基于图像识别的包装机下料控制系统设计

郭存丽　文蕊

摘要：近年来全自动高速包装机得到了广泛的使用，使更多的农副产品、土特产品能够得到进一步的包装，从而打开了销路。下料控制是制约包装质量的一个重要的因素，为了提高包装质量，该文设计了基于图像识别的包装机下料控制系统。

关键词：图像识别；包装机；下料控制系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）31-7428-04

Abstract： In recent years， high-speed automatic packing machine has been widely used， so that more agricultural and sideline products， native products can be further packaging， which opened market. Feeding control is an important factor to restrict the quality of packaging， in order to improve the packaging quality， this paper introduces the design of control system of feed packaging machine based on image recognition.

Key words：image recognition； packer； feeding control system

在商品经济时代，商品的包装对商品的销售有着至关重要的影响。近年来，我国农副产品和土特产品的包装程度越来越高，对于包装的技术要求也越来越高，因此极大的推动了我国全自动高速包装机的不断发展。为了改善传统的自动包装机的缺陷，本人以实际工作经验为基础，设计了基于图像识别的包装机下料控制系统，该下系统能够全面提高下料控制的质量，促进自动包装行业的发展。

1 当前我国普遍应用的包装机及其下料控制系统

1.1 高速自动包装机及其下料控制系统的不足之处

当前我国包装行业中普遍使用的是全自动高速包装机，其在调味品、果酱、果汁等土特产品和农副产品的包装中用的比较常见。然而，全自动高速包装机的下料控制对其包装质量产生了较大的影响。按照外观形态可以将包装物分为混合态、液态和固态[1]。一般来说最容易包装的是固态产品，其下料机构也易于控制，即使出现渗漏和洒落的现象也不会对生产过程造成较大的影响。然而对于混合态和液态的包装物来说，其对于下料机构有着较高的要求，而当前的全自动高速包装机在此方面存在一定的不足。混合态和液态的包装物要求下料时机和下料位置都要恰当准确。如果出现渗漏和洒落的现象不仅浪费资源，更加难以清扫，甚至需要停产清理。一些具有酸碱盐的混合物包装的温度还有要求，装机容易受到渗漏的混合物的腐蚀，无论是对于食品卫生还是设备使用都有不利的影响。设备中的金属很容易受到产品中酸碱盐的腐蚀，从而降低了使用的寿命。在包装的过程中，一些酸碱盐内容洒落在设备缝隙中，久而久之滋生细菌，严重危害了食品的安全性。

1.2 全自动高速包装机的工艺及其问题

一般情况下，由PLC控制全自动高速包装机的周期和工艺过程，不存在专门的下调控制器。其工艺一般分为五个步骤：封口、下料、开袋、上袋、夹袋，循环进行[2]。如果包装袋的袋口在开袋过程中没有正确的打开，那么势必影响到后续的工艺，按照顺序包装机会自动进行下料，则包装物就会渗漏出来，对生产过程造成不利的影响。袋口位置受到吸盘力大小、夹头和包装袋材质的影响，经常出现开袋过程中包装袋袋口没有正确打开或打开位置不对的现象。这样往往会导致被迫停产，生产者要安排人力和时间对场地进行清扫，严重影响了生产的连续性。

当前我国一些厂家使用的带有下料控制的包装机一般都来自于国外进口，价格昂贵，使用的范围较小。其价格高出我国生产的生产能力类似的包装机价格上十倍，这样的价格很多中小规模的生产厂家都难以承受。因此，开发包装机下料控制系统刻不容缓。

1.3 解决全自动高速包装机问题的关键

问题解决的关键就在于包装机是否能够准确地识别包装袋袋口的位置和打开情况。避免由于不正确的袋口位置而造成的封口不严、下料不准，不仅浪费资源，更影响了生产进度。有一些科研人员使用了激光对射、红外线探测和超声波测距的方法来对包装袋袋口打开和位置进行识别，但由于包装袋的厚度小于超声波的测距误差，而激光和红外线的使用对环境有着较高的要求，而且包装袋袋口的形状、位置具有一定的随意性，与其厚度并没有一定的联系，因此无论是激光对射、红外线探测还是超声波测距，其效果都不理想。只有当包装袋袋口形状如图1所示时，袋口的中心位置才对着下料口，能够进行准确的下料。除此之外其他的袋口形状都会出现不同程度的漏气、包装不严和封口不准的现象，甚至直接把料下到袋外。

