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机器视觉技术在烟草杂物剔除系统中的应用 |
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作者：唐向阳 张勇 黄岗 李江有 关宏 |
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一、引言
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。它是20世纪70年代在遥感图像处理和医学图像处理技术成功应用的基础上逐渐兴起的，并应用于多种领域，如农业上的自动收获机械和农产品的质量检验、分选，工业生产流水线的在线质量检测、控制，公安系统的罪犯识别，交通的监视与管理、自动收费系统等。机器视觉强调实用性，要求能够适应工业现场恶劣的环境，要有合理的性价比，要有通用的工业接口，有较高的容错能力和安全性，有较强的通用性和可移植性。机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度。
在机器视觉系统中，其关键技术有光源照明技术、光学镜头。摄像机、图像采集卡、图像处理卡和快速准确的执行机构等几个方面。本文结合烟革杂物剔除系统的实际，重点阐述该系统所涉及到的有关机器视觉关键技术的解决方案。
二、烟草杂物剔除系统概迷
随着卷烟生产自动化程度的提高，烟叶从进人卷烟厂的生产流水线到生产出成品卷烟的整个过程，己逐渐脱离人工辅助，特别是把叶改成片叶后，不再有入工铺叶的工艺过程，因此混在烟叶中的杂物及霉烂烟叶等无法去除。它们对卷烟产品的质量影响较大。烟草杂物剔除设备就是一种使用在烟叶初加工的打叶复烤丝、叶丝和梗丝的制丝生产线上来去除杂物及霉烂烟叶的系统。
烟草杂物剔除系统主要由6个部分组成：
1．物料单层化处理装置
其作用是把烟叶等物料由较厚的层叠状态变成很薄的单层状态，并利用“压风”和“托风”使烟叶从皮带机输出端平稳地抛出，且沿可预知的平抛运动轨迹稳定运行，为后续的摄像检测提供条件。
2．物料照明系统
其作用是为物料提供照明。要获得高质量的图像信号，对物料的充分照明是非常重要的必备条件之一。
3．光学系统
其作用是把物料表面的反射光线尽可能准确无误地送到光电检测元件（如CCD感光无件）上。它包括透过式有机玻璃板、平面反光镜、摄像机镜头等。
4．物料图像采集系统
其作用是获得物料的图像（物料表面的反射光线）信息，并通过A/D转换，将模拟图像信号变成计算机能够接受和处理的数字图像信号。它包括摄像机和图像采集卡。
5．实时图像处理系统
其作用是对采集到的数字图像信号迸行必要的运算和处理，提取出特征参数，经智能判断决策模块，根据预设的判别准则输出判断结果，并据此生成执行机构的控制指令。它包括计算机硬件（如DSP或专用图像处理卡）和软件。
6．杂物剔除系统。
其作用是把杂物从烟叶流中分离出去。在该系统中采用的是压缩空气喷吹方式。它包括高速气动电磁阀组和喷吹腔体。其功能方块图图l。
图1 烟草异物剔除系统的功能结构示意图
三、机器视觉的关键技术在烟草杂物剔除系统中的具体实现
（一）光源
在机器视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键，起着非常重要的作用，并不是简单照亮物体而已。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量。在物体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。在机器视觉应用系统中，一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理、物体的几何形状等要素。光源的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性等，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。表1列出了几种主要光源的相关特性。
在烟草杂物剔除系统中，对烟叶和杂物的判别是基于特征信息(如颜色、纹理、形状等)进行的。因此，要求光源的显色性好，光谱范围宽，能覆盖可见光的整个范围，且发光强度高，稳定时间长。综合考虑这些因素，选用了线状纯白的LED光源来照明物料。
（二）光学镜头
光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要。一个镜头的成像质量优劣，即其对像差校正的优良与否，可通过像差大小来衡量。常见的像差有球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等6种。对定焦镜头和变焦镜头来讲，同一档次的定焦镜头的像差肯定比变焦镜头小，因为变焦镜头必须折中考虑，使在各种不同焦距下的成像质量都相对较好，不允许出现某个焦距（在变焦范围内）下很差的情况。因此，在机器视觉应用系统中，根据被测目标的状态应优先选用定焦镜头。此外，再综合考虑图像的放大倍率、视场大小、光圈大小、焦距、视角大小等因素进行具体选择。
