摘 要：提出了基于機(jī)器視覺(jué)的葡萄糖檢測(cè)試驗(yàn)方案，介紹了葡萄糖藥液視覺(jué)檢測(cè)原理和試驗(yàn)裝置硬件結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)闡述了圖像采集卡和攝像機(jī)的配合應(yīng)用和軟件工作流程。 關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué) 葡萄糖檢測(cè) 圖像采集卡 CCD攝像機(jī)

Design of a Glucose Inspection System based on Machine Vision

Abstract: A project of glucose inspection based on machine vision is presented, the principle of vision inspection and the hardware structure is introduced, the cooperation of image grabber and CCD cameras and software process are expounded in detail. Key word: Machine vision; glucose inspection; image grabber; CCD camera 1 引言 　　隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，高速醫(yī)藥流水生產(chǎn)線上傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)方法速度慢、檢測(cè)質(zhì)量受人為因素和工作環(huán)境的影響衛(wèi)生條件難以保障，為滿足現(xiàn)代質(zhì)量控制和流程控制要求，需要研究更先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)來(lái)完成醫(yī)藥產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)。 　　機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)代很多高難度的手術(shù)都要在機(jī)器視覺(jué)的配合下完成，比如皮膚的檢測(cè)，腦部CT成像，視覺(jué)手術(shù)等。在醫(yī)學(xué)上機(jī)器視覺(jué)還被應(yīng)用在一些醫(yī)藥產(chǎn)品的檢測(cè)，醫(yī)學(xué)的一些科學(xué)研究中，比如葡萄糖藥液檢測(cè)，染色體檢測(cè)，紅細(xì)胞檢測(cè)等[1]。 　　為了有效解決現(xiàn)代醫(yī)藥生產(chǎn)線上的產(chǎn)品實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題，本文針對(duì)葡萄糖藥液的質(zhì)量檢測(cè)設(shè)計(jì)了一套檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)目標(biāo)就是：利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，使用多臺(tái)CCD攝像機(jī)、專用光源、工性能的工業(yè)計(jì)算機(jī)來(lái)取代人工，實(shí)現(xiàn)葡萄糖質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為研制高精度、高速的智能葡萄糖自動(dòng)檢測(cè)裝置提供了有效的依據(jù)[2]。 2 葡萄糖檢測(cè)流程 　　藥用葡萄糖注射液的生產(chǎn)流程如圖1所示，首先通過(guò)高濃度的葡萄糖加適當(dāng)比例的蒸餾水得到葡萄糖溶液，然后葡萄糖溶液灌裝到經(jīng)過(guò)高溫和紫外線消毒的容器里面進(jìn)行封裝。封裝后的產(chǎn)品在進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)的對(duì)象主要是： 　?。?） 藥液里面的懸浮物，如不容性雜質(zhì)，玻璃纖維等; 　?。?） 瓶身的缺陷; 　　（3） 瓶身有未清洗干凈的臟污; [align=center] 圖1 葡萄糖生產(chǎn)工藝流程[/align] 　　傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是人工檢測(cè)，檢測(cè)車間設(shè)在一間獨(dú)立的暗房中，帶檢測(cè)的葡萄糖用人工的方式放在流水線上，流水線的速度由檢測(cè)工人控制，當(dāng)藥品傳送到檢測(cè)工人面前時(shí)，工人將其從流水線上拿出，在專用的燈箱下判斷產(chǎn)品質(zhì)量是否合格。 　　人工檢測(cè)存在著很大的弊端： 　　1） 現(xiàn)代生產(chǎn)線的速度越來(lái)越高，人工檢測(cè)很難滿足流水線的檢測(cè)速度; 　　2） 現(xiàn)代制造強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)、在線、非接觸檢測(cè)，確保對(duì)制造過(guò)程實(shí)現(xiàn)全面控制，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的合格率，這是傳統(tǒng)檢測(cè)手段無(wú)法提供的; 　　3） 現(xiàn)代產(chǎn)品的制造精度大大提高，要求相應(yīng)高精度的檢測(cè)方法。 　　