基于机器视觉的自动包装破损检测系统
来源：www.mvcreating.com2019年04月01日
摘要：针对目前国内食品人工包装生产线的弊端，提出了一种基于机器视觉与单片机控制的低成本、高效率的智能包装系统。由工业相机进行图像采集，用MATLAB软件进行目标识别定位，以实现拾取机械手快速分拣与自动包装。该平台具有清洁安全、控制简单、易于调试、可靠性高等特点，在食品自动化生产领域有一定的市场前景。
关键词：机器视觉；单片机；自动包装；系统设计
0 引言
现阶段，国内大多数食品生产厂家由人工对食品进行分拣，这种作业方式极易影响食品质量，无法保证食品安全性；同时难以避免工人高强度作业造成的错装、漏装现象，生产率低，成本高。为此，本文利用机器视觉检测技术设计了一种新型食品包装平台，通过MATLAB图像处理技术对食品进行识别定位，使机械手对无规则放置的食品快速分拣以剔除缺陷产品，以便进行自动包装。利用该平台可保证作业结果的准确性，在很大程度上提升生产厂家的经济效益与生产效率。
1、食品自动包装平台的工作原理及硬件组成
基于机器视觉的食品包装平台最重要的功能是通过图像处理方式对食品进行识别，图1为基于机器视觉的食品包装平台的工作流程图。
图1 基于机器视觉的食品包装平台的工作流程
无规则排列的待包装食品在上料传送带上通过拍摄区域时，工业相机对其进行拍摄，拍摄结果经PC机进行图形运算处理抽取目标特征。对于检测完好的食品，单片机控制拾放机械手对目标快速拾取，并依次排列于枕式包装机的送料装置内进行自动包装。检测到有破损的目标由传送带送入废品回收站，予以剔除。
该包装平台整体机械构架如图2所示，包括控制系统、图像拍摄处理系统和通信接口等。控制系统由单片机及其控制下的拾放机械手、上料传送带和枕式包装机组成。图像拍摄装置由CCD工业相机、照明光源组成。图像处理任务由PC机完成，由MATLAB GUI编写的控制系统软件负责通信。
1-待包装食品；2-工业相机；3-拾取机械手；4-废品收集箱；
5-已包装成品收集箱；6-枕式包装机；7-上料传送带
图2 包装平台整体机械构架
2、控制系统
PC机作为该系统的上位机，选用STC89C52RC作为下位机，其内部集成的双全工性异步通信串口可用作UART(通用异步收发器)。采用RS-232总线进行上、下位机间的串口通信，按照通信协议设置波特率为9 600，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶校验位。
本文采用MATLAB中断方法操作串口实现通信。限于篇幅文中未给出详细参数配置与回调函数编程源代码。利用MATLAB GUI工具搭建了可视化的人机交互界面，如图3所示，包括参数设置区、数据编辑区和图像拍摄区。工作人员可对工作状态进行实时监控，根据检测目标、生产任务进行人为参数调整。
PC机对图像进行数据格式转换，进而将坐标点数据写入下位机的SBUF缓存器。坐标数据经主控芯片换算成机械手在X、Y、Z方向的脉冲分量，控制机械手到达准确位置拾取食品。每完成一次拾放，枕式包装机执行一次步进式包装。控制系统框图如图4所示。
3、图像处理系统
近年来MATLAB在图像处理领域获得普遍青睐，缘由便在于其简便的语法结构、强大的可视化处理功能。本文基于MATLAB实现图像处理的复杂算法(以某品牌蛋类芯饼为例)。
3.1 图像处理流程
图像处理流程图如图5所示。
图3 人机交互界面 图4 控制系统框图 图5 图像处理流程
3.2 形态学运算
图6为图像处理前、后对比。图6(a)为实际采样图，由于拍摄环境因素的干扰，实际采样图中存在目标边界模糊、对比度低等问题，故需进行图像预处理以提高后续特征抽取的可靠性。图6(b)为灰度化图像，此处使用MATLAB软件在图像灰度化处理的基础上，建立像素点灰度分布直方图，并根据像素点灰度分布直方图统计结果，选取恰当分割值对灰度图像进行二值化处理(im2bw)，显著改善了目标边界的对比度，如图6(c)所示。针对二值化图像，本文在MATLAB中利用中值滤波(medfilt2)、膨胀(imdilate)腐蚀(imerode)、孔洞填充(imfill)等函数运算对其进行处理，经处理后噪点、光斑被完全过滤且目标边界清晰，处理效果如图6(d)所示。
图6 处理效果对比
3.3 目标及坐标位置提取
为达到剔除破损样品的目的，要解决的关键问题是如何准确获取目标的位置。对于二值化图像，MATLAB提供了计算图形质心坐标与前景面积的函数(regionprops)。此算法首先标记图像矩阵的各连通区域，再求取各区域的前景面积与质心坐标；逐一比较各连通区域前景面积后，排除破损目标(偏离理想面积6%以上)后，对合格目标的质心坐标予以提取。检测结果通过串行口发送给单片机控制拾取机械手进行实时分拣。
4、结论
本文基于MATLAB的图像图形处理技术设计了食品智能包装平台，与传统的包装方式相比，节约了大量人力和时间，设备具有成本低、效率高等优点，能够代替国内部分食品生产厂家的人工生产线，有利于自动化生产。但设计中仍存有不足，如对不同形状、规格的样品如何设计更合理的合格品筛选算法，以提高设备的柔性和剔除精度。
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