基于机器视觉的啤酒瓶商标在线检测系统

许 超，徐惠钢，谢 启,李 彬

(1．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008；2．常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500)



基于机器视觉的啤酒瓶商标在线检测系统

许 超1,2，徐惠钢2，谢 启2,李 彬1,2

(1．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008；2．常熟理工学院电气与自动化工程学院，江苏常熟 215500)

针对传统人工检测啤酒瓶商标存在的缺点，文中设计了一个用于啤酒瓶商标的在线实时检测系统，将机器视觉、虚拟仪器技术和Compact DAQ技术结合起来，充分发挥三者的优势，采用并行处理，将拍摄到的图像与多张不同光照下的基准图像同时进行模版匹配来检测商标是否有漏贴、错贴、商标破损或是商标倾斜的现象。经实例验证，所设计的测试系统运行稳定可靠，能够高效地识别不合格的商标。

图像；检测；商标；机器视觉；Compact DAQ；LabVIEW

0 引言

随着现代社会工业化、信息化的高速发展，采用传统技术方法的生产过程已无法满足人们对生产效率、产品质量等越来越高的要求。机器视觉的出现及应用，不仅适应了时代发展的需求，而且大大提高装备的自动化和效率。在现代工业自动化生产中，尤其在不适合人工作业的恶劣工作环境或高速流水线上，机器视觉技术有着不可替代的作用。同时，LabVIEW的视觉开发工具包 IMAQ Vision 和软件接口 Vision Assistant，使得基于虚拟仪器和 LabVIEW 的机器视觉产品检测平台具有前所未有的优势，能够减少用户的投资，缩短产品的开发周期，很好地满足成本敏感、产品更新快的生产企业以及综合性的产品检测机构的需要[1-2]。

本课题的目的是在研究计算机工业视觉产品检测技术的基础上，理论联系实际，通过具体产品检测平台的设计，将机器视觉、虚拟仪器技术和Compact DAQ技术结合起来，充分发挥三者的优势，开发设计了一个用于啤酒瓶商标在线实时检测系统。当流水线上待测啤酒瓶到达相机的时候，通过电机转动，调整啤酒瓶的角度，以便相机能拍到合适的检测图像，通过对拍摄到图像的处理分析来检测商标是否有漏贴、错贴、商标破损或是商标倾斜的现象。

1 系统硬件组成

硬件部分由4槽cDAQ-9174控制器，8通道、5 V/TTL高速双向数字I/O模块NI 9401，NI 1722智能相机，电机，触摸屏和各类型传感器组成，硬件连接如图1所示。NI cDAQ-9174具有50多款可供选择的可热插拔I/O模块，通过数字模块访问机箱中内置的4个通用32位计数器/定时器，可以通过NI-DAQmx软件编写测量程序，也可以通过DAQ助手(DAQ Assistant)自动生成代码，可同时运行来自模拟、数字或计数器/计时器通道的7个硬件定时操作，实现连续读写波形测量数据。NI 9401具有8通道、100 ns超高速双向数字I/O口，可按半字节(4位)配置，支持热插拔操作，工作温度范围广(-40～70 ℃)。

2 系统软件设计

软件部分采用LabVIEW语言编写。其中上位机主要负责人机交互，包括：用户登录，生产线的监控，测试数据的存储等。在此系统中，既有数据采集，又有事件结构和图像采集，而数据采集和事件结构彼此之间需要实现并行处理，为了不相互影响对方的执行又不丢失数据，采用生产者与消费者循环对控件事件触发进行处理，而数据采集结构同生产者与消费者循环再实现并行处理，互相之间无连线，这样可以极大地提高程序的运行效率和设计灵活性。下位机包括智能相机图像采集模块。图像采集模块主要负责图像的采集和处理工作，再将处理过的数据通过网络共享变量发送到上位机。

