CN104597058B - 一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测装置和方法，通过旋转瓶体使瓶内液体高速旋转，通过急停使得其内的杂质在瓶内液体基本稳定的前提下仍然高速旋转，对该情况下的瓶内液体进行图像采集和处理分析，进行瓶内液体杂质的检测；通过设置工业摄像机的多个曝光参数，得到多种曝光时间下多幅图像，降低了瓶底折射和喷漆的不均匀导致瓶底对光源的吸收不均匀对图像质量的影响。本发明所述的装置和方法可以适应白酒的各种不透明瓶和刻花透明异型瓶的瓶内异物检测，具有检测灵敏度高、误检率低、检测速度快的优点，完全可替代目前的人眼检测，填补白酒自动检测行业的空白。
Description
技术领域
本发明涉及白酒瓶内异物自动检测技术领域，尤其涉及一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测装置和方法。
背景技术
目前，市场上的白酒瓶基本都是不透明瓶和透明异型瓶，不透明瓶主要有玻璃喷涂瓶和瓷瓶，透明异型瓶包括各种造型、有些还带有各种刻花的玻璃透明瓶。白酒采用这些造型各异的瓶型，优点是可以在瓶身做出各种效果图案，增加美学效果，提升白酒的档次，缺点是给白酒灌装后瓶内异物检测带来很大麻烦。白酒中的异物包括玻璃屑、胶塞屑、金属屑、色点、白块、纤维、毛发等微小不溶性异物，这些来源不同的不溶性异物对白酒的品牌质量至关重要，若是这些异物随着白酒出售到市场上，无疑会对酒的品牌和声誉有很大的负面影响。
目前各个酒厂普遍的做法是使用人眼检测。人眼检测的弊端首先是成本高，以一条配置6人检测的流水线为例，一年的人工成本和管理成本将近30万元；人眼检测另一个弊端是不可靠，特别是对于不透明瓶，人眼检测是通过瓶口向里面看是否有杂质，不透明瓶的透光性不好，瓶内光线昏暗，而瓶口又小，因此很难看到微小杂质，容易造成漏检，同时人眼检测受到人的主观情绪影响，进一步增加了人眼检测的不可靠性；人眼检测对人眼损伤也较大，由于需要注意力高度集中搜寻微小杂质，很容易使眼睛过度疲劳，损伤视力。
因此，迫切需要一种能自动检测白酒瓶内异物的装置，代替人眼检测。目前，只有啤酒行业和医药行业有瓶内异物检测技术和装置，但是啤酒瓶和医药瓶都是规则的透明瓶，这些技术无法应用到白酒瓶内异物检测。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测装置和方法装置和方法，解决了传统人眼检测成本高、不可靠等问题视觉装置、强光源，实现了快速、准确检测出瓶内微小杂质的目的。
本发明提出的一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测装置，包括视觉装置、强光源、酒瓶旋转装置、图像处理单元及支撑架，所述的视觉装置包括工业摄像机、内窥导光镜，所述的酒瓶旋转装置包括可旋转透明底盘、自动同轴压紧机构、电机和传动装置；
可旋转透明底盘用于放置酒瓶，自动同轴压紧机构设置于可旋转透明底盘正上方，电机的转轴通过传动装置与可旋转透明底盘相连接，在检测时使酒瓶通过压紧方式固定于可旋转透明底盘和自动同轴压紧机构之间，由电机带动可旋转透明底盘、酒瓶、自动同轴压紧机构做同步转动；
强光源设置于可旋转透明底盘下部；内窥导光镜与工业摄像机相连接，在检测时由酒瓶口探入酒瓶中进行图像采集；工业摄像机与图像处理单元通过信号线连接；
支撑架用于支撑可旋转透明底盘、自动同轴压紧机构、电机、工业摄像机。
为了进一步完善该装置，还包括具有送入和送出酒瓶的传送装置，用于将酒瓶传送至酒瓶旋转装置，待检测完成后将酒瓶传输出去。
所述的传送装置包括进瓶轨道、无杂质出瓶轨道、有杂质出瓶轨道、回转盘机构，其中回转盘机构的入口与进瓶轨道相连接，出口分别与无杂质出瓶轨道和有杂质出瓶轨道相连接，回转盘机构用于将进瓶轨道传送来的酒瓶放置于可旋转透明底盘并进行检测工作，无杂质出瓶轨道和有杂质出瓶轨道分别用于传送出所检测到的无杂质酒的酒瓶和有杂质酒的酒瓶。
