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1  引言

    機器視覺就是用攝像機代替人眼，用計算機代替人的大腦。機器視覺用于印刷，包裝質(zhì)量檢測的工作原理就是用攝像機拍攝、采集印品的圖像，在計算機中與該印品標準圖像（模板）比較，如果發(fā)現(xiàn)差異并超出設定的公差范圍，即判定為不合格產(chǎn)品。然而這在實際的機器視覺系統(tǒng)應用中可能要更復雜。

2  系統(tǒng)配置及理論原理

    通常的視覺檢測系統(tǒng)，由照明光源、光學鏡頭、攝像機、圖像信號的處理和執(zhí)行機構組成。好的照明光源及照明系統(tǒng)是整個系統(tǒng)成敗的關鍵之一，起著非常重要的作用，它并不是簡單的照亮物體而已。

    首先照明光源要能夠真實地再現(xiàn)印品的色彩，不能夠造成顏色的失真，這就要求光源的發(fā)光光譜接近日光，同時應保證有足夠的亮度并在整個照明區(qū)域內(nèi)亮度均勻；其次是光源和照明系統(tǒng)的設計要避免印品上的一些高反射率的特殊區(qū)域，如：燙金、激光防偽標志等使采集的圖像溢出，造成檢測精度降低或根本無法檢測；最后，在某些應用場合，還要考慮光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，增加對比度?？傊谶x擇光源和設計照明系統(tǒng)時，要根據(jù)印品的具體情況，確定光源所需的幾何形狀。照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，當然同時還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。

    光學鏡頭相當于人眼的晶狀體。光學鏡頭的品質(zhì)會影響視覺系統(tǒng)分辨物體的能力，影響圖像的對比度以及清晰成像的范圍（景深）。而這些特性的優(yōu)劣受鏡頭本身像差的限制，鏡頭對像差校正的優(yōu)良與否，決定了鏡頭的成像品質(zhì)。常見的像差有球差、彗差、像散、場曲、畸變、色差等六種。
 

                                   圖1   機器視覺檢測過程圖

    鏡頭通過的是被拍攝物體的光學信息，而在計算機中處理的是被拍攝物體的電信息，攝像機的作用就是完成光學信息到電信息的轉換。在攝像機中，關鍵的器件是被稱為視覺傳感器的芯片。在芯片上整齊的排列著象小水池一樣的單元（像素），但它們盛的不是水，而是電荷。攜帶被拍攝物體光學信息的光線通過鏡頭到達芯片的表面，光信息變成電荷信號（曝光），光強的地方電荷多，光弱的地方電荷少，對應著印品上不同區(qū)域的明暗程度；不同的顏色分解為紅、綠、蘭三種基色，存放在不同的像素中。曝光產(chǎn)生的電荷，按規(guī)定好的順序（掃描方式）依次將電荷讀出，經(jīng)過放大和其它處理，最后從攝像機輸出。這就是攝像機的工作原理。

    高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)。從攝像機的應用原理，筆者能夠簡單地概括出對其性能的要求。第一，要有足夠的動態(tài)范圍，印品上很亮和很暗的部分都能夠準確地反映；第二，要有足夠的分辨率（足夠多的像素數(shù)），印品上的微小細節(jié)都能夠清晰地體現(xiàn)；第三，要能夠真實地再現(xiàn)印品的色彩；第四，攝像機的讀出（行頻或幀率）的速度要與印品的速度匹配，保證足夠的精度和100％的采集。當然，攝像機還有其它的性能指標，這里不再一一列舉。

    印品檢測使用的攝像機根據(jù)實際情況的不同分為二大類，線陣攝像機和面陣攝像機。線陣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宣線形式從攝像機前通過，才能獲得完整的圖像，因此非常適合對以一定速度勻速運動的物體（印品）的圖像檢測。而面陣攝像機則可以一次獲得整幅圖像的信息，像我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)碼相機。

    圖像信號的處理是機器視覺系統(tǒng)的核心，它相當于人的大腦。如何對圖像進行處理和運算，是機器視覺系統(tǒng)開發(fā)中的重點和難點所在。“與模板相比，找出差異”，機器視覺的工作原理說起來比較簡單，但真正實現(xiàn)上卻很復雜。整個圖像信號的處理通常包括：

