当前位置: 首页 > 技术资讯

啤酒瓶视觉检测系统的总体方案

发布日期:2016/5/13 12:00:49

啤酒空瓶自动检测主要完成瓶口、瓶底、瓶壁及瓶内残留液等几个检测项目。空瓶自动检测主要有实时性要求高、检测项目多等几个难点,系统设计应满足的技术要求:1)实时性要求,系统必须达到一定的检测速度;2)参数设定要求,可根据不同类型的瓶子设定不同的参数,可设定检测指标的精确度等;3)I/O扩展要求,通过扩展的I/O,检测各种传感信号和控制执行结构;4)数据的记录与统计要求。
根据以上的技术要求,系统设计时遵循以下几个原则:

•完整性原则:最大限度的满足工业生产过程的检测要求.
•可靠性原则:整个检测系统必须运行稳定可靠.
•经济型原则:系统简单实用,成本低.
•发展性原则:考虑生产发展和工艺改进的需要,系统易于改进升级.

3.1 系统的总体结构设计
    结合啤酒生产的实际,广州汇道电气机械有限公司设计了以工控机为中心处理单元,以多个可重构图像处理器作为检测单元,以PLC作为现场控制单元的啤酒空瓶视觉检测系统。系统的总体结构可以分成三个部分:成像单元、图像采集与处理单元、监控管理单元,主要由LED光源、CCD图像传感器、光电感应开关、可重构图像处理器、结果输出,以及控制单元、传送装置、机械定位装置、执行装置等几部分构成。整个啤酒瓶视觉检测系统的结构以及信号流程如图3-1所示:



    成像单元主要是利用CCD图像传感器、LED光源、光电感应开关等设备摄取现场图像信息,并将其转化为模拟视频信号。图像采集与处理单元可以分为图像采集和图像处理两个部分,图像采集部分负责接收原始的视频图像数据并对其进行一定的预处理;图像处理系统将图像采集系统预处理后的数据进行运算,得出处理结果,并将结果传送至监控管理单元。监控管理单元由工控机、触摸屏(或操作面板)和PLC构成,主要完成系统参数设定(通过触摸屏或操作面板在线参数修改、功能设定等),检测计算结果获取、分析统计,以及现场设备(传送带、机械定位装置、次瓶剔除装置等)的控制。空瓶有多个检测项目,为满足系统实时性与准确性的需要,每个项目对应一个检测单元,各检测单元在监控管理单元的协调下并行工作,独立完成各自的检测任务。

1、光电开关触发CCD采样信号
2、CCD将采集到的数据传输到图像处理单元
3、图像处理单元将处理结果传递给监控管理计算机及控制器PLC
4、以PC机为检测系统的操作站,提供了基于WINDOWS操作系统、简单易操作的图形界面;通过USB接口向图像处理单元下载配置参数和读取图像数据,并且加以显示。
5、PLC根据监控管理计算机的参数和图像处理结果产生控制信息,根据内部的计数器定位不合格瓶的位置,并触发执行机构。
6、通过变频电机等传动装置,调节系统内啤酒瓶的传送速度和啤酒瓶间距,并分离不合格的啤酒瓶。



1)瓶底检测:检测瓶底是否有污物或破裂。LED光源从空瓶的正下方向上照射,光线透射至CCD图像传感器,通过瓶口将瓶底的图像采集进来。因此需要通过侧夹式的机械定位装置将空瓶悬空通过瓶底摄像装置。

2)瓶壁检测:LED光源从空瓶的侧面水平照射,高分辨率的CCD图像传感器通过一套附加的光学系统采集瓶壁的图像信号,瓶子在传送过程中,不断旋转保证每个面都能被检测到。

3)瓶内残留液检测:LED光源安装方式同上,CCD图像传感器通过一套附加的光学系统采集瓶子外形的图像信号,与瓶壁检测不同的是无需从多个角度进行检测。

4)LED光源具有自动电子曝光控制。安装在侧面的光电感应开关,作为采样触发信号,会在空瓶位于最佳摄像位置时发送信号给控制单元和图像采集与处理单元,以实现光源的曝光控制和对空瓶进行精确定位,保证采集的图像质量稳定。采集到的图像的清晰度在很大程度上取决于光源的好坏,为保证对各种不同透明或半透明的空瓶都能产生同一亮度和稳定的图像质量,LED光源的设计也不可忽视。应选择较好光源,并且尽量使整个摄像系统免受自然光或现场照明灯光的影响,保证采集的图像质量稳定。

