空头和缺支是卷烟包装中常见的生产缺陷。所谓空头即烟支中烟丝不饱满，在顶部形成空凹，国标GB/T22838中对烟支空头的界定是烟丝表面空凹大于1mm即为空头。缺支是指在烟支包装过程中，烟支的装入量小于规定烟包的数量。

    空头和缺支都属于生产质量问题，应在包装检验的过程中加以剔除。目前，烟厂大多采用机械式、红外光电检测式的自动检测系统，这些系统结构大多非常复杂，系统维护成本及故障率较高。
    本文提出了一种基于机器视觉的烟支质量检测系统的设计。系统利用CMOS数字摄像头及ARM控制器构成图像采集系统，实现了包装线上烟包实时监控、质量判定及剔除功能。
1 系统结构
    系统结构框图如图1所示，系统以LPC2368为主控制器。LPC2368为NXP公司推出的基于ARM7TDMI内核的微控制器，其内部集成了58 KB RAM及512 KB ROM、USB2.0控制器、高速AD/DA转换器等，并有丰富的I/O管脚，完全可以满足系统中数字图像采集、处理以及判定算法的需求。

    实际应用包含空头和缺支检测两套系统，系统硬件结构完全一样，分置于生产流水线的两侧。检测摄像头采用的是CMOS数字摄像头OV7620，控制器通过逻辑电路控制摄像头的采集操作，并读取图像信息；光电传感器采用Autonics的BF3R型光纤放大器，当烟支包装盒进入检测区域时，光纤放大器输出低电平，系统开始图像采集；系统中还包含有一个超高亮度的LED作为图像采集补充光源，控制器通过驱动电路控制LED的亮灭；键盘及液晶构成了人机界面，操作员可以根据实际环境及产品要求设定检测参数等；LPC2368中集成了USB控制器，系统中还包含了USB通信接口，与软件配合可以将数据传输给上位机处理。
2 图像采集电路设计
    OV7620是一种高集成度、高分辨率的CMOS数字图像传感器，内部集成了感光单元和A/D转换器件。由于OV7620采集的图像数据量较大，标准的320×240图片每帧数据为7.68 KB，而且每输出1个像素点仅37 ns。如将OV7620与控制器直接相连，对控制器的要求极高，LPC2368无法满足速度要求。
    因此，检测系统中利用了FIFO图像缓存技术，利用FIFO存储器AL422B作为图像数据缓存，将OV7620采集的数据通过时序转换存储到AL422B中，然后通过微控制器读取缓存图像数据。图像采集连接电路如图2所示，其输出时序如图3所示。其中，VSYNC、HREF及PCLK分别为OV7620的垂直同步信号、水平同步信号及像素同步信号。

    OV7620在两个VSYN脉冲之间输出一帧图像，图像像素点按行输出，每输出一个PCLK脉冲，即输出一点数据；在一行数据输出期间，HREF保持高电平。OV7620的SCL、SDA为SCCB总线，用于对外部控制器对OV7620内部寄存器进行设置，以实现对OV7620初始化。
    图像采集电路工作原理如下：系统上电后，LPC2368通过P0.21、P0.22模拟SCCB总线时序对OV7620进行设置，并初始化74HC74状态。当包装线上烟包进入检测区域时，系统光电开关输出有效电平信号，LPC2368置P0.20为低电平。VSYN出现一个跳变时，D触发器输出Q变为低电平，并保持到下一个VSYN脉冲信号。当OV7620输出行数据时，HREF变为高电平，此时74HC11-1的输出变为高电平，经过反相器74HC04-3后变为低电平，同时AL422B的写信号WE及LPC2368的EINT0也变为低电平，AL422B进入写数据模式，并且触发LPC2368外部中断。
    AL422B写脉冲控制信号WCK与OV7620的PCLK连接，当WE为低电平时，PCLK每输出一个脉冲，AL422B就写入一个行像素数据；写完一行数据后，HREF变为低电平，74HC04-3输出变为高电平，AL422B禁止写入，直到HREF再次变为高电平。在中断程序中，LPC2368将P0.20拉高，当产生第二个VSYN脉冲时，D触发器的Q端变为高电平，此时74HC11-2输出及LPC2368的P0.19变为高电平，表示一帧图像采集完成，控制器可以开始读取缓存中的图像数据。
      当LPC2368判断P0.19端口状态改变后，置P0.9和P0.10口为低电平，使AL422B进入读数据模式，并控制P0.15产生读脉冲控制信号，每输出一个脉冲，AL422B输出一个像素数据，LPC2368通过端口P0.0～P0.7读取图像数据。
      AL422B的RRST和WRST为读写复位控制信号，当置为有效信号时，AL422B中读/写地址指针复位。当控制器LPC2368从AL422B中读取了一帧图像后，通过P0.11和P0.15置RRST和WRST信号使AL422B内部指针复位，准备下一次的采集。
3 系统光源设计
      为了抑制图像中不需要的部分，突现目标区域的重要特征，照明是图像采集过程中的重要部分。实际应用中，包装流水线所在环境背景较为复杂，对检测影响较大。因此，在系统中利用了2个功率为1 W的高亮度LED电珠作为背景光补偿。系统中利用MAX16800作为光源恒流驱动芯片以保证背光光源的稳定性，并利用LPC2368的管脚P0.8控制LED的亮灭，当检测系统光电开关长时间没输出时，系统将关闭背光电源。光源电路如图4所示。

