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1、方向科研基地类别名称项目计划总投资万元申请广西自然科学基金资助经费研究期限研究属性申 请 人 信 息姓名性别出生日期民族证件类型证件号码职称职务所学专业学历学位从事专业手机联系电话电子邮箱传真人才类别每年工作时间（月）主要研究领域通讯地址邮政编码工作单位依 托 单 位 信 息单位名称组织机构代码法人代表姓名单位地址联系人主管单位隶属关系单位类别单位开户名称开户银行银行帐号合作研究单位信息单 位 名 称合作研究单位1合作研究单位2摘 要 （限400字，将作为公开信息发布）：关键词（用分号分开，最多5个）二、人员信息总人数（人）高级职称中级职称初级职称其他职称博士后博士在读博士硕士在读硕士学士其他

2、项目组主要参与者编号身份证号码/其他号码电话项目分工12345678三、项目简介（如项目获资助，所填写内容将作为计划任务书内容）1.研究内容2.研究目标3.考核指标4、预期研究成果统计出版专著（部）发表论文（篇）其中国内中文核心期刊发表论文（篇）国外发表论文（篇）SCI收录（篇）EI收录（篇）ISTP收录（篇）申请专利（项）申请发明专利（项）申请实用新型专利（项）培养人才（人）培养博士后（人）培养博士（人）培养硕士（人）四、项目经费预算 （单位：万元）科目名称项目计划总投资其中：计算依据与说明一、经费支出预算1科研业务费（1） 测试、计算、分析费（2）动力、能源费（3）差旅费、会议费（4）出版

3、、文献检索、信息通讯费2实验材料费（1）原材料、试剂、药品购置费（2）实验用动植物费（3）标本、样品费3仪器设备费（1）购置费（2）租赁费4实验室改装费5协作费6. 项目劳务费7.专家咨询费8管理费二、项目其他经费来源其他财政拨款单位自筹其他来源五、研究进度和阶段目标起止时间主要工作内容和阶段目标六、申请人已取得成果目录（一）专著、论文目录序号专著、论文标题完成人申请人排位发表时间论文收录类别论文他人引用次数有关说明（二）专利目录专利名称专利类型专利授权时间（三）科技成果奖励目录成果名称奖励时间奖励类别七、报告正文（一）立项依据与研究内容：1.项目的立项依据。1.1玻璃酒瓶的使用量随着我国酒行

4、业的高速发展，为国内玻璃酒瓶厂带来了巨大的商机，玻璃酒瓶作为包装容器被广泛应用于酒类包装行业中。作为近年来最受欢迎的酒类包装容器，玻璃酒瓶出了气独有的诸多优点之外，可以回收利用，有高的节省价值和环保价值，在愈发注重资源节省以及环境保护问题的今天，玻璃酒瓶更是受到了市场的青睐。随着酒类产品的快速发展，玻璃酒瓶的大量应用，其回收利用也显得愈发重要。近年来，玻璃酒瓶的使用量和回收量每年都在增加，其对于能源的节省以及环境的保护的意义也十分重大。一个玻璃酒瓶的制作，所耗费的不仅仅是其本身所需要的原材料，生产中所耗费的人力物力、热量、电力等更是十分宝贵的。具统计，回收一顿玻璃酒瓶便可节约一顿的原材料去加工

5、新的玻璃酒瓶及其他玻璃制品，一个玻璃酒瓶制作所需要的材料，50%-70%都可以使用回收的旧玻璃酒瓶来制造。而由于玻璃酒瓶和玻璃制品由混合物炼制而成，所以回收得来的玻璃瓶及其制品化学性质平稳，可以放心的充当原料使用。玻璃酒瓶的回收利用以节省原料降低成本以及保护自然资源之外，最大的益处体现在这种回收对环境保护所带来的正面影响。近年来玻璃酒瓶的使用量大量增加，对于环境保护问题及资源分解有着极大的压力，更容易造成工业环境污染，破碎的玻璃制品甚至会引发一些事，这在这在环境问题日渐严峻的今天无疑更是雪上加霜。玻璃酒瓶的收回运用量要远远低于塑料瓶。收回率低成为了玻璃瓶被环保者责备和诟病的首要方面，这关于玻璃

