空頭和缺支是卷煙包裝中常見的生產(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?，并保持到下一個(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)楦唠娖剑?jīng)過(guò)反相器74HC04-3后變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)AL422B的寫信號(hào)WE及LPC2368的EINT0也變?yōu)榈碗娖?，AL422B進(jìn)入寫數(shù)據(jù)模式，并且觸發(fā)LPC2368外部中斷,。
    AL422B寫脈沖控制信號(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就寫入一個(gè)行像素?cái)?shù)據(jù),；寫完一行數(shù)據(jù)后，HREF變?yōu)榈碗娖剑?4HC04-3輸出變?yōu)楦唠娖?，AL422B禁止寫入,，直到HREF再次變?yōu)楦唠娖健Ｔ谥袛喑绦蛑?，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)楦唠娖剑硎疽粠瑘D像采集完成,，控制器可以開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為讀寫復(fù)位控制信號(hào)，當(dāng)置為有效信號(hào)時(shí),，AL422B中讀/寫地址指針復(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)光電開關(guān)長(zhǎng)時(shí)間沒輸出時(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)格式及圖像開窗大小,。系統(tǒng)對(duì)液晶及鍵盤初始化后，開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?，F(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)被可見或不可見的噪聲干擾，這些噪聲不但影響了圖像的視覺效果,，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,。
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