香烟外包装视觉检测系统研究

方学军

（贵州财经大学 贵州 贵阳 550003）

香烟生产线的速度非常快，比如GDX-2包装机组的速度就达7包/秒，但在包装过程中往往会产生各种瑕疵，如破损、翘边、翻盖、露白、反包、叠角、印刷未上色等，这给在线检测带来很多麻烦。用人工只能抽检，结果有很多的不合格品流入市场，管理层也无法进行有效监管，对品牌价值和产品信誉都造成很大影响。因而，一套高效的香烟外包装视觉检测系统对香烟生产线尤为重要。设计既能实现高速在线检测，又能进行检测数据处理的香烟外包装视觉检测系统，可从以下几个方面进行研究：

1 检测系统的总体结构

检测系统按功能可分为3个部分：成像单元、图像采集与处理单元、控制单元，其总体结构如图1所示。成像单元由CCD摄像机、LED光源构成，负责原始图像数据的采集，CCD摄像机向图像处理子系统输出模拟视频信号。由于烟包位于生产线上，需检测5个面，因此只需设置2个对面放置的CCD摄像机与LED光源进行检测。

图像采集与处理单元负责接收模拟视频信号，数字化模拟视频信号，根据检测目的对图像数据进行图像处理运算，并将运算结果传送至MCU控制器。控制单元是由单片机、显示单元、报警单元、光电传感器、通信模块和其他扩展功能模块等器件构成，用来完成烟包在传送带上的定位、包装瑕疵的烟包的剔除操作以及显示、报警等功能，为了组成闭环柔性系统，还可以设置通信模块。

1.1 CCD摄像机与镜头的选取

用图像处理方法进行烟包识别的原理可在获取烟包的图像后，用计算机进行图像处理并识别烟包与设定合格品之间的区别。成像质量对整个检测的准确性及速度至关重要，也就是说，实现缺陷识别的基础是获取清晰的烟包图像。因此在选择CCD摄像机的时候，有几个项目特别重要，那就是快门、异步重置外触发和镜头。

图1 检测系统的总体结构

快门速度决定了感光元件的曝光时间，传送带上的烟包是移动的，经计算决定快门速度T≤1.22×10-4秒，故可选1/10000秒快门速度的摄像机；当传送带上的烟包到达检测位置时，必须精确的控制CCD摄像机进行拍照，这要求CCD相机具有异步重置外触发功能；决定了CCD摄像机的其他指标后，由烟包传送过程中的最小物距（工作距离）可算出镜头焦距约为15.52mm，所以，应选择标定焦距为16mm的镜头。

1.2 光源与照明方式的确定

对于烟包在线检测系统来说，因为烟包拍摄速度快、间隔很小，光源以常亮照明方式连续工作为好。这就要求它必须具有较长的寿命，且发光稳定，功耗较低，为了防止整个照明系统受自然光或现场其他照明灯光的影响，保证采集的图像质量稳定，应将成像单元置于一封闭空间内对烟包拍照，因此可采用漫反射效果好的荧光灯灯源。

图2 照明效果图

2 基于DSP的实时图像处理系统

用大容量FPGA实现高速的图像采集，并对图像作滤波等预处理，用DSP实现图像识别。图像处理器采用这种结构方式，可把图像采集和图像处理有机结合，充分利用各自的优点，由此设计开发的实时图像处理器，既能实现高频图像信号的精确采集，又能保证数据处理的实时性与准确性，并且系统稳定可靠。

针对烟包检测的特点和实际要求，设计嵌入式图像处理器，主要包括：视频解码、图像采集控制、数据传输控制、DSP及其外围器件等。其结构如图3所示。视频解码主要实现对CCD传送的视频信号的A/D转换，以及同步信号的提取。由于DSP运行速度高，为减少DSP的等待时间，可以采用高速同步FIFO来实现数据处理、传输等任务，还可以进行数据缓冲器，以和高速的DSP相匹配。对视频解码芯片及FIFO的控制由FPGA来实现，而FPGA的控制参数由DSP提供。DSP是图像处理模块的核心，接收主机的指令，读取FIFO传送的图像数据，存储并进行运算，再将处理结果通过MCU控制器接口发送回控制器。

图3 图像处理器的总体结构

DSP处理图像时可进行平滑滤波、边缘检测、定位配准、图像识别等。平滑滤波完成图像识别的预处理功能。图像识别的过程，以烟包检测为例，即先对图像进行定位配准、边缘检测，测得图像的边缘数据，再对边缘进行统计计算，根据检测阈值来判断该被测物体是否合格。

3 图像处理器软件主体结构

系统软件的流程分四个步骤，首先是系统上电初始化，加载程序和初始化各种参数，然后系统开始运行。依靠光电感应开关和机械定位装置等设备探测烟包的位置，当烟包刚好处于最佳摄像位置时，光电开关发出一个图像采集触发指令，并实时传送给图像处理器。图像处理器接收触发指令，在FPGA的控制下完成图像的采集，并通过FIFO将数据分批传送至DSP。接下来是图像处理，即通过一定的图像处理算法完成各种检测任务。最后将检测结果输出到MCU控制器，由控制器统计检测结果和控制相关设备的运行。

图4 系统软件结构图

系统软件的主体结构如图4所示。首先通过FLASH和PROM分别加载DSP和FPGA的程序，复位DSP和FPGA，系统初始化，打开DSP的中断，准备进行图像采集。接着当被测烟包处于最佳摄像位置时，由光电开关探测烟包的位置，并向FPGA发出一个触发脉冲，FPGA检测到采样脉冲即控制采集一幅图像。接下来，通过选通信号，FPGA将采集的图像数据依次写入FIFO。FIFO半满即产生DSP中断，DSP执行中断子程序，读取FIFO内部数据并保存数据。DSP读取数据的同时，输出端同步计数，保证图像和数据同步。在两次中断的间隔时间，DSP还可以同时执行其它工作，如处理上一帧图像数据或输出结果等。最后通过同步计数数值判断是否完成了一副图像的采集，如果完成了则进行图像处理。

图像处理主要完成图像预处理及图像识别两部分功能。通过中值滤波消除噪声，使图像的背景均匀，即为图像预处理功能，滤波处理后烟包瑕疵等待检测的指标仍保持原有特征，此过程可以由DSP或者大容量的FPGA来完成。进行图像识别时，首先进行边缘检测和阈值分割，得到图像的边沿相关数据，再计算边沿的周长和图像的面积，和检测阈值进行比较，判断被测烟包是否合格，此过程由DSP完成。最后图像处理器再将检测结果送到MCU控制器，从而控制设备进行后续操作，并可以通过USB总线接口将讯息传送到上位管理机，实现检测的结果的分析统计与记录。

4 总结与展望

本课题利用DSP处理速度快等优点，研究了将DSP技术和MCU等嵌入式技术应用于香烟外包装视觉检测过程领域的方法，解决了图像处理数据量大和检测系统实时性要求高之间的矛盾，针对烟包在线检测的特点，设计了视觉检测系统的总体结构，对系统的各个部分提出了实现方案，包括CCD摄像机的选取、光源照明系统的设计、图像处理系统的设计等，阐述了针对烟包常见包装问题的检测原理，针对图像处理的要求以及处理平台的硬件资源，提出了实时处理软件的工作流程，并介绍了检测软件的主体结构。

本文作为一个完整的应用系统的研究，结合实际生产可大大提高生产效率，但如何提高系统的抗干扰性能还有待更进一步的研究。

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