基于机器视觉的酒液异物检测设备研究与设计*

杨新春，韦懿禾

(1.合肥产品质量监督检验研究院，安徽 合肥 230001；2.中国石油大学，北京 102249)

0 引言

中国白酒随着中国经济的高速发展，其消费市场在世界范围内逐步拓宽[1]。在白酒市场发展的同时，消费者对白酒的质量也愈来愈关注[2]，白酒生产厂家面临着极大的挑战和激烈的竞争。因此，生产厂商加大了酒品生产过程的监督力度，以消费者的健康和生命安全为起点，将酒品的生产质量作为企业长久生存和持续发展的保障。

目前，在白酒的生产灌装过程中，由于瓶体制造、生产工艺、封装技术等多方面的原因，酒液中可能会出现一些异物杂质，在影响酒品质量的同时也影响消费者的健康。由于中国白酒瓶身外观设计复杂，酒瓶内部异物检测难度极高，而现有的酒液异物检测技术大致可分为人工检测、激光检测、光电检测、机器视觉检测等[3]，这些检测技术对于尺寸较大的杂质(1 mm以上)具有部分效果[4]，无法满足实际生产需求。因此，本文设计开发了一种白酒酒液异物检测装置，采用高效图像采集设备获取酒瓶翻转前后的连续多帧图像进行检测，极大地提高了酒液异物检测的精确度和检测效率。

1 酒液异物检测设备结构设计与工作原理

1.1 设备结构设计

酒液异物检测设备由工作台、多级输送台、二级机械臂和图像采集装置等组成，其结构示意图如图1所示。工作台上安装固定有弧形挡板、转盘和旋转输送盘，每一级输送台端部与弧形挡板相连；旋转输送盘上安装有旋转驱动机构，用于旋转酒瓶，第一转盘负责将酒瓶从第一输送台沿第一弧形挡板运送至旋转输送盘上，第二输送台端部固定安装有第二弧形挡板，第二转盘负责将酒瓶从旋转输送盘沿第二弧形挡板运送至第二输送台上；第一转盘、第二转盘边缘均设有与酒瓶瓶身配合的卡槽，卡槽沿第一转盘、第二转盘边缘均匀分布设置；第二输送台与第三输送台之间设有检测输送台，检测输送台上设有图像采集设备，用于采集酒瓶图像；第二输送台与检测输送台之间设有第一机械臂，第三输送台上设有第二机械臂。

图1 白酒酒液异物检测设备结构示意图

由于图像处理装置可能会漏判静止吸附在瓶身上的杂质，降低异物检测的准确率，为了避免这种情况的发生，设计了一种旋转驱动机构，如图2所示。旋转驱动机构的安装板固定在旋转输送盘上，安装板上固定有直线电机，直线电机上的滑块与安装架固定，安装架内部贯穿有能够带动酒瓶转动的旋转套圈，旋转套圈内壁设有用于与酒瓶瓶身接触并带动酒瓶转动的橡胶层，将酒瓶倾斜45°～80°，让旋转的酒体冲洗瓶盖，旋转机构转动带动酒瓶快速、安全地旋转和振荡之后急停，则杂质会随着酒液继续在瓶内运动，从而使得图像处理装置能够获得清晰的图像信息。

图2 旋转驱动机构

1.2 检测原理及算法

瓶装白酒的异物杂质监测主要以机器视觉为基本原理，采用高清摄像头对运输台上运输的瓶装白酒进行序列图像抓取，以检测酒液内是否存在金属屑、毛发、蚊虫、玻璃碎屑等杂质[5]。

1.2.1 图像采集

高效地进行异物杂质图像采集，必须以合理的光源以及光照方式为基础[6，7]。因为LED灯功耗低、发热量少、亮度高、环境适应能力强，能为目标提供良好的照明环境，最终选取LED灯作为光源。本文采用两种照明方式：当检测目标为黑色可见杂质时，采用平板 LED 透射成像，所获得的序列图像背景为白色，由于杂质遮挡了光线而呈黑色；当检测目标为白色时，采用黑背景成像方式，减少图像上形成的亮斑，避免有用信息的丢失。

1.2.2 图像预处理

由于获取到的酒液图像包括异物杂质和受噪声干扰的背景，因此需要对图像进行预处理，以保留有用信息。主要处理步骤如下：

(1) Gamma校正。预处理LED灯照射过程中使瓶身产生的反射或者折射效应，形成高亮区域，采用Gamma校正高亮区域的对比度。

(2) 均值滤波。采用中值滤波法对图像进行脉冲信号干扰滤波处理，在消除图像中噪声的同时保证细节信息。对经过Gamma校正后的灰度图采用改进的均值滤波在有效消除噪声的同时较好地保留了完整信息。

(3) 差影法。采用差影法对图像进行减运算以降低干扰对图像的影响，当酒瓶进入检测区域时，将酒瓶旋转进行分离，酒瓶旋转后停止，酒液内部的异物不会立即停止运动，在此期间，获取酒瓶图像信息，并通过得到的前后图像分离出微小的运动目标，有效消除瓶身内部划痕以及反光等非检测目标的影响。

1.3 电气系统设计

酒液异物检测设备的电气控制系统框图如图3所示，选用一台PLC负责整个系统的底层工作，包括系统协调、流水线对接、旋转控制和机械臂控制。

图3 电气控制系统框图

1.4 设备工作流程

设备工作流程如图4所示，设备上电之后，酒瓶经由输送台运输、转盘等间距分隔后导入旋转输送盘；旋转输送盘上的旋转机构利用旋转套圈将酒瓶夹持并通过旋转和振动使得酒瓶里面的杂质充分运动起来；经过再次分隔与输送，酒瓶导入第二输送台，经第一机械臂转移至检测台；由图像采集设备进行图像信息采集，通过数据的上传、处理与分析，判断瓶内是否含有杂质，检测到瓶内含有杂质时，经第二机械臂转移至次品台，合格品从检测输送台进入第三输送台送至后续工段。

图4 设备工作流程

2 检测试验结果与分析

从市场中购得某品牌的250 mL透明玻璃瓶装酒300瓶，其中合格品200瓶，含玻璃细屑30瓶、白色纤维20瓶、蚊虫10瓶、金属屑20瓶、毛发20瓶。对 300瓶酒液异物进行检测，酒液异物检测设备实物如图5所示。

图5 白酒酒液异物检测设备实物

在样品检测过程中，以3 600瓶/小时的速度进行20次检测，同时聘请6名技术人员同一时间内进行人工检测，检测结果与数据分别如表1、表2所示。由于检测样品是市场上购买所得，所以两种检测对不合格品的检测正确率都比较高，与人工检测相比，酒液异物监测设备的检测正确率更高。

表1 检测结果

表2 杂质检测数据分析

3 结论

本白酒酒液异物检测设备通过对当前检测技术的改进以及创新，利用高精度旋转机构实现酒瓶的快速安全旋转，利用高端机械臂精确完成酒瓶的传输与不合格品的转移，利用高精度、高准确率图像获取装置实时处理获取的图像信息并判断出不合格品，支持浅色透明瓶身，不仅可以广泛应用于各厂家的白酒生产，同时也可广泛应用于啤酒、口服液等领域，极大地提高了透明瓶体内部异物检测的检测效率，并充分发挥异物检测设备的效能。