机器视觉在烟草薄膜识别中的应用

熊 金 彭 勇 余兴华

(重庆中烟工业有限责任公司涪陵卷烟厂，重庆 408000)

在烟草行业，解包线开箱机器人取箱后，将有些没有薄膜覆盖的烟包送去割膜机割膜，影响工作效率及现场环境。为解决以上问题，我们通过人工半自动化薄膜识别、光电管自动化薄膜识别等技术的应用，都没能很好的解决问题。

随着工业4.0 以及智能制造技术的发展，在现在的工业控制中，机器视觉作为智能制造的一部分越来越多地引用。通过对机器视觉智能化薄膜识别的尝试，旨在探索如何通过机器视觉准确识别烟包薄膜，并与解包线PLC 系统进行有机结合，当机器视觉检测到烟包无薄膜时，则烟包无需割膜而直接进入下一工位，达到提高工作效率，美化工作环境的目的。以下是从人工识别到机器识别各个过程的尝试。

1 人工半自动化薄膜识别的初期尝试

解包线初始设计为所有烟包均带薄膜，故全部烟包取箱后进入割膜机割取。

未考虑没有覆盖薄膜的烟包，也未考虑判断烟包薄膜的装置和程序。为解决无薄膜烟包不进入割膜机，技术人员尝试修改PLC 程序，并在监控系统增设一" 无薄膜" 按钮，当操作工观察到取箱后烟包无薄膜时，立即点按此钮，烟包不去割膜，直接进入下道工位，而有薄膜烟包依然正常割膜。此种方式完全依赖于人工，当操作工未监控到烟包无薄膜时，烟包仍会进入割膜机割取，并且增加了操作工工作强度，让其不能兼顾其它作业。

2 光电管自动化薄膜识别的再次尝试

解包线取箱工位取箱后，有薄膜烟包由于薄膜的覆盖以及取箱时箱子在提升过程中将薄膜拉高(烟箱上升过程中形成的真空或机器人夹具上的抱针的作用)，比无薄膜烟包高度约高，我们利用此点在取箱工位安装光电检测开关，当此开关被遮挡时，输入有薄膜信号给PLC，让烟包进入割膜机；当此开关未被遮挡时说明烟包上无薄膜，输入无薄膜信号给PLC，让烟包直接进入下道工序。使用过程中发现由于烟包高度不一致，以及有些薄膜贴包较紧，检测中存在错检的情况，导致仍有无薄膜烟包进入割膜机的情况，此方式可靠性不高。

3 机器视觉智能化薄膜识别的应用尝试

所谓机器视觉系统，就是通过机器视觉产品(即图像摄取装置)，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，得到被摄取目标的形态信息，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各种目标的特征，进而根据差别的结果来控制现场的设备动作。在此基础上提出了通过相机成像，依据图像处理的算法判断有无薄膜的方法进行尝试。

3.1 工业相机及照明的选型

3.1.1 照明选型

工业相机准备安装于开箱工位，此地属于正常工作场所，外部光线正常，无高浓度粉尘等干扰物，故选择1-3LUX 的普通型LED 照明。

3.1.2 相机芯片

在机器视觉中主要采用两类光电传感芯片，分别是CCD 和CMOS 芯片，无论是CCD 还是CMOS，他们的作用都是通过光电效应将光信号转换为电信号，进行存储以获取图像，CCD 相机芯片较CMOS 芯片具有光线灵敏度高以及图像对比度高，取图速度慢的特点，为了得到更好的图像保真和质量，本例中对取图速度没有太高的要求，故选择应用较多CCD 芯片。

3.1.3 相机分辨率

根据系统需求选择所需的分辨率。本系统为检测烟包表面是否有薄膜，根据现场位置，我们选择烟包侧面为所测表面，要求拍摄视野的大小约1000*700mm,由于拍摄视野较大，故精度要求0.5mm，测量精度可以考虑1/2 亚像素精度，那么相机的最低分辨率应选择在：(1000/0.5/2)* (700/0.5/2)=1000*700pixcel,因此选择1024*768 像素的相机[1]。

3.1.4 彩色和黑白相机

彩色相机多用于处理与颜色有关的图像，而黑白相机同样分辨率的情况下，精度比彩色更高，尤其在做图像处理中，黑白工业相机得到的灰度信息可直接处理。由于烟包薄膜的单一性，不涉及多颜色处理，因此选用精度更高的黑白相机。