6、瓶的发展前景来说并不是一件功德。改革开放以来，玻璃包装容器行业得到了快速、持续地发展。1997年玻璃包装容器的产量比1978年的137万吨增长了426%，年平均递增8.66%；2004年比1999年增长33.96%，年平均递增6.02%；递增速度减缓。在包装工业，包装设计的重要性绝不输于包装材料的选择。如今的流行产品趋向于采用传统的包装设计。玻璃材料之所以吸引人，是因其透明纯净的特质，能够与图形独立开，符合环境要求。1.2.中国啤酒产量 我国啤酒品牌虽然多达1500多个，但除了青岛、燕京、哈啤、雪花等品牌在全国具有较高的知名度外，其它的区域性品牌只在是本省市的区域市场具有较高的知名度，在全国范

7、围内的知名度还较低由于严重的供过于求矛盾长期存在，目前我国的啤酒行业是国内饮料市场竞争最激烈的行业之一。大多数的品牌都还是处于地域性品牌阶段，品牌知名度和市场影响力较力低，而且产品主要是低档产品，市场竞争也主要集中于低档产品的之上，而中高档以上的啤酒市场则大部分被洋啤酒所瓜分。随着啤酒市场竞争程度的日益加剧，为了能够更加迅速有效地实现最终消费，越来越多的啤酒企业在市场营销运作中都将目光集中到了终端，终端的争夺战日益激烈，中高档啤酒市场更是如此。除低档的地摊、大排档、小餐馆等外，中高档啤酒成为餐饮，娱乐终端市场的消费主流，尤其在经济水平较好的大中城市. 中高档啤酒附加值高,开拓中高档啤酒市场是提

8、高企业经济效益的重要途径,而城市市场消费水平较高，中高档啤酒市场容量不断扩大，前景非常广阔。啤酒是一个品牌区域化非常明显的行业，大部分啤酒企业长期在中低档啤酒市场竞争，不但没有取得竞争优势，反而因过度的价格战而大伤元气，在低档啤酒市场无利可图的情况下，开始调整产品结构和市场策略，向中把主要精力放到中高档市场的开发上来。统计数据显示：2013年1-12月，我国累计生产啤酒5061.5万千升,与2012年同期相比增长3.25%。数据来源：国家统计局12月当月，我国生产啤酒为291.73万千升，环比增长0.84%1.3空啤酒瓶检测技术发展现状空瓶检测技术在国外已经有了较成熟的发展。早在1958年,美

9、国工业动力有限公司（hidustrialDynamiesInc.简称ID公司）推出了世界上第一台空瓶检测系统并安装在可口可乐的北美州工厂中,之后数万套不同厂商的空瓶检测系统被安装在世界各地不同的工厂中。目前空瓶检测系统在国外灌装生产线上的应用非常广泛。主要的设备厂家有德国克朗斯（KRONES）、德国海富（HEUFT）、德国米颧（MIHO）、美国飞达（Filtec）等。这些设备都是采用基于机器视觉的光、机、电相结合的方式开发。在空瓶检测方面的长期技术积累使国外企业掌握着较为先进的检测技术,然而国外设备价格昂贵、售后服务费用高,国内多数中小啤酒厂无力承担高昂的设备投入和后期的维护费用,而且很多啤酒

10、厂都利用回收瓶进行新啤酒灌装,更是无法采用国外高精度的检测系统,因此国外的在线空瓶检测系统在国内中小企业和大量利用回收瓶的啤酒厂的推广应用较少。国内的在线空瓶检测技术的研究主要集中在一些高校和单位,他们在瓶子图像处理方面开展了一些研究工作。但是多数还处在理论研究阶段,所研发的样机只是一些仿真设备。虽然有少数样机也投到啤酒厂,但是其研发方式主要是通过购买昂贵的图像处理软件和相关设备进行系统集成,自主知识产权程度低、成本高,整台检测设备价格较贵,无法广泛的应用于中国的啤酒企业。目前国内主要有浙江大学和宁波某机械厂、广西师范大学与桂林玻璃厂等合作开发;广州轻工集团、北京赛腾动力科技有限公司、启科（上

11、海）自动化系统有限公司、广州大元实业有限公司及北京四通己经制造出样机。但是真正得到客户认可并具有广泛应用前景的国产品牌还未出现。空啤酒瓶检测技术在中国发展是非常有必要的，空啤酒瓶检测设备具有广阔的市场前景。2.项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题。2.1总体设计 啤酒瓶的检测主要包括瓶口检测、瓶身检测、瓶底检测几个模块，这种积木式的设计方法是为了方便企业根据自身的条件进行选择。系统构成如图 1 所示。由于啤酒瓶是一个 360的旋转体，要获得瓶身完整的图像，至少要拍摄到瓶身正反两幅图像，但由于瓶身是一个直径约为 73 mm 的圆柱体且有一定的厚度，若缺陷不是正对 CCD 摄像头而是

