计算机视觉技术在塑料领域的应用研究进展.pdf

综述CHINASYNTHETICRESINANDPLASTICS合 成 树 脂 及 塑 料，2023，40（4）：82根据联合国环境规划署2021年发布的报告，19502017年，全球累计生产约92亿t塑料，预计到2050年，全球塑料累计产量将增长到340亿t1，截至2018年底，我国塑料加工企业有179095家2。在塑料的生产、加工、应用及废塑料的处理中，计算机视觉技术在提高产品质量、提高合格产品及废塑料分拣效率、降低人工成本等方面发挥越来越重要的作用。本文综述了计算机视觉技术在塑料制品质量检测、废塑料分拣及塑料加工等方面的应用研究进展。1 在塑料制品质量检测中的应用塑料加工过程中，难免产生有缺陷产品，人工挑拣既费时又费力，而且还缺乏统一标准，有时难以判断是否合格。计算机视觉技术被广泛应用于各种塑料加工制品的缺陷检测，既提高了检测速DOI：10.19825/j.issn.1002-1396.2023.04.17率，又提高了检测质量。1.1 用于塑料包装制品缺陷检测目前，缺陷检测系统检测半导体塑料包装缺陷位置的能力较差，NiuZanyao3基于计算机视觉技术设计了半导体塑料包装缺陷检测系统。硬件方面，基于计算机视觉技术，确定了系统框架，选择了摄像机、镜头和光源模型，确定了检测目标图像采集参数；软件方面，根据计算机视觉技术获得的目标图像，对图像进行预处理、分割及提取，以识别和检测目标图像，并检测半导体塑料包装计算机视觉技术在塑料领域的应用研究进展黄美益（广西现代职业技术学院，广西河池 547000）摘 要：综述了计算机视觉技术在塑料制品质量检测、废塑料分拣、塑料产品加工系统中的应用研究进展。与人相比，计算机视觉具有识别效率和识别精度高的优点，可以广泛应用于塑料加工的各方面。随着计算机技术的快速发展，图像采集与数字图像处理技术的检测速率和检测精度会越来越高，将进一步推动计算机视觉技术在塑料加工领域的应用。关键词：计算机视觉 塑料缺陷检测 废塑料分拣 塑料加工中图分类号：TQ325 文献标志码：A 文章编号：1002-1396（2023）04-0082-05Application of computer vision technology in plastics fieldHuang Meiyi（Guangxi Modern Vocational and Technical College，Hechi 547000，China）Abstract：Thispapersummarizestheresearchandapplicationprogressofcomputervisiontechnologyinplasticproductqualityinspection，plasticproductandgarbagesortingandplasticproductprocessingsystem.Comparedwithhuman，computervisionhastheadvantagesofhighrecognitionefficiencyandprecision，itcanbewidelyusedinallaspectsofplasticprocessing.Thedetectionrateandaccuracyofimageacquisitionanddigitalimageprocessingwillbecomehigherwiththerapiddevelopmentofcomputertechnology，whichwillfurtherpromotetheapplicationofcomputervisioninplasticprocessing.Keywords：computervision；plasticdefectdetection；plasticwastesorting；plasticprocessing收稿日期：2023-01-31；修回日期：2023-04-26。