    （1）預處理；

    （2）特征的提取與識別；

    （3）測量。

    高速運動的印品通過攝像機時，與模板圖像相比，往往會產(chǎn)生位置的移動、旋轉。有時甚至有飄動，使采集的圖像發(fā)生變形失真；光源的不穩(wěn)定和外界環(huán)境的影響，使采集的圖像亮度不均勻。顏色發(fā)生變化；其它外部設備、供電電源和采集設備本身也會引入一定的干擾和噪聲。為此，在安裝視覺系統(tǒng)的過程中，一方面要消除這些不利的因素，另一方面還要通過圖像預處理排除和淡化它們的影響。

    綜上所述，機器視覺是光、機、電、計算機相結合的技術，極適用于大批量生產(chǎn)過程中的重復性的測量、檢查和辨識。視覺質(zhì)量檢測在印刷包裝行業(yè)中的應用可以在印前、印刷過程中和印后，但目前多數(shù)應用集中在印后質(zhì)量檢查。中國有幾萬家印刷企業(yè)，真正使用檢測系統(tǒng)的很少，除印鈔、票證等特殊行業(yè)外，主要集中在食品和藥品等包裝行業(yè)，食藥品包裝行業(yè)對印刷要求較高，對質(zhì)量和色彩的要求比較特殊。

3  邦納機器視覺在印包行業(yè)及食品行業(yè)的應用

    眾所周知，食藥品關系到人類的生命健康，如果因為藥品的質(zhì)量問題而對人的生命造成威脅，這將是一個大的災難。因而各藥品生產(chǎn)廠家，尤其是世界知名大廠對藥品的整個生產(chǎn)過程甚至后段的包裝都給與了非常大的重視。

    美國邦納工程國際有限公司（以下簡稱邦納）在全球范圍內(nèi)與許多世界知名藥廠和食品包裝廠商都有著良好的合作，無論是藥品的泡罩包裝、液體灌裝，還是后段的壓蓋、貼標、噴碼，以及最后的裝盒檢測，邦納公司都可以提供完整的解決方案。

    邦納公司的視覺產(chǎn)品包括分體式的P3系列相機，一體式的P4系列相機，及最近推出的P5 iVu系列圖像傳感器。傳統(tǒng)的視覺相機體型較大，更改程序操作時需要電腦進行設定。針對中國的視覺相機市場需求，邦納開發(fā)了全新的操作方便、不需要PC進行設定的圖像傳感器—P5 iVu。集成光源和鏡頭，自帶觸摸屏，不需要PC即可完成程序設定，完全擺脫了電腦的束縛，36萬像素分辨率可滿足多數(shù)的檢測應用，其精小的體型、強大的功能、獨特的外觀尤其適用于普通光電傳感器不能解決問題的場合。

    下面僅就邦納公司的iVu系列視覺傳感器在食品液體灌裝檢測和瓶裝藥品的貼標及噴碼檢測做簡單介紹，希望對大家能有所幫助。

4  典型應用

 視覺應用一：藥粒泡罩檢測

    由于醫(yī)藥行業(yè)的嚴格規(guī)范，對制藥包裝的質(zhì)量也越來越苛刻，當藥粒被包裝進泡罩后，生產(chǎn)商必須保證所有泡罩內(nèi)的藥粒都是完好無損的。

 

                                        圖2   藥粒泡罩檢測

    邦納的視覺產(chǎn)品解決方案可以快速、準確地檢測到藥粒是否完好無損，通過設定iVu圖像傳感器的Area工具來檢測，該工具通過預先設定的面積參數(shù)對每個泡罩內(nèi)的藥粒進行檢測比對，這樣破損的藥粒將被檢測出來，正確的藥粒正常通過。

視覺應用二：瓶塞檢測

    制藥行業(yè)中藥瓶的灌裝通常是在高速的情況下進行的，當藥品灌裝結束后必須馬上將瓶塞準確的蓋上。而瓶塞必須進入到瓶頸的正確位置后才能保證合格的密封，此環(huán)節(jié)相中的重要，直接影響到藥瓶的質(zhì)量和藥品的安全。
 

