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    機器視覺技術在煙草行業應用之煙草雜物剔除系統

    隨著卷煙生產自動化程度的提高,煙葉從進人卷煙廠的生產流水線到生產出成品卷煙的整個過程,己逐漸脫離人工輔助,特別是把葉改成片葉后,不再有入 工鋪葉的工藝過程,因此混在煙葉中的雜物及霉爛煙葉等無法去除。它們對卷煙產品的質量影響較大。煙草雜物剔除設備就是一種使用在煙葉初加工的打葉復烤絲、 葉絲和梗絲的制絲生產線上來去除雜物及霉爛煙葉的系統。

    煙草雜物剔除系統主要由6個部分組成:

    1.物料單層化處理裝置

    其作用是把煙葉等物料由較厚的層疊狀態變成很薄的單層狀態,并利用“壓風”和“托風”使煙葉從皮帶機輸出端平穩地拋出,且沿可預知的平拋運動軌跡穩定運行,為后續的攝像檢測提供條件。

    2.物料照明系統

    其作用是為物料提供照明。要獲得高質量的圖像信號,對物料的充分照明是非常重要的必備條件之一。

    3.光學系統

    其作用是把物料表面的反射光線盡可能準確無誤地送到光電檢測元件(如CCD感光無件)上。它包括透過式有機玻璃板、平面反光鏡、攝像機鏡頭等。

    4.物料圖像采集系統

    其作用是獲得物料的圖像(物料表面的反射光線)信息,并通過A/D轉換,將模擬圖像信號變成計算機能夠接受和處理的數字圖像信號。它包括攝像機和圖像采集卡。

    5.實時圖像處理系統

    其作用是對采集到的數字圖像信號迸行必要的運算和處理,提取出特征參數,經智能判斷決策模塊,根據預設的判別準則輸出判斷結果,并據此生成執行機構的控制指令。它包括計算機硬件(如DSP或專用圖像處理卡)和軟件。

    6.雜物剔除系統。

    其作用是把雜物從煙葉流中分離出去。在該系統中采用的是壓縮空氣噴吹方式。它包括高速氣動電磁閥組和噴吹腔體。其功能方塊圖圖l。

    煙草行業
    圖1 煙草異物剔除系統的功能結構示意圖

    機器視覺的關鍵技術在煙草雜物剔除系統中的具體實現

    光學鏡頭

    光學鏡頭相當于人眼的晶狀體,在機器視覺系統中非常重要。一個鏡頭的成像質量優劣,即其對像差校正的優良與否,可通過像差大小來衡量。常見的像差 有球差、彗差、像散、場曲、畸變、色差等6種。對定焦鏡頭和變焦鏡頭來講,同一檔次的定焦鏡頭的像差肯定比變焦鏡頭小,因為變焦鏡頭必須折中考慮,使在各 種不同焦距下的成像質量都相對較好,不允許出現某個焦距(在變焦范圍內)下很差的情況。因此,在機器視覺應用系統中,根據被測目標的狀態應優先選用定焦鏡 頭。此外,再綜合考慮圖像的放大倍率、視場大小、光圈大小、焦距、視角大小等因素進行具體選擇。 在煙草雜物剔除系統中,需要檢測的是從皮帶機輸出端以5m/s~7m/s平拋出的煙葉圖像,每個鏡頭的視場大小為700mm~1000mm。根據 鏡頭的選用原則,選擇了焦距為50mm、物距為1500mm、視場為1000mm,并能與lk~2k的線陣CCD攝像機配套使用的定焦鏡頭。

    光源

    在機器視覺應用系統中,好的光源與照明方案往往是整個系統成敗的關鍵,起著非常重要的作用,并不是簡單照亮物體而已。光源與照明方案的配合應盡可 能地突出物體特征量。在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間,應盡可能地產生明顯的區別,增加對比度。同時,還應保證足夠的整體亮度,物體位置的變化 不應該影響成像的質量。在機器視覺應用系統中,一般使用透射光和反射光。對于反射光情況應充分考慮光源和光學鏡頭的相對位置、物體表面的紋理、物體的幾何 形狀等要素。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發光的光譜特性等,同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。表1列出了幾種主要光源的 相關特性。 在煙草雜物剔除系統中,對煙葉和雜物的判別是基于特征信息(如顏色、紋理、形狀等)進行的。因此,要求光源的顯色性好,光譜范圍寬,能覆蓋可見光的整個范圍,且發光強度高,穩定時間長。綜合考慮這些因素,選用了線狀純白的LED光源來照明物料。

