基于计算机视觉的自动胶囊检测机研发可行性报告

基于计算机视觉的自动胶囊检测机研发可行性报告
一、立项的背景和意义
意义综述：胶囊检测采用人工方式，效率低，招工难，若能实现自动检测，将极大提升本行业的产能与竞争力，实现产业转型升级。

1、国内胶囊生产情况概述
目前中国年产胶囊约2000亿粒，产能约占全球的30%，是全球主要的胶囊生产加工基地。

预计中国胶囊生产将保持每年二位数的增长，产业巨大，对企业所在地的经济增长、保证就业起到了积极的作用。

2、当前困难与问题
胶囊产业正逐步走向自动化、智能化的产业道路，但作为其中关键的环节—胶囊缺陷检测环节，还停留在手工阶段，目前的检测方式完全依赖于人工。

人工方式主要存在以下问题：
▲招工日益困难，目前不少企业因检测工不到位而影响了生产，而检测工的频繁跳槽亦对企业的正常生产造成了极大影响，目前各企业对引入自动检测手段或设备需求极其迫切；
▲人工检测速度慢，跟不上大规模生产的需求；目前国内一流胶囊企业人工检测速度峰值达6万粒/小时左右；一般企业人工检测速度为3-5万粒/小时左右；
▲检测结果易受检测者主观因素（熟练程度、经验判断等）影响；
▲人工方式对劳动者视力会造成极大影响，这既会造成大量劳动纠纷，也不符合国家保护劳动者相关权益的基本精神。

检测手段的落后已成为胶囊生产的行业短板，严重制约了行业的快速发展。

3、立项意义
根据以上分析，实现胶囊自动化检测意义重大。

若能实现自动化检测，既可以克服行业短板、促进企业快速发展，也有利于劳动者权益保护，同时有助于企业转型升级、提升企业竞争力。

二、国内外研究现状和发展趋势
研究综述：胶囊检测是基于计算机视觉而开发的应用系统，其成功与否关键在于计算机视觉算法的开发，目前该领域被国外所垄断。

1、国外现状综述
国外该领域发展情况可概括为：核心算法先进成熟，一般不介入低端的应用系统开发。

1.1成熟的算法--Halcon
国外目前已开发出成熟的计算机视觉函数库，其中全球最知名的是德国的MVTec Halcon（V7.0）。

该函数库可为用户快速开发图像分析和机器视觉程序提供1100多种性能突出的控制库，用以解决模糊分析、形态识别、模式匹配、3D 校正等问题。

该函数库具有很高的商业化程度，使用费用很高。

1.2开源的算法--OpenCV
该算法于1999年由Intel建立，是一个开源的跨平台计算机视觉库，可以运行在Linux、Windows和Mac OS操作系统上。

可实现图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

该算法因开源（免费）而得到广大计算机视觉应用开发商的使用。

1.3在胶囊行业中的应用现状
如同计算机操作系统一样，国外主要将精力放在核心算法（含API）研究上，一般不介入低端的应用系统开发。

且因胶囊制造属劳动密集型产业，发达国家基本上没有类似产业，因此这一产品的国际市场基本空白。

2、国内现状
国内该领域发展情况可概括为：既无核心函数库，亦无成熟的应用领域。

2.1国内软件研发现状
目前国内没有计算机视觉核心函数，也没有可与Halcon匹敌的商业化软件。

国内开发任何计算机视觉领域应用程序，要么向国外支付高额的软件版权费，要么使用开源的OpenCV，做些简单的应用开发。

目前Halcon收费标准大致有二种：
⏹收取年费，一般为90万欧元/年
⏹按次收费，一般按安装的次数或台数收费，约5000元人民币/台
2.2自动检测过程模型
根据检测需求，自动检测设备基本工作原理如下：
要完成上述工作，该设备需具备以下几类模块：
2.3各模块分析
机械装置：该装置实现胶囊的下料、输送，是整个检测系统的硬件承载设备，该装置生产加工属传统的机械加工行业，无技术难度，且属于产能饱和行业。

相机：检测系统的“眼睛”，主要用于高速摄像，提取胶囊表面情况，为计算机判决提供图象依据。

光源：用于为被检测系统提供透视光线。

分析系统：该系统是整个检测系统的核心，根据提取的胶囊表面情况进行大容量、高性能、快速度的图象分析、比对、处理，为下一步动作提供触发依据。

控制部分：根据判决结果，触发相应控制系统，将次品剔除并收集成品。

输出系统：显示检测内容，输出检测结果。

2.4国内产品开发现状
目前国内已有6-8家企业正在进行自动检测机产品开发，但开发主要表现为在租用国外核心算法的基础上开发控制电路和机械硬件部分，开发工作科技含量不高。

