空心胶囊外观缺陷检测仪设计开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 空心胶囊外观缺陷检测的目的及意义

空心胶囊是药品的主要封装方式之一，人们服药时它将随内盛药物一同口服进入人体消化系统，并最终为人体吸收^[1]。劣质的空心胶囊不仅直接影响药物的质量，还会对人体健康造成伤害。因此，胶囊的质量必须严格把关。

成品胶囊在生产传输过程中会存在各种类型的缺陷，如胶囊过长过短、孔洞、气泡、表面黑点、油污、异色、端面顶凹、切口毛刺等^[2]。上述缺陷的存在将影响药品的疗效与档次，比如，过长或过短的胶囊容易引起药剂量的过量或不足；有孔洞气泡的胶囊易造成药品在服用和消化吸收过程中的泄漏和提早释放，如胃溶型和肠溶型的胶囊若不在正确的人体部位内释放药物则影响药效的发挥，甚至引起不良反应；有表面黑点、油污的胶囊将带异物随口服胶囊进入人体，可能对人体造成伤害。因此胶囊的缺陷检测时胶囊整个生产环节中不可或缺的一部分^[3、4]。

1.2 国内外的研究现状分析

随着图像处理技术渐渐地在医药领域得到应用，许多传统的胶囊缺陷检测方法也在快速地改变着。国内外学者在药用胶囊缺陷检测方面的研究中取得了很大的进展，特别时理论研究，其为后续的发展奠定了基础。

国外的学者对胶囊缺陷识别进行了一定的研究，Karloff等人研究了USB2.0接口的相机及其基于FPGA的外围设备，其在保证高的图像质量的前提下降低了检测医用胶囊的成本^[10]。Islam等人研究了基于边缘技术的图像分割方法，并通过对产生的二值图像进行的参数提取，进而对胶囊缺陷进行检测，并有效的提高了检测精度^[11、12]。在胶囊检测系统的研制上，国外的发展可谓快人一步，其中尤以英美两国最为突出，其研制的产品已经市场化并具备较高水平。如SADE SP胶囊分拣机，产自英国CI公司，其能够对规则胶囊进行排序，且其称重精度已经达到了1毫克。美国MOCOM公司出产的高速胶囊在线称重及分拣系统，能对装载完毕后的胶囊药片进行剔除。在拥有如此优秀性能的检测系统下，让人难以承受的是其昂贵的价格。此外，国外的检测设备大多数功能较单一、兼容性偏弱，无法良好地与国内众多制药厂现有的设备进行融合，以此来完成一整套的检测功能^[13、14]。