图1 系统硬件连接图

2.1 图像采集和检测模块

在实时在线视觉检测中，软硬件的简单组合并不意味着能获得期望的性能，既要考虑测试算法的精度，又要兼顾实时性。因此，如何在快速、稳定、准确之间取得平衡，是确保一个系统能在工业实时检测领域成功应用的核心问题。所以本文研究的重点是寻找一种适合本系统的图像处理与分析算法。

当流水线上待测啤酒瓶到达相机的时候，用一电机驱动转盘带动啤酒瓶旋转，同时使智能相机每间隔0.2 s进行1次图像采集，然后再对采集到的图像进行判断，是否符合要求做进一步的处理。判断标准是采集到的图像一定要包含整个商标区域，并使商标区域尽量在图像的正中间。具体做法是根据待检测商标的特点选择某一明显的标志作为定位标志，对采集到的图像进行模版匹配，如图2所示，当匹配成功并且标志的中心坐标满足一定条件时则保留该图片做进一步检测。该步骤要求是快速准确，所以搜索模版时采用局部搜索，也就是只在期望标志出现的感兴趣区域(ROI)进行搜索，可以大大节省匹配时间。

图2 定位标志

在图像检测部分，本系统采用模版匹配的方法对灰度图像进行处理：对实时图像进行缺陷检测时，必须要选择一个正确的基准图像与实时图像进行对比，通过对实时图像与基准图像的对比分析来确定实时图像是否有缺陷。但考虑生产光照的时变性，实时图像的灰度值会发生变化，影响检测的精度。通常，采用的方法有2种：

(1) 选择某一固定的无缺陷图像作为基准图像，对实时图像做处理；

(2) 用待测图像前一幅无缺陷图像作为基准图像。

前一种方法的优点在于：只需要一个标准图像，对系统资源占用少，但需要在算法上进行改善。第二种方法正好相反，它用前一张正确的图像作为后一次处理的基准图像，因此处理速度较慢，资源开销大，但由于是相邻图像，因此不受光照条件等非质量因素的影响。但误差容易累计，稳定性较差。因此本系统拟选用第一种方法，但是这里选择多幅在不同的光照条件下采集到的图像作为基准图像，然后同时对多幅基准图像进行匹配，彼此之间并行处理，相互不影响，这样既提高了匹配的准确性又兼顾了程序的实时性。

2.2 数据采集控制模块

Compact DAQ控制器模块主要负责采集各传感器的数字信号，控制流水线上电机、相机、光源、气阀以及信号灯。之所以选择Compact DAQ是因为：NI Compact DAQ是一个适合在工作台、工程现场和生产线上进行传感器和电气测量的新型优选平台。该系统提供了一个4/8槽机箱,其I /O模块在单个系统下可实现高达256个通道的电气、物理、机械和声波信号的测量。通过将USB接口即插即用的简便性与模块化仪器的高性能和灵活性相结合,体积小巧、使用简便且价位合理的NI Compact DAQ可以实现快速、精确的测量任务[3-4]。

任何测量系统都包括配套软件，LabVIEW 可用于设计软件并完全自定义独立的测量系统。LabVIEW 提供用于采集、分析和演示数据的独立开发环境，并且已经对底层编程调用进行抽象[5]。这种抽象意味着 LabVIEW 以及NI-DAQmx 驱动程序可以适用于随时间变化的需求和技术，以便帮助用户开发的应用程序与业界保持同步适用[6-7]。程序框图如图3所示。

图3 数据读写模块程序框图

2.3 通信模块

2.3.1 TCP/IP通信

通信模块主要负责上位机和相机之间的通信，实现上位机对智能相机的控制同时将相机处理的结果发送至上位机。 TCP/IP 是目前广泛采用的一组完整的网络协议,在网络通信中被广泛应用[8]。主要通过以下几个VI完成数据的传输：

