一種高速無序膠囊缺陷檢測系統的製作方法

2023-05-28 15:33:01

專利名稱：一種高速無序膠囊缺陷檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及藥品檢測領域，具體涉及一種高速無序膠囊缺陷檢測系統。
背景技術：
膠囊缺陷檢測是藥品生產領域的重要環節，為藥品的安全生產與使用提供了重要保證。目前國內藥品質量外形外觀檢測手段主要依靠肉眼識別，人工重複挑選是保證質量的主要手段，挑揀膠囊的員工數量往往要佔到整個膠囊廠員工總數的1/3。在國外，有比較成熟的膠囊檢測系統與設備，如德國博西克斯MASCHINPEX公司的S0RT0MAT 8D檢測機等。 但對國內市場沒直接供應，只有外資在華投資的製藥廠能從海外原裝進口設備，但技術細節對外界嚴格保密。且現有的設備大多是對已經排序以後的有序膠囊進行檢測，這種有序檢測設備存在兩個問題第一，檢測吞吐量較小。由於膠囊排序後，視場內的大部分空間被膠囊託盤所佔有，所以受檢視場內的膠囊個數有所限制，一般單個視場中僅有4顆左右的有序膠囊。而無序膠囊由於膠囊與膠囊間緊密相連，其視場內膠囊密度要遠高於有序膠囊。 第二，需要額外增加膠囊的排序機構，增加了成本。

發明內容
本發明的目的在於提供一種高速無序膠囊缺陷檢測系統，通過一個有效的膠囊分離與檢測軟硬體結合的系統實現了無序膠囊的高速檢測，具有較高的現實意義。本發明的一種高速無序膠囊缺陷檢測系統，包括膠囊傳動裝置、圖像採集與控制系統和缺陷識別系統，還包括DSP系統移植，
膠囊傳動裝置，採用膠囊隨機排列傳輸的方式，在傳輸帶前方安置震動裝置，以使其被檢測藥品在傳送帶上放置平穩、不出現重疊；
圖像採集系統，採用工業用攝像頭的高速快門技術解決拖影問題，並採用雙鏡頭技術， 一個鏡頭帶有紅外線濾鏡，另一個鏡頭具有過濾紅外線功能，通過鏡頭本身的差值，運算後得出兩幅完全重疊的圖像，以紅外圖像作為邊緣檢測，並以此得到的邊緣在另一幅可見光拍攝的圖像中做外觀缺陷檢測，以解決不同檢測光源切換的問題；
缺陷識別系統，包括通過設置動態灰度閾值的方法將前景與背景分離，採用基於閾值的方法提取未分離的無序排序膠囊邊緣；
DSP系統，主要包含圖像採集模塊、FPGA模塊、DM642模塊與存儲模塊這三個模塊。優選的，所述圖像採集系統中，工業用攝像頭在每個新的信號之前對總線進行短期預充電，以保證有關前面像素的所有信息被清洗。所述工業用攝像頭的短期預充電脈衝， 用來將模擬總線短路到地，其應用範圍從VGA到IOMpixel，幀率從500fps到10，OOOfps，數據吞吐率高達5. 5Gpix/s。優選的，所述缺陷識別系統中採用可變三色光，以實現區分各類不同規則，不同型號的藥片的效果。優選的，缺陷識別系統中背景與前景分離，具體方法為首先，在灰度圖基礎上，根據直方圖設定邊緣提取的閾值，得到二值圖，再通過面積與形態濾波去除圖像中的噪聲，從而得到未分離的膠囊邊緣；
然後，利用直線Hough變換分離構成連接邊界的象素點較少、呈現出「點」狀「點」連接膠囊的邊緣；禾_角點識別分離構成連接邊界象素較多、呈現出「線」狀「線」連接膠囊的邊緣，逐步提取出單個的、分離的膠囊邊緣。優選的，所述缺陷識別系統中的提取未分離無序排序膠囊邊緣，具體方法是 先採用動態閾值的方法來區分圖像中的一種背景色與兩種膠囊色；
然後用形態學中的開、閉運算去除噪聲，並割斷連通區中的窄細連接； 最後，利用面積濾波法從膠囊前景中區分出不完整膠囊區、單個膠囊區、多膠囊連通
區
採用逐步求精的方法對多膠囊連通區進行分割，先用Hough變換提取平行邊，將構成連接邊界的象素點較少，呈現出「點」狀「點」連接的膠囊分離；再用角點識別的方法將構成連接邊界象素較多，呈現出「線」狀「線」連接的膠囊分離。優選的，所述DSP移植系統，以AD9200為圖像採集A/D，以TMS320，DM642為DSP核心處理器，應用網絡技術進行圖像傳輸，並以FPGA控制輸出並實現圖像預處理功能。本發明的優點如下
