Công nghệ kiểm tra chai rỗng bằng thị giác: Nguyên lý, ứng dụng và xu hướng phát triển

Kiểm tra vỏ chai rỗng bằng thị giác máy tính là một công nghệ quan trọng trong sản xuất tự động hóa công nghiệp hiện đại. Đặc biệt trong các ngành công nghiệp như bia, đồ uống và dược phẩm, việc kiểm tra chất lượng vỏ chai rỗng một cách hiệu quả và chính xác là vô cùng quan trọng. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thị giác máy tính, các hệ thống kiểm tra vỏ chai rỗng dựa trên thị giác máy tính đã thay thế các phương pháp kiểm tra thủ công truyền thống, trở thành thiết bị cốt lõi để đảm bảo chất lượng sản phẩm và nâng cao hiệu quả sản xuất.

1. Bối cảnh và ý nghĩa công nghệ

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống và dược phẩm, chất lượng của chai rỗng ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn và tính nguyên vẹn của niêm phong của sản phẩm cuối cùng. Các phương pháp kiểm tra thủ công truyền thống có nhiều nhược điểm, bao gồm hiệu quả thấp, cường độ lao động cao, tiêu chuẩn kiểm tra không nhất quán và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố chủ quan. Điều này đặc biệt có vấn đề trên các dây chuyền sản xuất tốc độ cao, nơi việc kiểm tra thủ công gặp khó khăn trong việc theo kịp tốc độ sản xuất lên tới hàng chục nghìn chai mỗi giờ.

Với những ưu điểm như hoạt động không tiếp xúc, xử lý thời gian thực, độ chính xác cao và khả năng lặp lại mạnh mẽ, công nghệ thị giác máy tính cung cấp giải pháp lý tưởng cho việc kiểm tra chai rỗng tự động. Thông qua hệ thống thị giác máy tính, có thể thực hiện kiểm tra toàn diện miệng chai, thân chai và đáy chai, xác định chính xác các khuyết tật khác nhau và đảm bảo chỉ những chai rỗng đạt tiêu chuẩn mới được chuyển đến giai đoạn chiết rót.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống

2.1 Kiến trúc tổng thể của hệ thống

Một hệ thống kiểm tra thị giác chai rỗng điển hình chủ yếu bao gồm các thành phần sau:

1. Thiết bị thu nhận hình ảnh: Bao gồm camera công nghiệp, ống kính, nguồn sáng và các thành phần liên quan. Hệ thống thường sử dụng camera CCD hoặc CMOS, kết hợp với các ống kính quang học và hệ thống chiếu sáng được thiết kế đặc biệt. Thiết kế nguồn sáng đặc biệt quan trọng, vì các khu vực kiểm tra khác nhau yêu cầu các phương pháp chiếu sáng khác nhau — ví dụ, chiếu sáng bằng đèn vòng cho miệng chai, nguồn sáng dạng tấm phẳng cho đáy chai và đèn huỳnh quang cho thân chai.

2. Mô-đun Xử lý và Phân tích Hình ảnh: Đây là phần cốt lõi của hệ thống, chịu trách nhiệm xử lý và phân tích các hình ảnh đã chụp. Nó tích hợp nhiều thuật toán khác nhau để tiền xử lý hình ảnh, trích xuất đặc điểm, nhận dạng khuyết tật và các tác vụ tương tự.

3. Hệ thống điều khiển: Thường sử dụng bộ điều khiển logic lập trình (PLC) làm đơn vị điều khiển cốt lõi, hệ thống này điều phối hoạt động của toàn bộ thiết lập—bao gồm kích hoạt chụp ảnh bằng camera, điều chỉnh tốc độ băng tải và điều khiển các cơ chế loại bỏ sản phẩm lỗi.

4. Cơ chế tác động: Chủ yếu bao gồm các thiết bị loại bỏ bằng khí nén, cơ chế này loại bỏ các chai rỗng không đạt tiêu chuẩn ra khỏi dây chuyền sản xuất dựa trên kết quả kiểm tra.

