2024年4月27日发(作者：)
ｌＳＳＮ １００９－３０４４
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ｈｔｔｐ：／／ｗ￣＂．ｄｎｚｓ ｎｅｔ．Ｃｌ＇ｌ
Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—５６９０９６３ ５６９０９６４
ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术
Ｖｏ１．６，Ｎｏ．２８，Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０１０，ＰＰ．８０９３－８０９４，８１００
一
种胶囊缺陷检测系统的设计与研究
吴宏杰，季剑兰，朱音，奚雪峰，付保川
（苏州科技学院电子与信息１二程学院，江苏苏卅Ｉ ２１５０１１）
摘要：胶囊缺陷检测是药品生产领域的重要环节。该文对介绍了一种基于机器视觉技术的胶囊缺陷检测系统的技术线路与解决方
法．并对所涉及到的四个关键技术（传动与震动装置、图像采集系统、缺陷识别算法、ＤＳＰ移植）进行了设计与研究。
关键词：缺陷检测；机器视觉：ＤＳＰ
中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—３０４４（２０１０）２８—８０９３－０２
Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｃａｐｓｕｌｅ Ｄｅｆｅｃｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ｗＵ Ｈｏｎｇ－ｊｉｅ，ＪＩ Ｊｉａｎ—ｌａｎ，ＺＨＵ Ｙｉｎ，Ｘｌ Ｘｕｅ—ｆｅｎｇ，ＦＵ Ｂａｏ—ｃｈｕａｎｇ
（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＣｏＨｅｇｅ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｕｚｈｏｕ，Ｓｕｚｈｏｕ ２１ ５０１ １，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃａｐｓｕｌｅ ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｔｅｐ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ａ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｆｏｒ ｃａｐｓｕｌｅ ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｄｕｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｗｅ ＳｔＵｄｙ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔＯ ｃａｐｓｕｌｅ ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｓｏｆｔ－
ｗａｒｅ ａｎｄ ＤＳＰ ｔｒａｎｓｐｌａｎｔａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｆｅｃｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ；ＤＳＰ
胶囊缺陷检测是药品生产领域的重要环节．为药品的安全生产与使用提供了重要保证。目前国内药品质量外形外观检测手段
主要依靠肉眼识别．人工重复挑选是保证质量的主要手段，挑拣胶囊的员工数量往往要占到整个胶囊厂员工总数的ｌ／３。在国外，有
比较成熟的胶囊检测系统与设备，如德国博西克斯ＭＡＳＣＨＩＮＰＥＸ公司的ＳＯＲＴＯＭＡＴ ８Ｄ检测机等。但对国内市场没直接供应，只
有外资在华投资的制药厂能从海外原装进口设备，但技术细节对外界严格保密。由此，开发并设计一套自动化的胶囊缺陷检测系统
具有较高的现实意义。
胶囊缺陷检测系统一般由胶囊传动装置、图像采集与控制系统、缺陷识别软件ｌ一部分组成。它是一种涉及了机械传动、数宁
像处理、嵌人式系统、自动控制的综合性系统。我们所设计的缺陷
检测系统采用机器视觉技术对固体胶囊的外形、外观进行检测，不
— —●－ ＿ …●－●—…●－●－●——‘———‘——————
需要接触检测物品，属于非接触式检测，保证了被检测胶囊不被二
次污染的可能性，是真正意义上的环保型检测系统。其中涉及到了