3.1.5 传输接口

根据传输距离，数据大小有USB、1394、Camerlink、以太网等接口方式，考虑到传输距离以及便于与PLC 之间数据传递，本例选用以太网通讯方式。

3.1.6 综合选择

综合以上选型要求，结合产品价格和产品性能的需要，我们选择了普通LED 光源、康耐斯In_sight5401 相机及其视觉软件。

3.2 In_sight5401 相机的硬件安装、连接、组态

将工业相机及光源平行安装于烟包侧面，并物理连接光源电源线和相机TCP/IP 通信网线，通过工业交换机连接至PLC的Profinet 网络，在PLC 硬件组态中安装In-sight5401 相机GSD文件，随后在Profinet 网络中组态In-sight5401 相机，为其分配IP 地址192.168.1.11，如图1。

图1 In-sight5401 相机在PLC 中的硬件组态

3.3 In_sight5401 相机视觉软件的安装及算法编程

3.3.1 In_sight5401 相机视觉软件的安装及连接

在电脑上安装编程视觉软件Cognex In-Sight Software 4.5版本，网线连接工业以太网交换机，为连接设置一个空闲IP，如192.168.1.251，子网掩码设为255.255.255.0，连接好后打开Insight 浏览器，打开“系统”菜单栏下的菜单项，点击“将传感器/设备添加到网络”，找到5401 相机，设置相应的IP 地址，让相机、电脑、PLC 处于同一个网段，连接成功后在In-sigh 网络一览会出现Insight1 相机。

3.3.2 视觉软件的图像设置

在Insight 浏览器打开Insight1 相机，会出现相机软件的编程调试界面，这是一张电子表格样式的界面，一个电子表格称为一个JOB，在界面中A0 是图像设置项，该单元主要是设置图像的属性，如图像的触发源，曝光时间，白平衡等，如图2，双击图标Image，会弹出AcquireImage 属性对话框，这里设置手动触发，开启自动曝光，设置曝光目标亮度时间和最大曝光时间等参数，图像能适应白天夜间光线的变化，单击确定。

图2 In-sight5401 视觉软件的图像设置

3.3.3 IO 设置

In-sight5401 相机带有三个输出IO，本例中需通过一个IO 输出来控制采集图像时点亮光源，将相机的物理IO0 接到一个光藕上。

当IO0 有脉冲输出时光藕导通，光源就会点亮，这样就可以得到一幅有光源照亮的图像，输出信号时间到时，相机停止输出信号，光源处于熄灭状态，这样的好处是可以大大提高LED 光源的使用寿命。同时在浏览器中选择传感器中的离散I/O 设置，选择输出设置，设置IO0 为采集开始，设置脉冲宽度为30ms。

3.3.4 In-sight5401 的算法编程

In-sight5401 视觉软件有多种算法，如Blob(斑点)、边、直方图、图案匹配、图像、颜色等。Blob 的功能主要是一组灰阶值高(低)于规定阈值的像数值，该函数用于查找暗背景上的亮点。边工具的作用是在检测区域内检测亮边或是暗边。

比对分析拍摄烟包的图片，当无薄膜时，整副图片较暗，灰阶值高，而有薄膜时，由于相机光源在薄膜上反光，亮点变多。因此选用Blobs(斑点)算法作为我们判断有无薄膜的主算法，添加Blobs 下的ExtractBlobs 工具至表格中，设置相应的属性，通过摸索在算法中设置合理阈值，当大于此阈值时，输出为1，认为有薄膜；当小于此阈值时，输出为0，认为无薄膜，辅助PLC 作相应输出。

3.4 解包线PLC 程序的再处理

在解包线PLC 程序中，将相机输入地址中的值作比较，当值等于1 时，表示有薄膜烟包；当值等于0 时，表示无薄膜烟包。再由不同烟包类型控制取箱穿梭车去向不同的工位，从而实现有薄膜烟包进入割膜机割膜，无薄膜烟包直接进入下道工序。

4 结论

以上是一例机器视觉在工业上识别烟包是否覆盖薄膜的简单应用，先用In-sight5401 相机拍摄照片，再用Cognex In-Sight Software 软件对所拍摄的照片进行分析处理，通过如Blobs(斑点)等算法，找出烟包表面是否覆盖薄膜的合理阈值，接着输出相应的数值给PLC，最后比较对应数值决定烟包是否进入割膜机割膜的过程。经过长期的观测统计，视觉系统判断烟包有无薄膜的成功率大于99%，很好地起到了视觉识别烟草薄膜的效果，让设备根据视觉识别结果进行相应的动作，大大降低了操作工劳动强度，提高了工作效率，美化了工作环境。