强光源为多个LED光源均匀排布而成的面光源，并设置有用于光源散热的散热器。
自动同轴压紧机构设置有可上下和旋转运动渐缩口，渐缩口的旋转轴与可旋转透明底盘的轴线在同一条直线上，检测时渐缩口向下运动，通过渐缩口的斜面调整瓶体轴线与可旋转透明底盘的轴线处于同一条直线上，同时压紧瓶体。
所述的图像处理单元为基于FPGA和DSP的嵌入式图像处理平台。
本发明还提出了一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测方法，包括以下步骤：
步骤1：对装有白酒的酒瓶进行高速旋转，然后急停，使酒瓶内酒的旋转基本稳，酒内杂质以较快速度旋转；
步骤2：利用强光源从酒瓶底部照射，并将与工业摄像机相连接的内窥导光镜探入瓶口内进行图像采集；
步骤3：对采集到的图像进行相邻帧相减运算，得到一组差值图像；
步骤4：对差值图像进行形态学运算，去除噪声；
步骤5：进行自适应阈值化图像操作，得到目标图像；
步骤6：对目标进行跟踪，得到目标的运动轨迹，并估算目标的运动速度；
步骤7：根据目标杂质的运动速度和运动轨迹，估算出目标在相邻帧图像中移动的像素位置范围，并以此为标准来进行相邻帧间的目标匹配和跟踪，若是跟踪到连续的目标运动路径，则为真实的目标，表示瓶内有杂质，否则无杂质。
所述的图像采集方法为：通过设置工业摄像机的多个曝光参数，使工业摄像机曝光时间由小到大逐渐变化，得到多种曝光时间下多幅图像。
为了更得到更准确的检测结果，步骤2中的图像采集至少为两组，依次对各组图像进行步骤3至步骤7的操作，只要有一组检测到杂质则表示瓶内有杂质，若是所有组图像均没有检测到杂质，则表明瓶内无杂质。
本发明通过旋转瓶体使瓶内液体高速旋转，通过急停使得其内的杂质在瓶内液体基本稳定的前提下仍然高速旋转，对该情况下的瓶内液体进行图像采集和处理分析，从而实现了瓶内液体杂质的检测；通过设置工业摄像机的多个曝光参数，得到多种曝光时间下多幅图像，降低了瓶底折射和喷漆的不均匀导致瓶底对光源的吸收不均匀对图像质量的影响，提高了检测的准确度；采用回转式流水线结构，所有步骤都是瓶子在流水线上运动过程中完成的，系统只有回转运动，没有间歇往复运动，系统运行平稳，检测速度快。
附图说明
图1为本发明中系统整体结构示意图；
图2为本发明中工作站内部结构示意图；
图3为本发明中单个检测工位结构示意图；
图4为本发明所述检测方法的流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，该装置包括玻璃封闭的回转工作站1，装置的所有部件和控制系统都在此工作站内，通过支撑架固定各部件的位置，回转工作站1的入口与进瓶轨道2相连接，出口分别与无杂质出瓶轨道3和有杂质出瓶轨道4相连接，人机控制界面5设置于回转工作站1外部，酒瓶在回转工作站1内回转一圈即可完成被检测。
如图2所示，回转工作站1内部是一个回转盘机构，按照酒瓶进入回转盘后所经过的处理工序，分为高速旋转区、静止区、检测区和分拣区。酒瓶由进瓶机构送入回转工作站1中的回转平台的高速旋转区，在高速旋转区由电机和同步带轮带动透明底盘进行高速旋转和急停，随后进入静止区；在静止区内瓶内酒体旋转基本稳定，而杂质仍以较快速度旋转，随后进入检测区。在检测区使用机器视觉的方法对酒瓶进行检测，并将有、无杂质的检测结果传送给分拣机构控制单元，同时将酒瓶送入分拣区。分拣机构依据分拣机构控制单元的指令，通过出瓶机构和轨道将酒瓶送出回转工作站1。回转盘机构及相应传送酒瓶的导轨构成了回转式流水线结构，再检测过程中所有环节瓶子在流水线上没有静止环节，大大节省了批量检测的时间。
