Метод оптического контроля количества хлебобулочных изделий на конвейерных линиях в условиях нестационарной освещенности

В любой промышленности одной из важных задач является контроль и учет производимых изделий. Для небольших мелкосерийных предприятий использование дорогих узкоспециализированных систем контроля является экономически невыгодным. В основном операцию контроля в таких случаях выполняет непосредственно человек. Следствием этого является сильное влияние психофизиологического состояния контролера на технологический процесс, который меняется в течение рабочего дня (человек устает, теряет бдительность и т. д.), что является одним из основных недостатков неавтоматизированного контроля.

Для решения задач автоматизации контроля изделий одним из наиболее перспективных методов является использование систем технического зрения. На сегодняшний день системы технического зрения показали свою высокую эффективность при решении многих задач, связанных с управлением сложными производствами и автоматизацией производственных процессов [1].

Несмотря на достигнутые успехи в области построения таких систем [2], проблема автоматизированного контроля выпускаемой продукции с применением таких систем технического зрения по-прежнему остается важной и актуальной. Это обусловлено, в первую очередь, тем обстоятельством, что как сами объекты контроля, так и сцена изображения, на которой они находятся, отличаются значительным многообразием.

В целом в общей задаче контроля изделий можно выделить такие частные цели, как их подсчет, идентификацию и комплексную оценку качества. В силу наличия вышеуказанной проблемы приходится констатировать, что в общем виде задача оценка качества до настоящего времени полностью не решена и при контроле с применением телевизионных систем обычно ограничиваются решением частных случаев, а именно идентификацией изделий и их подсчетом.

В этом направлении на сегодняшний день имеется множество готовых решений, доведенных до массового производства, например, [3,4]. Однако, 4 практика практического применения подобных систем [5−13, 39] показала, что в реальных производственных условиях даже простейшая задача подсчета изделий наталкивается на ряд трудностей.

Например, при решении задачи контроля процесса выпечки хлебобулочных изделий в жарочной печи на выбор алгоритмов обработки изображения сцены и идентификации объектов существенное влияние оказывают следующие факторы:

• неравномерность освещения анализируемой сцены, характер которой может медленно флуктуировать в течение суток;

• не подчиняющаяся статистическим закономерностям спонтанная флуктуация освещенности в течение светового дня, связанная с засветкой сцены перекрываемой тучами солнечным светом через окна;

• изменение чувствительности сенсора видеокамеры из-за оседания на объективе пыли, грязи и жировых отложений;

• наличие вибрации электропривода конвейера, вызывающей как вибрацию самой видеокамеры, так контролируемой сцены изображения;

• неравномерная скорость движения конвейера- .

• появление в зоне анализа посторонних объектов;

• сложность различения контролируемых объектов, удовлетворяющих и не удовлетворяющих заданным критериям качества по форме, цвету, характеру поверхности;

• возможность слияния изображений контролируемых объектов, например, из-за появления между булками хлеба кусков теста или залипания булок между собой.

Цель диссертационной работы заключается в разработке метода контроля изделий на базе систем технического зрения, предназначенных для работы в условиях нестационарности контролируемой сцены изображения, и в создании на его основе специализированных программно-технических средств автоматического контроля количества хлебобулочных изделий на конвейерных линиях в режиме реального времени. 5.

Поставленная цель достигалась решением следующих основных задач:

• анализ методов построения систем контроля и учета изделий, движущихся на конвейерных линиях;

• создание экспериментальной установки для выявления наиболее значимых дестабилизирующих факторов и оценки эффективности применения разрабатываемых методов для компенсации их влияния;

• оценка возможности применения существующих методов цифровой обработки изображений для устранения влияния дестабилизирующих факторов;

• разработка новых алгоритмов цифровой обработки изображения для повышения эффективности метода контроля количества хлебобулочных изделий;

• проведение натурного эксперимента для установления допустимых пределов изменения параметров преобразования информационных сигналов и оценки влияния на них дестабилизирующих факторов, связанных с условиями производства;

• практическая реализация системы автоматического контроля хлебобулочных изделий, движущихся по конвейерной линии.

Методы исследования.

• теория распознавания образов;

• методы математической статистики;

• математическая морфология;

• методы цифровой обработки изображения.

Новые научные результаты диссертационной работы.

