重复性与人类视觉的智能化抽象能 力相结合，逐渐形成了一门新学科一一机器视觉n 5 。埔1 。机器视觉技术的诞生和应 用，把人类从繁重的劳动中解放出来，不但提高了生产自动化水平，还改善了人 类生活现状，因此在人类生活生产中必将有着极为广阔的应用前景。 机器视觉是计算机视觉与机械、控制、电子、光学等技术交叉融合而产生的 综合技术，它涉及到多门学科，因此很难给出一个精确的定义。本文采用美国制 造工程师协会( s m e ：s o c i e t yo f m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r s ) 机器视觉分会和美国机器 人工业协会( r i a ：r o b o t i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) 自动化视觉分会对机器视觉的定 义n 9 1 ：“m a c h i n ev i s i o ni st h eu s eo fd e v i c e sf o ro p t i c a ln o n c o n t a c ts e n s i n gt o a u t o m a t i c a l l yr e c e i v ea n di n t e r p r e ta ni m a g eo far e a ls c e n ei n o r d e rt oo b t a i n i n f o r m a t i o na n d o rc o n t r o lm a c h i n e so rp r o c e s s e s ”译成中文是：“机器视觉是使用设 备进行非接触光感知，自动获取和解释一个真实场景的图像，用来获取信息和控 制机器或过程。 机器视觉主要研究用计算机来模拟人的视觉功能从客观事物的 7 医药灌装生产线中产品异物的视觉检测技术研究 图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。一个 典型的机器视觉应用系统包括光源、光学系统、图像捕捉系统、图像采集与数字 化模块、智能图像处理与决策模块和控制执行模块，如图2 1 所示。 图2 1 典型的工业机器视觉系统示意图 机器视觉被称为自动化的眼睛，在国民经济、科学研究及国防建设等领域都 有着广泛的应用。视觉的最大优点是与被观测的对象无接触，对观测者和被观测 者都没有任何损伤，且机器视觉所能检测的对象十分广泛。例如红外线、超声波 等人类观察不到的对象，机器视觉就可以通过这方面的传感器形成红外线、超声 波等图像。因此机器视觉扩展了人类的视觉范围。另外，人类无法长时间的对对 象进行观察，机器视觉则不知疲劳、始终如一的观测同一个对象，可广泛地用于 长时间恶劣的工作环境。具体来说，与人工检测方式相比，机器视觉检测具有非 常明显的优势： ( 1 ) 人工检测主观性较强且容易疲劳，而机器视觉检测比人工检测具有更高的 稳定性和可靠性。 ( 2 ) 机器视觉检测可以提高生产效率，减少劳动强度，满足生产线不间歇的要 求，是降低生产成本、提高生产率、缓解劳动力昂贵等现实问题的重要途径。 ( 3 ) 机器视觉检测技术具有速度快、精度高、现场抗干扰能力强，可同时完成 多个检测指标；可快速获取大量的信息进行数据处理，易如同设计信息及加工信 息集成；可更好的满足在线实时生产的要求，从而提高生产的柔性和自动化程度， 是实现现代工业自动化的基础技术。 ( 4 ) 机器视觉检测能自动记录数据，并对数据进行分析，为管理人员提供质量 管理决策依据；也可自动分析检测过程中发现的缺陷，将不合格的产品剔除，并 将结果反馈给管理人员，为改进产品质量提供参考信息，达到现代企业所需要的 全面质量管理与控制。 由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设 计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视 觉系统广泛地用于自主车导航、目标跟踪、工况监视、工业检测、成品检验和质 量控制等领域，为产品的质量控制和系统的可靠稳定运行提供重要技术保障。随 硕十学位论文 着机器视觉技术自身的成熟和发展，可以预计它将得到越来越广泛的应用。 2 1 1 光源 在目前的机器视觉应用系统中，一个好的图像处理系统，首先应该获得一张 高质量的可处理的图像，可以说光源的选择是图像处理系统成功的关键之一。选 用光源的主要目的有：将待测区域与背景区域明显区分开来，将运动目标凝固 在图像上，增强待测目标边缘的清晰度，消除阴影，并不是仅仅为了简单的照亮 物体。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体的特征，使物体需要检测的部 分与那些不重要部份间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度，同时还应保证 足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质量。由于没有通用的机器 视觉照明设备，所以只能根据具体应用情况来选择合适的光源，以达到最好的成 像效果。 光源设备的选择必须符合所需的几何形状，照明亮度、均匀度，发光的光谱 特性也必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的强度、偏振、均匀度、方向、 寿命、稳定性、大小和形状等。