传动与震动装置、图像采集系统、缺陷识别算法、ＤＳＰ移植四个关
Ｉ 蘼ｒ机器靶刘｛最辨 囊敏 授删较ｆ｛
键技术，解决这些关键技术的质量将直接影响胶囊缺陷检测设备
的效率、精度与自动化程度。
１方案设计概述
采用机器视觉的胶囊缺陷检测方法为，先通过胶囊抓取斗将
胶囊放于流水线上：然后通过传动装置将胶囊传送至图像捕获窗
口下采集原始图像：再将采集到的原始图像进行缺陷识别；最后将
Ｌ…………一一……一．，
图１ 流程图
是否有缺陷的信号传给剔除装置，将缺陷胶囊从传送带上剔除，其流程图如图１。
２关键技术
采用机器视觉技术的胶囊缺陷检测设备主要涉及到传动与震动装置、图像采集
系统、缺陷识别算法、ＤＳＰ移植四个关键技术。传动与震动装置与图像采集系统的设
计是以获取更高的缺陷识别精度与速度展开的，且与缺陷识别软件紧密相连，所以
缺陷识别算法是本检测设备的核心技术。
２ ｌ传动与震动装置
在胶囊检测中传动装置是检测中的必要环节．通过传动装置将检测对象连续
的、批量的输送给检测窗口。目前主要传动装置可以分为有序排列（将胶囊通过整齐
图２“点”连接与“线”连接
收稿日期：２０１０—０７—１８
基金项目：建设部科技项目（２００９一Ｋ５—１０，２００８－Ｋ９—４９，２００８一Ｋ９－５０），苏州科技学院科研基金（２００８Ｚ１３２７）。
作者简介：吴宏杰（１９７７一），男，江苏苏州人，讲师，研究方向数字图像处理，模式识别，人工智能。
本栏目责任编辑：唐一东 人工智麓及识别技术＊一８０９３
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 第６卷第２８期（２０１０年１０月）
排列而传输）和随机排列（将胶 任意放置于传送带上而传输）两种方式，前者机械设备复杂（需要有排序机构），适应性差，只能对
单一品种药品进行传送，传送的效率比较低，但有序排列的胶囊易于缺陷识别软件的实现。后者，有适应度高（可以适应各类大小形
状的胶囊或者药片），传送效率高（每次检测可以达到５０粒以上胶囊或者药片，而排序方式只有５粒左右）．但是随机排列的胶囊对
缺陷识别软件提出了更高的要求。相比之下，我们采用后者，，为了实现这个方式我们采用了可变三色光，来达到区分各类不同规
则，不同型号的药片，让其可以与背景色有明显差异，从而得到了非常理想的效果。
由于机器视觉只能识别正对图像摄取窗口的、处于被检物体表面的缺陷，而无法识别背对图像摄取窗口或侧面的缺陷，所以在
传输带前方安置震动装置，使其被检测药品不出现重叠，以及胶囊与胶囊之间尽量分离，最终保证无漏检药品通过检测区。
２．２图像采集系统
图像采集系统是机器视觉识别技术的重要环节，采集图像的质量好坏直接影响图像识别的准确度与程序算法的复杂程度。图
像采集系统主要包含镜头、图像采集卡、光照条件三部分，其主要解决被检测胶囊移动时拍摄所带来的拖影问题和不同检测光源切
换问题。
当胶囊在传送带上通过拍摄窗ＶＩ时，移动的胶囊会存在拖影问题（ｘ方向上的重影１。这是由片宽模拟总线的相对较大的ＲＣ常
数所引起的。对于总线上的信号，由于处理ｌ０比特的精度所用的时间较长，故上一个像素的部分信息可能滞留到当前像素上。这种
重影在后续的图像处理中很难校正。
我们采用工业用摄像头的高速快门技术解决拖影问题。工业用摄像头在每个新的信号之前对总线进行短暂的预充电。这样就
保证了有关前面像素的所有信息被洗掉。该技术要求产生短期预充电脉冲。这些脉冲用来将模拟总线短路到地。它的应用范围从
ＶＧＡ到１０Ｍｐｉｘｅｌ，帧率从５００ｆｐｓ到１０，０００ｆｐｓ，数据吞吐率高达５．５Ｇｐｉｘ／ｓ。
在实际实验过程中我们发现通过红外线对胶囊的边缘检测（即外形检测）特别有效，而对其表面缺陷检测（即外观检测）比起可
见光有所不足，由于边缘检测得到的数据作为后续的外观检测的依据，所以不能分开拍摄。为此我们采用双镜头技术，将两个镜头
一
个带有红外线滤镜，另一个具有过滤红外线功能，通过镜头本身的差值，运算后得出两幅完全重叠的图像，以红外图像作为边缘
检测，并以此得到的边缘在另一幅可见光拍摄的图像中做外观缺陷检测，从而解决了双光源检测的问题，为后续的机器视觉识别提
供了可靠的图像保证。
２．３缺陷识别算法
缺陷识别算法是该软件部分的核心，也是整个设备的一个难点。缺陷识别算法是将采集到的图像，进行分析处理，从而得到是
否存在缺陷的结论，算法处理过程中包含以下几个步骤。
１１背景与前景分离：背景与前景分离的依据是两者的灰度值不同，所以可以通过设置灰度阈值的方法将前景与背景分离，具体
的又可以分为静态阈值与动态阈值两种方法。
静态阈值显然不适用于本问题，在胶囊检测现场，即使图像采集的环境（包括光照、拍摄距离、曝光时间、流水线速度）完全相