3.2 实时图像处理器的性能指标及设计准则
3.2.1性能指标
    在工业视觉检测中,分辨率是一项重要指标,被测物体的大小和精度差别对视觉系统的分辨率都有不同的要求。在空间方面,必须保证获取图像空间的分辨率足以表征被测物体的最小缺陷尺寸,在灰度方面,光源必须有足够的照度,摄像机必须有足够的灵敏度和动态范田。图像的处理能力和速度是工业视觉系统的另一个重要指标,在典型的工业视觉系统中,图像处理应当完成如下任务:抑制无用信号,增强有用信号;检测特征的尺寸,位置和形状;识别特征表征的物体、标号或缺陷等;确定位置、方向并决策。图像处理算法包括滤波、边缘检测、阀值分割、形态学算法等。这些算法可以提高图像质量、增强或从背景中分离图像特征,把一副输入图像转变为带有所要检测的特征的图像。完成上述任务需要相当大的计算量,单靠高性能通用计算机是无法完成的,需要专用的实时图像处理系统与之相配合。本系统中,检测精度要求达到可检的异物或瑕疵的最小面积为lmmz,速度要求达到每秒检测7~巧个啤酒瓶。检测的任务包括瓶口、瓶底、瓶壁是否有异物或破损,瓶内是否有残留液,每检测一个啤酒瓶都要完成大量数据的采集和复杂的图像处理算法,同时还要将检测结果实时输出以控制现场执行装置,实时性问题成为一个主要瓶颈。

3.2.2设计准则
    在许多工业视觉检测场合,仅仅依靠软件实现通常难以达到实时性的要求,这就学要采用硬件工具来实现部分图像处理算法。ASIC、DSP、FPGA以及专用处理器可以用来解决图像处理速度的问题。在它们中间选择时必须考虑芯片的大小、功耗等性能参数。开发过程的简单性、使用的灵活性以及编程环境友好等因素对开发者来说也是非常重要的因素。图像处理算法一般的实现方法有以下几种:

1)、在通用的计算机(PC)上,所有的图像处理均用软件来实现。
    用软件进行处理的最大缺点是速度慢,在许多实时系统中,软件处理的速度跟不上实时的需要。此方式一般可用于DSP算法的模拟。

2)、在通用的计算机系统中加上专用的加速处理机实现。
    在这种系统中,一些计算量大的处理环节采用专用插件,而其余的仍由计算机软件完成,专用性强,不便于系统的独立运行。

3)、平行处理机
    计算机系统由能平行工作的多个处理机组成,这些处理机按照一定的阵列形式对图像的各部分同时处理操作,相当于把图像数据划分成许多块同时处理,由于每个处理机有较高的处理速度,对于小块图像可以在极短的时间内完成,从而总体上保证高速实时的处理。当然许多图像处理算法并不是可简单的划分成小块分而治之,还需要算法设计者开发适应于平行处理的算法。阵列机的处理单元大概从几十个CPU到几百万个CPU,价格比较昂贵。

4)、用通用的可编程DSP芯片实现
    与单片机相比,DSP芯片具有更加适合于图像处理的软件和硬件资源,可用于复杂的图像处理算法。DSP为图像处理的应用打开了新的局面,DSP实现图像处理算法已经在实时性要求很高的工业视觉领域得到广泛的应用。DSP系统的特点:

•接口方便DSP系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的,与这样的系统接口以实现某种功能比模拟系统与这些系统接口要容易的多。
•编程方便DSP系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活
方便的对软件进行修改和升级。
•稳定性好、精度高DSP系统以数字处理为基础,受环境温度以及噪声的影响较小,可靠性高。
•可重复性好模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大,而数字系统基本不受影响,因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。
•集成方便DSP系统中的数字部件有高度的规范性,便于大规模集成。

5)用专用的DSP芯片实现
    在一些特殊的场合,要求的信号处理速度极高,用通用DSP芯片很难实现,例如专用于FFT、数字滤波、卷积、相关等算法的DSP芯片,这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现,无需进行编程。采用专用芯片已经实现的图像处理有几种方式,第一就是用ASIC设计一个专用的电路。随着图像处理算法变得日益复杂,以后的ASIC设计将会用到越来越多的IP核,因为这些单元己经用各种各样的技术固化,所以开发周期会大大缩短。ASIC设计即是集成IP核,并设计他们之间的接口逻辑。
ASIC方式的主要缺点就是电路只适用于某一种应用场合。可重构性是解决ASIC应用局限性的途径。FPGA是80年代末期才迅猛发展起来的,是比PLD(Progr~ableLogicDevice)更先进、更高级的产品。FPGA在功能和容量上都超过了ASIC,与ASIC相比最主要的一个优势是FPGA是可编程的。复杂的FPGA能够设计可重构系统,高效实现实时图像处理算法。基于FPGA的图像处理器几乎可以取代DSP系统。
最新的FPGA内部带有AR劝处理器或有带RAM和并口的PowerPC核。这些特征允许设计者使用同一组件设计单片可重构的软硬件解决方案,FPGA在应用领域改变或设计出现错误时可以重复使用。本系统中采用FPGA与DSP相结合的方式实现实时图像处理。充分利用以上所提到的二者在图像处理方面的优势,达到了可靠性、准确性、经济性和发展性的标准。