1、無序排列膠囊高速檢測本發明解決了有序排列膠囊檢測中存在吞吐量較小的問題，相對於有序排列膠囊單個視場中僅有4顆左右的吞吐量，提高至單個視場可以有30 顆左右的膠囊。按照每秒60次的快門速度，每分鐘可以檢測大約1500顆左右的膠囊，比有序排列膠囊每分鐘240顆左右的速度提高了 6倍。2、自動化高精度檢測每次檢測只要將膠囊倒入設備漏鬥中，開啟運轉檢測按鈕， 設備自動放置膠囊至傳送帶，經過檢測視場後，顯示屏顯示檢測結果，並採用兩個像機進行立體拍攝；經過生產線上一個月、60000多次的連續測試，準確率達到92%。3、具有自學習能力為了提高設備的適用行，相應開發有樣本學習模塊。每次檢測前，設備通過對無缺陷樣品的取樣拍攝，捕獲正確樣品的特徵，動態運行時調整參數。


圖1為本發明的一種高速無序膠囊缺陷檢測系統的流程圖。圖2為本發明的無序排序膠囊邊緣提取「點」連接與「線」連接示意圖。圖3為本發明的無序排序膠囊邊緣提取中直線段提取與連接的示意圖。圖4為本發明的DSP系統的硬體系統示意圖。
具體實施例方式結合圖1的流程圖所示，採用本發明的高速無序膠囊缺陷檢測系統的流程為，先通過膠囊抓取鬥將膠囊放於流水線上；然後通過傳動裝置將膠囊傳送至圖像捕獲窗口下採集原始圖像；再將採集到的原始圖像進行缺陷識別；最後將是否有缺陷的信號傳給剔除裝置，將缺陷膠囊從傳送帶上剔除。1.傳動與震動裝置
4在膠囊檢測中傳動裝置是檢測中的必要環節，通過傳動裝置將檢測對象連續的、批量的輸送給檢測窗口。目前主要傳動裝置可以分為有序排列(將膠囊通過整齊排列而傳輸)和隨機排列(將膠囊任意放置於傳送帶上而傳輸)兩種方式，前者機械設備複雜(需要有排序機構)，適應性差，只能對單一品種藥品進行傳送，傳送的效率比較低，但有序排列的膠囊易於缺陷識別軟體的實現。後者，有適應度高(可以適應各類大小形狀的膠囊或者藥片)，傳送效率高(每次檢測可以達到30粒以上膠囊或者藥片，而排序方式只有4粒左右)，但是隨機排列的膠囊對缺陷識別軟體提出了更高的要求。相比之下，我們採用後者，為了實現這個方式，採用可變三色光，來達到區分各類不同規則，不同型號的藥片，讓其可以與背景色有明顯差異，從而得到了非常理想的效果。由於機器視覺只能識別正對圖像攝取窗口的、處於被檢物體表面的缺陷，而無法識別背對圖像攝取窗口或側面的缺陷，所以在傳輸帶前方安置震動裝置，使其被檢測藥品不出現重疊，以及膠囊與膠囊之間儘量分離，最終保證無漏檢藥品通過檢測區。2.圖像採集系統
圖像採集系統是機器視覺識別技術的重要環節，採集圖像的質量好壞直接影響圖像識別的準確度與程序算法的複雜程度。圖像採集系統主要包含鏡頭、圖像採集卡、光照條件三部分，其主要解決被檢測膠囊移動時拍攝所帶來的拖影問題和不同檢測光源切換問題。當膠囊在傳送帶上通過拍攝窗口時，移動的膠囊會存在拖影問題(X方向上的重影)。這是由片寬模擬總線的相對較大的RC常數所引起的。對於總線上的信號，由於處理 10比特的精度所用的時間較長，故上一個像素的部分信息可能滯留到當前像素上。這種重影在後續的圖像處理中很難校正。我們採用每秒90幀工業用攝像頭的高速快門技術解決拖影問題。工業用攝像頭在每個新的信號之前對總線進行短暫的預充電。這樣就保證了有關前面像素的所有信息被洗掉。該技術要求產生短期預充電脈衝。這些脈衝用來將模擬總線短路到地。它的應用範圍從VGA到lOMpixel，幀率從500fps到10，OOOfps，數據吞吐率高達5. 5Gpix/s。在實際實驗過程中我們發現通過紅外線對膠囊的邊緣檢測(S卩外形檢測)特別有效，而對其表面缺陷檢測(即外觀檢測)比起可見光有所不足，由於邊緣檢測得到的數據作為後續的外觀檢測的依據，所以不能分開拍攝。為此我們採用雙鏡頭技術，將兩個鏡頭一個帶有紅外線濾鏡，另一個具有過濾紅外線功能，通過鏡頭本身的差值，運算後得出兩幅完全重疊的圖像，以紅外圖像作為邊緣檢測，並以此得到的邊緣在另一幅可見光拍攝的圖像中做外觀缺陷檢測，從而解決了雙光源檢測的問題，為後續的機器視覺識別提供了可靠的圖像保證。3.缺陷識別軟體
