基于数字图像处理的啤酒瓶静态智能检测技术

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图像处理
图像处理包括三个基本环节：图像预处理、图像测
量与识 别 及 智 能 决 策 。预 处 理 环 节 主 要 通 过 灰 度 校 正 、
Biblioteka Baidu,,
・测试与控制 ・
频域图像增强、空间域图像锐化等技术，过滤噪声，凸 现破损点以便于后续处理。然后，采用图像二值化、边 缘提取、区域分割以及模板匹配等方法，识别出破损类 型及位置。在此基础上，通过图像测量，确定破损程 度，进而经过智能决策环节判断是否允许再次使用
节。国家质量技术监督局要求强行实施强制性国家标准
!"#$##%&’’(，以 保 证 消 费 者 使 用 瓶 装 啤 酒 的 安 全 ，减
少伤害事故
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。然而，根据新标准生产的专用啤酒瓶（"
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图象处理系统构建
检 测 系 统 由 三 个 基 本 模 块 构 成 见 图 &： 成 像 装 置 、
瓶）不仅成本高，而且强制实施 + 年报废。全国夏季啤 酒最高产量达到 ,-- 吨， &--- 多万 瓶 ，年 产 近 三 亿 瓶 。 新标准的实施无疑将给厂家和消费者带来巨大负担。因 此，啤酒瓶的回收重复利用是厂家降低成本的重要举措。 当前，操作人员检查瓶子是否清洗干净、是否有伤 残时，都是通过荧光板照射等人工目测进行。另一方 面，瓶检中，由于数量很大，只能小批量抽验，难以避 免一些劣质啤酒瓶混入啤酒灌装工序。发达国家多采用 一次性薄瓶罐装。由于基本不存在回收和二次使用问
（&0后勤工程学院，四川 重庆，#---#&；+0军事医学科学院，北京
&---,$）
摘
要：提出了一种对再利用啤酒瓶进行质检的智能型方法—图像处理法。文中论证了啤酒瓶质量图像检测 的可行性，讨论了实现检测的基本思想，论述了系统实现的基本技术路线，建立了系统构架，并分 析了研究中需要关注的主要问题。该系统的研制有助于克服当前人工检测的弊端。
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图象处理、控制机构。其中，控制机构主要功能是将识 别出的不合格瓶从检测序列中剔除。本研究主要对前两 部分重点进行分析论证。
图像预 处理 图像识别 图像测量
光学成像
图像采集
控制机构
智能决策
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题，事故概率很低，因此较少涉及此方面的研究。 图 像 测 量 技 术 是 以 近 代 光 学 为 基 础 ，融 光 电 子 学 、 计算机视觉原理、图像处理技术等科学技术为一体的现 代测试技术，并在军事、医学、资源分析、测绘等领域 得到广泛应用，取得了巨大成功。随着计算机技术的发 展和电子成像器件的成熟，图像测量日益受到人们重视， 应用范围不断扩展。由于算法改进和计算机性能的提高， 使开发基于图像处理的啤酒瓶快速检测技术成为可能。 基于上述分析，开展 “啤酒瓶质量智能检测与识别 研究”课题研究，建立一套光学成像、图像采集装置和
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时，由于摄像设备的不完善、图像传输介质的影响以及 相对运动等因素，使摄取的图像与实际图像之间存在差 异，即图像中含有噪声。由于噪声的产生机理往往是随 机的，很难将其用数学模型化，所以根据噪声具有的一 般特征对图象进行平滑化处理。常用的去噪方法有：中 值滤波、移动平均法滤波、保持边缘的平滑化、最小二 乘法滤波、加权中值滤波等。为了既保持图像的边缘特 征，又去除由于噪声所造成的图像模糊，采用有选择的 局部平均化方法更为合理。如果一幅图像的灰度值集中 在一小范围内，则不利于图像分辨。可采用直方图均衡 化的方法，使图像具有均匀的直方图，以便利用整个灰 度值范围。 （"）边缘提取。边缘提取通过特征检测获取故障图 像的轮廓特征，以便于根据这些特征信息进行模式识 别。啤酒瓶的国家标准中有两条规定： ! 不允许有明显 影响使用的不透明砂、气泡、合缝线及炸裂纹。 " 瓶口 封合面上不准有影响使用的疵点。这些缺陷会使图像产 生灰度的突变。要发现这些特征就需要对缺陷特征进行 提取，对一些较小而不易辩识的疵点要进行放大。常用 的 边 缘 提 取 方 法 有 ： ()*+),-). 变 换 、 /-00 变 换 和 1234+ 算子。 ()*+),-). 变换由于对噪声很敏感，容易使图像效 果变差。而 /-00 变 换 具 有 方 向 性 ，所 以 采 用 1234+ 算 子 提取图像中的边缘特征较合适。 （$）图像测量与故障识别。在完成图像预处理的基 础上，根据不同故障或破损模式，计算出裂纹长度、气 泡、砂眼或损点直径等具体数据，然后判别是继续使 用，还是直接剔除。识别可采用专家系统和模糊识别相 结合的方法。 通过识别确定啤酒瓶故障后，计算机向外围设备发 出控制信号，将故障瓶从检测线上迅速排除。
（上接第 BL 页）
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合理使用样板图及块等功能
使用样板图可对工作需要的一些参数设置进行统
端点 假设为任意直线 端点 假设为任意直线
一，避免重复劳动。如在样板图中完成图层的设置，线 型的安装，标注尺寸的设置等。可以通过制作插入块的 功能对于象粗糙度这样的图形符号有较大的帮助。
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阈值建立
啤酒瓶作为普通工业化产品，在一定程度上允许缺陷
存在。特别是回收瓶，轻微的破损难以完全避免。因此， 需要根据实际中对不同模式破损瓶的综合检测，确定相应 允许的破损程度。另一方面，考虑到啤酒瓶为主体呈柱体 的形状复杂的结构，而瓶身可能存在编号、标志等奇异 点，而设计上瓶身不同部位的厚度不完全均匀，加之成像 过程中光线非均匀性、镜头差异等因素影响，正常图像具 有较大的变化梯度和故障特征。所以，合格品在检测成像 上亦具有较大的离散性，图像处理中不仅需要剔除正常的 奇异点，而且还需要在大量检测基础上，确定不同破损模 式的允许破损度（尺寸）和图像变化梯度。 基于上述分析，对气泡、瓶体厚度不均等缺陷，通 过梯度变化确 定 ；对 砂 眼 、裂 纹 及 其 他 外 力 破 损 问 题 ， 则通过图像测量方法进行判别。图像检测必须首先建立 合理的阈值，超过允许阈值即为不合格。由于不同批 次、规格、颜色的啤酒瓶成像上差异很大，其阈值也应 与之相适应。考虑到实际检测中的离散性，可进一步采 用模糊识别方法。
有的折射、反射等性质，而且具有一些其它特点。为了 避免啤酒因为光照而使品质变差，啤酒瓶都做成深色 的，目前常见的啤酒瓶主要有绿色和棕色两种颜色。深 颜色不利于发现细微破损点，提高了对光源的要求。该 部分主要包括光学成像和图像采集两部分研究内容。前 者重点研究光源类型、光源功率、灯具种类、图像采集 器 ../ 位置等因素的影响，后者则负责将图像数字化并 将图像传送到计算机中的指定位置。
测，是保障啤酒瓶使用安全性的重要手段之一。本文探 讨了基于图像处理方法实现啤酒瓶静态检测的基本思路， 初步构建了系统结构形式，分析了其中的关键技术及实 现方法，为实现啤酒瓶质量的图像检测奠定了基础。
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・测试与控制・
参考文献：
!"# 啤酒瓶 $%&’(’’)"**+!,#$ 中华人民共和国国家标准
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（" ） ： !+# 辛巧娟 $ 引起啤酒瓶爆炸的直接原因 !2#$ 包装论坛， "***. +78$
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软件开发
软件开发不仅要实现各种检测、统计和管理等复杂