TCP侦听 VI: 创建侦听器并等待位于指定端口的已接受TCP连接。

打开TCP连接: 打开由地址和远程端口或服务名称指定的TCP网络连接。

读取TCP数据: 从TCP网络连接读取字节并通过数据输出返回结果。

写入TCP数据: 使数据写入TCP网络连接。

关闭TCP连接: 关闭TCP网络连接。

具体实现如图4如示，先通过打开TCP连接VI实现对远程端口与服务器名称的配置，再在while循环中调用读取TCP数据VI，实现对数据的实时读取，最后通过关闭TCP连接VI关闭TCP网络连接，TCP通信结束。

图4 通过TCP读取网络变量

2.3.2 远程访问的实现

LabVIEW提供的Web服务器功能可直接将本地的VI程序面板“搬”到远程计算机上，在远程计算机上进行浏览和操作，以此系统为例，详细介绍如何配置LabVIEW服务器[9]。

(1)单击VI前面板或程序框图上的工具，选择Web发布工具，会弹出对话框，该对话框类似于向导程序，指导用户创建HTML文件和嵌入式VI前面板图像。在VI名称中选择要发布的VI。在查看模式中选择客户端进程访问VI前面板的不同效果，有以下几个选项：嵌入——客户端可通过浏览器进程查看和控制前面板；快照——客户端可以在浏览器中查看前面板的静态图像，但不能控制前面板；显示器——客户端可以在浏览器中查看前面板连续更新的动画快照，但不能控制前面板。

(2) 点击“下一步”，在选择HTML输出中，可以对客户端访问的Web页内容作进一步的设置。

(3) 在保存新Web页中，对Web页的保存进行设置。

(4) 点击连接后，就可以在本地默认浏览器上访问该Web页。也可以将该URL复制，在客户端的浏览器上访问该Web页。

通过网页浏览远程 VI面板并获得控制权，只需要在浏览器地址栏输入网址即可远程获得控制权并对相关参数进行设置。

2.4 数据管理模块

在虚拟仪器测量测试系统中,很重要的一部分工作是对实时采集地的数据进行显示、查询、统计、生成报表分析等。这其中涉及的最主要的任务就是对数据的读取和写入,即与数据库系统进行交互。本文通过LabVIEW数据库访问的工具包LabSQL来实现以上功能。LabSQL是一个免费的、多数据库、跨平台的LabVIEW数据库访问工具包。支持Windows操作系统中任何基于ODBC的数据库,它的优点是易于理解,操作简单,不熟悉SQL语言的用户也可以很容易地使用。只需进行简单地编程,就可在LabVIEW中实现数据库访问[10]。实现数据库功能的第一步便是建立数据源，下面将详述整个过程。

2.4.1 在Access中建立一个数据库

LabVIEW 数据库工具包只能操作而不能创建数据库，所以必须借助第三方数据库管理系统，比如Access，来创建数据库。

2.4.2 建立与数据库的连接

在利用LabVIEW数据库工具包操作数据库前，需要先连接数据库，这就像操作文件前，先要打开文件一样。连接数据库有2种方法，分别是利用DSN连接数据库和利用UDL连接数据库。此处运用第一种方法。

LabVIEW数据库工具包基于ODBC(Open Database Connectivity)技术，如图5所示，在使用ODBC API函数时，需要提供数据源名 DSN(Data Source Names)才能连接到实际数据库，所以我们需要首先创建DSN。在“Windows 控制面板”中双击“管理工具 ”，然后双击“数据源” ，进入ODBC数据源管理器，创建DSN。

2.4.3 数据库基本操作

连接上数据库之后，就可以对数据库进行操作了。如图6所示，通过Open Connection VI、Insert Data VI,Close Connection VI实现数据库的连接、数据插入和断开操作。此外，数据库最常用的几种基本操作包括创建表格、初除表格、添加记录、查询记录。

