李文娴

摘要本文论述了国内外高速空瓶检测技术的发展与应用现状,介绍了相关的机器视觉和图像处理技术,深入研究了数据库的建立,人机界面与数据库、PLC及图像处理模块数据通讯的实现方法。对课题研究过程中出现的问题进行了原因分析,并结合实际情况给出了具体的解决方案。

关键词人机界面机器视觉图像处理Visual Basic空瓶检测

中图分类号:TP273文献标识码:A

1 国内外高速空瓶检测技术的发展与应用现状

目前国外,尤其是德国和美国的智能空瓶检测技术比较成熟,已经有很多成熟的产品,具有高速成套、自动化程度高和可靠性好等特点,应用广泛。大量采用微电脑技术、模块技术和单元组合技术,能够实现对灌装前空瓶的瓶口、瓶底、瓶壁和残留液检测以及灌装后的实瓶检测、液位检测、封装检测等。德国的海富(HEUFT)、克朗斯(KRONES)、美灏(miho)、KHS,美国的飞达(Filtec)、ICS Inex等公司都拥有比较成熟的空瓶检测产品。

我国目前啤酒成套设备的整体水平落后于国外,虽然有一些成型的产品,但是在功能完善、检测速度、检测精度等方面都需要提高。有些科研机构也对空瓶检测技术进行了研究,但是一些关键技术设备还需要进口,而且仅限于科学研究的范围,不能实现批量生产。

2 机器视觉概述

机器视觉是研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置,分CMOS 和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

图1 表示一个机器视觉系统在最基本层次上的组成。首先对未知物体进行度量,并确定一组特征的度量值,包括被度量对象在图像中的长、宽和面积。一旦特征经过度量后,其数值就被送到一个实现决策规则的过程中去,这种决策规则一般用一个子程序实现,它对度量值进行计算,并根据所度量的值确定物体最可能属于的类别。

尽管机器视觉应用各异,但都包括以下几个过程:

(1)图像采集。光学系统采集图像,图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。

(2)图像处理。处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素。

(3)特性提取。处理器识别并量化图像的关键特性,例如印刷电路板上洞的位置或者连接器上引脚的个数,然后这些数据传送到控制程序。

(4)判决和控制。处理器的控制程序根据收到的数据做出结论。例如:这些数据包括印刷电路板上的洞是否在要求规格以内或者一个自动机器如何必须移动去拾取某一部件。

典型的视觉系统一般包括:光源、光学系统,相机、图像处理单元(或图像采集卡)、图像分析处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。

在啤酒生产线上空瓶检测系统中应用的机器视觉系统主要由相机、镜头、光源、图像采集卡、PC平台和控制单元等六部分组成,各个部分之间相互配合,最终完成对空瓶的质量检测和剔除。空瓶首先经过无压力输送单元进入检测单元,由CCD摄像机依次拍摄瓶壁、瓶口、瓶底、瓶壁的图像,然后由图像处理单元对获得的图像进行处理,处理结果送入PC平台及PLC控制单元,由PLC控制相关剔除器将不合格的空瓶剔除。

3 数据库设计

数据库是人们快速全面管理数据信息的有效工具,它是在计算机存储设备上合理存放的结构化的相关数据集合,并与其他部分共同构成数据库系统。数据库设计是指对于一个给定的应用环境,构造最优的数据库模式,建立数据库及其应用系统,使之能够有效地存储数据,满足各种用户的应用需求(信息要求和处理要求)。构造数据库必须遵循一定的规则,在关系数据库中,这种规则就是范式,关系数据库中的关系必须满足一定的要求,即满足不同的范式。所谓范式,是关系型数据库关系模式规范化的标准,从规范化的宽松到严格,分别为不同的范式,通常使用的有第一范式、第二范式、第三范式及BC范式等。

本系统用Microsoft Access创建数据库,所需数据库表共计7个,其中,表BottleSize用来存储与瓶型相关的数据,表BottleSize2用来存储当前瓶型的编号及名称,表info用来存储故障信息,表rejector_numbers用来存储检测及剔除数据的信息,表sensibility用来存储灵敏度的数据,表test_numbers用来存储与测试瓶相关的数据,表UserTable用来存储用户名、密码以及用户权限等数据。

4 图像处理概述

图像(Image)就是采用各种观测系统获得的,能够为人类视觉系统所感觉的实体。人的视觉系统本身也是一个观测系统,它得到的图像就是客观景物在人们心目中的有形想象。数字图像处理(Digital Image Processing)又称为计算机图像处理,它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。

基本的图像处理方法可分为点处理和区域处理两类。点处理只能改变图像的灰度分布,但不会改变图像内的空间关系,可以按预定的方式改变图像的灰度直方图,最常用的点处理是灰度直方图均衡。区域处理在处理某一像素时,利用与该像素相邻的一组像素,经过某种变换得到处理后图像中某一点的像素值。目标像素的邻域一般是由像素组成的二维矩阵,目标像素位于该矩阵的中央,经过处理后目标像素的值为经过特定算法计算后所得的结果。图像中像素的亮度在一定距离上的变化速率称为图像的空间频率,区域处理将改变图像的空间频率信息,减缓或增强图像中的某些特定的频率分量。区域处理算法一般是针对灰度图像而进行的,主要的区域处理算法有卷积法、中值滤波法和Sobel边缘检测法,大部分的区域处理都采用卷积算法来实现。

5 人机界面与PLC控制单元的通讯

用VB开发OPC客户程序就要用到OPC自动化接口,自动化接口是为基于脚本编程语言而定义的标准接口,可使用VB、Delphi、PowerBuilder等语言开发OPC服务器的客户应用。本系统在开发OPC客户程序时主要用到OPC数据存取(Data Access)规范,为了通过OPC服务器获取S7 PLC的数据,我们需要根据OPC自动服务器对象模型建立相关的对象,并连接到OPC服务器。OPC三个对象之间的层次关系如图2所示:

6 结语

本文所研究的在线高速空瓶检测系统是一个涉及面很广的在线检测系统,综合运用了机械、机器视觉、数字图像处理、控制以及通讯等技术,对灌装前高速运动的空瓶进行检测,剔除不合格的空瓶,保证灌装线的生产质量。