缺陷識別算法是該軟體部分的核心，也是整個設備的一個難點。缺陷識別算法是將採集到的圖像，進行分析處理，從而得到是否存在缺陷的結論，算法處理過程中包含以下幾個步驟。1)背景與前景分離
背景與前景分離的依據是兩者的灰度值不同，所以可以通過設置灰度閾值的方法將前景與背景分離，具體的又可以分為靜態閾值與動態閾值兩種方法。
靜態閾值顯然不適用於本問題，在膠囊檢測現場，即使圖像採集的環境(包括光照、拍攝距離、曝光時間、流水線速度)完全相同，由於隨機排列膠囊的分布位置不同，導致採集到的圖像的灰度分布依然不同，所以提取邊緣時所使用的閾值需要動態設置。灰度直方圖中的波谷可以作為動態灰度閾值設置的依據。由於圖像中包含一種背景色，兩種膠囊色，共三種顏色，所以直方圖中有三個波峰與兩個波谷，一個波谷可以用於區分背景與前景，另一個可以用於區分膠囊本身的兩種顏色。這兩個波谷中的第一個波谷可以設置為膠囊邊緣提取的閾值，判斷的依據是該波谷所在的灰度級別不同且相鄰波峰高度的不同。具體方法為首先，在灰度圖的基礎上，根據直方圖設定邊緣提取的閾值，得到二值圖，再通過面積與形態濾波去除圖像中的噪聲，從而得到未分離的膠囊邊緣。然後，利用直線Hough變換分離「點」連接膠囊的邊緣；禾Ij用角點識別分離「線」連接膠囊的邊緣，逐步提取出單個的、分離的膠囊邊緣。這種方法可以大幅提升膠囊的檢測速度(對有序排列的膠囊每次檢測的數量在10顆左右，對隨機排列的膠囊每次可以檢測30顆)。2 )無序排序膠囊邊緣提取
未分離邊緣提取是指將堆狀的隨機排列的膠囊與背景進行分割，以得到儘量精確的多膠囊連通區。未分離邊緣提取的方法主要有以下幾類基於閾值的、基於梯度的、基於區域的、基於聚類和基於一些特定環境下的檢測方法。本專利採用基於閾值的方法對邊緣進行檢測。我們先採用動態閾值的方法來區分圖像中的一種背景色與兩種膠囊色。然後用形態學中的開、閉運算去除噪聲，並割斷連通區中的窄細連接。最後，利用面積濾波法從膠囊前景中區分出不完整膠囊區、單個膠囊區、多膠囊連通區。區分的方法是若第i個區的面積是Ai，設定標準單個膠囊的面積下限為慫，上限為Ah，則可以將圖像中的連通區分為三類
(1)噪聲或處於圖像邊界上的不完整膠囊，；
(2)單膠囊連通區，AJ <Ah；
(3)多膠囊連通區，ΑΑAh ；且η =(Ai Mod (AL+AH)) /2，η為多膠囊連通區中膠
囊個數。3) 「點」連接膠囊分離
完成未分離邊緣的提取後，僅僅實現了前景與背景的分離，對於前景中緊密相鄰的膠囊與膠囊之間還會構成一些多膠囊的連通區，這些連通區的連通個數、角度、連接位置均不確定，甚至有可能出現多膠囊多點連接，以及平行連接的情況。按多膠囊連接緊密的程度可以分為「點」連接與「線」連接兩種情況。「點」連接是指構成連接邊界的象素點較少，呈現出 「點」狀，如圖2中①④兩處；「線」連接是指構成連接邊界象素較多，呈現出「線」狀，如圖2 中②③兩處。我們採用逐步求精的方法對多膠囊連通區進行分割，先用Hough變換提取平行邊，將「點」連接的膠囊分離；再用角點識別的方法將「線」連接的膠囊分離。「點」連接情況下膠囊的邊緣特徵信息基本完整，如膠囊的平行邊、中線、兩端帽沿都較完整，沒有因連接而受到破壞。由此，我們把膠囊邊界中的平行邊對作為「點」連接分離的依據。平行邊對特徵通過Hough變換與直線對匹配進行提取，提取後就可以把「點」 連接的膠囊從連通區中分離出去，如圖2中的①④兩處。
( 1) Hough變換提取直線段