作者简介：黄美益，女，1975年生，本科，副教授，2000年毕业广西师范大学计算机科学教育专业，主要研究方向为计算机应用技术。E-mail：。基金项目：2021年广西职业教育教学改革研究项目（GXGZJG2021A028）。第 4 期.83.缺陷。结果表明，该设计系统能够准确检测半导体塑料包装中的缺陷及其位置。考泰斯（广州）塑料技术有限公司4公开的基于计算机视觉的塑料油箱泄漏检测系统，其特点是：采集水下相机从置于水下的塑料油箱冒出气泡时的图片作为检测依据。为了提高照片的对比度，将泄漏检测水池相对于安装有水下相机的另外三个内侧壁上均铺设黑色背景墙，而气泡呈白色，通过黑白对比度可以准确地将塑料油箱冒出的气泡提取出来，保证了软件检测的准确度。佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院5发明的基于计算机视觉的塑料筒表面缺陷检测算法，具体步骤：（1）采用线扫相机视觉成像系统采集图像；（2）通过分段线性变换灰度变换方法增强图像，对区域使用中值滤波去噪处理；（3）使用LOG算子对图像进行分割得到印刷的边缘；（4）提取塑料筒表面的图像区域ROI；（5）使用阈值法分割图像，求取分割图像的连通区域；（6）根据连通区域的面积和边缘特征判断缺陷。该发明提供特有的视觉成像方式，使塑料筒的缺陷在图像中更加明显。该图像处理检测算法可以快速准确地检测出塑料筒的缺陷，具有很强的实用性。大连巨通塑料制品有限公司6公开的基于计算机视觉的软包装剔废装置，包括由光源和拍摄塑料膜印刷图案的拍摄系统组成的计算机视觉装置、标识装置、剔除装置、控制器和处理器。其中，标识装置和剔除装置均与控制器电连接，控制器与处理器电连接，拍摄系统与处理器通讯连接。拍摄系统对印刷后的塑料膜逐段进行拍照并将图像数据传输给处理器，处理器将采集到的图像数据与模板数据进行对比分析以识别该塑料膜是否合格，不合格则给控制器发出信号，以驱动标识装置标记该段塑料膜并在制袋工序前将其识别，以驱动剔除装置在该段塑料膜被制袋后自动剔出生产线。佛山读图科技有限公司7公开的塑料安瓿瓶视觉检测生产线，其第一运输机构用于将连续排列的联排塑料安瓿瓶有规律地逐个间隔地输送至夹起工位；夹起机构夹住联排塑料安瓿瓶的瓶盖，转移至第二运输机构上；瓶身视觉检测模块设置在夹起机构的转移区段中，用于多方位对联排塑料安瓿瓶的瓶身进行图像采集；第二运输机构用于运输联排塑料安瓿瓶；瓶盖视觉检测模块设置在第二运输机构的运输区段中，用于多方位对联排塑料安瓿瓶的瓶盖进行图像采集；实现了对塑料联排塑料安瓿瓶的全面视觉检测，极大提高了检测准确率，基本避免了不良品进入后续的生产线中。1.2 用于塑料软管表面缺陷检测天津中新华兴光电技术有限公司8公开的基于计算机视觉的塑料软管表面缺陷检测系统，其最大特点是通过多色谱线阵相机对被测软管采图，而后通过软件对图片进行比对分析，实现对缺陷产品的快速、准确分析和分拣。韶关凌注科技有限公司9开发的塑料软管表面缺陷检测装置与现有装置最大的不同在于可移动，方便对不同位置的塑料软管进行检测，且检测箱的高度可调节，便于检测不同高度生产线的塑料软管。1.3 用于塑料零件缺陷检测南通大学10公开了一种汽车塑料组合件紧固卡扣缺装检测装置的检测过程及算法。其中，塑料组合件由若干塑料基础件经紧固卡扣组合而成，检测装置由传输带、电机、变频器、接近开关传感器、气缸、电磁阀、摄像机、计算机、可编程控制器（PLC）、报警装置、触摸屏组成。