如图3所示，每个检测工位都有一套视觉装置、强光源、酒瓶旋转装置和图像处理单元。视觉装置由工业摄像机7、内窥导光镜8组成，强光源由LED强光源12、散热器14组成，LED强光源12由均匀排布的LED灯组成，散热器14用于LED强光源12散热，LED强光源12发出的光透过瓶体10和瓶内酒体及异物，被内窥导光镜8聚焦到工业摄像机7的感光面，形成瓶内酒体和异物图像。酒瓶旋转装置包括可旋转透明底盘11、自动同轴压紧机构9、电机15和传动装置13，自动同轴压紧机构9设置有可上下和旋转运动渐缩口，渐缩口的旋转轴与可旋转透明底盘11的轴线在同一条直线上，检测时渐缩口向下运动，通过渐缩口的斜面调整瓶体10轴线与可旋转透明底盘11的轴线处于同一条直线上，同时压紧瓶体，电机15通过传动装置13带动同轴压紧机构9的渐缩口、瓶体10和可旋转透明底盘11一起高速旋转或停止。图像处理单元为嵌入式处理平台16，是基于FPGA和DSP的嵌入式图像处理平台，图像处理的大部分算法在FPGA上硬件并行实现，这将大大节省计算时间，提高系统检测速度，而且图像处理均在本地即可完成，无需向上位机传送图像数据，简化控制系统。工业摄像机7为CCD相机。
本实施例所公开的一种基于视觉的白酒瓶内异物检测方法，包括以下步骤：
步骤1：对装有白酒的瓶体进行高速旋转，然后急停，使瓶体内白酒的旋转基本稳，白酒内杂质以较快速度旋转；
步骤2：利用强光源从酒瓶底部照射，并将与工业摄像机相连接的内窥导光镜探入瓶口内进行图像采集；
步骤3：对采集到的图像进行相邻帧相减运算，得到一组差值图像；
步骤4：对差值图像进行形态学运算，去除噪声；
步骤5：进行自适应阈值化图像操作，得到目标图像；
步骤6：对目标进行跟踪，得到目标的运动轨迹，并估算目标的运动速度；
步骤7：根据目标杂质的运动速度和运动轨迹，估算出目标在相邻帧图像中移动的像素位置范围，并以此为标准来进行相邻帧间的目标匹配和跟踪，若是跟踪到连续的目标运动路径，则为真实的目标，表示瓶内有杂质，否则无杂质。所述的图像采集方法为：通过设置工业摄像机的多个曝光参数，使工业摄像机曝光时间由小到大逐渐变化，得到多种曝光时间下多幅图像。
为了更得到更准确的检测结果，步骤2中的图像采集至少为两组，依次对各组图像进行步骤3至步骤7的操作，只要有一组检测到杂质则表示瓶内有杂质，若是所有组图像均没有检测到杂质，则表明瓶内无杂质。
在检测过程中，待检测瓶体10位于LED强光源12上方，导光内窥导光镜8头从瓶口伸入瓶内，强光源透过瓶底后，经过瓶底一次吸收变成强度适中的光源，再经过白酒内可见异物的遮挡、反射或折射，最终进入内窥导光镜8中。内窥导光镜8由一组柱状透镜组成，将瓶内的光直接引导至CCD镜头，并由CCD感光得到瓶内图像。在本技术方案中，光线需透过瓶底，经过瓶底漆层的吸收和瓶底玻璃的折射才能进入CCD相机中，由于瓶底折射和喷漆的不均匀导致瓶底对光源的吸收不均匀，很难调节一个合适的光源强度使得图像中所有区域亮度一致，这就导致图像某些区域非常亮，有过曝出现，而某些区域非常暗。在图像的过曝和欠曝区域，异物造成的光线变化非常不明显，很难检测出异物。为了解决这个问题，本方案采用多次曝光合成检测结果的方法，该方法的原理是：通过设置CCD相机多个曝光参数，使CCD相机曝光时间由小到大逐渐变化，得到多种曝光时间下多幅图像，虽然这些图像均有欠曝和过曝区域，但是每幅图像的正常曝光区域不尽相同，所有这些曝光正常的区域可组合成一副曝光正常的图像，同时对这些图像进行异物检测并合并检测结果，即可得到与一副正常曝光图像相同的检测效果。
由于白酒瓶壁一般都有喷漆或刻花，若使用静止的图像进行异物检测，就很难区分检测到的异物是瓶内杂质还是瓶壁上的喷漆或刻花图案，因此本发明采用旋转--急停的方法消除瓶壁和喷漆的影响，其原理是：首先将装有白酒的瓶体高速旋转，然后急停，此时瓶体停止了旋转，但是里面的白酒和杂质仍高速旋转，在静止一段时间后，液体酒的旋转基本趋于稳定，对光线的影响和静止时相差无几，但杂质仍以较高速度旋转，此时在每组曝光时间下拍取多幅图像，对每组图像检测运动目标，由于瓶体是静止的，因此由瓶体和喷漆导致的图像变化即可消除。
本实施例的有益效果如下：
1、可以适应白酒的所有瓶型，包括不透明瓶和玻璃刻花异型瓶，可准确检测瓶内是否有异物，完全可替代人眼检测。
2、可很好地区分瓶内杂质与瓶壁喷漆、刻花的区别，误检率小。