Hough變換是將(x，y)平面中直線上的點映射到(P，θ )平面上的一個點，再通過統計特性來尋找峰值。此方法具有抗幹擾性強和旋轉不變性的優點，直線提取的結果如圖3。(2)直線段連接
在圖3中，「點」連接中斷了部分膠囊的平行邊情況，即一條長直線段被切割成了兩條或多條短直線段。因此要對這些短直線進行連接，以恢復原來的直線信息；與此同時，「點」連接被分離了。如圖3中的5、6與7、8進行連接後，膠囊邊緣的兩處「點」連接完成了分離。直線段可以連接的依據是直線段之間的角度與位置關係。對於兩直線L1和L2(如圖3中的5與6)，它們的端點間最小距離為Ln，最大為Lf，直線L1的中點到直線L2的距離為Cl1，直線L2的中點到直線L1的距離為d2，如同時滿足以下3個準則，則連接兩直線。準則1:|angle (L1, L2) | < t x (角度)，或者min (L1, L2) / max (L1, L2) < 0. 15, 且 Bngle(L11L2) I 1。準則2 滿足以下兩個條件之一 (1) Cd1 + d2)/ 2 < t2, (2) Bngle(L11L2) < ε ^ tx，且(屯 + 4)/ 2 < (1+ ε 2) * t2，其中 0< ε ^1,0( ε 2<1。準則3 滿足以下兩個條件之一 (1) Ln L1+ L2, (2) | Bngle(L11L2) < ε 3* t1 Cd1 + d2) / 2 < ε 3 * t2, Ln max (L1, L2)，其中 0< ε 3<1。準則1用於判斷兩條直線在方向上的近似程度。準則2用於判斷兩直線的位置關係。準則3用於判斷兩直線間間隙的大小。(1)平行邊匹配
經直線段連接後，需要將這些直線兩兩匹配，組成平行邊對。再利用平行邊對恢復出膠囊兩端的帽沿，從而把帽沿上的「點」連接分離。平行邊匹配的依據是單個膠囊有兩條平行邊，它們的長度相當，之間的距離為膠囊的短軸長度。在Hough變換提取直線段過程中，已將直線轉換到(P，Θ)平面。若兩條直線在(P，θ )平面上的坐標分別為(Ρι，θ1)%(ρ2， θ 2)，它們的長度分別為L1與L2,標準的膠囊軸長度為d ；則以下三個條件同時滿足時，判定兩直線平行。條件1 : I θ 丨一 θ 21 < ε 4 條件 2 I P i — P2| - d< ε 5 條件3:| L1 - L2 < ε6
4) 「線」連接膠囊分離將「點」連接膠囊分離後，剩餘部分為「線」連接區。產生「線」連接的原因是兩個或多個膠囊平行排列且在平行邊處緊密相連，造成了平行邊的缺失，所以無法用平行邊識別法提取「線」連接的膠囊。「線」連接情況雖然平行邊缺失，但在缺失的平行邊兩端，形成了曲率較大的角點。通過對角點特徵的識別可以恢復出缺失的平行邊。(1) Freeman 鏈碼
一條離散曲線可以定義為Z域內一組數量有限的8連通點。因此，一條數位化二值曲線可以用Freeman鏈碼(方向鏈碼)表示。Freeman鏈碼是相鄰兩象素連線的8種可能的方向值。膠囊的邊緣曲線被離散化後形成η個鏈碼方向，最終此曲線鏈碼可以表示為IaJn, 其中 ={0，1，2，3，4，5，6，7}，1為象素的索引值，叫是由象素(1)指向象素(1 + 1)的方向鏈碼。
(2)角點識別
角點是二維圖像亮度變換劇烈的點或圖像邊緣曲線上曲率極大值的點。這些點也是圖像圖形中的重要特徵，信息的含量很高。角點檢測的方法可以採用Rosenfeld A和Freeman H等人提出基於邊緣曲線的檢測方法。膠囊的邊緣經Freeman鏈碼表示後，可以採用基於邊緣曲線的鏈碼差來估算曲率。對於鏈碼曲線中第i點，根據鏈碼差定義的曲率為
權利要求
