一、引言

機器視覺主要研究用計算機來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。它是20世紀(jì)70年代在遙感圖像處理和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上逐漸興起的，并應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)上的自動收獲機械和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗、分選，工業(yè)生產(chǎn)流水線的在線質(zhì)量檢測、控制，公安系統(tǒng)的罪犯識別，交通的監(jiān)視與管理、自動收費系統(tǒng)等。機器視覺強調(diào)實用性，要求能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，要有合理的性價比，要有通用的工業(yè)接口，有較高的容錯能力和安全性，有較強的通用性和可移植性。機器視覺更強調(diào)實時性，要求高速度和高精度。

在機器視覺系統(tǒng)中，其關(guān)鍵技術(shù)有光源照明技術(shù)、光學(xué)鏡頭。攝像機、圖像采集卡、圖像處理卡和快速準(zhǔn)確的執(zhí)行機構(gòu)等幾個方面。本文結(jié)合煙革雜物剔除系統(tǒng)的實際，重點闡述該系統(tǒng)所涉及到的有關(guān)機器視覺關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。

二、煙草雜物剔除系統(tǒng)概迷

隨著卷煙生產(chǎn)自動化程度的提高，煙葉從進人卷煙廠的生產(chǎn)流水線到生產(chǎn)出成品卷煙的整個過程，己逐漸脫離人工輔助，特別是把葉改成片葉后，不再有入工鋪葉的工藝過程，因此混在煙葉中的雜物及霉?fàn)€煙葉等無法去除。它們對卷煙產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大。煙草雜物剔除設(shè)備就是一種使用在煙葉初加工的打葉復(fù)烤絲、葉絲和梗絲的制絲生產(chǎn)線上來去除雜物及霉?fàn)€煙葉的系統(tǒng)。

煙草雜物剔除系統(tǒng)主要由6個部分組成：

1．物料單層化處理裝置

其作用是把煙葉等物料由較厚的層疊狀態(tài)變成很薄的單層狀態(tài)，并利用“壓風(fēng)”和“托風(fēng)”使煙葉從皮帶機輸出端平穩(wěn)地拋出，且沿可預(yù)知的平拋運動軌跡穩(wěn)定運行，為后續(xù)的攝像檢測提供條件。

2．物料照明系統(tǒng)

其作用是為物料提供照明。要獲得高質(zhì)量的圖像信號，對物料的充分照明是非常重要的必備條件之一。

3．光學(xué)系統(tǒng)

其作用是把物料表面的反射光線盡可能準(zhǔn)確無誤地送到光電檢測元件（如CCD感光無件）上。它包括透過式有機玻璃板、平面反光鏡、攝像機鏡頭等。

4．物料圖像采集系統(tǒng)

其作用是獲得物料的圖像（物料表面的反射光線）信息，并通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬圖像信號變成計算機能夠接受和處理的數(shù)字圖像信號。它包括攝像機和圖像采集卡。

5．實時圖像處理系統(tǒng)

其作用是對采集到的數(shù)字圖像信號迸行必要的運算和處理，提取出特征參數(shù)，經(jīng)智能判斷決策模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則輸出判斷結(jié)果，并據(jù)此生成執(zhí)行機構(gòu)的控制指令。它包括計算機硬件（如DSP或?qū)Ｓ脠D像處理卡）和軟件。

6．雜物剔除系統(tǒng)。

其作用是把雜物從煙葉流中分離出去。在該系統(tǒng)中采用的是壓縮空氣噴吹方式。它包括高速氣動電磁閥組和噴吹腔體。其功能方塊圖圖l。

圖1 煙草異物剔除系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)示意圖
三、機器視覺的關(guān)鍵技術(shù)在煙草雜物剔除系統(tǒng)中的具體實現(xiàn)

（一）光源

在機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，好的光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，并不是簡單照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量。在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間，應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對比度。同時，還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。在機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，一般使用透射光和反射光。對于反射光情況應(yīng)充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對位置、物體表面的紋理、物體的幾何形狀等要素。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。表1列出了幾種主要光源的相關(guān)特性。

在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，對煙葉和雜物的判別是基于特征信息(如顏色、紋理、形狀等)進行的。因此，要求光源的顯色性好，光譜范圍寬，能覆蓋可見光的整個范圍，且發(fā)光強度高，穩(wěn)定時間長。綜合考慮這些因素，選用了線狀純白的LED光源來照明物料。

（二）光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機器視覺系統(tǒng)中非常重要。一個鏡頭的成像質(zhì)量優(yōu)劣，即其對像差校正的優(yōu)良與否，可通過像差大小來衡量。常見的像差有球差、彗差、像散、場曲、畸變、色差等6種。對定焦鏡頭和變焦鏡頭來講，同一檔次的定焦鏡頭的像差肯定比變焦鏡頭小，因為變焦鏡頭必須折中考慮，使在各種不同焦距下的成像質(zhì)量都相對較好，不允許出現(xiàn)某個焦距（在變焦范圍內(nèi)）下很差的情況。因此，在機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，根據(jù)被測目標(biāo)的狀態(tài)應(yīng)優(yōu)先選用定焦鏡頭。此外，再綜合考慮圖像的放大倍率、視場大小、光圈大小、焦距、視角大小等因素進行具體選擇。

在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，需要檢測的是從皮帶機輸出端以5m/s～7m/s平拋出的煙葉圖像，每個鏡頭的視場大小為700mm～1000mm。根據(jù)鏡頭的選用原則，選擇了焦距為50mm、物距為1500mm、視場為1000mm，并能與lk～2k的線陣CCD攝像機配套使用的定焦鏡頭。

（三）攝像機和圖像采集卡

攝像機和圖像采集卡共同完成對物料圖像的采集與數(shù)字化。高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個系統(tǒng)成功與否的又一關(guān)鍵所在。目前，在機器視覺系統(tǒng)中，CCD攝像機以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等特點得到了廣泛使用。CCD攝像機按照其使用的CCD器件，可以分為線陣式和面陣式兩大類。線陣CCD攝像機一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機前移過，才能獲得完整的圖像而面陣CCD攝像機則可以一次獲得整幅圖像的信息。在煙草雜物剔除系統(tǒng)中，需要獲得的是以5m/s～7m/s速度從皮帶機輸出端平拋出的單層煙葉流的圖像，非常適合使用線陣攝像機。

目前的線陣CCD攝像機產(chǎn)品主要有兩大類:一類在同一時刻，R、G、B傳感器輸出的信息不是對應(yīng)被攝物料的同一位置，而是3個不同的位置，即存在R、C、B錯位的問題另一類采用了三棱鏡分光技術(shù)把物料上同一位置反射回來的光線的紅色分量送到R傳感器輸出，綠色分量送到G傳感器輸出，藍色分量送到B傳感器輸出，即同一時刻R、G、B傳感器輸出的信息是被攝物料的同一位置的顏色信息。對于煙草雜物剔除系統(tǒng)，要求的檢測精度很高（為lmm），實時性很強（從檢測到剔除的時間不大于30ms），所以選用了采用三棱鏡分光技術(shù)的分辨率為2k的線陣CCU攝像機。