12、处于瓶身图像的边界处，则采集不到缺陷的图像，即使再旋转 180获得的图像中仍观察不到该处的缺陷。所以本系统采用了三个瓶身，同时瓶身图像的采集可以在一个位置由两个摄像机完成。具体过程如下：啤酒瓶由传送带传输至检测系统时，先经过第一个瓶身，然后由两根皮带夹持继续向前移动，并经过瓶口检测模块。在此过程中，由于两皮带运行速度不同，啤酒瓶作直线运动时存在一定的转动，通过调整两皮带的速差，就可以控制啤酒瓶到达第二个瓶身时旋转了 120。在经过第二个瓶身后，进入第二个皮带传输装置中进行瓶底检测，在此过程中啤酒瓶又旋转了 120，然后进入第三个瓶身，就可以获取瓶身的完整图像。将每个模块获取的图像都送入计算机中

13、进行处理分析，判断该瓶是否合格。如果合格，则 PLC 不会发出剔除信号给剔除器；若不合格，则发出信号到剔除器，将该瓶剔除出传送带即可。1.瓶身和字符检测模块一 2.瓶口检测模块 3.瓶身和字符检测模块二 4.瓶底检测模块 5.瓶身和字符检测模块三 6.计数器 7.剔除器 8.控制系统 图 1 系统组成结构示意图2.2 图像采集 基于机器视觉检测技术的在线空瓶检测系统是通过分析采集到的空瓶图像来判断该空瓶是否合格的,因此图像采集单元是该检测系统的最基本的组成部分,如果设计不好将直接导致系统检测任务的失败。2.2.1 相机 相机是图像采集单元中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成为有序

14、的模拟电信号或直接转换成能被计算机识别的数字信号。选择合适的相机是图像采集单元设计中的重要环节,相机不仅直接决定所采集到图像的分辨率和质量等,也与整个系统的运行模式直接相关。1、根据相机的分类初步确定类型（I）按图像传感器分为CCD和CMOS相机,由于生产工艺上的差距,现在CMOS在去除噪声及灵敏度方面仍差于CCD相机,使得CMOS相机现在尚无法达到工业应用领域的要求。根据课题实际要求,本系统选用CCD传感器相机。（2）按A/D转换是否在相机内实现分为数字相机和模拟相机,数字相机具有分辨率高、灰度动态范围大、数据输出速度快、帧数多和受噪声干扰小的特点,这些特点都是在线空瓶检测系统的需要,因此本

15、系统选用数字相机。（3）按扫描方式分为线扫描和面扫描,线扫描相机一次拍出的图像只是一条线,为了得到完整二维图像,通常需要移动被测物或相机本身,同时需要不间断地拍照,对机械装置的要求比较高,而面扫描相机能一次采集整个目标图像,所以选择面扫描相机。（4）按颜色分为彩色和单色相机,彩色相机分辨率一般低于单色相机,工业测量领域用的单色图像不仅精度高而且处理速度快,故单色相机比较符合本系统要求。2、由相机分辨率进一步选择 相机的分辨率会直接影响到整个视觉系统的检测精度,而衡量相机分辨率的标准就是像素值。本系统根据检测精度要求和空瓶的视野大小选择了分辨率为640x480的相机。3、根据相机成像速度及是否支

16、持外触发最终确定型号除了对精度要求外,速度和是否支持外触发也是本系统选择相机的关键。（1）速度要求:检测的速度取决于整个视觉系统运行的时间,在线空瓶检测系统的运行时间包括采集时间、处理时间、数据传送时间和剔除控制时间。系统指标要求的具体速度为20瓶/秒,也就是每个瓶子的检测时间为50毫秒。由于系统采用了多任务同步技术,每个瓶子的实际处理时间可以大大加长,但是等效处理时间却是一致的,因此每个环节的时间必须限制在允许的范围内,即各个环节的实际时间和仍不能超过系统要求的检测时间。由于具有异步拍照功能的相机随时能够终止当前扫描,重新扫描新图像;可手动设置快门速度的相机,在加强光源亮度的前提下,可使快门