5. Giao diện người-máy (HMI): Giao diện này cung cấp cho người vận hành các chức năng để cấu hình tham số, giám sát dữ liệu, chẩn đoán lỗi và các tác vụ vận hành khác. 2.2 Quy trình làm việc

Trong quá trình vận hành, các chai rỗng lần lượt đi qua các trạm kiểm tra khác nhau bằng băng chuyền. Khi cảm biến quang điện phát hiện một chai rỗng đến vị trí chụp ảnh, nó sẽ kích hoạt camera để chụp ảnh. Dữ liệu hình ảnh được truyền đến hệ thống xử lý hình ảnh để phân tích nhằm xác định xem chai rỗng có chứa bất kỳ lỗi nào hay không. Nếu phát hiện lỗi, hệ thống sẽ ghi lại thông tin vị trí của chai đó; sau đó, khi chai lỗi đến vị trí loại bỏ, hệ thống điều khiển sẽ kích hoạt cơ cấu khí nén để đẩy nó ra.

3. Các hạng mục kiểm tra và thông số kỹ thuật

3.1 Các hạng mục kiểm tra chính

Hệ thống kiểm tra trực quan chai rỗng là cần thiết để phát hiện nhiều loại khuyết tật khác nhau, chủ yếu bao gồm:

Kiểm tra miệng chai:

• Hư hỏng, nứt hoặc sứt mẻ trên bề mặt lớp niêm phong

• Hư hỏng ở vành miệng (mặt trên), cạnh ngoài hoặc cạnh trong

• Lỗi ren (tính năng tùy chọn)

• Nhiễm bẩn và vật thể lạ

Kiểm tra thân chai:

• Các chất bẩn bám trên bề mặt bên trong và bên ngoài thành chai (ví dụ: băng dính trong suốt, tàn thuốc lá)

• Vết trầy xước, vết mài mòn và vết nứt

• Bọt khí, tạp chất, nếp nhăn và các vết dính

• Phát hiện vật thể lạ dưới dạng màng trong suốt

Kiểm tra đáy chai:

• Bụi bẩn và vật lạ ở đáy chai (ví dụ: màng trong suốt từ bao bì thuốc lá, tàn thuốc lá)

• Các vết nứt, bề mặt không bằng phẳng, các chỗ lồi nhọn (gai), và đáy không đối xứng

• Các khuyết tật về cấu trúc

Các hạng mục kiểm tra khác:

• Phát hiện chất lỏng còn sót lại (nước còn sót lại, dung dịch kiềm còn sót lại)

• Kiểm tra hình dạng và cấu trúc (chai quá cao/thấp, chai bị vỡ cổ, chai bị biến dạng, chai bị đổi màu, chai bị lật ngược, chai bị cắt đôi)

3.2 Thông số kỹ thuật về hiệu năng

Các hệ thống kiểm tra trực quan chai rỗng hiện đại phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt:

• Tốc độ kiểm tra: Tiêu chuẩn quốc tế tiên tiến đạt trên 72.000 chai/giờ.

• Độ chính xác kiểm tra: Độ chính xác kiểm tra toàn diện vượt quá 99,65%, với tỷ lệ từ chối sai dưới 0,18% và tỷ lệ bỏ sót phát hiện dưới 0,21%.

• Thời gian phản hồi: Thời gian xác định lỗi trung bình là ≤ 8,7 mili giây.

• Khả năng thích ứng: Hỗ trợ chuyển đổi nhanh chóng giữa nhiều loại chai khác nhau; thời gian chuyển đổi mô hình sang loại chai mới hoàn tất trong vòng 30 phút.