3.3 基于FPGA和DSP的图像处理器的总体设计
    在高速数据采集系统中,通常采用单片机或DSP来控制ADC、存储器和其它外围电路的工作。但是,单片机时钟频率较低,难以适应高速数据采集系统的要求,而DSP虽然可以实现较高速的数据采集,但速度提高的同时也提高了系统的成本。单片机擅长响应频繁的外部中断,DSP擅长于处理密集的乘加运算,而数据采集系统所要求的是高速进行的简单读写操作。在高速数据采集方面,FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势,FPGA时钟频率高,内部时延小。全部控制逻辑由硬件实现,速度快、效率高、组成形式灵活。因此用大容量FPGA来
实现视频图像数据的采集。 
    已有的视觉检测系统大多采用CCD摄像机+图像采集卡+计算机的结构,图像信息经由图像采集卡传送给计算机,所有的计算均在计算机上完成。尽管现在计算机技术已经有了很大的发展,但是其处理速度仍无法满足大量视频图像的处理要求。采用高速DSP技术实现复杂的图像处理已经得到了广泛的应用,因此考虑用DSP作为图像处理器来代替传统的PC机,完成复杂的图像处理算法。
    FPGA实现简单高速的图像采集和滤波等图像预处理,而DSP实现图像识别尊处理算法,采用FPGA十DSP这种结构组成的图像处理器,把FPGA和DSP有机的结合起来,充分利用它们的优点,基于此设计思想开发的实时图像处理器,既能实现高频图像信号的精确采集,又能保证运算处理的实时性与准确性,并且系统稳定可靠。达到了智能化高精度的在线实时检测的目的。
    在实时检测过程中,各检测单元需将检测结果等相关数据上传给监控管理单元,检测结果为空瓶是否合格,数据量不大。在检测单元的调试过程中,需将采集的数据同时上传,此时数据量虽然很大,但实时性要求不高。所以我们采用USB总线方式进行通信。
    根据上述分析,针对空瓶检测的特点和要求,设计的基于DSP和USB接口的嵌入式图像处理器,主要包括以下儿个部分:视频解码、图像采集控制、数据传输控制、DSP及其外围器件、USB主机接口等。结构如图3一3所示。
    视频解码完成CCD传送的视频信号的A/D转换及同步信号提取。DSP运行速度高,而且还要完成数据处理、主机通信等任务,为减少OSp的等待时间,在与视频解码芯片之间需要加数据缓冲器,使相对低速的数据采集和高速的DSP器件匹配。可以采用DPRAM或FIFO,本系统中采用高速同步FIFO来实现。视频解码芯片及F工FO器件的控制由FPGA来实现,而FPGA的控制参数由DSP提供。
    DSP采用哈佛结构,比传统的冯•诺依曼结构具有更高的指令速度,并行流水技术,片内外两级存储结构、独立的加法器和乘法器,大大提高了运行速度。它是系统的核心,接收主机的指令,读取F工尸O传送的图像数据,存储并运算,然后将处理结果通过主机接口发送回主机。采用DSP做运算处理,必将使图像处理能力大大提高。



3.4 系统的工作流程
    啤酒瓶视觉检测,首先是利用CCD摄像机和高速的视频解码芯片进行数据采集,然后是利用高速芯片对所采集的图像数据进行分析处理,最后将实时检测结果发送到主机及生产线控制系统。系统的工作过程可以分为三个步骤,首先是接收现场传送过来的图像采集触发指令,然后在Fl>GA的控制下完成一幅完整图像的采集,并通过F工I:0传送至DSP。第二步是图像处理,在处理器中完成滤波、边缘提取、图像识别等各种检测任务。最后是输出检测结果,然后回到第一步,如此循环。视觉检测的工作流程如图3-5所示:


    通过光电感应开关等器件可以探测被测物体的位置,当被测物体处于最佳摄像位置时产生一触发信号,通过扩展工/0发送到图像处理器,图像处理器接收到触发信号,开始一幅图像的采集。图像处理包括图像预处理和图像识别,图像预处理,主要是滤波,作用是滤除采集过程中由于光源等的影响而产生的噪声,使图像的背景变的均匀,同时异物瑕疵等需要检测的指标要保持原有特征,此过程可以由FPGA来完成,也可由DSP来完成。图像识别的过程,先对图像进行边缘检测和二值化,得到图像的边缘数据,然后统计各个边缘的面积和周长,根据检测闽值判断该被测物体是否合格,此过程由DSP完成。最后将检测结果通过USB接口发送到监控管理单元,并控制相应执行结构。

3.5 结语 
    以上为啤酒空瓶视觉检测系统的总体设计方案,包括系统的总体结构、各检测项目的成像单元的设计等。同时广州汇道结合当前电子技术和图像处理技术的最新发展,运用了啤酒空瓶视觉检测的图像处理器的性能指标及设计准则,并针对系统实时性与准确性的要求,设计了FPGA+DSP混合结构的可重构图像处理器,既具有制造完成后的可编程性,软件易于修改,又能提供较高的计算性能。






热点聚焦