通过摄像机和自动识别算法自动判断塑料组合件是否缺装，实现自动识别，并将判断后的信号发送给PLC控制气缸对塑料组合件进行拦截及通过报警装置报警并停机；而后将缺装的塑料组合件取出，装置恢复工作，实现了自动化控制。该装置实现了对塑料组合件缺装的自动检测，识别效率和准确率高。聊城大学11发明的基于计算机视觉的小模数塑料齿轮的检测方法及其图像处理系统，由图像采集模块、图像预处理模块，以及检测、测量和分类模块组成，实现了对小模数塑料齿轮的实时、非接触性检测和分类。1.4 用于其他塑料制品的缺陷检测浙江工商大学12发明了一种基于计算机视觉的塑料托盘反光特征检测系统及方法，采用半透镜将塑料托盘反射的激光束所形成的光斑采集到工业相机上，并利用计算机视觉技术测量光斑的中心位置和偏离度，以获得塑料托盘的结构信息，为塑料托盘进入高架库提供定量依据，也为淘汰塑料托盘提供量化依据。该系统自动化程度高、检测效率高、准确度高，为大批量在流转塑料物流平托盘的可连续性检测提供了技术手段，应用前景广阔。浙江中烟工业有限责任公司13公开的三目计算机视觉的塑料托盘检测装置，由第一工业相机单目、第二工业相机单目和第三工业相黄美益.计算机视觉技术在塑料领域的应用研究进展合 成 树 脂 及 塑 料2023年第40卷.84.机单目构成，沿塑料托盘侧面呈一条直线排列，分别拍摄工业相机不同的单目视场，三个视场依次覆盖塑料托盘侧面图像互不重叠的不同部分，且可合并为整个塑料托盘侧面图像。最大优点为三台低分辨率工业相机同时拍摄、同时处理，检测速率快，机械结构简单稳定，可靠性高。武汉市坤瑞塑胶模具制品有限公司14公开了基于计算机视觉的塑料制品缩坑检测方法及系统。该方法可获得塑料产品图像中每个像素点的梯度幅值和梯度方向。根据选取梯度方向连续且渐变分布的连续像素点构成待选边界曲线。根据待选边界曲线的组合获得闭合区域边界，进而获得待选缩坑区域。结合待选缩坑区域内梯度幅值的变化特征和像素灰度变化特征筛选出缩坑区域。本发明通过对像素点的梯度特征进行分析，实现了对缩坑区域进行准确检测。哈尔滨工业大学15公开了一种简单实用的基于计算机视觉的嵌入式塑料织物质量检测装置，其检测方法为：通过对织物图像的多尺度小波变换，对织物图像进行Canny边缘检测对图像进行高斯平滑，消除个别灰度异常的像素点；利用一阶偏导差分计算梯度，并对梯度幅值进行非极大值抑制，定位邻域内灰度变化大的像素点；利用双阈值得到塑料织物的二值化边缘图像；利用霍夫变换提取直线特征，判断是否存在经纬线脱丝现象。2 在废塑料分拣中的应用到2050年，全球塑料废弃物质量约为3亿t。2021年，我国废塑料的材料化回收量约为19000kt1。对废塑料进行有效分类和高效分拣，是废塑料产业健康发展的关键。Agarwal等16提出了一种基于计算机视觉的图像分类方法对废塑料进行分类，其依据是树脂的识别码，以便进行有效回收。在开发已知种类废塑料的识别方法时，还需要适应与之相关的废塑料多样性识别的挑战。针对以上两个问题提出了机器学习方法。首先，将废塑料分为两类：一类为已知种类，第二类为不属于任何已知种类的废塑料，需要去识别。使用基于孪生和三元组损失网络的一次性学习技术提取废塑料的图像特征。然后使用监督和非监督降维技术对提取的特征将废塑料的图像分为已知或未知。如果废塑料不属于未知种类，就识别其所属的树脂代码类别。结果表明，通过WaDaBa数据库的验证，该方法可完成废塑料分类且具有很高的精度，WaDaBa数据库包含废塑料的图像。微塑料是所有环境基质的显著污染物，它们的量化和表征需要漫长而费力的分析程序，这使得关于微塑料的研究成为一个关键问题。鉴于此，Massarelli等17开发了一种基于计算机视觉和机器学习的系统，能够快速自动地对微塑料进行计数和分类分为四种形态和尺寸，避免了手动操作。