4. Các thuật toán kỹ thuật chính

4.1 Công nghệ thu nhận và tiền xử lý hình ảnh

Việc thu nhận hình ảnh chất lượng cao là nền tảng cho độ chính xác của quá trình kiểm tra. Hệ thống sử dụng môi trường thu nhận hình ảnh khép kín để giảm thiểu tối đa sự can thiệp từ bên ngoài. Để giải quyết vấn đề hình ảnh bị mờ (mờ do chuyển động) gây ra bởi chuyển động tốc độ cao, hệ thống sử dụng ánh sáng nhấp nháy được đồng bộ hóa với tốc độ màn trập được điều khiển chính xác.

Để kiểm tra thành chai, một thiết bị chụp ảnh quang học phản chiếu nhiều giai đoạn—có khả năng chụp ảnh hoàn chỉnh trong một lần quét—đã được thiết kế và triển khai ở cả điểm vào và điểm ra của hệ thống. Cấu hình này cho phép kiểm tra toàn diện, 360 độ thành chai mà không có điểm mù. Bằng cách sử dụng thiết kế có cả nguồn sáng phân cực và thấu kính phân cực, nhiễu ánh sáng tán xạ sẽ được loại bỏ, từ đó nâng cao độ tương phản của hình ảnh được chụp và tạo điều kiện phát hiện hiệu quả hơn các vật thể lạ trong suốt và bán trong suốt.

4.2 Các thuật toán định vị và theo dõi

Định vị chính xác thân chai là điều kiện tiên quyết để phát hiện lỗi hiệu quả. Về định vị miệng chai, các nhà nghiên cứu đã đề xuất phương pháp "định vị tâm bốn chu vi". Phương pháp này đạt được độ chính xác định vị với độ lệch tâm nhỏ hơn 3 pixel và thời gian định vị dưới 15 mili giây. Bằng cách dịch chuyển tâm lặp đi lặp lại trong một phạm vi cục bộ nhỏ và hiệu chỉnh vị trí của nó dựa trên các chỉ số độ chính xác, độ chính xác định vị cao hơn nữa—với độ lệch tâm nhỏ hơn 1 pixel—có thể đạt được.

Đối với định vị thân chai, hai thuật toán khác nhau đã được đề xuất dựa trên đặc điểm không gian của hình ảnh thân chai: một thuật toán dựa trên trọng tâm của các điểm cạnh, và một thuật toán khác dựa trên các điểm cực trị của hình chiếu thang độ xám theo chiều dọc. Các thuật toán này đạt được độ chính xác định vị khoảng 4 pixel, với thời gian định vị trung bình là 1 mili giây.

Phương pháp định vị đáy chai sử dụng thuật toán "ghép vòng tròn ngẫu nhiên" được cải tiến với tính năng điều chỉnh trọng số thích ứng. Cách tiếp cận này giúp giảm thiểu hiệu quả ảnh hưởng của các điểm ngoại lai đến kết quả định vị, thể hiện khả năng chống chịu tốt hơn đối với các khuyết tật ở đáy chai cũng như sự hiện diện của các điểm nhiễu hoặc điểm gây nhiễu đáng kể.

4.3 Thuật toán phát hiện lỗi

Phát hiện khuyết tật miệng chai: Phương pháp phát hiện dựa trên vùng được sử dụng, trong đó vùng miệng chai được "trải phẳng" thành một hình chữ nhật. Để giải quyết vấn đề nhiễu lẫn nhau giữa các vùng sáng phản chiếu và vùng tối, một phương pháp cụ thể đã được thiết kế để phân đoạn các vùng sáng của miệng chai. Phương pháp này trích xuất các vùng sáng bằng cách phát hiện các cạnh lên và xuống của đường cong chiếu chu vi miệng chai. Sau đó, các vùng sáng này được trừ khỏi hình ảnh gốc; các pixel sau đó được lấy mẫu từ các vùng tối ngay cạnh các vùng sáng gốc để lấp đầy các khoảng trống, từ đó tạo ra hình ảnh miệng chai được tái tạo "không có vùng sáng". Việc phát hiện khuyết tật trong các vùng sáng được thực hiện bằng phương pháp chiếu xuyên tâm, trong khi các vùng không có vùng sáng được phân tích bằng phương pháp phân đoạn ngưỡng trễ.