                                         圖3   瓶塞檢測

    為了保證每個藥瓶在灌裝結束后瓶塞能夠準確的蓋上，通過設定iVu圖像傳感器的Area+Motion工具進行檢測，瓶塞必須進入到瓶頸的正確位置后才能保證合格的密封，因此圖像傳感器通過檢測每個瓶塞在瓶頸的位置是否達到要求，如果達不到要求則給生產(chǎn)線發(fā)出FAIL信號，將該產(chǎn)品剔除。通過邦納機器視覺iVu系統(tǒng)，可以將達不到要求的產(chǎn)品一一“挑揀”出來。

視覺應用三：包裝盒內(nèi)物體檢測

    制藥行業(yè)中藥品最終都需要進行盒裝，每一個包裝盒內(nèi)都必須附帶有該藥品的說明書。通過機器視覺系統(tǒng)，可以檢測包裝盒內(nèi)說明書是否遺漏。
 

                                     圖4   包裝盒內(nèi)物體檢測

    在包裝線的上方安裝iVu圖像傳感器來確保每個包裝盒內(nèi)都附帶有說明書，通過設定Match工具來進行檢測，Match工具可以360度范圍對被測物進行查找，因此藥盒內(nèi)說明書的擺放可以是任意角度的，但表面必須朝上。當檢測到藥盒內(nèi)沒有說明書時，傳感器會給生產(chǎn)線發(fā)出FAIL信號，從而將該藥盒剔除。

視覺應用四：包裝盒內(nèi)物體檢測

大多數(shù)食品飲料在生產(chǎn)過程中要求在包裝上必須有日期/標簽的噴碼信息，這就需要一個經(jīng)濟有效的方法來確保噴碼信息是否存在。邦納的iVu機器視覺系統(tǒng)有效的精確檢測到噴碼信息是否存在。
 

                                 圖5   日期/標簽的噴碼檢測

    通過設定iVu圖像傳感器的Match工具來檢測每個包裝上是否有噴碼信息，首先抓取一個標準噴碼圖像作為模版，檢測過程中將每個包裝盒的表面與模版進行對比，當發(fā)現(xiàn)包裝盒表面沒有噴碼信息時，給生產(chǎn)線發(fā)出FAIL信號，將該產(chǎn)品剔除。 

5  結束語

    以上介紹了幾個在食品和藥品生產(chǎn)中典型機器視覺檢測應用，推廣機器視覺檢測，首先要使食藥品企業(yè)更多的了解機器視覺。裝在哪里、怎么安裝、如何達到最好效果、能帶來什么具體效益，這一切都需要不斷地普及和宣傳。印刷包裝行業(yè)的從業(yè)者要提出自己的具體需求，學習和掌握機器視覺檢測的概念和操作；機器視覺行業(yè)的從業(yè)者要了解印刷的工藝，生產(chǎn)流程，操作方式和質(zhì)量標準，只有兩者的緊密結合，才能有真正符合中國國情的自動化視覺檢測系統(tǒng)，才能達到提高質(zhì)量、提高效率、降低成本的目的。

    作為世界范圍內(nèi)傳感器知名品牌，邦納公司了解客戶的需求， 從單一的視覺檢測到視覺系統(tǒng)集成，邦納公司均可提供完整的視覺檢測方案。“讓視覺簡單化”是邦納公司一直倡導并不斷追求的設計理念，因為我們深知無論什么產(chǎn)品最終都要服務于用戶，所以如何讓用戶使用產(chǎn)品時感覺簡單方便，容易上手這是我們在設計產(chǎn)品時要考慮的一個重要因素。視覺檢測方案主要包括兩個方面：硬件—相機、控制器、光源及支架；軟件—控制系統(tǒng)、圖形用戶界面（GUI）和圖像分析算法。邦納為全世界食品及藥品制造企業(yè)提供所有這些視覺檢測成功的解決方案和技術支持。