这些企业分布为：杭州3家，上海2家，新昌3家（其中一家与广东潮州合作开发）。

3、发展趋势
从行业需求来看，不断提高的自动化检测方式必将取代人工方式，成为胶囊生产不少或缺的一个环节。

同时，计算机视觉在其它工业领域也将进一步得到广泛应用，产业前景巨大。

如与绍兴特色产业紧密结合的纺织品检测、塑料片材检测、轴承等机加工检测、纸张检测、集成电路表面检测等，这些领域都将采用计算机视觉检测系统。

三、研究开发内容和技术关键
1、研究开发内容
本产品的研发包括实际问题数学建模、系统仿真、核心算法研发、光学系统开发、控制软件研发、机械设备研发等六部分，其中核心算法研发最关键。

1）暇疵量化与数学建模
将胶囊的暇疵进行量化处理并建立相应数学模型是研究工作的首要步骤。

这一工作包括暇疵类型整理（收集、分类、归纳）、建立图片库、模型建立、模型校正与优化。

2）系统仿真
为了探讨本研究工作是否可行，是否具备现实操作性，必须建立仿真系统平台对问题进行模拟，以期为后续决策提供依据。

系统仿真将在一个月内完成，其工作包括仿真平台搭建、仿真系统程序开发、仿真测试、输出结论。

3）核心算法开发
核心算法开发包括软件工程算法研究、建模、基于VC的源程序开发。

4）光学系统开发
光学系统是计算机视觉的“眼睛”，其研究工作并不是核心，但关系到整个系统的高效性和准确性。

光学系统开发包括各种高速相机在工业中的应用、相机物理参数研究与确定、光源配置参数与调试工作。

5）控制电路开发
控制电路是整个系统构成的有机组成部分，它将根据计算机判决系统进行有效触发，启动相应控制程序，合理收集检测后的成品和次品。

6）机械部分设计
工业外型设计关系到产品的美观、实用，是产品研发的重要工作。

2、技术关键
计算机视觉系统核心算法开发是本项研究的技术关键，这部分工作是整个研究工作的核心和重中之重，也决定了整个项目的成败。

关键在于要突破国外技术的垄断，面向对象开发相关算法、建立特定函数、编制系统源程序。

四、预期目标
□预期经济指标：一期销售额达到300万元人民币，每年节汇10万欧元□产业化前景：从胶囊检测延伸至纺织品检测、集成电路检测、片材检测、
机加工检测，可普遍代替当前的人工检测方式，市场巨大1、经济指标
1.1国内厂家调研
目前国内约有100多家胶囊生产企业，其分布如下：
1.2国内规模较大的胶囊企业情况
1.3新昌调研情况
绍兴市共有51家胶囊企业，占了全国企业总数的50%左右。

其中新昌县共有44家胶囊企业，年产值超50亿的23家企业中，新昌占据了11家，新昌也因此有“中国胶囊之乡”之称。

新昌县集中了如此众多的胶囊企业，为我公司本地化科研与服务提供了更为便利的条件。

1.4生产线所需检测机配置情况
一般而言，生产线和检测机的配置如下：
1.5市场容量预估
目前各厂家全套检测机定价在16-18万人民币之间，半套检测机尚无定价。

假设全套、半套检测机价格相同，以每台15万人民币计，全套检测机市场容量约1.8亿左右，半套检测机市场容量约3亿左右，全部3210台自动检测机可形成约4.8亿左右的市场。

2、社会效益
2.1最大程度降低劳动伤害
使用自动检测机，人工介入大幅降低，对于保护劳动者权益与身心健康大有裨益。

2.2带动机械产业发展
该产品若实现市场化，将极大带动机械加工行业的发展，在一定程度上缓解机械行业产能过剩的局面。

3、后续前景广阔
在前期开发基础上，对其它行业进行了调研。

结果表明，该检测机可延伸到纺织品检测、机械加工检测、纸张检测、塑料片材检测、集成电路检测等行业，市场前景非常广阔。

五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、研究方案
1.1研究的方法
1）数学建模法
数学模型（Mathematical Model）是一种模拟，是用数学符号、式子、程序、图形等对实际课题本质属性的抽象而又简洁的刻划，它或能解释某些客观现象，或能预测未来的发展规律，或能为控制某一现象的发展提供某种意义下的最优策略或较好策略。

