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1、机器视觉技术在烟草杂物剔除系统中的应用fenghy导语：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，进展处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。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，进展处理并加以理解，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根底上逐渐兴起的，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，工业消费流水线的在线质量检测、控制，公安系统的罪犯识别，交通的监视与治理、自动收费系统等。机器视觉强调实用性，要求可以适应工业现场恶劣的环境，要有
2、公道的性价比，要有通用的工业接口，有较高的容错才能和平安性，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、图像收集卡、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消费自动化程度的进步，烟叶从进人卷烟厂的消费流水线到消费出成品卷烟的整个经过，己逐渐脱离人工辅助，十分是把叶改成片叶后，不再有入工铺叶的工艺经过，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
3、是一种使用在烟叶初加工的打叶复烤丝、叶丝和梗丝的制丝消费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个局部组成：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外表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物料图像收集系统其作用是获得物料的图像物料
4、外表的反射光线信息，并通过A/D转换，将模拟图像信号变成计算机可以承受和处理的数字图像信号。它包括摄像机和图像收集卡。5实时图像处理系统其作用是对收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，经智能判定决策模块，根据预设的判别准那么输出判定结果，并据此生成执行机构的控制指令。它包括计算机硬件如DSP或者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别离出去。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构造示意图三、机器视觉的关键技术在烟草杂物剔除系统中的详细实现一光源在机器视觉应用系统中，好的光源
5、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。在物体需要检测的局部与那些不重要局部之间，应尽可能地产生明显的区别，增加比照度。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、物体外表的纹理、物体的几何外形等要素。光源的选择必须符合所需的几何外形、照亮堂度、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
6、息如颜色、纹理、外形等进展的。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，由于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，根据被测目的的状态应优先选用定
7、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、视角大小等因素进展详细选择。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/s7m/s平抛出的烟叶图像，每个镜头的视场大小为700mm1000mm。根据镜头的选用原那么，选择了焦距为50mm、物距为1500mm、视场为1000mm，并能与lk2k的线阵CCD摄像机配套使用的定焦镜头。三摄像机和图像收集卡摄像机和图像收集卡共同完成对物料图像的收集与数字化。高质量的图像信息是系统正确判定和决策的原始根据，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、明晰度高等特点得到了广泛使用
8、。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，才能获得完好的图像而面阵CCD摄像机那么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/s7m/s速度从皮带机输出端平抛出的单层烟叶流的图像，非常合适使用线阵摄像机。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
9、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，图像收集卡是控制摄像机拍照、完成图像收集与数字化、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展同步或者实现异步重置拍照、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
10、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，因此图像收集卡选用了CORECOIMAGE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。怎样对图像进展处理和运算即算法都表达在这里，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开展，为了进步系统的实时性，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。软件那么主要完成算
11、法中不太成熟、尚需不断探究和改变的局部。对于烟草杂物剔除系统来讲，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。为了知足实时性要求，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者杂物特征信息的数据，一帧一帧地进展处理，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。在处理的时间上必需要留意的是，为了知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收集的速度。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
12、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别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到达较高的程度，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，十分是快速性和稳定性也特别重要，其中电磁阀的影响很大，其响应频率应能到达500Hz左右。四、完毕语机器视觉技术的诞生和应用，极大地解放了人类劳动力，进步了消费自动化程度，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施行，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奉献。