首先，创建了一种早期的机器学习算法来对微塑料进行计数和分类。其次，开发了一种监督K-最近邻和非监督分类方法，以确定微塑料的数量和性质，并发现隐藏的信息。机器学习算法表明，对于计数过程和尺寸分类结果较理想，在视觉分类方面还需要进一步改进。类似地，监督分类结果理想，准确度大于0.9；另一方面，由于所用的采样方法问题，非监督分类发现，对于某些可能无法确认的微塑料形状，新的系统为通过传统的微塑性研究方法获取不可检测信息提供了有用的工具。总之，所提出的应用提供了一种基于照片中捕获的颗粒计数、尺寸分布和形态的可靠的自动微塑料定量方法，在方法标准化方面具有可观的前景。浙江博城机器人科技有限公司18公开的基于计算机视觉的废塑料分拣机器，由移动车、安装于移动车上旋转伸缩机械手、安装于旋转伸缩机械手的夹爪、摄像头及计算机构成。旋转伸缩机械手、夹爪及摄像头均与计算机电连接；摄像头用于地面画面信息，计算机用于分析摄像头获取的画面中是否有塑料瓶、塑料袋、纸片及纸包装袋；夹爪及旋转伸缩机械手由计算机驱动控制，可以快速实现废塑料分拣。上海电力大学19公开的基于计算机视觉的塑料瓶回收机器人，由回收车体（用于在待回收区域行走并容纳回收的塑料瓶）、视觉识别机构（用于识别待回收区域的塑料瓶）、夹取运送机构（用于夹取塑料瓶并运送至回收车体中）组成。与现有技术相比，该系统可以在相对比较复杂的现实环境中，准确分辨出丢在地面的塑料瓶，并进行可靠回收，具有结构简单、稳定性高等优点。福州大学20公开的塑料瓶颜色分拣回收装置，包括用以输送塑料瓶的传送带，传送带上方的照相机，传送带出料端下方设置第一料框，第一料框旁侧设置第二料框，第一料框上方设置可移动的斜置导料挡板，导料挡板较低端下方设置第二料框。该装置将计算机视觉图像处理技术应用到废旧塑料瓶的分拣上，提高了分拣效率第 4 期.85.和分拣准确率，具有结构简单、安全性好、成本低及稳定性强等优点，有利于嵌入整个塑料瓶回收生产线。3 在塑料制品加工中的应用3.1 在注塑机中的应用广东科捷龙机器人有限公司21公开的基于计算机视觉的注塑机智能控制系统，包括可与注塑机连接的主机控制器、控制单元及视觉单元。主机控制器控制注塑机开合模，视觉单元在控制单元的控制下获取合模前的视觉图像，并将视觉图像反馈至控制单元进行检测分析；控制单元包括与其电连接的检测分析单元，检测单元获取视觉图像后判断是否符合合模条件，并将分析结果反馈至控制单元，控制单元将检测单元的分析结果传送回主机控制器。该系统克服了现有注塑系统注塑时无法检测分析模具状况，不能保护模具及确保产品质量的技术问题。宁波汇智恒动自动化科技有限公司22发明的用于注塑机的视觉检测和矫正系统，包括视觉模块、矫正模块、机器学习识别模块。其方法是：在视觉模块中先采用图像校正操作来减少因拍照位置偏移或者被拍对象偏移造成的图像位置不一致带来的影响，再对采集的图像进行系统处理，提升计算机视觉处理的精确度；同时在视觉模块和机器学习识别模块的辅助下，采用机械臂代替人工高效完成无纺布及螺母的放置工作，极大提高了注塑机的注塑效率。广州中和互联网技术有限公司23公开的基于计算机视觉的注塑机模具检测系统及方法，包括计算机视觉检测平台、图像处理单元、模具监测模块和模具管理模块。计算机视觉检测平台对模具进行平行无影光照射，而后采集模具的图像信息；图像处理单元基于计算机视觉方法，通过检测模型对采集的模具图像信息进行识别分析；当模具损坏或出现不良状况时，及时予以处理，大幅提高了产品的合格率和模具寿命；模具监测模块用于结合心跳信号和不合格产品对模具的工作状态进行监测；模具管理模块在接收到模具异常信号后分配给相应的操作人员对模具进行检修或者更换，提高维修效率。