药瓶封装质量检测实验系统开发

孙怀远，刘志强，宋晓康，杨丽英

(1.上海健康医学院 医疗器械学院，上海 浦东 201318；2.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 杨浦 200093)

·创新创业技术·

药瓶封装质量检测实验系统开发

孙怀远1，刘志强2，宋晓康2，杨丽英1

(1.上海健康医学院 医疗器械学院，上海 浦东 201318；2.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海 杨浦 200093)

针对药瓶封装质量检测，设计并实现了一套基于机器视觉技术的、适于教学使用的无接触式药瓶封装质量检测实验系统。从结构原理及运行依据出发，介绍了实验系统的硬件结构、软件构架和运行流程，并结合案例说明了实验系统的应用。实践表明，该系统具有拆装方便、实验内容设置灵活、实验风险小和成本低等优点，实验效果良好，有效解决了药瓶包装质量检测实践教学资源缺乏的问题，为学生学习掌握药品瓶包装无接触检测技术提供了先进、实用的实验装置和教学手段。

药瓶；封装检测；系统开发；机器视觉技术

药品生产过程中，瓶包装非常广泛，也有许多检测环节，如批号、标签、封口等检测或监控，其中胶塞封口、瓶盖封装的检测直接影响到瓶内药品的质量和有效期。随着数字图像处理技术不断完善，利用机器视觉实现产品质量无接触自动检测已变得切实可行[1-5]。机器视觉是利用光电成像系统采集被控目标的图像，经计算机或专用图像处理模块进行数字处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，进行尺寸、形状、颜色等识别[6-10]。为了激发学生学习兴趣，熟悉机器视觉这项涉及传感器、图像处理、机械工程、检测控制等领域的综合技术在药品自动生产、检测与控制领域的应用，让他们在实验、实践过程中理解和掌握无接触自动检测技术的理念，以培养理工科学生专业知识、实践能力和综合素质[11-13]，我们设计了基于机器视觉技术的、以低成本和高精度为目标的药瓶封装质量检测实验系统，开发和集成了5个典型的无接触检测项目：瓶中药液高度(装量)检测、胶塞封口质量检测、瓶盖封装质量检测、药瓶批号自动识别、药瓶一维条码检测，为专业教学提供了一套先进的、低风险的实验装置。

1 实验系统结构设计

药瓶封装质量检测实验系统包含硬件结构和软件平台，其总体结构原理及运行依据为：图像获取、图像处理、特征获取和决策判断[14-15]。基于此，系统构成包括图像采集单元、照明光源、图像处理单元及智能化操作平台等。

1.1 图像采集单元

图像采集单元是视觉系统的关键器件，针对实验系统的教学功能和要求，本系统采用T20智能摄像机(配M3Z1228-MP型镜头)，可通过触发采集或连续采集，将目标对象的光学特性变成二维信息的电信号，然后经过数据采集卡或采集设备本身所带的取样和量化功能，将其转化成数字图像。智能摄像机由24 V直流电源供电，通过网线RJ45接头与监控操作平台实现通信，可实现系统教学功能的二次开发。

1.2 照明光源

针对检测目标(玻璃瓶直径小于等于36 mm、瓶高小于等于65 mm)，选择YFL-100-100-R型LED背光光源和YRL-74-60-R型LED环形光源作为图像采集照明光源。按实验项目的要求，光源照射亮度可通过配套的光源调节器控制。

1.3 图像处理单元及智能化操作平台

该平台即安装有机器视觉软件的监控操作平台，包括图像处理软件、监视器、通信输入输出单元等，对智能摄像机通过接口上传的图像序列进行处理分析，包括图像的预处理、图像增强、图像分割、特征提取等一系列步骤，最后通过图像分析处理，根据相关参数的计算和比对来判定是否存在差别并输出结果。

根据实验项目和检测目标的不同，为了实现物距和焦距的快速调节，充分考虑实验对象、结构形式及固定约束方式的良好适应性[16]，系统将图像采集单元、环形光源、平板背光源及用于放置玻璃瓶的载物台通过调节杆统一安装在精密加工的底板上，以便快速获取清晰及合适尺寸的图像。如图1所示，为药瓶封装质量检测实验系统的布局，如图2所示，为实验系统实物。

1-底板,2、13、14、16-安装板，3、6、8、10-调节杆，4-图像采集单元，5-环形光源，7-载物台，15-调节块，9-背光源，11-光源调节器，12-监控操作平台。图1 药瓶封装质量检测实验系统布局

图2 药瓶封装质量检测实验系统实物

2 实验系统软件平台

2.1 实验系统软件构架

药瓶封装质量检测实验系统软件平台的主要任务是实现硬件各部分功能的整合和使系统自动协调地工作[17]，并提供学生操作实验的环境，达到实践教学的目标。本系统软件平台采用HALCON机器视觉软件，利用其具有快速原型化和开放结构的特征，在软件的HDevelop环境下，结合T20智能摄像机IMPACT内置程序，通过交互编程进行应用程序二次开发，并融合符合本实验系统的视觉功能算子，实现相机的调用和图像的采集、处理及测量结果的显示，从而构建了包括识别算法、用户界面和通信3个子系统的软件平台，并将实验检测项目集成于其中。药瓶封装质量检测实验系统软件结构如图3所示，分为参数设置、预处理、图像处理、智能判断、用户界面和通信6个模块。