17、速度最高达万分之一秒,故具有异步拍照功能和快门速度可调的相机能保证采集图像的速度和清晰度,是本系统的选择。（2）外部触发:系统对空瓶图像的采集不是连续进行的,而是当瓶子到达镜头的时候才开始拍照并进行处理的,因此要求相机必须具备外部触发功能。2.2.2镜头 镜头将三维被测物体和它周围的环境光学成像并投影在摄像机二维图像传感器平面上,因此镜头的选择对空瓶图像质量的好坏有直接关系。镜头一般由光学系统和机械装置两部分组成,光学系统由若干透镜组成,以构成正确的成像关系,保证获取正确清晰的像,它是镜头的核心;机械部分包括固定光学元件的零件、镜头调节机构等。镜头的主要技术参数如下:焦距:镜头的选择主要取决于

18、焦距,焦距是光学镜头的重要参数,通常用f来表示,镜头的焦距决定了成像目标在图像传感器上图像的大小,当采用不同的焦距的镜头对同一位置物体成像时,焦距越大,所成的像越大。成像面:成像面必须与数字相机相匹配,成像面与镜头本身的设计及生产有关,成像应该是越大越好,可是有些厂家的镜头由于设计或生产上达不到技术要求,成像面会较小。光圈大小:镜头的光圈大小用相对孔径F二D/f来表示,其中D为镜头中光线能通过的圆孔直径,f为焦距。镜头的尺寸:镜头可以分为1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸等规格。由如图2所示的镜头光学几何关系可得:根据所检测啤酒瓶子的形状和大小,并结合上面的技术

19、参数及公式（2.1）,在线空瓶检测系统选择了日本COMPUTOR公司的焦距为12llun固焦镜头M1214一MP和焦距为18ITun固焦镜头M1814一MP各一个为作为瓶口和瓶底的镜头和焦距在12llun一36可调的两个百万像素手动变焦镜头M321228一MP作为瓶壁的镜头。图2 镜头光学示意图2.2.3光源和照明 由于瓶口是一个弧形表面，因而要实现表面的均匀照明必须使用穹形光源，目前比较理想的方案是使用中央有孔的穹形 LED 光源，CCD 摄像机就从该光源的孔中对瓶口进行拍照，采集装置如图 3所示。如果缺损在瓶口边沿，图像中边沿亮环将不会封闭；如果缺损在瓶口其它位置，图像中会出现除边沿处亮环

20、以外的其它亮斑。 瓶底可能存在的缺陷包括裂纹、砂眼、气泡和毛发杂物等，由于玻璃瓶易反光，此处若采用反射照明方式，瓶底会出现大面积的反光，难以采集到毛发杂物的图像，故此处需采用透射照明。将平板光源置于啤酒瓶下方，CCD 从瓶口上方进行拍照，采集装置如图 4 所示。 图3 瓶口采集单元 图4 瓶底采集单元 瓶身可能出现的缺陷主要包括气泡和裂纹，通常采用穿透能力较强的红光或红外背光源进行照明，光线穿透瓶身成像于 CCD 靶面。当瓶身有缺陷时，缺陷部位的透光率就与正常玻璃不一样，导致其在图像中的灰度值也不同于正常区域的灰度值，通过合适的阈值分割可将缺陷提取出来，如图5 所示。 图5 瓶身采集单元 为了

21、区别于其他的玻璃瓶，国家技术监督局要求啤酒瓶生产产家在啤酒瓶上打上专用的标志，该标志位于瓶底以上 20 mm 范围内，是以 B 字开头带有生产日期的一串字符。实验证明，平板状光源以背向方式照明时图象没有反光点，而且字符较为清晰。但是由于瓶底对光吸收较多，因此字符的下半部分没有足够的对比度，造成了字符边缘模糊不清。在试验过程中通过将摄像头、啤酒瓶字符区和光源放置在一条倾斜的直线上，可使瓶底区域成像在字符的下侧，就达到了使字符的边缘更清晰的目的。2.3 图像处理 啤酒瓶检测系统利用安装在各检测装置处的光电传感器来确定对啤酒瓶进行拍照的时间，从而保证啤酒瓶检测区域在图像中的位置固定。但在直线式空瓶检

22、测中，啤酒瓶图像在视野中的位置有一定的抖动，所以应预先估算出啤酒瓶在图像中的检测区域，然后由计算机在估算的区域中进行精确搜索，获得啤酒瓶准确位置。 以瓶口检测为例：先根据 CCD 到瓶口平面的距离估算出瓶口检测区域在瓶口图像中大概的位置，再通过计算机运用投影法确定瓶口检测区域的精确位置。这样就不需要计算机在整幅图像中进行运算来确定检测区域，节省了运算时间。通过确定检测区域，就可避免啤酒瓶图像中非检测区域的干扰，使计算机只在预先设定好的区域中进行图像处理，从而达到大大缩短处理运算时间、提高识别效率的目的。 对于采集到的啤酒瓶各部位的图像，首先应进行图像预处理，然后进行图像分割，通过分析啤酒瓶各缺

