基于机器视觉的葡萄糖药液质量检测系统设计

1 引言

　　随着工业技术的发展和质量检测标准的提高，高速医药流水生产线上传统的质量检测方法速度慢、检测质量受人为因素和工作环境的影响卫生条件难以保障，为满足现代质量控制和流程控制要求，需要研究更先进的检测技术来完成医药产品的质量检测。

　　机器视觉技术在医疗中的应用非常广泛，现代很多高难度的手术都要在机器视觉的配合下完成，比如皮肤的检测，脑部CT成像，视觉手术等。在医学上机器视觉还被应用在一些医药产品的检测，医学的一些科学研究中，比如葡萄糖药液检测，染色体检测，红细胞检测等[1]。

　　为了有效解决现代医药生产线上的产品实时检测问题，本文针对葡萄糖药液的质量检测设计了一套检测试验系统。设计目标就是：利用机器视觉技术，使用多台CCD摄像机、专用光源、工性能的工业计算机来取代人工，实现葡萄糖质量的自动检测。本实验系统的设计为研制高精度、高速的智能葡萄糖自动检测装置提供了有效的依据[2]。

　　2 葡萄糖检测流程

　　药用葡萄糖注射液的生产流程如图1所示，首先通过高浓度的葡萄糖加适当比例的蒸馏水得到葡萄糖溶液，然后葡萄糖溶液灌装到经过高温和紫外线消毒的容器里面进行封装。封装后的产品在进行质量检测，检测的对象主要是：

　　（1）药液里面的悬浮物，如不容性杂质，玻璃纤维等；

　　（2）瓶身的缺陷；

　　（3）瓶身有未清洗干净的脏污；

                                  图1 葡萄糖生产工艺流程

　　传统的检测方法是人工检测，检测车间设在一间独立的暗房中，带检测的葡萄糖用人工的方式放在流水线上，流水线的速度由检测工人控制，当药品传送到检测工人面前时，工人将其从流水线上拿出，在专用的灯箱下判断产品质量是否合格。

　　人工检测存在着很大的弊端：

　　1)现代生产线的速度越来越高，人工检测很难满足流水线的检测速度；

　　2)现代制造强调实时、在线、非接触检测，确保对制造过程实现全面控制，提高生产效率和产品的合格率，这是传统检测手段无法提供的；

　　3)现代产品的制造精度大大提高，要求相应高精度的检测方法。

　　4)传统的人工无法持续保持一致的检测效果；不同的检测者之间存在差异；无法实现实时的流程控制；

　　5)传统检测无法适应现代的质量控制和统计流程控制(SPC)。

　　3 检测试验系统搭建

　　对于葡萄糖药液里面的微小的玻璃屑、橡胶屑或其他的一些不溶性颗粒，在静止的情况下一般都沉淀在瓶底或悬浮在药瓶的上端，人工检测需要葡萄糖液体倒置，使其液体发生运动，同时也带动固体杂质的运动，杂质随着药体运动到中心区域，此时再触发摄像机采集图像可以拍摄清晰的次品图像，也可以通过判断运动目标的方式来判断是否存在杂质。基于这样的检测原理，本实验系统设计了一个高速的旋转平台，旋转平台可以带动药瓶做高速的旋转然后剧停，从而带动杂质运动到检测区域。

　　3.1 平台的硬件结构图

　　如图2所示，待检测的葡萄糖药瓶被卡在转床上，转床旋转的时候带动药瓶高速旋转，用于机器视觉的专用LED光源安装在如图所示的光源盒内，CCD摄像机将拍摄到的图像传输到工控机。下面对硬件平台作详细的介绍。