    攝像機和圖像采集卡

    攝像機和圖像采集卡共同完成對物料圖像的采集與數字化。高質量的圖像信息是系統正確判斷和決策的原始依據,是整個系統成功與否的又一關鍵所在。目 前,在機器視覺系統中,CCD攝像機以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等特點得到了廣泛使用。CCD攝像機按照其使用的CCD器件,可以分為線陣式和面陣 式兩大類。線陣CCD攝像機一次只能獲得圖像的一行信息,被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機前移過,才能獲得完整的圖像而面陣CCD攝像機則可以一次獲 得整幅圖像的信息。在煙草雜物剔除系統中,需要獲得的是以5m/s~7m/s速度從皮帶機輸出端平拋出的單層煙葉流的圖像,非常適合使用線陣攝像機。 目前的線陣CCD攝像機產品主要有兩大類:一類在同一時刻,R、G、B傳感器輸出的信息不是對應被攝物料的同一位置,而是3個不同的位置,即存在R、C、 B錯位的問題另一類采用了三棱鏡分光技術把物料上同一位置反射回來的光線的紅色分量送到R傳感器輸出,綠色分量送到G傳感器輸出,藍色分量送到B傳感器輸 出,即同一時刻R、G、B傳感器輸出的信息是被攝物料的同一位置的顏色信息。對于煙草雜物剔除系統,要求的檢測精度很高(為lmm),實時性很強(從檢測 到剔除的時間不大于30ms),所以選用了采用三棱鏡分光技術的分辨率為2k的線陣CCU攝像機。 在機器視覺系統中,圖像采集卡是控制攝像機拍照、完成圖像采集與數字化、協調整個系統的重要設備。它一般具有以下功能模塊:
    1.圖像信號的接收與A/D轉換模塊,負責圖像信號的放大與數字化
    2.攝像機控制輸人輸出接口,主要負責協調攝像機進行同步或實現異步重置拍照、定時拍照等
    3.總線接口,負責通過計算機內部總線高速輸出數字數據,一般是PCI接口,傳輸速率可高達130Mb/s,完全能勝任高精度圖像的實時傳輸,且占用較少的CPU時間
    4.顯示模塊,負責高質量的圖像實時顯示
    5.通訊接口,負責通訊。
    在煙草雜物剔除系統中,由于選用的攝像機輸出的是R、G、B數字化信號,且均為8bit,因此圖像采集卡選用了CORECO IMAGE公司的Viper一Digital。

    圖像信號處理卡

    圖像信號的處理是機器視覺系統的核心,它相當于人的大腦。如何對圖像進行處理和運算即算法都體現在這里,是開發中的重點和難點所在。隨著計算機技 術、微電子技術和大規模集成電路技術的快速發展,為了提高系統的實時性,對圖像處理的很多工作都必須借助硬件完成,如DSP、專用圖像信號處理卡等。軟件 則主要完成算法中不太成熟、尚需不斷探索和改變的部分。 對于煙草雜物剔除系統來說,系統是一個實時系統,所以其圖像處理系統當然應該是實時的。為了滿足實時性要求,采用了DSP技術、應用硬件 (FPGA)和軟件相結合的方法,來完成圖像處理的任務,即用識別定位軟件對送到DSP內存中的表征煙草或雜物特征信息的數據,一幀一幀地進行處理,區分 出哪些是雜物哪些是煙葉,并根據雜物的位置信息發出相應的剔除指令給剔除模塊的電磁閥,控制高壓空氣吹掉雜物。在處理的時間上必須要注意的是,為了滿足系 統對物料圖像連續無遺漏處理的實時性要求,必須使圖像的處理速度大于圖像采集的速度。

    執行機構

    對于一個系統而言,系統功能的最終實現是要靠執行機構來完成的,它是系統的最后一個也是最關鍵的環節。在煙草雜物剔除系統中,其執行機構就是把合 格煙葉和雜物分離開的氣動剔除系統。它包括高速電磁閥組和噴吹腔體。為了使整個系統的剔除率能達到較高的水平,除了采用簡單高效的算法,選用自主開發的專 用DSP芯片以外,氣動剔除系統的動態特性,特別是快速性和穩定性也十分重要,其中電磁閥的影響很大,其響應頻率應能達到500Hz左右。

    機器視覺技術的誕生和應用,極大地解放了人類勞動力,提高了生產自動化水平,改善了人類生活現狀,其應用前景極為廣闊。隨著煙草行業提質降耗工程 的全面實施,它也將越來越多地應用于煙草行業的質量檢測、監控和分揀,為提升我國煙草企業的國際競爭力做出更大的貢獻。

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