光源的主要类型有如下几种： l e d ( l e d ：l i g h te m i t t i n gd i o d e )固态发光二极管可构成小型方便的光源。 发光二极管的典型原料是镓砷化合物。它们可以从较小的空间中发出强度可控的 光，很适合做机器视觉的光源。 激光器激光器可以产生高度集中的光线。通过将工作物质( 氩、氦、氖等) 的原子提升到高能级状态，然后激励它们使之同时跃迁回常态，激光器能够产生 很窄的高强度相干光束。它的主要优势是产生小的高强度亮点。 白炽灯最普通的人造光源是白炽灯，白炽灯光可以很方便地用于照射要进 行数字化的物体或图像。小灯泡的灯丝可以通过透镜成像，形成一个小亮点。我 们日常使用的几种光源，如白炽灯、日光灯等都不适合用于机器视觉系统。因为， 这些光源的一个最大缺点是光能不能保持稳定。以日光灯为例，在使用的第一个 10 0 小时内，光能将下降15 ，随着使用时间的增加，光能将不断下降。因此， 这些光源的稳定性达不到使系统长期稳定工作的目的。 荧光物质某些荧光物质受到电子照射时会发光，如果电子束在涂覆了荧光 物质的玻璃板表面聚焦成一个小点，这一点就会发光。用于涂覆阴极射线管( c r t ) 表面的荧光物质是一种添加特定杂质的结晶化合物。荧光物质沉积在射线管表面 的透明铝镀层上，镀层带正电荷从而成为吸引电子束的阳极。它的优点在于有很 宽范围内的发射波谱和持续时间，例如从l 毫秒到几毫秒钟，都是可以得到的。 表2 1 给出了按发光器划分的几种光源的特性乜p 22 | 。 9 医药艟装生产线中产品异物的视觉揎蔫技术研究 通过上面的比较不难发现l e d 光源的稳定性和使用寿命均比荧光灯和卤索 灯好，同时，一个l e d 光源可由许多单个l e d 发光管组台而成的，因而比其它 光源可做成更多的形状，更容易针对实际应用需要，设计光源的形状、尺寸以及 投射方式，如环形灯、背光灯、嗣轴灯、球积分灯、条形灯等，因此，l e d 光源 已成为目前机器视觉领域的首选，图22 所示是几种常用的l e d 光源。 瞻嘲胁 a 背光源b 环光源c 同轴光源 p 厚9 d 电光源e 条形光源f 球积分光源 圈22 常用l e d 光源 对于潦装药液异物在线检测系统来说，在生产线r 光源是以连续方式工作的， 因此它必须具有很长的寿命，且发光稳定的光源。因此本系统中选用v t 公司生 产的l e d 光源照明系统。 2 12 照明技术 在设计光源照明方式时首先要确定需区分的并部分n u 的不同。从光学的角度 讲，这些不同主要体现在如下方面：a ) 反射系数的不同，b ) 光的传播介质和折射 率的不同，c ) 物体表i “l 的材质、高度、朝向等的不同，d ) 颜色的区别。因此对不 同的检测对象，例如医药灌装产品中的毛发、橡胶、玻璃碎屑、小颗粒、纤维等 检测对象，必须采用不同的照明方式才能突出被检测对象的特征，有时甚至需要 颈i 学位论文 采用几种照明方式相结合。不同光源发出光的性质不同，角度不同，采取的照明 方案不同，适用于不同的场合，而最佳的照明方案和光源的选择往往需要大量的 试验爿能找到。常用于机器视觉检测系统中的几种照明方式如图2 3 所示： a ) 背光照明( b ) 散射照明 ( c ) 暗场照明( d ) 同轴照明( c ) 直接照明 围2 3 常用照明方式 背光照明方式：通过把l e d 发出的光扩散后，形成均匀明亮的发光表面，使 物体的边缘轮廓清楚可见。背光源比较适合透明物体的检测； 敝光照明方式：提供一个无方向，柔和的散射光这种光适合高反射和曲面 物体； 暗场照明方式：光是按一定角度投射到物体表面，其结果是倾斜的教光进入 到摄像机，纹理和其他高角度特征显得明亮； 同轴照明方式：通过垂直平面光源发出来的变化的发敞光，射到一个使光向 下的分光镜上摄像机从上面通过分光镜看物体。这种照明方式对检测高反射的 物体特别有用； 直接照明方式：光直接射向物体，得到清晰、高对比度的图像。 2 1 3 镜头分析与选择 镜头是机器视觉系统中必不可少的部件，其作用是将成像目标聚焦在图 像传感器的光敏面上，镜头质量直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现 和效果，进而影响到机器视觉系统的整体性能。合理的选择光学镜头，是检 r 盘r 鲫 雠 v _开姒 曹夔 i _ _ l 一 舟一 暑擀卅mr 盥 医药灌装生产线中产品异物的视觉检测技术研究 测系统设计的重要的环节，同时选择合适的镜头，也能降低机器视觉系统成 本。光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头。镜头的主要功能是收 集被照物体反射光并将其聚焦于c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 上，在c c d 上 所成的图像是倒立的，摄像机电路具有将其反转的功能，其成像原理与人 眼相同。因此光学镜头的作用相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼将看 不到任何物体；同样如果没有镜头，摄像机将无法输出清晰的图像。 