                                         图2 葡萄糖杂质检测装置结构图

　　(1)把手：按照上图所示的方向转动把手可以带动瓶卡上下运动，以便放置药瓶；

　　(2)电机：普通的交流电机，带动转床的主轴高速转动；

　　(3)上端瓶卡：将葡萄糖瓶卡在底座上，当转动把手时瓶卡作上下运动方便放置药瓶；

　　(4)光源盒：光源盒里放置一环形紫外光源，透过瓶底向上照射药体；

　　(5)CCD摄像机：负责拍摄运动的药体；

　　(6)工控机：负责处理CCD摄像机拍摄到的图像序列；

　　3.2工作过程

　　(1) 转动把手将上端瓶卡向上提起，放置待检测的葡萄糖药瓶于底座上；

　　(2) 放下把手，将其卡紧，开启转床，转床的主轴带动瓶卡高速转动，由于摩擦力的作用瓶卡带动药瓶也做高速的转动；

　　(3) 停止转床，瓶卡停止转动，葡萄糖药瓶停止转动，但药液在惯性的作用下继续转动之后缓慢停止；

　　(4) 在此过程中连续拍摄7幅图像，在这一序列的运动图像中，对运动目标进行识别；

　　(5) 当识别到的目标超过规定的容许指标时，判断此瓶药液为不合格

　　3.3 视觉成像系统配置

　　图像采集部分将完成流水线上的运动图像获取，图像采集部分采集图像质量的好坏将直接影响整个检测效率[3]。图像采集部分主要由CCD摄像机完成。CCD摄像机摄取图像信号，由图像采集卡将图像信号采集进来。本套实验装置选用两个方位的摄像机对待检测物体进行检测，一个俯拍位一个侧拍位，对有些待检测物体可以进行多方位的检测。摄像机采用的是Pulnix公司的TM6703[4]，采集卡选用的是Matrox公司的Cornora2[5]。

　Matrox Corona Ⅱ 是Matrox Graphics Inc., 生产的图像控制器，可采集隔扫描/逐行扫描的分量RGB信号和单/双路黑白模拟视频信号； 3路10bit A/D转换器；24-bit RS-422/LVDS 数字接口；模拟情况下采集率达到30MHz，RS-422数字模式下达到25 MHz，LVDS数字模式下达到40 MHz ；连接2个RGB或6个模拟黑白视频信号； 32-bit/33MHz PCI总线主模式 ；扩展板上实时采集存储 ；可同时支持模拟VGA和独立的数字VGA或TV输出[4]。

　　Pulnix公司的TM6703是1/2寸，648*484，快门速度为1/60~1/32000 秒，同时带有异步重置功能。当VINIT脉冲发生作用时，重置摄像机的扫描清除CCD。当在异步模式下和外部VINIT高电平信号的作用下，异步功能将自动被选择，信号读出会被禁止直到有触发。下面是摄像机异步重置的三种模式：

　　1）控制脉冲宽度的外部VINIT：快门速度有脉冲宽度来控制；

　　2）快速内部触发模式：当VINIT的下降沿和外部HD是一样的时候，信号抓取没有延时，否则，会有0-1HD的延时；

　　3）慢速内部触发模式：快门速度可以选择在1/250-1/2000秒，如果VINIT和外部HD的下降沿相同，并且启动了积分充电，在VINIT下降沿摄像机放电。输出延时取决于选择的快门速度。

　　4 检测试验流程

　　通过前面的分析可知，在葡萄糖悬浮物检测的试验中需要一个高速的旋转平台配合使用。整套试验系统的操作流程如图3所示：

　　首先系统开机，所有设备初始化，根据葡萄糖悬浮物检测的要求配置摄像机和采集卡的参数。然后，启动旋转平台，旋转平台旋转30秒带动葡萄糖液体作高速的旋转，停止旋转平台，延时10秒后液体缓慢停止，此时相机拍摄序列图像。

                                           图3 葡萄糖杂质检测流程

　　5 本文创新点

　　（1）本文将机器视觉技术应用在了葡萄糖药液质量检测上，实现了无接触式的检测，在药品安全上和检测精度上都对传统人工检测有着重大的改进。

　　（2）本文根据葡萄糖药液杂质的特点设计旋转式检测装置。

　　（3）根据葡萄糖药液杂质检测的特点设计了专用的视觉成像方案。