Phát hiện khuyết tật thân chai: Một thuật toán phát hiện dựa trên vùng được đề xuất, được thiết kế riêng cho đặc điểm phân bố giá trị thang độ xám của pixel trong ảnh thân chai. Ảnh thân chai được chia thành ba vùng riêng biệt: vùng bề mặt nhẵn, vùng vết mài mòn và vùng LOGO/văn bản:

• Vùng mịn: Sử dụng phương pháp trích xuất khuyết tật dựa trên phân cụm siêu điểm ảnh, kết hợp với phương pháp nhận dạng khuyết tật sử dụng các đặc trưng điểm ảnh trung bình trong mỗi siêu điểm ảnh.

• Vùng chịu mài mòn: Sử dụng thuật toán phát hiện và nhận dạng khuyết tật dựa trên các toán tử gradient ngang.

• Khu vực LOGO/Văn bản: Áp dụng phương pháp trích xuất khối hình chữ nhật dựa trên toán tử phát hiện biên Canny đã được sửa đổi, kết hợp với thuật toán nhận diện khuyết tật và LOGO/văn bản dựa trên Mạng nơ-ron tích chập (CNNs).

Phát hiện khuyết tật đáy chai: Hình ảnh đáy chai được chia thành hai phần—vùng chống trượt và vùng trung tâm—được kiểm tra riêng biệt. Một bộ lọc Gabor đa tỷ lệ được sử dụng để tăng cường các đặc điểm của các vết lõm và bọt khí nhỏ, và một bộ phân loại Máy hỗ trợ vectơ (SVM) được giới thiệu để hỗ trợ nhận dạng khuyết tật. Đối với các khuyết tật nằm trong vùng có hoa văn chống trượt, SVM kết hợp với hạt nhân hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) được sử dụng để phân loại các đặc điểm khuyết tật đáy chai.

4.4 Ứng dụng công nghệ học sâu

Với sự phát triển của công nghệ trí tuệ nhân tạo, việc ứng dụng học sâu trong kiểm tra trực quan các chai rỗng ngày càng trở nên phổ biến. Một phương pháp phát hiện các khuyết tật bề mặt trên chai rỗng—dựa trên thuật toán SSD (Single Shot MultiBox Detector) được sửa đổi—kết hợp mô-đun hợp nhất đặc trưng vào kiến ​​trúc mạng SSD để cung cấp các đặc trưng ngữ nghĩa phong phú cho các lớp dự đoán. Đồng thời, một cơ chế chú ý được đưa vào mạng để tăng cường khả năng trích xuất đặc trưng của nó. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp này đạt tỷ lệ chính xác 98,3%, tỷ lệ bỏ sót phát hiện 0,74%, tỷ lệ phát hiện sai 0,96% và độ chính xác trung bình (mAP) là 96,5%—thể hiện sự cải thiện gần 5,6 điểm phần trăm so với thuật toán SSD gốc.

5. Các kịch bản ứng dụng và nghiên cứu trường hợp

5.1 Ứng dụng trong ngành công nghiệp bia và đồ uống

Trong sản xuất bia, hầu hết các doanh nghiệp đều sử dụng chai tái chế để đóng lại; tuy nhiên, chất lượng của những chai tái chế này rất khác nhau, khiến việc kiểm tra trở nên khó khăn. Hệ thống kiểm tra chai rỗng phải có khả năng phát hiện nhiều loại khuyết tật, bao gồm các vấn đề về bề mặt niêm phong miệng chai, ren vít, chất bẩn trên bề mặt bên trong và bên ngoài thành chai, mức độ mài mòn, chất bẩn ở đáy chai và các vết nứt.