1 镜头分类 机器视觉系统中常用的镜头，一般可分为如下几类： 按光圈可分为：固定光圈式( f i x e di r i s ) 、手动光圈式( m a n u a li r i s ) 、 自动光圈式( a u t oi r i s1 ； 按焦距可分为：标准镜头、广角镜头、长焦镜头等； 按镜头接口可分为：c 型接口、c s 型接口、f 型接口、v 型接口： 按调焦方式可分为：手动调焦和自动调焦。镜头变焦倍数又可分为2 倍 变焦、6 倍变焦、10 倍变焦、2 0 倍变焦等。 2 镜头参数 镜头参数有几何参数和性能参数，其中主要技术参数为：成像面、c c d 感光 尺寸、焦距、视场、物距、景深和视角。 c c d 感光尺寸：视觉系统中所使用的摄像机的靶面尺寸，不同的c c d 尺寸 对应不同的镜头视场，所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或 等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像； 视场( f i e l do f v i e w ) ：指在一定的距离内观察到的范围的大小，也称为视界、 视野。视场越大，观测的范围就越宽； 景深( d e p t ho ff i e l d ) ：在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间 的距离就叫景深，即：在被摄主体( 对焦点) 前后，其影像仍然有一段清晰范围的， 就是景深。景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距离而变化。对于固定焦距和拍摄 距离，使用光圈越小，景深越大； 视角：镜头中心点到成像平面对角线两端所形成的夹角，对于相同的成 像面积，镜头焦距越短，其视角就越大。对于镜头来说，视角主要是指它可 以实现的视角范围，当焦距变短时视角就变大了，可以拍出更宽的范围，但 这样会影响较远拍摄对象的清晰度。当焦距变长时，视角就变小了，可以使 较远的物体变得清晰，但是能够拍摄的宽度范围就变窄了。 3 镜头选取要素 在选择镜头时，应着重注意六个基本要素：( 1 ) 被摄物体的大小；( 2 ) 被摄物 体的细节尺寸；( 3 ) 物距；( 4 ) 焦距；( 5 ) c c d 摄像机靶面的尺寸；( 6 ) 镜头摄像系 统的分辨率。其中焦距的确定是选择镜最关键的因素。 1 2 硕上学位论文 镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下： ， w l ，= 。 形厂= 百h l ( 2 1 ) 厂：镜头焦距；w 图像的宽度( 被摄物体在c c d 靶面上成像宽度) ；w ：被摄物体 宽度；：被摄物体至镜头的距离；h ：图像高度( 被摄物体在c c d 靶面上成像 高度) 视场( 摄取场景) 高度；h ：被摄物体的高度。表2 2 给出了几种c c d 靶面 的规格尺寸。 表2 2c c d 靶面规格尺寸( 单位r a m ) 当不变，日或矿增大时，厂变小，当日或矿不变，增大时，增大。举个例 子来说：假设用1 2 ”c c d 摄像头观测，被测物体宽4 4 0 毫米，高3 3 0 毫米，镜头 焦点距物体2 5 0 0 毫米，由公式( 2 1 ) 可以计算出镜头焦距为： ， w l6 4 木2 5 0 0 一，地 4 8 宰2 5 0 0 一， ，= = 3 0 m m ，= = 3 0 t a r a 形4 4 0。h3 3 0 当焦距数值算出后，如果没有对应焦距的镜头是正常的，这时可以根据产品 目录选择相近的型号，一般选择比计算值小的，这样视角还会大一些。 总之，镜头的选取必须考虑检测精度、范围、摄像机型号等因素，必须经过 大量有效的实验与数据计算分析才能确定。 2 1 4c c d 摄像机 本设计对摄像机的要求是：由于摄像机视野的原因，必须保证摄像机在合理位 置进行拍摄。因此，摄像机必须具有外触发功能，即当灌装药液瓶到达设定位置 时，向摄像机发出触发信号。摄像机在接到触发信号后，摄像机开始进行扫描并 形成图像。当图像形成后，摄像机停止工作，直到下一灌装药液瓶的到来。 目前，摄像机按图像传感器的类型可以分为c c d 摄像机和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 摄像机。c c d 摄像机的优点是灵敏 度高，噪音小，信噪比大，但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。c m o s 摄像 机的优点是集成度高、功耗低( 不到c c d 的1 3 ) 、成本低，但是噪音比较大、灵 敏度较低、对光源要求高。在相同像素下c c d 的成像往往通透性、明锐度都很 好，色彩还原、曝光可以保证基本准确，而c m o s 的成像往往通透性一般，对实 物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好。因此，在该检测系统中选用c c d 摄 1 3 j 型业螋掣 出了弼种妇1 m 。一 一。：t = 强强! 曩j j 蓄 ：j i 蚤 强 ： 用_ = ：譬：簿蕊! 矮! 强臻臻 a ： 舞il毫誉蠹； ： 嚣! 乏 ： l k：! ：! 翳瓣囊瓣警 王 曩 眭；j ii凳l甍!强鬟喾乏薯 ：? - o 差鬟端 一