机器视觉应用实例-啤酒瓶外观检测

　　在啤酒酿造过程中，影响产品质量的因素很多，例如原料质量、工艺、酿酒技术等，另外酒瓶缺陷和污物（瓶口、瓶身和瓶底）也是影响啤酒质量的一个关键要素。所以在啤酒灌装前必须对空啤酒瓶进行检测，把不合格品剔除，才能进行啤酒的灌装。而目前我国大多数啤酒厂还是采用人工对空啤酒瓶质量进行检测，效率低下，速度慢，劳动强度大。

　　机器视觉极适用于大批量生产过程中的测量、检查和辨识，线阵CCD在连续、扫描在线测量中的应用 具有优势。用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度，而且机器视觉易于实现信息集成，可极大地提高产品质量，提高生产效率。所以，针对啤酒瓶检测这种带有高度重复性的工作，应用机器视觉理论开发一套啤酒空瓶检测装置实现空瓶的自动化检测在实际中具有很大的意义。

　　2 机器视觉简介

　　简言之，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。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。

　　2.1 机器视觉的原理

　　机器视觉是用计算机来分析从摄像机所获得的图像的一种方法，分析结果被用来报告信息（探测结果）、控制工艺过程或移动物体。

　　采用CCD照相机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；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、数量、位置等； 后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等[1] 。

　　2.2机器视觉的特点

　　机器视觉检测技术具有速度快、精度高、自动化程度高等突出的优点，能很好的满足现代制造业的需求，在实际中显示出广阔的应用前景。机器视觉与传统计算机视觉从广义上来说都是利用图像处理技术达到对目标的理解、识别等，但是从应用上来说机器视觉具有 的特点:

　　-1 机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、电光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术，人机接口技术等。这些技术在机器视觉中是并列关系，相互协调应用才能构成一个成功的机器视觉应用系统。

　　-2 机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要有合理的性价比，要有通用的工业接口，能够由普通工人来操作，有较高的容错能力，有较高的安全性，不会破坏工业产品，还必须有较强的通用性和可移植性。

　　-3 机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数字图像处理理论中的许多技术日前还难以应用于机器视觉，它们的发展速度远远超过其在工业生产中的实际应用速度。

　　3 啤酒瓶检测的特点

　　啤酒空瓶的检测具有如下特点：

　　-1 材料是玻璃，这对很多传统检测技术来说是个难题；

　　-2 啤酒空瓶检测强调实时、在线，确保对过程实现全面控制，提高生产效率和产品的合格率。比如现在很多啤酒生产线生产速度在36000瓶/时以上，这是许多传统检测手段无法提供的；

　　-3 空瓶形状复杂，不利于实现接触方式检测，而非接触方式是传统检测技术所不能解决的问题。

　　针对啤酒空瓶检测的特点与要求，实际中主要针对四个方面进行检测，检测环节与检测内容简列如下：

　　1、瓶口检测：瓶口密封面检测,螺纹检测

　　2、瓶壁检测:瓶壁内、外表面污物检测,磨损度检测

　　3、瓶底检测: 瓶底污物,裂纹

　　4、瓶内残液检测:残留碱液,残留油,残留水

　　空瓶经过检测机，如果上述4项检测都合格则顺利进入生产线的下一个环节，如果不合格将由剔除器来剔除。如瓶子破损则被剔除到垃圾箱，直接销毁；如瓶子内有残留液，则剔除到另一条传送带，经过传送带传送到洗瓶环节。

　　4 系统设计

　　在图像的采集处理上，系统通过4个相机分别获取瓶口、瓶底、瓶壁的图像，并加以识别处理，图象处理的结果可送入人机界面，也可以通讯给PLC。人机界面与验瓶机PLC通讯，可以读写PLC内部数据。瓶子通过无压力传送单元传入验瓶机，而验瓶机PLC结合检测元件与编码器， 终达到剔除不合格瓶子的结果。系统框架如图1-1所示。

　　4.1 CPU模块

　　选用SIMATIC S7-300系列CPU315-2DP。它具有MPI接口和PROFIBUS-DP主/从接口，可用于中大规模的I/O配置，也可用于建立分布式I/O结构，正适合建立与各远程子站相接的结构。它具有64K的程序存贮器，2048个位存贮器，64个计数器，128个定时器，定时范围为10ms-9990s。

　　CPU315-2DP总I/O地址空间为1024/1024字节，其中过程映像I/O为128/128字节。数字I/O总数为8192个通道，其中集中的I/O为1024个通道。模拟I/O总数为512个通道，其中集中的I/O通道数为256I/128O。每个系统可以扩展32个模块，模块内集成背板总线。

　　4.2 视觉传感器

　　视觉传感器采用VS710，它是一个智能化的、一体化的、带PROFIBUS接口的、分布式的灰度级工业视觉系统，它将图象处理器、CCD、I/O集成在一个小型机箱内，提供PROFIBUS的联网方式或集成的I/O和RS232接口。更重要的，通过PC WINDOWS下的Pro Vision参数化软件进行组态，VS710 次将PC的灵活性、PLC的可靠性、分布式网络技术和一体化设计结合在一起，在PLC和PC体系之间找到了 的平衡[2][3] 。

　　VS710集成数字化照相机：高分辨率CCD,768＊512方形象素；直接象素数字化采样，无转换误差；集成全帧快门，适合运动物体。

　　VS710集成CPU快速处理灰度图像：80486 100M CPU，直接处理象素数据；16MB RAM，可执行复杂程序；16MB FLASHDISK， 多存储200个程序；2MB 图像存储器，可在处理图像时同步抓取下一幅图像；采用倍速扫描技术，图像采集过程中即可进行评估；半帧模式时吞吐率达25件/秒，全帧模式时达16件/秒。

　　VS710采用标准连接接口： PROFIBUS-DP，传输率9.6Kbps-12Mbps；节点地址号1-125，标准9针接口；9.6Kbps-115Kbps。

　　VS710采用ProVision软件进行参数化：利用PROFIBUS-DP对几个从属VS710进行远程配置；用RS232和PROFIBUS进行在线参数传输；画面只显示有问题的图像而不影响处理性能。

　　4.3 视频检测环节

　　以瓶底检测为例，闪光灯通过光学透镜和滤光系统照射在瓶口中，瓶口密封面反射光线传送到CCD相机，在CCD相机中成像为圆环。处理后的图像将用于评估，以判断瓶口的好坏。

　　图像的主要形状是环形，如果沿环形的某个位置上有缺陷，则缺陷处的灰度相对环形的其他位置会有一个较大的变化。这个灰度的变化是我们检测的重要参数，通过它可以确定瓶口是否有缺损。图3为有残缺瓶口的图像。

　　在图象上画一条线，然后分析线上的灰度值，对灰度的变化进行分析，变化 大的点即为外边缘点，同样的方法找另外两个点，通过三点即可以确定圆心。

　　使用相同的画线分析灰度变化的方法可以找到内径圆，这样就得到我们所要处理的 区域，在这个圆环内寻找灰度变化点，从而找到缺陷点。

　　5 小结

　　本系统主要是PLC、视觉系统、传感器、上位机的灵活结合应用，系统采用视觉传感器拍摄和处理实时图象， 终准确剔除坏瓶。使用了多个光电开关以及编码器，利用距离的确定性来准确的定位高速运动中的瓶子，以达到准确剔除的目的。在生产线中实时处理图象，具有设置处理精度，自动剔除有缺陷瓶，显示处理结果，统计归档重要信息的功能。