CN105136817A - 一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法，该方法包括：1)提供一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置，所述识别装置包括可见光数据采集设备、缺陷检测设备和AT89C51单片机，所述可见光数据采集设备用于对每颗胶囊进行可见光图像采集，所述缺陷检测设备与所述可见光数据采集设备连接，用于基于采集的可见光图像提取对应的胶囊的缺陷信息，所述AT89C51单片机与所述缺陷检测设备连接，用于基于所述缺陷信息确定对应的胶囊是否为缺陷胶囊；2)使用所述识别装置来进行识别。通过本发明，能够采用可见光检测方式对待检验胶囊进行检测，并采用了自适应背景分割阈值的选择模式，提高了胶囊检测的精度。

Description

一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法

技术领域

本发明涉及产品检测领域，尤其涉及一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法。

背景技术

空闲胶囊是药品的主要封装方式之一，对于胶囊来说，其质量直接影响其封装的药品质量。为了提高药品质量，在胶囊生产过程中对胶囊的缺陷检测非常重要。

然而，现有技术中，胶囊缺陷的检验方式存在以下缺陷：(1)人工检测的方式效率低，易漏检；(2)机械检测的方式一般采用图像识别的方式，然而其胶囊分割所用的阈值选择困难，缺乏有效的胶囊缺陷检测机制。

为此，本发明提出了一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法，选择使用机械检测的方式，能够改良现有的机械检测方案，提高胶囊图像分割和胶囊缺陷检测的精度，从而为胶囊厂家的后续生产提供重要的参考数据。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法，采用可见光检测的方式，通过自适应分割阈值的选择模式，提高胶囊图像分割的准确性，同时，采用计算缺陷图像中像素值非零的像素的数量来确定胶囊是否存在缺陷，保证了胶囊缺陷分析的可靠性。

根据本发明的一方面，提供了一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法，该方法包括：1)提供一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置，所述识别装置包括可见光数据采集设备、缺陷检测设备和AT89C51单片机，所述可见光数据采集设备用于对每颗胶囊进行可见光图像采集，所述缺陷检测设备与所述可见光数据采集设备连接，用于基于采集的可见光图像提取对应的胶囊的缺陷信息，所述AT89C51单片机与所述缺陷检测设备连接，用于基于所述缺陷信息确定对应的胶囊是否为缺陷胶囊；2)使用所述识别装置来进行识别。