1.一種高速無序膠囊缺陷檢測系統，包括膠囊傳動裝置、圖像採集與控制系統和缺陷識別系統，其特徵在於，還包括DSP系統移植，膠囊傳動裝置，採用膠囊隨機排列傳輸的方式，在傳輸帶前方安置震動裝置，以使其被檢測藥品在傳送帶上放置平穩、不出現重疊；圖像採集系統，採用工業用攝像頭的高速快門技術解決拖影問題，並採用雙鏡頭技術， 一個鏡頭帶有紅外線濾鏡，另一個鏡頭具有過濾紅外線功能，通過鏡頭本身的差值，運算後得出兩幅完全重疊的圖像，以紅外圖像作為邊緣檢測，並以此得到的邊緣在另一幅可見光拍攝的圖像中做外觀缺陷檢測，以解決不同檢測光源切換的問題；缺陷識別系統，包括通過設置動態灰度閾值的方法將前景與背景分離，採用基於閾值的方法提取未分離的無序排序膠囊邊緣；DSP系統，主要包含圖像採集模塊、FPGA模塊、DM642模塊與存儲模塊這三個模塊。
2.根據權利要求1所述的高速無序膠囊缺陷檢測系統，其特徵在於，所述圖像採集系統中，工業用攝像頭在每個新的信號之前對總線進行短期預充電，以保證有關前面像素的所有信息被清洗。
3.根據權利要求2所述的高速無序膠囊缺陷檢測系統，其特徵在於，所述工業用攝像頭的短期預充電脈衝，用來將模擬總線短路到地，其應用範圍從VGA到lOMpixel，幀率從 500fps 到 10，OOOfps，數據吞吐率達 5. 5Gpix/s。
4.根據權利要求1所述的高速無序膠囊缺陷檢測系統，其特徵在於，所述缺陷識別系統中採用可變三色光，以實現區分各類不同規則，不同型號的藥片的效果。
5.根據權利要求1所述的高速無序膠囊缺陷檢測系統，其特徵在於，缺陷識別系統中背景與前景分離，具體方法為首先，在灰度圖基礎上，根據直方圖設定邊緣提取的閾值，得到二值圖，再通過面積與形態濾波去除圖像中的噪聲，從而得到未分離的膠囊邊緣；然後，利用直線Hough變換分離構成連接邊界的象素點較少、呈現出「點」狀「點」連接膠囊的邊緣；禾_角點識別分離構成連接邊界象素較多、呈現出「線」狀「線」連接膠囊的邊緣，逐步提取出單個的、分離的膠囊邊緣。
6.根據權利要求1所述的高速無序膠囊缺陷檢測系統，其特徵在於，所述缺陷識別系統中的提取未分離無序排序膠囊邊緣，具體方法是先採用動態閾值的方法來區分圖像中的一種背景色與兩種膠囊色；然後用形態學中的開、閉運算去除噪聲，並割斷連通區中的窄細連接；最後，利用面積濾波法從膠囊前景中區分出不完整膠囊區、單個膠囊區、多膠囊連通區採用逐步求精的方法對多膠囊連通區進行分割，先用Hough變換提取平行邊，將構成連接邊界的象素點較少，呈現出「點」狀「點」連接的膠囊分離；再用角點識別的方法將構成連接邊界象素較多，呈現出「線」狀「線」連接的膠囊分離。
7.根據權利要求1所述的高速無序膠囊缺陷檢測系統，其特徵在於，所述DSP移植系統，以AD9200為圖像採集A/D，以TMS320，DM642為DSP核心處理器，應用網絡技術進行圖像傳輸，並以FPGA控制輸出並實現圖像預處理功能。
全文摘要
本發明公開了一種高速無序膠囊缺陷檢測系統，包括採用膠囊隨機排列傳輸的方式、在傳輸帶前方安置有震動裝置的膠囊傳動裝置；採用每秒90幀工業用攝像頭的高速快門技術解決拖影問題、並採用分別以紅外線濾鏡和過濾紅外線功能的鏡頭作為雙鏡頭以解決不同檢測光源切換問題的圖像採集系統；包括通過設置動態灰度閾值的方法將前景與背景分離、採用基於閾值的方法提取未分離無序排序膠囊邊緣的缺陷識別系統；及DSP系統移植。本發明的缺陷檢測系統，採用機器視覺技術對固體膠囊的外形、外觀進行檢測，不需要接觸檢測物品，屬於非接觸式檢測，解決了被檢測膠囊一般技術下的二次汙染的問題，是環保型檢測系統，且檢測效率、精度與自動化程度高。
文檔編號G01N21/89GK102507598SQ20111034122
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月2日 優先權日2011年11月2日
發明者吳宏傑, 李林燕, 胡伏原, 董興法, 蔣敏 申請人:蘇州科技學院