在国内，随着小康的普及，大家越来越重视健康，国内对医药行业也在不断重视，对胶囊缺陷检测系统的需求也越来越大。国内学者也对一些在图像采集装置、图像处理以及表面缺陷识别等方面进行了研究，并取得了一定的成果。2008年，国内学者在胶囊外观轮廓的检测中取得了巨大的突破。其中王军海等对胶囊外观缺陷的检测进行了研究，并公开了一套基于DSP和FPGA的胶囊外观缺陷检测系统的有效解决方案，其中系统的逻辑控制和图像的预处理是由FPGA完成的，从而可以减少DSP的运算时间，图像后续处理以及与上位机的通讯是由DSP完成的。软件部分，通过MATLAB软件详细解释胶囊图像所具有的特征，还提出了一套破损胶囊图像检测算法。利用直方图分割技术来对图像进行分割，通过计算目标图像的面积、均值和方差来进行胶囊缺陷的定义。并且该算法在小样本空间中已经进行了实验验证，得到了很好的证明^[3]。同年，冯珊珊等对真假药识别方法进行了一定的研究，通过数字图像分析技术和BP神经网络技术，对胶囊的大小特征参数和形态特征参数进行提取，并以此建立了神经网络的模型。此检测方法的检测准确率达到了97.5%，对后续研究具有非常重要的现实以及经济意义^[18]。基于前面学者的深入研究，近年来我国在药品检测领域取得了巨大的研究成果。更多胶囊检测的系统解决方案以及胶囊检测分拣系统已经频频问世。2011年吴德等公开了一套基于数字图像处理的胶囊外观轮廓缺陷检测的系统。该系统已经能够较好的检测多种胶囊缺陷，具备每小时75000 粒的检测速度，同时做到了能够测量胶囊尺寸，数据进行在线保存并且残次品可以自动剔除。但是系统稳定性不够，由于无法保证胶囊在玻璃板上的纯滚动使得检测准确率大大降低^[2]。2012 年，闫志洋等对多通道的破损胶囊检测技术进行了研究，以DSP 作为检测平台，公开了一套可以对多个单色或者双色胶囊同时进行缺损检测的解决方案，提出用图像反色与合成的方法来降低DSP 处理的数据量，通过计算破损面积和对灰度直方图的分析来定义缺陷。该算法只在有限的样本空间里得到验证，还不够成熟，需要改进^[19]。2013 年，王娟等对胶囊红外图像的缺陷检测进行了研究，提出一种两阶段检测方法，将胶囊图像的外形特征和纹理特征进行一定的结合，输入给BP 神经网络，用来作为识别胶囊是否合格的初步依据。第二阶段，利用边缘检测算子提取胶囊轮廓，以轮廓特征及胶囊套接距来作为胶囊是否合格的指标。识别准确率达到95%以上，误判率为1.6%。该设计未应用于现场，而是基于实验小样本空间内完成，并且只是针对胶囊的某一种类型进行的讨论，方法的通用性不够[20]。同年，侯海飞等也对胶囊表面缺陷的识别与分拣进行了研究，通过对BP 神经网络的建立，较好的识别了胶囊表面缺陷，识别准确率达99.5%，并可检测0#到2#号胶囊，但是漏检率较高，系统还需完善。采用BP 神经网络虽然可以提高识别的准确率，但是同时也在一定程度上降低了系统的处理速率，影响了检测效率[21]。

1.3 胶囊缺陷图像分类及分析

尽管药用空心胶囊的缺陷有许多种，但是胶囊缺陷大致可以分为以下四类：

1）胶囊外形尺寸不良，如超长、超短、形变、瘪壳等；

2）胶囊表面瑕疵，如黑点、油污、红异色点、气泡等；

3）胶囊内部残损，如开裂、残缺、孔洞、划痕等；

4）胶囊其他缺陷，如梅花头、混色、顶凹等。

图1.1 胶囊图像

如图1.1 所示，一个胶囊分为胶囊帽、胶囊结合体和胶囊体三部分。胶囊灰度图像如图1.2 所示，分为合格图像以及部分缺陷图像，部分缺陷图像有短帽、空洞、油污、瘪壳、双帽。胶囊彩色图像如图1.3 所示，其中（a）为正视图像，（b）为胶囊一端面图像，（c）为胶囊另一端面图像[22,23]。

图1.2 胶囊灰度图像

图1.3 胶囊彩色图像

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计的基本内容和目标

本次设计的产品是胶囊质量检测仪，设计功能如下：

（1）对胶囊全方位测量，得到胶囊实际数据信息。

（2）测量对象为00#-4#空心胶囊，包括透明胶囊、半透明胶囊、有色胶囊。

（3）实现全自动分拣，对合格与不合格胶囊自动分离。

（4）实时显示胶囊外观质量和检测状态，具有自动报警、远程数据通信等功能。

2.2技术方案比较及选择

方案一：系统通过单通道方式对胶囊外形信息图像进行采集，采用常规可见光方式利用黑白相机进行胶囊外形信息图像进行采集。将采集到的图像通过工控机显示出来。当系统处理采集到的图像检测到胶囊存在缺陷时发出剔除信号，利用压缩空气吹除存在缺陷的胶囊。

方案二：系统通过双通道方式对胶囊外形信息图像进行采集，即近红外通道和可见光通道。其中，近红外通道由黑白相机、背光源组成，主要采用形态学算法对胶囊进行分段提取（胶囊帽、体和结合体），并分别进行缺陷检测，主要检测胶囊内部残损和胶囊表面瑕疵等缺陷。可见光通道由彩色相机、倾斜照射的条形光源组成，主要进行高亮点的提取，并进行缺陷检测，主要检测胶囊外形尺寸不良以及胶囊其他缺陷。将相机拍摄到的图像传输到工控机，并通过显示系统显示胶囊图像。在缺陷胶囊剔除方面利用接近开关对胶囊进行计数及定位，若检测到胶囊不合格则标记该不合格胶囊位置，等待吹气剔除。