更具体地，在所述基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置中，还包括：无线通信接口，用于接收远端的胶囊检测服务器发送的控制指令，还与所述AT89C51单片机连接，用于将所述AT89C51单片机发送的缺陷过多信号转发到远端的胶囊检测服务器；胶囊传输机构，包括传输带和两个传输滚轴，所述两个传输滚轴带动所述传输带逐个传输各颗胶囊；SDRAM存储器，用于预先存储胶囊灰度阈值范围，所述胶囊灰度阈值范围中的所有缺陷灰度阈值都取值在0-255之间，所述SDRAM存储器还用于预先存储预设像素数量阈值和预设数量阈值；所述可见光数据采集设备设置在胶囊传输机构前部上方，包括彩色相机和可见光光源，可见光光源用于对胶囊传输机构上的每颗胶囊进行可见光透射，彩色相机对可见光透射的胶囊进行成像以获得可见光图像；所述缺陷检测设备与所述彩色相机和所述SDRAM存储器分别连接，用于接收所述可见光图像；所述缺陷检测设备包括中值滤波子设备、对比度增强子设备、灰度化处理子设备、阈值选择子设备、目标分割子设备和特征提取子设备；所述中值滤波子设备与所述彩色相机连接，用于对所述可见光图像执行3×3像素滤波窗口的中值滤波处理，以获得滤波图像；所述对比度增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对滤波图像执行对比度增强处理，以获得增强图像；所述灰度化处理子设备与所述对比度增强子设备连接，用于对所述增强图像执行灰度化处理，以获得灰度化图像；所述阈值选择子设备与所述SDRAM存储器和所述灰度化处理子设备分别连接，用于依次从胶囊灰度阈值范围中选择一个值作为预选灰度阈值，采用预选灰度阈值将灰度化图像划分为预选背景区域和预选目标区域，计算预选背景区域占据灰度化图像的面积比例作为第一面积比，计算预选背景区域的像素平均灰度值作为第一平均灰度值，计算预选目标区域占据灰度化图像的面积比例作为第二面积比，计算预选目标区域的像素平均灰度值作为第二平均灰度值，将第一平均灰度值减去灰度化图像的总平均灰度值，获得的差的平方乘以第一面积比以获得第一乘积，将第二平均灰度值减去灰度化图像的总平均灰度值，获得的差的平方乘以第二面积比以获得第二乘积，将第一乘积和第二乘积相加以获得和值，选择和值最大的预选灰度阈值作为目标灰度阈值；所述目标分割子设备与所述阈值选择子设备连接，用于采用目标灰度阈值将灰度化图像划分为背景图像和目标图像；所述特征提取子设备与所述目标分割子设备连接，基于所述目标图像提取其中的缺陷子图像；所述AT89C51单片机与所述SDRAM存储器和所述缺陷检测设备分别连接，以接收所述缺陷子图像和所述预设像素数量阈值，计算所述缺陷子图像中像素值非零的像素的数量，当非零的像素的数量大于等于所述预设像素数量阈值时，发出存在缺陷信号，否则，发出不存在缺陷信号；剔除机构，与所述AT89C51单片机连接，包括电磁阀和执行设备，所述电磁阀和所述执行设备都设置在所述可见光数据采集设备之后，所述电磁阀在接收到所述AT89C51单片机发送的存在缺陷信号时，驱动所述执行设备剔除缺陷胶囊；计数器，与所述AT89C51单片机连接，在接收到所述AT89C51单片机发送的存在缺陷信号时，计数器的计数值加1；声光报警设备，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述AT89C51单片机发送的缺陷过多信号时，进行相应的声光报警操作；显示设备，与所述AT89C51单片机连接，用于接收并显示所述AT89C51单片机发送的计数器的计数值和缺陷过多信号，还用于接收所述剔除机构所确定的所述执行设备的剔除次数；其中，所述AT89C51单片机在所述计数器的计数值大于等于所述预设数量阈值时，发出缺陷过多信号，在所述计数器的计数值小于所述预设数量阈值时，发出缺陷可容忍信号；所述中值滤波子设备、所述对比度增强子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述目标分割子设备和所述特征提取子设备分别采用不同的FPGA芯片来实现。

更具体地，在所述基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置中：替换地，将所述中值滤波子设备、所述对比度增强子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述目标分割子设备和所述特征提取子设备集成到一块FPGA芯片中以实现。

更具体地，在所述基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置中，所述识别装置还包括：供电设备，包括太阳能供电器件、市电接口、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述市电接口分别连接，根据市电接口处的市电电压大小决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

更具体地，在所述基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置中：所述供电设备与所述AT89C51单片机连接，以在所述AT89C51单片机的控制下为所述识别装置提供省电模式和正常用电模式两种工作方式。

更具体地，在所述基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置中：将所述计数器内置于所述AT89C51单片机中。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置的结构方框图。

附图标记：1可见光数据采集设备；2缺陷检测设备；3AT89C51单片机

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置的实施方案进行详细说明。

胶囊主要用于封装药品，成品胶囊如果存在缺陷，对封装后的药品质量造成一定的影响，例如，药品药量不足或者药品药物泄漏等。因此，为了提高药品质量，在胶囊生产过程中对胶囊的缺陷检测非常重要。