在烟草杂物剔除系统中，需要检测的是从皮带机输出端以5m/s～7m/s平抛出的烟叶图像，每个镜头的视场大小为700mm～1000mm。根据镜头的选用原则，选择了焦距为50mm、物距为1500mm、视场为1000mm，并能与lk～2k的线阵CCD摄像机配套使用的定焦镜头。
（三）摄像机和图像采集卡
摄像机和图像采集卡共同完成对物料图像的采集与数字化。高质量的图像信息是系统正确判断和决策的原始依据，是整个系统成功与否的又一关键所在。目前，在机器视觉系统中，CCD摄像机以其体积小巧、性能可靠、清晰度高等特点得到了广泛使用。CCD摄像机按照其使用的CCD器件，可以分为线阵式和面阵式两大类。线阵CCD摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线形式从摄像机前移过，才能获得完整的图像而面阵CCD摄像机则可以一次获得整幅图像的信息。在烟草杂物剔除系统中，需要获得的是以5m/s～7m/s速度从皮带机输出端平抛出的单层烟叶流的图像，非常适合使用线阵摄像机。
目前的线阵CCD摄像机产品主要有两大类:一类在同一时刻，R、G、B传感器输出的信息不是对应被摄物料的同一位置，而是3个不同的位置，即存在R、C、B错位的问题另一类采用了三棱镜分光技术把物料上同一位置反射回来的光线的红色分量送到R传感器输出，绿色分量送到G传感器输出，蓝色分量送到B传感器输出，即同一时刻R、G、B传感器输出的信息是被摄物料的同一位置的颜色信息。对于烟草杂物剔除系统，要求的检测精度很高（为lmm），实时性很强（从检测到剔除的时间不大于30ms），所以选用了采用三棱镜分光技术的分辨率为2k的线阵CCU摄像机。
在机器视觉系统中，图像采集卡是控制摄像机拍照、完成图像采集与数字化、协调整个系统的重要设备。它一般具有以下功能模块：
L．图像信号的接收与A/D转换模块，负责图像信号的放大与数字化
2．摄像机控制输人输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重置拍照、定时拍照等
3．总线接口，负责通过计算机内部总线高速输出数字数据，一般是PCI接口，传输速率可高达130Mb/s，完全能胜任高精度图像的实时传输，且占用较少的CPU时间
4．显示模块，负责高质量的图像实时显示
5．通讯接口，负责通讯。
在烟草杂物剔除系统中，由于选用的摄像机输出的是R、G、B数字化信号，且均为8bit，因此图像采集卡选用了CORECO IMAGE公司的Viper一Digital。
（四）图像信号处理卡
图像信号的处理是机器视觉系统的核心，它相当于人的大脑。如何对图像进行处理和运算即算法都体现在这里，是开发中的重点和难点所在。随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的快速发展，为了提高系统的实时性，对图像处理的很多工作都必须借助硬件完成，如DSP、专用图像信号处理卡等。软件则主要完成算法中不太成熟、尚需不断探索和改变的部分。
对于烟草杂物剔除系统来说，系统是一个实时系统，所以其图像处理系统当然应该是实时的。为了满足实时性要求，采用了DSP技术、应用硬件(FPGA)和软件相结合的方法，来完成图像处理的任务，即用识别定位软件对送到DSP内存中的表征烟草或杂物特征信息的数据，一帧一帧地进行处理，区分出哪些是杂物哪些是烟叶，并根据杂物的位置信息发出相应的剔除指令给剔除模块的电磁阀，控制高压空气吹掉杂物。在处理的时间上必须要注意的是，为了满足系统对物料图像连续无遗漏处理的实时性要求，必须使图像的处理速度大于图像采集的速度。
（五）执行机构
对于一个系统而言，系统功能的最终实现是要靠执行机构来完成的，它是系统的最后一个也是最关键的环节。在烟草杂物剔除系统中，其执行机构就是把合格烟叶和杂物分离开的气动剔除系统。它包括高速电磁阀组和喷吹腔体。为了使整个系统的剔除率能达到较高的水平，除了采用简单高效的算法，选用自主开发的专用DSP芯片以外，气动剔除系统的动态特性，特别是快速性和稳定性也十分重要，其中电磁阀的影响很大，其响应频率应能达到500Hz左右。
四、结束语
机器视觉技术的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，提高了生产自动化水平，改善了人类生活现状，其应用前景极为广阔。随着烟草行业提质降耗工程的全面实施，它也将越来越多地应用于烟草行业的质量检测、监控和分拣，为提升我国烟草企业的国际竞争力做出更大的贡献。(end)
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(1/27/2007) |
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