深圳凌波威视科技有限公司24公开的自动化视觉检测筛选系统，由透明转盘、驱动装置、第一检测装置、第二检测装置、多个分类装置、控制装置和下料装置组成。透明转盘与驱动装置的输出端连接，第一检测装置、第二检测装置置于同一支架上，两个检测装置的检测口相对设置，且均与透明转盘对应，下料装置、多个分类装置均与透明转盘对应，驱动装置、两个检测装置、下料装置、多个分类装置均与控制装置电连接。该系统可对小物件进行流水线式自动化检测及筛选，提高了检测及筛选的精度和效率。3.2 在吹塑机中的应用西安交通大学25公开了基于计算机视觉的吹塑产品的在线测量方法。具体步骤为：（1）基于计算机视觉获取工业产品的图像；（2）对图像预处理，采用图像滤波手段去掉图像中的噪声干扰，恢复图像的原始特征；（3）对图像滤波，在对图像逐行扫描过程中，对于每个像素点，首先判断该像素点是否为该邻域像素的最大值或最小值，若是则对其中值滤波，否则该像素点灰度值不变；（4）对得到的图像进行图像分割，利用图像的灰度直方图和自动阈值分割算法，获取亚像素轮廓，基于亚像素轮廓继而实现相关横截面的直径、高度、圆弧直径及圆度的检测。3.3 在其他方面的应用梅卡曼德（北京）机器人科技有限公司26提供了一种用于工业计算机视觉的镜头及图像采集部件，设置反摄远透镜组和后透镜组，反摄远透镜组用于对射入的光线进行汇聚，以便于汇聚后的光线入射至后透镜组中，在镜头实现大视场角的情况下能够实现低畸变，从而保证被摄取目标的图像质量和分辨率。广东猛犸象智能机器人制造有限公司27公开的基于计算机视觉的塑料瓶激光打标系统及方法，包括传送机构和打标机构。其中，传送机构包括固定架及安装在固定架上的传送带，打标机构架设在传送带的侧边，用于对传送带上的塑料瓶进行打标处理。采用该系统实现了对整箱待测产品的快速、稳定、准确定位，提高了激光打码效率，有利于塑料瓶产品打标工艺实现标准化。李瑞青28公开了一种计算机视觉测量系统，由图像采集模块、测量标定模块、通讯模块、显示模块与电源模块等构成。其中，图像采集模块内设置有若干个连接有图像采集卡的CCD相机，图像采集卡连接有图像处理器；测量标定模块内设置有刻度标尺与射频标签，刻度标尺连接有零位调整器；通讯模块内设置有射频信号发生器与网络服务器，网络服务器内设置有网络转换卡，通过黄美益.计算机视觉技术在塑料领域的应用研究进展合 成 树 脂 及 塑 料2023年第40卷.86.多个相机配合很好地将空间内的图像采集下来；通过对测量点放置射频标签，利用刻度标尺对于空间进行标点，能很好地完成对于小空间的测量。4 结语计算机技术的发展为计算机视觉技术提供了硬件和软件支撑，塑料加工行业又为计算机视觉技术提供了良好的应用场景。随着计算机技术的快速发展，图像采集与数字图像处理技术的检测速率和检测精度会越来越高，将进一步推动计算机视觉技术在塑料加工领域的应用。5 参考文献 1王健生.中国废塑料回收利用量居世界第一意味着什么N.中国经济导报，2022-06-14（02）.2马龙，田升江，廖承涛，等.中国塑料企业发展报告（2019）J.中国石油和化工经济分析，2019（12）：37-40.3NiuZanyao.Designofdefectdetectionsystemforsemiconductorplasticpackagingbasedonmachinevision J.JPhysConfSer，2021，2006（1）：1-6.4考泰斯（广州）塑料技术有限公司.一种基于机器视觉的塑料油箱泄漏检测系统：中国，214373164UP.2021-10-08.5佛山市南海区广工大数控装备协同创新研究院.一种基于机器视觉的塑料筒表面缺陷检测方法：中国，108830832BP.2021-09-07.6大连巨通塑料制品有限公司.