目前的胶囊检测一般采用图像分析的手段，首先将胶囊从背景处分割，随后从胶囊处提取缺陷特征，基于胶囊的缺陷特征确定胶囊是否存在缺陷。然而，现有技术中缺乏有效的分割阈值和缺陷特征，导致胶囊检测的精度受到较大影响。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置，采用可见光的检测模式、流水线的胶囊传送机构、自动剔除机构以及自适应的分割阈值，同时，基于缺陷图像的像素数确定胶囊是否存在缺陷，从而有效解决上述问题。

图1为根据本发明实施方案示出的基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置的结构方框图，所述识别装置包括可见光数据采集设备、缺陷检测设备和AT89C51单片机，所述可见光数据采集设备用于对每颗胶囊进行可见光图像采集，所述缺陷检测设备与所述可见光数据采集设备连接，用于基于采集的可见光图像提取对应的胶囊的缺陷信息，所述AT89C51单片机与所述缺陷检测设备连接，用于基于所述缺陷信息确定对应的胶囊是否为缺陷胶囊。

接着，继续对本发明的基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置的具体结构进行进一步的说明。

所述识别装置还包括：无线通信接口，用于接收远端的胶囊检测服务器发送的控制指令，还与所述AT89C51单片机连接，用于将所述AT89C51单片机发送的缺陷过多信号转发到远端的胶囊检测服务器。

所述识别装置还包括：胶囊传输机构，包括传输带和两个传输滚轴，所述两个传输滚轴带动所述传输带逐个传输各颗胶囊。

所述识别装置还包括：SDRAM存储器，用于预先存储胶囊灰度阈值范围，所述胶囊灰度阈值范围中的所有缺陷灰度阈值都取值在0-255之间，所述SDRAM存储器还用于预先存储预设像素数量阈值和预设数量阈值。

所述可见光数据采集设备设置在胶囊传输机构前部上方，包括彩色相机和可见光光源，可见光光源用于对胶囊传输机构上的每颗胶囊进行可见光透射，彩色相机对可见光透射的胶囊进行成像以获得可见光图像。

所述缺陷检测设备与所述彩色相机和所述SDRAM存储器分别连接，用于接收所述可见光图像。

所述缺陷检测设备包括中值滤波子设备、对比度增强子设备、灰度化处理子设备、阈值选择子设备、目标分割子设备和特征提取子设备。

所述中值滤波子设备与所述彩色相机连接，用于对所述可见光图像执行3×3像素滤波窗口的中值滤波处理，以获得滤波图像。

所述对比度增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对滤波图像执行对比度增强处理，以获得增强图像。

所述灰度化处理子设备与所述对比度增强子设备连接，用于对所述增强图像执行灰度化处理，以获得灰度化图像。

所述阈值选择子设备与所述SDRAM存储器和所述灰度化处理子设备分别连接，用于依次从胶囊灰度阈值范围中选择一个值作为预选灰度阈值，采用预选灰度阈值将灰度化图像划分为预选背景区域和预选目标区域，计算预选背景区域占据灰度化图像的面积比例作为第一面积比，计算预选背景区域的像素平均灰度值作为第一平均灰度值，计算预选目标区域占据灰度化图像的面积比例作为第二面积比，计算预选目标区域的像素平均灰度值作为第二平均灰度值，将第一平均灰度值减去灰度化图像的总平均灰度值，获得的差的平方乘以第一面积比以获得第一乘积，将第二平均灰度值减去灰度化图像的总平均灰度值，获得的差的平方乘以第二面积比以获得第二乘积，将第一乘积和第二乘积相加以获得和值，选择和值最大的预选灰度阈值作为目标灰度阈值。

所述目标分割子设备与所述阈值选择子设备连接，用于采用目标灰度阈值将灰度化图像划分为背景图像和目标图像。

所述特征提取子设备与所述目标分割子设备连接，基于所述目标图像提取其中的缺陷子图像。

所述AT89C51单片机与所述SDRAM存储器和所述缺陷检测设备分别连接，以接收所述缺陷子图像和所述预设像素数量阈值，计算所述缺陷子图像中像素值非零的像素的数量，当非零的像素的数量大于等于所述预设像素数量阈值时，发出存在缺陷信号，否则，发出不存在缺陷信号。