Lấy ví dụ ứng dụng thực tế tại một nhà máy bia cụ thể: hệ thống sử dụng cơ cấu băng tải tuyến tính. Khi các chai rỗng di chuyển tuần tự qua các trạm kiểm tra được chỉ định cho miệng chai, thân chai và đáy chai, các cảm biến quang điện được kích hoạt, khiến hệ thống đa hình ảnh tự động chụp ảnh từng vùng kiểm tra tương ứng. Hệ thống kiểm tra trực quan xử lý hình ảnh từ mỗi trạm một cách độc lập; cuối cùng, một cơ chế phân loại—hoạt động dựa trên kết quả kiểm tra tổng hợp từ tất cả các trạm—sẽ loại bỏ bất kỳ chai rỗng bị lỗi nào khỏi dây chuyền sản xuất. 5.2 Ứng dụng trong ngành công nghiệp dược phẩm

Trong ngành dược phẩm, yêu cầu kiểm tra đối với các lọ thủy tinh đựng thuốc đặc biệt nghiêm ngặt. Khác với bao bì thực phẩm thông thường, các lọ thuốc có những đặc điểm riêng biệt; do đó, cần phải kiểm tra chính xác về hình dạng, độ chính xác về kích thước và các thuộc tính khác. Tiêu chí kiểm tra bao gồm hư hỏng và nứt vỡ ở miệng, cổ, thân và đáy lọ; đo diện tích vùng bị lỗi; kích thước (đường kính trong và ngoài), độ méo mó và độ lệch đường kính của miệng lọ; cũng như sự hiện diện của các vật thể lạ như các hạt màu trắng hoặc đen, tóc và các sợi màu.

5.3 Nghiên cứu trường hợp: Phát hiện lỗi đáy chai thủy tinh rỗng của Huicui Vision

Trong một dự án do Huicui Intelligent thực hiện nhằm phát hiện các khuyết tật—cụ thể là hư hỏng—trên đáy của các chai thủy tinh rỗng, một hệ thống kiểm tra thị giác đa camera đã được thiết kế. Giải pháp này tích hợp bốn camera màn trập toàn cầu với HCvisionQuick, một phần mềm phân tích và xử lý hình ảnh độc quyền. Bằng cách chụp ảnh đáy chai từ bốn góc độ khác nhau, hệ thống xác định toàn diện tất cả các khuyết tật tiềm ẩn có thể xảy ra trên đáy chai. Kỹ thuật chiếu sáng ngược được sử dụng để tăng cường độ tương phản giữa đáy chai và nền, từ đó cải thiện độ chính xác phát hiện. Trong ứng dụng thực tế, hệ thống đã đạt được tỷ lệ chính xác phát hiện vượt quá 99%.

6. Những thách thức kỹ thuật và xu hướng phát triển

6.1 Những thách thức kỹ thuật chính

1. Những thách thức do đặc tính vật liệu đặt ra: Chai bia thường được làm bằng thủy tinh nhiều lớp; các đặc tính vốn có của vật liệu này gây khó khăn cho các công nghệ kiểm tra truyền thống. Các yếu tố như độ dày thủy tinh không đồng đều và sự hiện diện của các hoa văn dập nổi phức tạp hoặc các đặc điểm cấu trúc có thể ảnh hưởng xấu đến việc thu nhận và chất lượng hình ảnh.

2. Yêu cầu sản xuất tốc độ cao: Các dây chuyền đóng chai bia hiện đại có thể hoạt động với tốc độ vượt quá 36.000 chai mỗi giờ, đặt ra yêu cầu cực kỳ cao về tốc độ xử lý và độ chính xác của hệ thống kiểm tra.

3. Kiểm tra các hình dạng chai phức tạp: Các chai rỗng thường có hình dạng phức tạp, khiến các phương pháp kiểm tra tiếp xúc trở nên không khả thi; do đó, cần có các phương pháp kiểm tra không tiếp xúc dựa trên thị giác.