图3 药瓶封装质量检测实验系统软件构架

参数设置模块提供实验参数、图像采集方式、数据库文件的设置和存储操作；预处理模块按照设定的值完成初始化操作、边缘寻找、目标定位等；图像处理模块完成实时采集图像的预处理、图像增强、图像分割、特征提取等数字化处理；智能判断模块进行图像数据的分析、比较和判断，并给出处理结果；用户界面模块为用户提供方便操作和统计显示，便于用户针对不同检测对象及时设置不同参数并修改或增删数据库；通信模块完成数据库及相关模块与上位机的双向通信及统计数据的上报工作。

2.2 实验系统软件运行流程

基于HALCON开发的药瓶封装质量检测实验系统软件主程序流程如图4所示。

图4 药瓶封装质量检测实验系统软件主程序运行流程

3 实验系统应用

药瓶封装质量检测实验系统是基于HALCON机器视觉软件和IMPACT系列智能摄像机开发的。在打开软件时，系统会自动启动上一次的连接状态；如未连接，可点击“连接相机”与“上线”的智能摄像机连接。

下面以药瓶胶塞封口质量检测为例，介绍实验系统应用。

实验要求：正确安装实验装置和操作，通过调整光源、镜头的光圈焦距及被测物体的位置，从而采集出符合要求的图像，观察影响检测正确性的因素；同时，通过实验，了解和掌握基于机器视觉技术的药瓶封口质量无接触检测手段和方法。

检测原理：通过机器视觉技术测量盖好胶塞的药瓶左右两边的高度，如果左右两边高度相等，且瓶高在已知标准药瓶高度允许的容差范围内，即为盖好；如果左右两边高度不相等，或瓶高在已知标准药瓶高度允许的容差范围外，即为没盖好(偏斜或没盖紧)。

实验步骤如下：

1)选择实验项目：打开软件，在连接相机后，根据要求选择“胶塞检测”实验项目。

2)安装检测对象：拆除环形光源(图1中的5)，采用平板背光源(图1中的9)，按图1结构将被测药瓶安装于载物台7上。

3)采集图像：在“参数设置”页面进行图像“连续采集”，并调整相机的焦距、变倍及物体距离等，以获取清晰图像(如图5所示)。之后，点击“触发采集单帧”来获得原始大小的图像以检查所调位置是否合适。无论是连续采集还是触发采集单帧时，都可以选择二值化图像，此时图像将以黑白两色显示。选择二值化图像目的在于寻找合适的灰度门限值，这些门限值将是后面程序的输入参数。

图5 胶塞检测界面

4)选择检测区域：在“胶塞检测”页面，选择调整ROI到图5所示位置，然后点击“确定ROI”即可。图中药瓶中部标示部分为瓶子宽度，这里将作为基准值，其他为待测数据。这里左右两侧各为一组，上下4个ROI位置(不同颜色)不可更改。

5)参数设置：瓶子宽度作为已知数据写入，将作为本程序的测量基准。允许容差为测量结果的容差范围，也可视为测量精度。瓶盖(瓶底)门限为上(下)ROI寻找边界时的跳变值，瓶高上限用以控制瓶高的范围。

6)检测：测量胶塞和瓶底的距离，左右两个距离差即为胶塞高低偏差。如高低偏差在药瓶高度允许的容差范围(1.0)内则显示绿色，为盖好；反之显示红色，表示偏差在允许的容差范围外，为未盖好(胶塞偏斜或没盖紧)。图5所示左右高低差为0，显示绿色，结果为盖好。

4 结束语

药瓶封装质量检测实验系统将机器视觉技术应用于药液装量检测等典型的检测项目，实现了无接触式检测，具有实验设置灵活、安装方便、成本低及检测准确度高、结果客观可靠等特点，这在药品安全和检测精度上都对传统的人工检测有着重大的改进和突破。实践证明，药瓶封装质量检测实验系统的开发，使学生在专业实验教学中能够更快地了解机器视觉技术在质量检测中的应用，掌握新型药品瓶包装无接触检测技术；同时，本系统还具有可扩展的应用空间，可以让学生基于此系统自行添加其他的图像处理和机器视觉检测项目，实现二次功能开发，培养和提升学生的创新能力；另外，实验系统在教学中的应用，增强了实践教学的趣味性、知识性和专业性，大大提升了实践教学效果，有效解决了药品包装质量检测实践教学资源不足的难题，为培养企业真正需要的应用型人才提供了有利条件。

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DevelopmentofExperimentalSystemforMedicineBottlePackagingQualityDetection

SUN Huaiyuan1，LIU Zhiqiang2，SONG Xiaokang2， YANG Liying1

(1.Medical Instrument College，Shanghai University of Medicine & Health Sciences，Pudong201318，China；2.College of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Yangpu200093，China)

Bottle packaging is very extensively used in the pharmaceutical production.Aim at the quality inspection of vials，a set of contact-less experimental system for medicine bottle packaging quality detection was designed and implemented，which was based on machine vision technology and suitable for teaching use.Based on the principle of experimental system structure and operation，the hardware structure and software architecture and operational process of the experimental system were introduced，and its application was illustrated.The teaching practice results show that the experimental system for medicine bottle packaging quality detection has some advantages，such as easy installing，flexible experimental content setting，low operational risk and low experimental cost，as well as a good experimental effect.Therefore，it effectively solved the problem of lack of practice teaching resources in bottle packaging quality testing，and provided the advanced and practical experimental equipment and teaching means for students to learn the contact-less detection technology in medicine bottle packaging.

medicine bottle；packaging detection；system exploitation；machine vision technology

2017-01-08；修改日期:2017-01-17

2015年上海市高等教育质量提升计划(A1-2617-15)。

孙怀远(1962-)，男，硕士，教授，主要从事生物医学工程、医药装备及其检测技术方面的研究。

TP273

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.001