数学模型一般并非现实问题的直接翻版，它的建立常常既需要对现实问题深入细微的观察和分析，又需要灵活巧妙地利用各种数学知识。

这种应用知识从实际课题中抽象、提炼出数学模型的过程就称为数学建模（Mathematical Modeling）。

不论是用数学方法在科技和生产领域解决哪类实际问题，还是与其它学科相结合形成交叉学科，首要的和关键的一步是建立研究对象的数学模型，并加以计算求解。

数学建模是本次研究方法中最重要的一种研究方法，其作用在于把胶囊暇疵转化成数学模型，便于计算机系统读取、识别、处理与判决，从而做出相关的触发。

2）系统仿真法
系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。

在本研究工作中，不可能完全在胶囊生产行业进行大量测试，这既无必要，也会导致研究工作拖沓冗长。

建立仿真系统、系统的结构模型和量化分析模型，将其转换为适合在计算机上验证的仿真系统，这可极大地推进研究工作。

系统仿真法是本研究工作中关键方法之一。

3）实验法
实验法是人们为实现预定目的，在人工控制条件下，通过干预和控制科研对象而观察和探索科研对象有关规律和机制的一种研究方法。

它是人类获得知识、
检验知识的一种实践形式。

在本研究方案中，要实现胶囊自动检测，必须通过大量的实验进行测试、预演、调整及论证，必然广泛使用实验法。

1.2研究的步骤
本研究步骤将严格按以下步骤进行：暇疵量化与数学建模、系统仿真及结果输出、核心算法开发、光学系统开发、控制电路开发及机械配套。

暇疵量化及其数学模型是否能成功建立，是整个研究的基础，必须在充分研究实际问题及客户需要的基础上建立准确的模型，为后期研究提供准确的底层数据，否则整个研发将难以为继。

系统仿真是在仿真平台上验证本研究课题是否备现实操作性。

系统仿真工作具有否定性，直接关系到本项目是否需要继续深入进行。

核心算法开发和光学系统开发、控制电路开发具有并行性，可在核心算法启动并取得相应结果后次递启动。

2、技术路线
3、组织方式
根据本研究课题的实际需要及其跨学科的特点，将整个研发中心分别项目规划和研发二大部门，采用如下组织方式。

4、课题分解
六、计划进度安排
七、现有工作基础和条件
1、人员基础
该产品是一个跨学科的项目，涉及计算机软件、计算机视觉、光学、电路与系统、自动控制、机械等多个学科，这对研发人员学科及专业背景有较高要求。

为此，公司组织了约14人的研发团队。

具体情况如下：
2、实验条件
本项目充分依托浙江大学等高校实验室，立足高品质科研平台及先进的实验设备，开展建模、测试、仿真等相关研发工作。

2.1 浙江大学工业控制技术实验室
该实验室是国家级高科技研究重点实验室之一，以控制理论、自动化仪表及系统、系统工程与优化、以及机器人技术为主要研究方向。

实验室承担了国家九五和十五攻关、863计划、国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金等重要研究课题近百项，获国家和省部委科技进步奖20 余项，其中国家科技进步奖二等奖2项，三等奖1项，省部委科技进步一等奖3项。

该实验室为我方课题提供工业控制咨询与实验。

2.2 浙江大学先进控制技术实验室
先进控制研究所研究方向涵盖控制理论与控制工程、检测技术与自动化装置、模式识别与智能系统等学科。

研究所先后承担了一大批国家级应用基础研究和攻关项目，在工业过程控制理论与总线技术方面取得了一系列重要成果，其中多项成果获国家科技进步奖。

该研究所为我方课题提供控制软件研发咨询。

2.3 浙江大学计算机科学与技术学院
该学院软件工程系主要从事软件架构、算法等研究与教学，目前承担国家自然科学基金重大研究计划及重点项目各1项，省科技厅重大重点项目3项，省基金重点项目1项。

该系拥有先进的软件仿真平台及功能全面的各类实验室。

该系及其实验室为我方提供软件编程仿真平台。

3、机械加工实验条件
公司向外界租赁了设备先进的机加工车间，为设备研发、样机生产、调试提供便利条件。

该车间拥有各类数字化车、铣、刨、磨设备，能实现精密部件加工。

4、浙江中山胶囊有限公司
为了更贴近客户需求，开发出满足客户需要的产品，公司与浙江中山胶囊有限公司达成合作协议，充分利用厂家现有条件，了解胶囊检测的需求、难点与特点，以期为设备研发、测试、调试、定型等提供现实依据。

该公司是一家“AAA”级信誉民营科技先进企业，坐落于浙江新昌县儒岙镇胶囊特色工业园区。

公司占地面积2万平方米，年产胶囊60亿粒。

该公司在胶囊行业极具影响力。

八、经费预算
1、总经费
以实现预期项目规划时间为限，争取一年内基本完成核心算法开发、同年完成样机研制、定型与调试，项目所需总经费约人民币叁佰叁拾万圆整。

清单如下：
2、技术咨询费用
北京自动化研究所：先期利用其在自动化研究方面的优势，为我方搭建实验平台，进行系统仿真，考察该项目立项的可行性、合理性、现实性。

为项目立项提供依据。

该技术咨询费按实际使用的平台、系统进行支付。

目前已支付人民币贰拾陆万圆整（人民币260,000元整）。

3、院校合作项目费
与浙江大学达成院校合作协议，浙江大学向我方研发与设计工作提供技术咨询、实验室平台、人员支持等。

需向浙江大学支付项目合作费共计人民币约肆拾万圆整。

4、机加工费用
机加工车间租赁及服务费共计3.6万元/年。