3、采用回转式流水线结构，所有步骤都是瓶子在流水线上运动过程中完成的，系统只有回转运动，没有间歇往复运动，系统运行平稳，检测速度快。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测装置，其特征在于，该检测装置包括视觉装置、强光源、酒瓶旋转装置、图像处理单元及支撑架，所述的视觉装置包括工业摄像机和内窥导光镜，所述的酒瓶旋转装置包括可旋转透明底盘、自动同轴压紧机构、电机和传动装置；
其中，可旋转透明底盘用于放置待检测的酒瓶，自动同轴压紧机构设置于所述可旋转透明底盘的正上方，电机的转轴通过传动装置与所述可旋转透明底盘相连接，在检测时使所述酒瓶通过压紧方式固定于所述可旋转透明底盘和所述自动同轴压紧机构之间，由电机带动可旋转透明底盘、酒瓶、自动同轴压紧机构做同步转动；
其中，所述强光源为多个LED光源均匀排布而成的面光源，该面光源设置于可旋转透明底盘的下部，并且
所述强光源还设置有用于对光源散热的散热器；
其中，内窥导光镜与工业摄像机相连接，在检测时由酒瓶口探入酒瓶中进行图像采集，并且
通过设置所述工业摄像机的多个曝光参数，使工业摄像机的曝光时间由小到大逐渐变化，进而得到多种曝光时间下的多幅图像；
其中，所述工业摄像机与图像处理单元通过信号线连接；
其中，支撑架用于支撑可旋转透明底盘、自动同轴压紧机构、电机、工业摄像机。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括具有传送酒瓶功能的传送装置，用于将酒瓶传送至酒瓶旋转装置，待检测完成后将酒瓶传输出去。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的传送装置包括进瓶轨道、无杂质出瓶轨道、有杂质出瓶轨道、回转盘机构，其中回转盘机构的入口与进瓶轨道相连接，回转盘机构的出口与无杂质出瓶轨道和有杂质出瓶轨道分别相连接，回转盘机构用于将进瓶轨道传送来的酒瓶放置于可旋转透明底盘并进行检测工作，无杂质出瓶轨道和有杂质出瓶轨道分别用于传送出所检测到的无杂质酒的酒瓶和有杂质酒的酒瓶。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，自动同轴压紧机构设置有可上下和旋转运动渐缩口，渐缩口的旋转轴与可旋转透明底盘的轴线在同一条直线上，检测时渐缩口向下运动，通过渐缩口的斜面调整瓶体轴线与可旋转透明底盘的轴线处于同一条直线上，同时压紧瓶体。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的图像处理单元为基于FPGA和DSP的嵌入式图像处理平台。
6.一种基于视觉的白酒瓶内异物自动检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对装有白酒的酒瓶进行高速旋转，然后急停，使酒瓶内酒的旋转基本稳定 ，酒内杂质以较快速度旋转；
步骤2：利用强光源从酒瓶底部照射，并将与工业摄像机相连接的内窥导光镜探入瓶口内进行图像采集，其中，所述的图像采集方法为：
通过设置工业摄像机的多个曝光参数，使工业摄像机曝光时间由小到大逐渐变化，得到多种曝光时间下多幅图像；
步骤3：对采集到的图像进行相邻帧相减运算，得到一组差值图像；
步骤4：对差值图像进行形态学运算，去除噪声；
步骤5：进行自适应阈值化图像操作，得到目标图像；
步骤6：对目标进行跟踪，得到目标的运动轨迹，并估算目标的运动速度；
步骤7：根据目标杂质的运动速度和运动轨迹，估算出目标在相邻帧图像中移动的像素位置范围，并以此为标准来进行相邻帧间的目标匹配和跟踪，若是跟踪到连续的目标运动路径，则为真实的目标，表示瓶内有杂质，否则无杂质。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤2中的图像采集至少为两组，依次对各组图像进行步骤3至步骤7的操作，只要有一组检测到杂质则表示瓶内有杂质，若是所有组图像均没有检测到杂质，则表明瓶内无杂质。
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