功能，而且是实现图像处理模型和算法的关键步骤。通 过选择合适的编程语言，建立合理的程序结构，优化程 序代码等手段，都可以提高运算效率，加快图像处理的 速 度 。 开 发 语 言 拟 采 用 面 向 对 象 的 56178( 9:: 。 与
5;、 <=>?>8@、 <=AB>= 等 开 发 平 台 相 比 ， 它 更 具 良
好的运算速度和封装特性，适合微型机的处理水平。
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快速图像处理算法
全 国 日 产 啤 酒 &’’’ 多 万 瓶 ， 要 完 成 对 所 有 啤 酒 瓶
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结论
啤酒瓶质量，特别是回收瓶质量的快速智能化检
的检测、识别及处理，必须提高检测识别的速度。图像 检测和处理均有相关硬件完成，因此提高检测速度的关 键在于建立快速图像处理的模型，开发相应的软件。主 要包括四个环节。 （&）图像预处理。包括去噪、均衡化等。摄取图像
收稿日期： !""#$%%$"& 基金项目： 重庆市科委攻关项目 （!!"#） ，男，博士，教授。主要从事电 作者简介：赵宏伟 （#"$%& ） 力系统自动化、检测控制等方向研究。在相关领域发表学术 论文 $’ 余篇。
图! 啤酒瓶质量检测系统基本结构
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成像装置
啤酒瓶作为一种玻璃容器，不仅具有普通玻璃所具
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主要研究内容
图像获取
啤酒瓶质量检测中，主要目标为发现破损点，进而
确定破损模式及破损程度，从而判别能否继续使用。与 普通成像相比，啤酒瓶成像具有以下几方面特点：一是 啤酒瓶高度较大，需要较大面积的均匀光源；二是啤酒 瓶多采用深色，并且瓶体为复杂的中空结构，不利于光 线传播，因此，光源不仅需要有较高的照度，而且需要 有良好的光色和平行光性质；三是图像传感器需要有足 够高的分辨率，以发现并测量出破损程度。 考虑到上述因素，成像装置设计中，需着重考虑光 源和灯具的选择、图像传感器选择，确定最佳的图像获 取位置，并保证较高的成像速度，为工程应用作好铺垫。
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合理使用 )*+
对于 9:, 一般来说是在三维绘图中用到较多，其实
张晓清 . 等 $ 基于图像处理的啤酒瓶质量图像检测研究 !/# !-# 赵宏伟， 研究报告， -00-."-$ 赵宏伟 $ 啤 酒 瓶 检 测 系 统 成 象 装 置 的 设 计 !2# ， 无损检测， !1# 赵连明，
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（- ） ： !’# 王国法 $ 瓶罐玻璃气泡缺陷探讨 !2#$ 中国玻璃， "**’. -*711$ （1 ） ： "***. !(# 王林国 $ 啤酒瓶爆炸原因分析及控制措施 !2#$ 中国玻璃，
关键词：啤酒瓶；图像处理；边缘检测；图像测量 中图分类号：123’&0# 文献标识码：4 文章编号：&--+%((53 （+--$）-#%-,,%-3
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引言
啤酒瓶质量检测是啤酒生产行业日益重视的重要环
数字图像处理算法及分析软件平台，提高回收瓶的质 量，从而为企业降低成本，提高啤酒瓶重复使用的安全 性，降低爆瓶事故发生率，不仅具有理论研究价值，而 且有着重大的社会效益和经济效益。
第 %+ 卷第 # 期 ・测试与控制・ !""1 年 2 月
机电产品开发与创新
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基于数字图像处理的啤酒瓶静态智能检测技术
赵宏伟 !，张晓清 !，冯裕钊 !，杜胜祥 "