方案选择：首先在图像采集的质量上方案二的方案设计优于方案一的单通道设计，背光源由于打光较为均匀，使得胶囊灰度图像的灰度值较为平滑，胶囊在缺陷处的灰度值与周围领域的灰度值差别较为明显，因此我们可以利用胶囊各个区域灰度值的均匀性来检测胶囊是否缺陷，而且彩色相机所采集到的彩色图片还可以进行胶囊颜色的识别检测。另外通过接近开关对所检测的胶囊进行计数及定位有助于提高系统的准确性，吹气装置的设计既可以剔除存在缺陷的胶囊也可以清除传动链条上的灰尘及杂质。综合考虑上述原因我选择方案二作为本次设计的主要方案。

2.3 主要元器件的选择

黑白相机及彩色相机的选择：胶囊外形快速检测系统要求其检测速度每小时不少于84000 粒，也就是要求摄像机的帧率需要在每秒24 帧及以上。高速采集运动中的胶囊图像，要求一款高帧率的逐行扫描相机。胶囊除了具有不同型号之外，还有不同的颜色配对（蓝白、黄绿等），为了减少运算时间，采用两部黑白相机采集胶囊图像，进行灰度图像分析及缺陷检测，每个黑白相机的视场中有三个胶囊，然后采用一部彩色相机进行胶囊正视图的采集用来判定是否有混色不合格胶囊，再采用两部彩色相机进行胶囊两端面的缺陷检测。每个

彩色相机视场中有六个胶囊。综合考虑，胶囊外形快速检测系统中黑白相机和彩色相机分别选取德国AVT 系列和 IEEE1394 数字摄像机，如图2.1 和2.2 所示，最高（全帧）帧率为31 帧每秒，分辨率达1292*964，像素尺寸为3.75μm。

图2.1 黑白相机图

图2.2 彩色相机图

图像采集卡的选择：由于采用双通道相机检测，近红外通道部分由两个黑白相机组成，可见光通道部分由三个彩色相机组成，所以图像采集卡选用两张双芯片、四通道的1394 卡，每张最多可以连接四台摄像机。

I/O 控制卡的选择：I/O 控制卡选用的是一张双输入双输出的隔离数字量输入/输出卡，其针脚如图2.3所示，其中IDI0~IDI15 为隔离数字量输入，IDO0~ IDO15 为隔离数字量输出，ECOMO 和ECOM1 为IDI 隔离地， EGND 为IDO 隔离地，NC 为无连接。选取IDI0 作为接近开关信号脚的输入，用来输入接近开关对齿轮进行计数后的信号，IDO0 作为摄像机触发信号的输出，用来控制黑白和彩色CCD 相机的打开和关闭，IDO1 作为剔除信号的输出，用来控制剔除装置的打开和关闭，从而对胶囊进行剔除或者保留的判断。图2.3 CN6 针脚图

2.3 软件部分设计

本次空心胶囊外观缺陷监测系统的软件部分设计主要基于Labview和Matlab两个软件结合完成，软件总流程大致设计如下：

图2.4 软件流程图

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4－6周：对胶囊外形快速检测系统的硬件结构进行设计，并对胶囊表面的完全展开进行了具体的设计。

第7－9周：对胶囊外形快速检测系统的软件结构进行设计。包括软件系统的总体设计，以及各重要操作界面设计，并给出黑白和彩色图像处理的具体流程。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 吴宏杰,季剑兰,朱音等. 一种胶囊缺陷检测系统的设计与研究[j]. 电脑知识与技术,2010,6(28): 8093~8094,8100.

[2] 吴德.基于图像处理的胶囊检测系统的研究[d]. 广州: 广东工业大学, 2011.

[3]王军海. 残损胶囊图像检测系统的研究与设计[d]. 武汉: 武汉理工大学,2008.