2.2.4 基于图像识别的包装机下料控制系统如何进行图像识别

包装袋袋口形状的识别是下料控制的关键，也是解决现有全自动高速包装机下料问题的根源。要解决这个问题，就要对袋口形状进行准确的识别。基于图像识别的包装机下料控制系统要能够进行准备的图像识别。图像识别涉及很多方面的内容，具有复杂的识别过程。图像识别的流程具有以下两个关键步骤：袋口图像学习、袋口图像识别。

①袋口图像学习。袋口图像学习也就是对包装袋的正确位置和打开形状的图像进行学习，并将其存入计算机，以便于与采集到的包装袋打开形状图像进行对照[5]。该文的图1已经对包装袋的正确打开形状进行了介绍。CCD相机进行包装袋袋口形状的图像采集之后，要由计算机进行一定的剪切，这是由于CCD相机的像素较高，往往会将包装袋的全部形状都进行拍摄，而袋口图像学习只需其中的袋口形状部分作为对比对象。这样一来，识别和对比的范围有所缩小，其准确性、识别速度都有所提高，计算量有所减少。计算机能够对所识别的图像进行基于内容的图像检索。由于包装机的工作对象—包装袋在材质、色彩、大小尺寸等方面都比较多样，这就需要对每一种不同的包装袋进行袋口图像学习，以便提高基于图像识别的包装机下料控制系统的适用性。当包装袋发生改变时，要重新进行袋口图像学习。

②袋口图像识别。图像识别的原理主要是将待识别的图像和袋口图像学习的源图像进行分块，使其成为图像子块[6]。分块后则以图像位置关系为依据，计算每个对应块的欧氏距离。以此来比较两个图像的对应位置像素点是否相似，相似的百分比为多少。如若相似比率为100%则为同一图像，相似比率越小则两个图像的差异越大，由于来对两个图像的相似度进行计算。

本系统还设计了图像识别库，以相似比率超过95%为标准，低于95%则视为袋口形状不正确。本系统通过7个函数值，其分别为源文件的名称（包装袋袋口形状的图像名称）SourceFileName、库中图像识别函数的名称SourcePicture、目标文件名DestFileName、目标文件路径DestPath、相似度阈值dValue、识别后实际的相似度值actValue、是否使用多信息融合技术Fusels、整数数据类型和函数返回值Integer。这7各函数能够对图像识别的结果、图像识别的对象、图像识别的地点以及图像识别的方法进行详细的规定。不仅对包装袋的位置和形状特征进行了识别，还可以识别包装袋的材质和色彩、纹理等等。其识别的准确率较高。当相似比率低于95%时，则系统不会发出相应的下料指令，进入下一个运行循环，这样一来整个系统仍然处于连续作业的状态，不会使生产流程中断。具体的图像识别算法流程参见图6所示。

3 结束语

基于图像识别的包装机下料控制系统具有较高的准确性，能够较好的解决我国现有的全自动高速包装机存在的下料不准的问题，从而提高生产的连续性，减少资源的浪费，全面的提高了经济效应。其不仅下料准确，而且具有较快的系统响应速度，适用的范围比较广泛，无论是固态、液态还是混合态的包装物的包装中都能够得到良好的运用，特别是对于混合态和液态的包装更加便利和准确。该系统设计突破了传统包装机的下料设计，通过图像识别的方式来控制下料，能够对包装袋的袋口图形进行采集和对比。通过CCD相机和计算机，能够进行袋口图像学习，存储多种包装袋的正确形状，进一步提高了其适用的范围。当前在一些调料、火锅底料、零食、土特产的包装中已经使用了基于图像识别的包装机下料控制系统，反响较好，应用前景良好。

参考文献：

[1] 郁方方，张建初，韩启珍.基于图像识别的带式店输送机监护系统（硬件设计）[J].中国高新技术企业，2011，（33）.

[2] 秦玉华，王东兵，张海燕.基于图像识别技术的总碱度自动测定方法[J].仪器仪表学报， 2011，（11）.

[3] 何敬森，赵波，姜玉霞.包装机中间仓自控下料阀改造[J].水泥，2011，（02）.

[4] 陈满儒，王海峰，张文明.神经网络PID在包装机控制系统中的应用研究[J].包装工程， 2012，（04）.

[5] 高健，茅时群，周宇玫.一种基于映射图像子块的图像缩小加权平均算法[J].中国图象图形学报，2011，（10）.

[6] 张晓虎，杨小健.基于模糊控制的固态下料系统的设计[J].自动化仪表，2012，（09）.