• Для повышения эффективности сглаживания шумов и выравнивания освещенности на изображении контролируемой сцены предложено применять комбинированную фильтрацию, состоящую из двух последовательных операций: 1 — сглаживание изображения с помощью локального сглаживающего медианного фильтра- 2 — выравнивание освещения изображения с помощью разработанного глобального фильтра, в основе которого лежит принцип работы пикового детектора.

• Разработан алгоритм локализации местоположений объектов, состоящий из операций первоначального определения местоположения объектов с помощью данных гистограмм столбцов изображения и итогового определения местоположения с помощью последовательного наращивания области до размера объекта, известного из априорной информации, позволяющий более точно определять местоположения объектов конкретного размера на изображении контролируемой сцены.

• Разработан алгоритм сегментации изображения на основе градиентного метода с использованием экстремальной рекуррентной эвристической процедуры, позволяющий более точно определить контуры объектов на изображении с различной текстурой и уровнем освещения (засветки, тени) для более полного восстановления контура объекта.

• Разработан алгоритм замыкания фрагментов контуров на основе морфологической операции замыкания, позволяющий замыкать разрывы между фрагментами контуров изображений выпуклых объектов.

Практическая ценность.

Разработанный метод оптического контроля количества хлебобулочных изделий на конвейерных линиях характеризуется более стабильной работой в «жестких» условиях производства, имеет высокое быстродействие и низкую ресурсоемкость. Практическая ценность заключается еще и в том, что предложенный метод контроля на базе новых способов цифровой обработки изображений, лежащий в основе работы созданного программно — технического комплекса, может быть использован не только для построения систем контроля хлебобулочных изделий, но и в других областях, в частности, для контроля выпускаемой продукции предприятий, специализирующихся на производстве изделий самого различного назначения.

Реализация и внедрение результатов.

Исследования и практические разработки, выполненные в диссертационной работе, являются частью научно — исследовательской работы, выполненной в рамках НИОКР на тему «Разработка программных модулей для идентификации изделий на конвейерных линиях методами нейросетевых технологий» по программе «У.М.Н.И.К.», договор № 15 от 10.12.2008 г. Результаты исследований и их практическая реализация были использованы при разработке системы контроля хлебобулочных изделий на предприятии ОАО «Русский Хлеб». Разработанный программно — технический комплекс используется для контроля хлебобулочных изделий в Республике Казахстан г. УстьКаменогорск на предприятии ТОО «АЛТАЙ VA». Апробация работы.

Работа в целом и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались в период с 2008 по 2011гг. на конференциях:

• III научно — практическая конференция «Виртуальные и интеллектуальные системы» — Барнаул, 2008.

• XVII международная научная конференция «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений» — Таганрог, 2009.

• X всероссийская научная конференция «Современные исследовательские и образовательные технологии" — Таганрог, 2010.

• VII всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь — 2010» — Барнаул, 2010.

• XXIX всероссийская научно-техническая конференция «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» — Новгород, 2010.

• VII всероссийская научно — техническая конференция «Измерение, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» — Бийск, 2010.

• Всероссийская научно — техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР — 2011» — Томск, 2011.

• XII Международная научно-техническая конференция «Измерение, контроль, информатизация-2011» — Барнаул, 2011.

• IX Всероссийская научно практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» — Томск, 2011.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе две печатные работы — в журналах, рекомендованных ВАК, и два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ. Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 132 страницах и иллюстрированных 68 рисунками и 23 таблицами, а также списка литературы из 70 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Выполнен анализ существующих систем контроля на базе систем технического зрения и показано, что основными недостатками при их использовании являются сильная зависимость достоверности подсчета объектов от условий освещения контролируемой сцены.

2. Разработана экспериментальная установка для выявления наиболее значимых дестабилизирующих факторов, апробации и оценки эффективности методов компенсации их влияния.

3. Разработаны новые алгоритмические решения методов цифровой обработки изображений на всех стадиях преобразования информационного сигнала (фильтрация, сегментация, и идентификация) для повышения эффективности работы использованного в работе оптического метода контроля.

4. Проведен натурный эксперимент для установления допустимых пределов изменения параметров методов обработки информационных сигналов и оценки влияния на них дестабилизирующих факторов, связанных с условиями производства.

5. Разработан метод контроля на базе предложенных алгоритмических решений, реализованный в программно — техническом комплексе для автоматического контроля хлебобулочных изделий, движущихся по конвейерной линии жароч.

123 ной печи и позволяющий выполнять достоверный контроль в условиях производства с вероятностью ошибки от 0,01% до 0,1%.

Заключение

.