    由于LPC2368管脚驱动能力较弱，不足以同时驱动两个光耦，因此电路中利用一个三极管对管脚输出进行电流放大。两片MAX16800作为LED的驱动芯片，CS+与CS-之间并联的电阻为1 Ω，此时OUT端输出电流为200 mA。电路中，当P0.8输出低电平时，光耦导通，MAX16800的EN端为高电平，LED亮；反之LED灭。
    根据国标GB/T22838中所描述，烟支直径为7.7 mm，将香烟的烟丝端部空陷深度大于1.0 mm、空陷部分与烟支整体界面面积比大于2/3的烟支，被视为空头烟支。假设将空头烟支空陷部分的截面视为一个圆，凹陷的形状看作圆锥形，则空头烟支的截面图如图5所示。
    根据已知条件，便可计算出空头烟支空陷部分的最
    

      系统上电后首先对OV7620进行初始化，通过SCCB总线设置分辨率、数据格式及图像开窗大小。系统对液晶及键盘初始化后，开始读取光电传感器的状态，当包装线上烟包进入检测区域时，启动图像采集，控制I/O管脚将图像数据从缓冲中读至控制器RAM。系统软件调用图像判断算法对缺支或者空头进行判断，如有缺支或者空头，则发出剔除信号。
5 系统调试
    系统设计完成后在多个卷烟厂包装线上进行了实际测试。由于实际生产环境非常复杂，在系统测试过程中进一步对系统稳定性及准确性进行了调整：
    (1)电源稳定性。现场提供了24 V直流电，但由于用电环境复杂，该电源非常不稳定，会对系统采集及运行稳定性造成极大干扰。因此在实际使用中，需要在电源入口及与剔除装置的信号出口处加装滤波器，如有条件可以单独利用开关电源供电。
    (2)检测装置安装。目前国内烟机包装线的常规流水数量为120～140包/min，烟包在包装线上运行状态为周期性停止，且停止位置基本保持不变。系统实际安装时，需要将检测装置的检测中心线与包装线的停止位置对齐，以保证图像采集的完整性。
    (3)图像检测算法调整。图像在采集过程中，不同程度上都会被可见或不可见的噪声干扰，这些噪声不但影响了图像的视觉效果，而且扰乱了正常检测。因此系统获取图像数据后，需要经过滤波、二值化后再进行判断。以空头为例，图像判断算法执行过程如图7所示。

    图7(a)为实际采集的原始灰度图像，其中第一排从左往右第4支为空头烟支。图7(b)为经过滤波，并利用大津算法对图像进行二值化后所得到的图像。图7(c)为对二值化处理后的图像进一步进行开运算后的图像。图7(d)为二次二值化后得到的图像，其中黑色像素点值为1，白色为0。从图7(d)中很明显可以看出，在空头烟支对应的区域，有明显的成块状的黑色区域，据此判定该烟支为空头烟支，此包烟应被剔除。
参考文献
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