所述识别装置还包括：剔除机构，与所述AT89C51单片机连接，包括电磁阀和执行设备，所述电磁阀和所述执行设备都设置在所述可见光数据采集设备之后，所述电磁阀在接收到所述AT89C51单片机发送的存在缺陷信号时，驱动所述执行设备剔除缺陷胶囊。

所述识别装置还包括：计数器，与所述AT89C51单片机连接，在接收到所述AT89C51单片机发送的存在缺陷信号时，计数器的计数值加1。

所述识别装置还包括：声光报警设备，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述AT89C51单片机发送的缺陷过多信号时，进行相应的声光报警操作。

所述识别装置还包括：显示设备，与所述AT89C51单片机连接，用于接收并显示所述AT89C51单片机发送的计数器的计数值和缺陷过多信号，还用于接收所述剔除机构所确定的所述执行设备的剔除次数。

其中，所述AT89C51单片机在所述计数器的计数值大于等于所述预设数量阈值时，发出缺陷过多信号，在所述计数器的计数值小于所述预设数量阈值时，发出缺陷可容忍信号；所述中值滤波子设备、所述对比度增强子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述目标分割子设备和所述特征提取子设备分别采用不同的FPGA芯片来实现。

可选地，在所述识别装置中：替换地，将所述中值滤波子设备、所述对比度增强子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述目标分割子设备和所述特征提取子设备集成到一块FPGA芯片中以实现；所述识别装置还包括：供电设备，包括太阳能供电器件、市电接口、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述市电接口分别连接，根据市电接口处的市电电压大小决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；所述供电设备与所述AT89C51单片机连接，以在所述AT89C51单片机的控制下为所述识别装置提供省电模式和正常用电模式两种工作方式；以及，可以将所述计数器内置于所述AT89C51单片机中。

另外，FPGA(Field－ProgrammableGateArray)，即现场可编程门阵列，他是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。他是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip－flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别。

早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。

采用本发明的基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置，针对现有技术中胶囊缺陷识别困难、剔除效率低的技术问题，基于胶囊和胶囊缺陷的外形特性，有针对性地引入了各种图像处理设备，同时采用流水线作业方式和自动剔除机构，最主要的是，采用了自适应的图像分割阈值的选择方式，提高胶囊图像分割的准确性，保证了后续缺陷识别的精度。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别方法，该方法包括：

1)提供一种基于无线网络的胶囊可见光缺陷识别装置，所述识别装置包括可见光数据采集设备、缺陷检测设备和AT89C51单片机，所述可见光数据采集设备用于对每颗胶囊进行可见光图像采集，所述缺陷检测设备与所述可见光数据采集设备连接，用于基于采集的可见光图像提取对应的胶囊的缺陷信息，所述AT89C51单片机与所述缺陷检测设备连接，用于基于所述缺陷信息确定对应的胶囊是否为缺陷胶囊；

2)使用所述识别装置来进行识别。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述识别装置还包括：

无线通信接口，用于接收远端的胶囊检测服务器发送的控制指令，还与所述AT89C51单片机连接，用于将所述AT89C51单片机发送的缺陷过多信号转发到远端的胶囊检测服务器；

胶囊传输机构，包括传输带和两个传输滚轴，所述两个传输滚轴带动所述传输带逐个传输各颗胶囊；

SDRAM存储器，用于预先存储胶囊灰度阈值范围，所述胶囊灰度阈值范围中的所有缺陷灰度阈值都取值在0-255之间，所述SDRAM存储器还用于预先存储预设像素数量阈值和预设数量阈值；

所述可见光数据采集设备设置在胶囊传输机构前部上方，包括彩色相机和可见光光源，可见光光源用于对胶囊传输机构上的每颗胶囊进行可见光透射，彩色相机对可见光透射的胶囊进行成像以获得可见光图像；