图5 LabVIEW 数据库工具包基于ODBC技术

3 实验结果分析

为验证所设计啤酒商标检测的有效性和正确性，对本系统进行重复性实验(100次)如下：实验样本中有30个是人为制造的不合格品(漏贴5个、错贴5个、破损10个、倾斜大于10°10个)，其余为合格品，得出的结果如下：当匹配阈值调节到95时，对于不合格的产品一般都能有效的检测出来，其中漏贴错贴和倾斜可以全部检测出来，破损的检测率在90%以上。误检率一般在5%以下。检测100样品总耗时为4 min/5 s，平均每个产品商标的测试周期3 s(影响测试周期的主要因素在于啤酒瓶的旋转和流水线的速度，相机拍照和模版匹配程序执行时间约0.2 s)。从实验结果可以得出检测系统的检测准确率达到90%以上，能够满足目前产线生产的测试要求。后期要解决的主要问题是协调检测的时间和流水线的速度之间的关系，提高产品检测的效率。

4 结束语

针对啤酒瓶商标检测技术存在测试效率低(主要人工测试)、测试方法落后等方面的不足，本文利用LabVIEW DAQ强大的数据采集和处理功能，同时结合LabVIEW IMAQ vision在图像采集和处理功能方面的优势，完成了啤酒瓶商标检测系统的设计。系统软件检测程序采用了多路并行模版匹配算法，对检测系统的结构进行了优化，并提高了测试系统的检测效率。

经验证，所设计的检测系统能够实现在光线变化情况下，对啤酒瓶商标进行准确、高效地检测，可以满足啤酒瓶商标检测的要求。

图6 数据库操作程序

[1] 颜发根,刘建群,陈新,等.机器视觉及其在制造业中的应用.机械制造,2004(11):28-30.

[2] 张五一,赵强松,王东云.机器视觉的现状及发展趋势.中原工学院学报,2008(1):9-12，15.

[3] 闫纯亮.基于虚拟仪器的减速器测试与诊断研究：[学位论文].太原：中北大学,2009.

[4] 李淼,陈春俊,缪晓郎.基于CompactDAQ的动车组空气动力学性能测试系统设计.中国测试,2014(6):145-148.

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[6] 陈敏,汤晓安.虚拟仪器软件LabVIEW与数据采集.小型微型计算机系统,2001(4):501-503.

[7] 王建群,南金瑞,孙逢春,等.基于LabVIEW的数据采集系统的实现.计算机工程与应用,2003(21):122-125.

[8] 谭福生,杨军,申纯太.基于TCP/IP协议激光测距仪数据读取及在Labview的实现.上海电气技术,2010(1)：1-4.

[9] 秦学华,刘亚斌,孙涣鹏,等.基于LabVIEW的虚拟仪器网络化实现.测控技术,2004(2):71-73.

[10] 周熊,叶平.LabVIEW中利用LabSQL对数据库访问的实现.国外电子测量技术,2007(7):15-17.

Beer Trademark Online Detection System Based on Machine Vision

XU Chao1,2，XU Hui-gang2，XIE Qi2，LI Bin1,2

(1．School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China;2． College of Electrical and Automatic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

To the disadvantages of traditional artificial detection of beer bottles trademarks， a real-time online detection system for beer trademarks was designed in this paper.Combining the machine vision,virtual instrument technology and Compact DAQ and giving full play to the advantages of the three and by using parallel processing and taking template matching between the captured image and more than one benchmark images under different illumination conditions，whether there are these phenomenon of missing,wrong posts,trademark damage or trademark tilt was detected.The test system verified by the instance is stable and reliable,and able to effectively identify unqualified trademark.

image;detection;trademark;machine vision;compact DAQ；LabVIEW

江苏省科技厅产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目(BY2014075)

2015-03-19 收修改稿日期：2015-09-10

TP271

A

1002-1841(2015)12-0081-04

许超(1987—)，硕士研究生，研究方向为检测技术。 E-mail：chao_tom@163.com 徐惠钢(1969—)，教授，工学博士，研究方向为工业控制、低压电器柔性测试、多传感器信息融合。 E-mail：xuhuigang@cslg.cn