4） 傳統(tǒng)的人工無(wú)法持續(xù)保持一致的檢測(cè)效果;不同的檢測(cè)者之間存在差異;無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的流程控制; 　　5） 傳統(tǒng)檢測(cè)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代的質(zhì)量控制和統(tǒng)計(jì)流程控制（SPC）。 3 檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)搭建 　　對(duì)于葡萄糖藥液里面的微小的玻璃屑、橡膠屑或其他的一些不溶性顆粒，在靜止的情況下一般都沉淀在瓶底或懸浮在藥瓶的上端，人工檢測(cè)需要葡萄糖液體倒置，使其液體發(fā)生運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也帶動(dòng)固體雜質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，雜質(zhì)隨著藥體運(yùn)動(dòng)到中心區(qū)域，此時(shí)再觸發(fā)攝像機(jī)采集圖像可以拍攝清晰的次品圖像，也可以通過(guò)判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的方式來(lái)判斷是否存在雜質(zhì)。基于這樣的檢測(cè)原理，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)高速的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以帶動(dòng)藥瓶做高速的旋轉(zhuǎn)然后劇停，從而帶動(dòng)雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)到檢測(cè)區(qū)域。 　　3.1 平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)圖 　　如圖2所示，待檢測(cè)的葡萄糖藥瓶被卡在轉(zhuǎn)床上，轉(zhuǎn)床旋轉(zhuǎn)的時(shí)候帶動(dòng)藥瓶高速旋轉(zhuǎn)，用于機(jī)器視覺(jué)的專用LED光源安裝在如圖所示的光源盒內(nèi)，CCD攝像機(jī)將拍攝到的圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)。下面對(duì)硬件平臺(tái)作詳細(xì)的介紹。 [align=center] 圖2 葡萄糖雜質(zhì)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　（1） 把手：按照上圖所示的方向轉(zhuǎn)動(dòng)把手可以帶動(dòng)瓶卡上下運(yùn)動(dòng)，以便放置藥瓶; 　?。?） 電機(jī)：普通的交流電機(jī)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)床的主軸高速轉(zhuǎn)動(dòng); 　?。?） 上端瓶卡：將葡萄糖瓶卡在底座上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)把手時(shí)瓶卡作上下運(yùn)動(dòng)方便放置藥瓶; 　?。?） 光源盒：光源盒里放置一環(huán)形紫外光源，透過(guò)瓶底向上照射藥體; 　?。?） CCD攝像機(jī)：負(fù)責(zé)拍攝運(yùn)動(dòng)的藥體; 　　（6） 工控機(jī)：負(fù)責(zé)處理CCD攝像機(jī)拍攝到的圖像序列; 　　3.2工作過(guò)程 　?。?） 轉(zhuǎn)動(dòng)把手將上端瓶卡向上提起，放置待檢測(cè)的葡萄糖藥瓶于底座上; 　?。?） 放下把手，將其卡緊，開(kāi)啟轉(zhuǎn)床，轉(zhuǎn)床的主軸帶動(dòng)瓶卡高速轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力的作用瓶卡帶動(dòng)藥瓶也做高速的轉(zhuǎn)動(dòng); 　　（3） 停止轉(zhuǎn)床，瓶卡停止轉(zhuǎn)動(dòng)，葡萄糖藥瓶停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但藥液在慣性的作用下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)之后緩慢停止; 　?。?） 在此過(guò)程中連續(xù)拍攝7幅圖像，在這一序列的運(yùn)動(dòng)圖像中，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別; 　?。?） 當(dāng)識(shí)別到的目標(biāo)超過(guò)規(guī)定的容許指標(biāo)時(shí)，判斷此瓶藥液為不合格 　　3.3 視覺(jué)成像系統(tǒng)配置 　　圖像采集部分將完成流水線上的運(yùn)動(dòng)圖像獲取，圖像采集部分采集圖像質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)檢測(cè)效率[3]。圖像采集部分主要由CCD攝像機(jī)完成。CCD攝像機(jī)攝取圖像信號(hào)，由圖像采集卡將圖像信號(hào)采集進(jìn)來(lái)。