一种基于机器视觉的软包装剔废装置：中国，210847264U P.2020-06-26.7佛山读图科技有限公司.一种塑料安瓿瓶的视觉检测生产线：中国，114235832A P.2022-03-25.8天津中新华兴光电技术有限公司.基于机器视觉的塑料软管表面缺陷检测系统：中国，205720034U P.2016-11-23.9韶关凌注科技有限公司.一种基于机器视觉的塑料软管表面缺陷检测装置：中国，213633206U P.2021-07-06.10南通大学.汽车塑料组合件紧固卡扣缺装检测装置的检测过程及算法：中国，111539927A P.2020-08-14.11聊城大学.基于机器视觉的小模数塑料齿轮的检测方法：中国，106824806B P.2018-12-18.12浙江工商大学.一种基于机器视觉的塑料托盘反光特征检测系统：中国，103712568B P.2016-05-04.13浙江中烟工业有限责任公司.一种三目机器视觉的塑料托盘检测装置：中国，204064956U P.2013-12-31.14武汉市坤瑞塑胶模具制品有限公司.一种基于计算机视觉的塑料制品缩坑检测方法及系统：中国，114187289A P.2022-03-15.15哈尔滨工业大学（威海）.基于机器视觉的嵌入式塑料织物质量检测装置及检测方法：中国，107622490AP.2018-01-23.16AgarwalS，GudiR，SaxenaP.Imageclassifcationapproachesforsegregationofplasticwastebasedonresinidentifcationcode J.TransIndNatlAcadEng，2022，7：739-751.17MassarelliC，CampanaleC，UricchioVF.Ahandyopen-sourceapplicationbasedoncomputervisionandmachinelearningalgorithmstocountandclassifymicroplastics J.Water，2021，13（15）：1-20.18浙江博城机器人科技有限公司.一种基于机器视觉的垃圾分拣机器：中国，113083702A P.2021-07-09.19上海电力大学.一种基于机器视觉的塑料瓶回收机器人：中国，212197020U P.2020-12-22.20福州大学.一种塑料瓶颜色分拣回收装置：中国，206854143U P.2018-01-09.21广东科捷龙机器人有限公司.基于机器视觉的注塑机智能控制系统：中国，105835328A P.2016-08-10.22宁波汇智恒动自动化科技有限公司.一种用于注塑机的视觉检测和矫正系统：中国，109382968B P.2021-08-24.23广州中和互联网技术有限公司.一种基于机器视觉的注塑机模具检测系统及方法：中国，113427731A P.2021-09-24.24深圳凌波威视科技有限公司.一种自动化视觉检测筛选系统及方法：中国，110672625A P.2020-01-10.25西安交通大学.一种基于机器视觉吹塑产品的在线测量方法：中国，104228049A P.2014-12-24.26梅卡曼德（北京）机器人科技有限公司.用于工业机器视觉的镜头及图像采集部件：中国，214586200U P.2021-11-02.27广东猛犸象智能机器人制造有限公司.一种基于机器视觉的塑料瓶激光打标系统及方法：中国，114425658A P.2022-05-03.28李瑞青.一种计算机视觉测量系统：中国，205642290UP.2016-10-12.广 告 索 引彩色广告 安特威硬密封球阀封面