同，由于随机排列胶囊的分布位置不同，导致采集到的图像的灰度分布依然不同，所以提取边缘时所使用的阚值需要动态设置。灰
．
度直方图中的波谷可以作为动态灰度阈值设置的依据。
由于图像中包含一种背景色，两种胶囊色，共三种颜色，所以直方图中有三个波峰与两个波谷，一个波谷可以用于区分背景与
前景，另一个可以用于区分胶囊本身的两种颜色。这两个波谷中的第一个波谷可以设置为胶囊边缘提取的阈值，判断的依据是该波
谷所在的灰度级别不同且相邻波峰高度的不同。
２１形态学滤波：图像完成二值化转换后，需要将图像中的噪声去除。噪声过滤的方法
很多，我们采用形态学滤波法。在形态学中开、闭运算方法不仅可以去除面积小于的噪
声．还可以割断连通区中不必要的窄细连接。
３１随机胶囊连通区的分割：由于本设备采用的传输装置为随机传送方式，在传送带
上，胶囊随机排列，经常出现多个胶囊相连排列的情况，这样就构成了一个多胶囊的连通
区，且连通区的连通个数、角度、连接位置均不确定，甚至有可能出现多胶囊多点连接，以
及平行连接的情况。按多胶囊连接紧密的程度可以分为“点”连接与“线”连接两种情况。
“点”连接是指构成连接边界的象素点较少，呈现出“点”状，如图２中①④两处；“线”连接
是指构成连接边界象素较多。呈现出“线”状，如图２中②③两处。我们采用逐步求精的方
法对多胶囊连通区进行分割，先用Ｈｏｕｇｈ变换提取平行边，将“点”连接的胶囊分离；再用
角点识别的方法将“线”连接的胶囊分离。
“点”连接胶囊分离。步骤１：Ｈｏｕｇｈ变换提取直线段，直线提取的结果如图３。步骤２：
直线段连接。“点”连接中断了部分胶囊的平行边情况，因此要对这些短直线进行连接，以
图３ 直线段提取与连接
恢复原来的直线信息。如图３中的①、②与③、④需进行连接后。步骤３：平行边匹配。将
直线两两匹配．组成平行边对。再利用平行边对恢复出胶囊两端的帽沿。
鼹像聚簸模块Ｉ
Ｘ
“线”连接胶囊分离。步骤ｌ：Ｆｒｅｅｍａｎ（方向链码）链码表示曲线。步骤２：角点识别。胶
ＦＰｏＡ摸块
ＴＭＳ ２０
ＤＭ６４２
囊的边缘经Ｆｒｅｅｍａｎ链码表示后，可以采用基于边缘曲线的链码差来估算曲率。步骤３：
伪角点去除。针对图２中的角点，存在两类伪角点，第一类是实际角点附近的领域中有多
托
１０幔块 Ｉ
数字稿号
处理器
个角点。这类角点需要合并成一个实际角点，如：Ｄ、Ｅ与Ｇ、Ｈ需要分别合并成两个角点；
第二类是胶囊帽沿本身的弯曲引起的伪角点，这类伪角点需要删除，如：Ａ、Ｂ处。
图４ ＤＳＰ硬件设计
（下转第８１００页）
８０９４ 人工智健硬识别技术 。
本栏目责任编辑：唐一东
ＣｏｍｐｕｔｅｒＫｎｏｗｌｅｄｇｅａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脑知识与技术 第６卷第２８期（２０１０年１０月）
ｌ００ Ｑ６ ０２ ０２ ＯＯ ＱＯ ０４ ００ ００ ０ ３ ０ ３ Ｏ０ ０ ３ ｌ
１０５ Ｑ３ Ｑ６ ０ ３ ０ ３ Ｏ３ Ｑ５ ００ ０２ ０５ ０５ Ｏ０ ０５ Ｉ
ｌＯ４ ０１ ０２ ０５ ０６ ０５ ０１ ０ ８ ０６ ０２ ０２ ０ ８ ０２ １
ｌ０１ ＯＯ Ｑ０ ００ ０ｉ ０２ ００ ０２ ０２ ０Ｏ ＯＤ Ｑ２ ００ ｌ
（上接第８０９４页）
２．４ＤＳＰ移植
缺陷检测设备出于可靠性与降低成本的考虑，胶囊缺陷识别软件最终需要在ＤＳＰ芯片上运行。所以需要将在ＰＣ机上开发的识
别软件移植到ＤＳＰ上。针对机器视觉算法中数据量大、高速传输、复杂运算及网络化的实际需要，设计了以ＡＤ９２００为图像采集Ａ，
Ｄ．以ＴＭＳ３２０，ＤＭ６４２为ＤＳＰ核心处理器，应用网络技术进行图像传输，并以ＦＰＧＡ控制输出并实现图像预处理功能。整个系统主
要包含三个模块，图像采集模块、ＦＰＧＡ模块、ＤＭ６４２模块与存储模块。各模块之间的硬件设计如图４所示。
３总结
本文分别就胶囊缺陷检测设备的完整流程进行了简单概述，并对方案中的几个关键技术，传动与震动装置、图像采集系统、缺
陷识别软件、ＤＳＰ移植进行了详细描述；特别是对本设备的核心部件缺陷识别软件进行较深人的研究与探索，对多胶囊“点”连接与
“线”连接的处理方法具有一定的创新性，而且也适用于解决同类连接分割问题。经现场小样实验，检测准确率为９５．６％，识别速率
为１００００粒ｍ。
参考文献：
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本栏目责任编辑：唐一东
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