本套實(shí)驗(yàn)裝置選用兩個(gè)方位的攝像機(jī)對(duì)待檢測(cè)物體進(jìn)行檢測(cè)，一個(gè)俯拍位一個(gè)側(cè)拍位，對(duì)有些待檢測(cè)物體可以進(jìn)行多方位的檢測(cè)。攝像機(jī)采用的是Pulnix公司的TM6703[4]，采集卡選用的是Matrox公司的Cornora2[5]。 　　Matrox Corona Ⅱ 是Matrox Graphics Inc., 生產(chǎn)的圖像控制器，可采集隔掃描/逐行掃描的分量RGB信號(hào)和單/雙路黑白模擬視頻信號(hào); 3路10bit A/D轉(zhuǎn)換器;24-bit RS-422/LVDS 數(shù)字接口;模擬情況下采集率達(dá)到30MHz，RS-422數(shù)字模式下達(dá)到25 MHz，LVDS數(shù)字模式下達(dá)到40 MHz ;連接2個(gè)RGB或6個(gè)模擬黑白視頻信號(hào); 32-bit/33MHz PCI總線主模式 ;擴(kuò)展板上實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ) ;可同時(shí)支持模擬VGA和獨(dú)立的數(shù)字VGA或TV輸出[4]。 　　Pulnix公司的TM6703是1/2寸，648＊484，快門(mén)速度為1/60～1/32000 秒，同時(shí)帶有異步重置功能。當(dāng)VINIT脈沖發(fā)生作用時(shí)，重置攝像機(jī)的掃描清除CCD。當(dāng)在異步模式下和外部VINIT高電平信號(hào)的作用下，異步功能將自動(dòng)被選擇，信號(hào)讀出會(huì)被禁止直到有觸發(fā)。下面是攝像機(jī)異步重置的三種模式： 　　1）控制脈沖寬度的外部VINIT：快門(mén)速度有脈沖寬度來(lái)控制; 　　2）快速內(nèi)部觸發(fā)模式：當(dāng)VINIT的下降沿和外部HD是一樣的時(shí)候，信號(hào)抓取沒(méi)有延時(shí)，否則，會(huì)有0-1HD的延時(shí); 　　3）慢速內(nèi)部觸發(fā)模式：快門(mén)速度可以選擇在1/250-1/2000秒，如果VINIT和外部HD的下降沿相同，并且啟動(dòng)了積分充電，在VINIT下降沿?cái)z像機(jī)放電。輸出延時(shí)取決于選擇的快門(mén)速度。 4 檢測(cè)試驗(yàn)流程 　　通過(guò)前面的分析可知，在葡萄糖懸浮物檢測(cè)的試驗(yàn)中需要一個(gè)高速的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)配合使用。整套試驗(yàn)系統(tǒng)的操作流程如圖3所示： 　　首先系統(tǒng)開(kāi)機(jī)，所有設(shè)備初始化，根據(jù)葡萄糖懸浮物檢測(cè)的要求配置攝像機(jī)和采集卡的參數(shù)。然后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)30秒帶動(dòng)葡萄糖液體作高速的旋轉(zhuǎn)，停止旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，延時(shí)10秒后液體緩慢停止，此時(shí)相機(jī)拍攝序列圖像。 5 本文創(chuàng)新點(diǎn) 　?。?）本文將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用在了葡萄糖藥液質(zhì)量檢測(cè)上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸式的檢測(cè)，在藥品安全上和檢測(cè)精度上都對(duì)傳統(tǒng)人工檢測(cè)有著重大的改進(jìn)。 　?。?）本文根據(jù)葡萄糖藥液雜質(zhì)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置。 　?。?）根據(jù)葡萄糖藥液雜質(zhì)檢測(cè)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專用的視覺(jué)成像方案。 [align=center] 圖3 葡萄糖雜質(zhì)檢測(cè)流程[/align] 6 參考文獻(xiàn) 　　[1] Rafael C. Gonzalez , Richard E. Woods .Digital Image Processing （second Edition）.Pubulishing House of Electronics Industry , Beijing. 2002. 　　[2] 鄭世茶, 毛罕平, 胡波等.機(jī)器視覺(jué)識(shí)別棉花病害中的形態(tài)特征提取[J].微計(jì)算機(jī)信息， 2007，04-1：P290-292. 　　[3] 王威, 王耀南, 李樹(shù)濤等. 基于機(jī)器視覺(jué)的在先檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制. 中國(guó)儀器儀表,2006,（4）.62-64. 　　[4] Matrox Corona2 installation and hardware Reference[z]. Matrox Electronic Systems Ltd. April 23, 2001. 　　[5] PULNIX TMC6703 Manual[z].PULNIX America Inc. 2004.