23、陷、污点的特点，采用一定的智能判断与决策来完成对啤酒瓶缺陷、污点的搜索与识别。2.3.1瓶口检测 在空瓶检测中，空瓶检测的部位不同，采用的检测原理不同。瓶口检测采用的光照以角度75度的光线照射在瓶口上，利用瓶口反射成像。正常情况下，瓶口能够均匀的反射入射光，所成的图像为均匀的白色光环，当瓶口出现破损时，由于瓶口破损处凹凸不平，能均匀的反射入射光，造成入射光散射开来，形成断续的光环。瓶口检测的目的就是检查圆环上是否存在缺损。对于瓶口检测可以选择以下两种方法: 模板匹配法:正常瓶口图像作为标准图，将标准瓶口图像的圆心与被检测图像的圆心位置重合，通过计算两图的差值，当差值大于预定设定的阀值时就认为是

24、有缺陷的啤酒瓶。由于瓶口圆环的宽度并不是均匀的，合格的瓶口厚度设定在一个允许误差范围内，瓶口的图像中的圆环宽度有时会随着设备的传输的原因而导致圆心的定位不准确，从而使依赖像素的模版匹配法容易产生误差。 环形投影法:标准的完好的瓶口图像是宽度一定的圆环。根据光照反射折射的原理，若瓶口图像出现缺陷将会产生扭曲现象，采用环形投影法控制扫描方向，沿着圆环切线方向进行以目标圆环圆心为圆心的环形扫描。以切线方向的图像灰度变化而识别玻璃瓶的完整度。2.3.2瓶身检测 光源从空瓶的侧面水平照射，图像传感器通过图像采集卡采集瓶身的信号。空瓶通过不断旋转以保证每个面都能检测到，提高了空瓶的有效性。瓶身的缺陷图像一

25、般有以下几种:瓶内拉丝、软气泡、裂纹、瓶身厚薄不均。当光线以一定的角度照射在瓶身上，在正常的透光情况下，摄像机拍摄到的图像为灰度变化平缓的图像。若瓶身存在缺陷，则会存在不同灰度的区域图像。2.3.3瓶底检测 瓶底的图像一般具有以下特点:瓶底堵料、杂质沉淀、划痕或裂痕、瓶底毛刺、厚薄不均底座。由于异物的透光率不同于正常折射产生的图像，最终也会形成灰度明显与其他区域不同，对图像采集卡所得到的灰度图像进行二值化，通过系统计算分析，对各个独立污点计算大小，将计算出的污点大小值与预定设定的污点大小值进行比较，判断是否合格。2.4系统控制 性能优越的机器视觉系统应该以稳定可靠的硬件设备来保证。现在国内外的

26、大部分机器视觉系统中，外围的自动化控制系统使用PLC对整个生产线、运动装置、机械手、剔除器等进行控制。本课题在实验室实验阶段，本着通用性和实用性的原则，我们选用三菱的FX系列PLC对整个外围系统进行控制，而FX1N很适合于本研究中的小型控制系统。 用PLC控制啤酒瓶自动检测系统的工作原理为:当啤酒瓶传输到检测位置时，扩散反射型光电开关能接收到啤酒瓶反射回来的光束，就会发出触发信号到PLC，于是PLC判断啤酒瓶到达检测位置，就会输出启动信号到CCD相机，控制CCD对该啤酒瓶进行拍照。CCD拍得的照片被传送到计算机进行图像处理分析，以判断该瓶在此模块是否存在缺陷。系统的传动部分是由交流电机驱动，使用变频器来控制，通过编码器和光电开关对每个啤酒瓶进行编号，将相同编号的图像处理结果汇总分析，从而判断该瓶是否为不合格瓶。若为不合格瓶则向PLC发出信号，当该编号的啤酒瓶触发了剔除器旁的光电开关时，PLC接到信号后即向剔除器发出控制命令，控制剔除器将不合格瓶从传输线上推出。2.5 剔除装置 分瓶器是把不合格的瓶子与合格的瓶子分成两道，进入不同的两个列队，以便于后续步骤。下面我们介绍了剔除式啤酒分瓶器的机械结构，工作原理和电气控制系统的设计。所谓分瓶机，是在瓶装啤酒进入自动包装机械中，将排列好的瓶子进行分组