所述缺陷检测设备与所述彩色相机和所述SDRAM存储器分别连接，用于接收所述可见光图像；所述缺陷检测设备包括中值滤波子设备、对比度增强子设备、灰度化处理子设备、阈值选择子设备、目标分割子设备和特征提取子设备；所述中值滤波子设备与所述彩色相机连接，用于对所述可见光图像执行3×3像素滤波窗口的中值滤波处理，以获得滤波图像；所述对比度增强子设备与所述中值滤波子设备连接，用于对滤波图像执行对比度增强处理，以获得增强图像；所述灰度化处理子设备与所述对比度增强子设备连接，用于对所述增强图像执行灰度化处理，以获得灰度化图像；所述阈值选择子设备与所述SDRAM存储器和所述灰度化处理子设备分别连接，用于依次从胶囊灰度阈值范围中选择一个值作为预选灰度阈值，采用预选灰度阈值将灰度化图像划分为预选背景区域和预选目标区域，计算预选背景区域占据灰度化图像的面积比例作为第一面积比，计算预选背景区域的像素平均灰度值作为第一平均灰度值，计算预选目标区域占据灰度化图像的面积比例作为第二面积比，计算预选目标区域的像素平均灰度值作为第二平均灰度值，将第一平均灰度值减去灰度化图像的总平均灰度值，获得的差的平方乘以第一面积比以获得第一乘积，将第二平均灰度值减去灰度化图像的总平均灰度值，获得的差的平方乘以第二面积比以获得第二乘积，将第一乘积和第二乘积相加以获得和值，选择和值最大的预选灰度阈值作为目标灰度阈值；所述目标分割子设备与所述阈值选择子设备连接，用于采用目标灰度阈值将灰度化图像划分为背景图像和目标图像；所述特征提取子设备与所述目标分割子设备连接，基于所述目标图像提取其中的缺陷子图像；

所述AT89C51单片机与所述SDRAM存储器和所述缺陷检测设备分别连接，以接收所述缺陷子图像和所述预设像素数量阈值，计算所述缺陷子图像中像素值非零的像素的数量，当非零的像素的数量大于等于所述预设像素数量阈值时，发出存在缺陷信号，否则，发出不存在缺陷信号；

剔除机构，与所述AT89C51单片机连接，包括电磁阀和执行设备，所述电磁阀和所述执行设备都设置在所述可见光数据采集设备之后，所述电磁阀在接收到所述AT89C51单片机发送的存在缺陷信号时，驱动所述执行设备剔除缺陷胶囊；

计数器，与所述AT89C51单片机连接，在接收到所述AT89C51单片机发送的存在缺陷信号时，计数器的计数值加1；

声光报警设备，与所述AT89C51单片机连接，用于在接收到所述AT89C51单片机发送的缺陷过多信号时，进行相应的声光报警操作；

显示设备，与所述AT89C51单片机连接，用于接收并显示所述AT89C51单片机发送的计数器的计数值和缺陷过多信号，还用于接收所述剔除机构所确定的所述执行设备的剔除次数；

其中，所述AT89C51单片机在所述计数器的计数值大于等于所述预设数量阈值时，发出缺陷过多信号，在所述计数器的计数值小于所述预设数量阈值时，发出缺陷可容忍信号；

其中，所述中值滤波子设备、所述对比度增强子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述目标分割子设备和所述特征提取子设备分别采用不同的FPGA芯片来实现。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：替换地，将所述中值滤波子设备、所述对比度增强子设备、所述灰度化处理子设备、所述阈值选择子设备、所述目标分割子设备和所述特征提取子设备集成到一块FPGA芯片中以实现。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述识别装置还包括：供电设备，包括太阳能供电器件、市电接口、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述市电接口分别连接，根据市电接口处的市电电压大小决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述供电设备与所述AT89C51单片机连接，以在所述AT89C51单片机的控制下为所述识别装置提供省电模式和正常用电模式两种工作方式。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于：将所述计数器内置于所述AT89C51单片机中。