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,，國標(biāo)GB/T22838中對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)量問題,，應(yīng)在包裝檢驗(yàn)的過程中加以剔除。目前,，煙廠大多采用機(jī)械式,、紅外光電檢測式的自動檢測系統(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)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計。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)。檢測攝像頭采用的是CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620,，控制器通過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)入檢測區(qū)域時,，光纖放大器輸出低電平，系統(tǒng)開始圖像采集；系統(tǒng)中還包含有一個超高亮度的LED作為圖像采集補(bǔ)充光源,，控制器通過驅(qū)動電路控制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
    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個像素點(diǎn)僅37 ns,。如將OV7620與控制器直接相連,，對控制器的要求極高，LPC2368無法滿足速度要求,。
    因此,，檢測系統(tǒng)中利用了FIFO圖像緩存技術(shù)，利用FIFO存儲器AL422B作為圖像數(shù)據(jù)緩存,，將OV7620采集的數(shù)據(jù)通過時序轉(zhuǎn)換存儲到AL422B中,，然后通過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,，其輸出時序如圖3所示,。其中，VSYNC,、HREF及PCLK分別為OV7620的垂直同步信號,、水平同步信號及像素同步信號。

    OV7620在兩個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,，用于對外部控制器對OV7620內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對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P0.21,、P0.22模擬SCCB總線時序?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)入檢測區(qū)域時,，系統(tǒng)光電開關(guān)輸出有效電平信號，LPC2368置P0.20為低電平,。VSYN出現(xiàn)一個跳變時,，D觸發(fā)器輸出Q變?yōu)榈碗娖剑⒈３值较乱粋€VSYN脈沖信號,。當(dāng)OV7620輸出行數(shù)據(jù)時,，HREF變?yōu)楦唠娖剑藭r74HC11-1的輸出變?yōu)楦唠娖?，?jīng)過反相器74HC04-3后變?yōu)榈碗娖剑瑫rAL422B的寫信號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WCK與OV7620的PCLK連接,，當(dāng)WE為低電平時,，PCLK每輸出一個脈沖，AL422B就寫入一個行像素數(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)楦唠娖剑珹L422B禁止寫入,，直到HREF再次變?yōu)楦唠娖?。在中斷程序中，LPC2368將P0.20拉高,，當(dāng)產(chǎn)生第二個VSYN脈沖時,，D觸發(fā)器的Q端變?yōu)楦唠娖剑藭r74HC11-2輸出及LPC2368的P0.19變?yōu)楦唠娖?，表示一幀圖像采集完成,，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,，每輸出一個脈沖,，AL422B輸出一個像素數(shù)據(jù)，LPC2368通過端口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,，當(dāng)置為有效信號時,，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P0.11和P0.15置RRST和WRST信號使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
      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,，對檢測影響較大。因此,，在系統(tǒng)中利用了2個功率為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)檢測系統(tǒng)光電開關(guān)長時間沒輸出時,，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)動能力較弱,，不足以同時驅(qū)動兩個光耦，因此電路中利用一個三極管對管腳輸出進(jìn)行電流放大,。兩片MAX16800作為LED的驅(qū)動芯片,，CS+與CS-之間并聯(lián)的電阻為1 Ω，此時OUT端輸出電流為200 mA,。電路中,，當(dāng)P0.8輸出低電平時，光耦導(dǎo)通,，MAX16800的EN端為高電平,，LED亮；反之LED滅,。
    根據(jù)國標(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,，便可計算出空頭煙支空陷部分的最
    

      系統(tǒng)上電后首先對OV7620進(jìn)行初始化,，通過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)入檢測區(qū)域時，啟動圖像采集,，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,。
5 系統(tǒng)調(diào)試
    系統(tǒng)設(shè)計完成后在多個卷煙廠包裝線上進(jìn)行了實(shí)際測試。由于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境非常復(fù)雜,，在系統(tǒng)測試過程中進(jìn)一步對系統(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,，會對系統(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)檢測裝置安裝,。目前國內(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，需要將檢測裝置的檢測中心線與包裝線的停止位置對齊,，以保證圖像采集的完整性,。
    (3)圖像檢測算法調(diào)整。圖像在采集過程中,，不同程度上都會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,。因此系統(tǒng)獲取圖像數(shù)據(jù)后,，需要經(jīng)過濾波、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)過濾波,，并利用大津算法對圖像進(jìn)行二值化后所得到的圖像。圖7(c)為對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。
參考文獻(xiàn)
[1] GB5606.3-2005.卷煙第3部分包裝,、卷制技術(shù)要求及貯運(yùn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,，2005.
[2] 王法明.一種光電式煙支檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表用戶，2008(4)：43-44.
[3] 吳炯,，張秀彬,，張峰，等.數(shù)字圖像中的邊緣算法的實(shí)驗(yàn)研究[J].微計算機(jī)信息,，2004,，20(5)：106-107.
[4] 李紹民.嵌入式足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)的硬件設(shè)計[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2004,，23(4)：520-522.
[5] 劉慧敏,，舒寧，林卉.圖像邊緣信息分析中數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的應(yīng)用方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報,，2001,，26(4)：325-329.