4. Phát hiện vật thể lạ trong suốt: Việc nhận diện các vật thể lạ trong suốt—như băng dính trong suốt hoặc màng nhựa—là một thách thức đáng kể, đòi hỏi thiết kế quang học chuyên biệt và xử lý thuật toán tiên tiến.

6.2 Xu hướng phát triển

1. Trí thông minh và khả năng thích ứng: Các hệ thống kiểm tra chai rỗng trong tương lai sẽ ngày càng thông minh hơn, có khả năng tự động thích ứng với các hình dạng chai khác nhau và điều kiện ánh sáng thay đổi. Các hệ thống này sẽ hỗ trợ việc chuyển đổi mô hình nhanh chóng cho các loại chai mới—hoàn thành quy trình trong vòng 30 phút—nhờ đó nâng cao đáng kể tính linh hoạt và khả năng thích ứng của thiết bị.

2. Tích hợp Học sâu: Công nghệ học sâu đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc phát hiện khuyết tật. Bằng cách tận dụng các thuật toán như Mạng thần kinh tích chập (CNN), các hệ thống này có thể xác định các khuyết tật phức tạp với độ chính xác cao hơn và nâng cao độ tin cậy tổng thể của quy trình kiểm tra. 3. Kết hợp đa cảm biến: Ngoài việc kiểm tra bằng mắt thường, hệ thống sẽ tích hợp các cảm biến khác—chẳng hạn như bộ phát tần số cao để phát hiện chất lỏng còn sót lại—để đạt được sự kết hợp dữ liệu đa phương thức, từ đó nâng cao tính toàn diện và độ chính xác của quy trình kiểm tra.

4. Hợp tác dựa trên nền tảng đám mây và bảo trì từ xa: Các hệ thống đào tạo và vận hành & bảo trì (O&M) dựa trên nền tảng đám mây đang nổi lên như một xu hướng quan trọng; các hệ thống này hỗ trợ O&M trực tuyến từ xa, theo thời gian thực, cho phép giải quyết kịp thời các vấn đề của khách hàng 24/7.

5. Tiêu chuẩn hóa và Quy định: Khi công nghệ hoàn thiện, hệ thống kiểm tra trực quan chai rỗng sẽ trải qua quá trình tiêu chuẩn hóa dần dần. Các đơn vị trong nước đã tham gia soạn thảo các tiêu chuẩn liên quan, chẳng hạn như *GB/T 39792-2021: Yêu cầu kỹ thuật chung đối với hệ thống kiểm tra trực quan trực tuyến chai rỗng dùng trong bao bì thực phẩm*.

7. Kết luận

Là một thành phần thiết yếu của sản xuất thông minh, công nghệ kiểm tra trực quan chai rỗng đóng vai trò không thể thiếu trong việc bảo đảm chất lượng sản phẩm, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí nhân công. Được thúc đẩy bởi những tiến bộ không ngừng trong thị giác máy tính, trí tuệ nhân tạo, hình ảnh quang học và các lĩnh vực liên quan, hệ thống kiểm tra chai rỗng đang phát triển theo hướng độ chính xác cao hơn, tốc độ nhanh hơn và khả năng thích ứng tốt hơn.

Trải rộng từ nguyên tắc kỹ thuật đến ứng dụng thực tế—và phát triển từ thuật toán truyền thống đến học sâu—kiểm tra trực quan chai rỗng đã thiết lập một khuôn khổ kỹ thuật toàn diện và hoàn thiện. Trong tương lai, khi Công nghiệp 4.0 và các sáng kiến ​​sản xuất thông minh tiếp tục phát triển sâu rộng, công nghệ này sẽ được ứng dụng trên nhiều ngành công nghiệp hơn nữa, mang lại sự hỗ trợ mạnh mẽ cho việc chuyển đổi và nâng cấp lĩnh vực sản xuất.

Thông qua sự đổi mới công nghệ liên tục và ứng dụng thực tiễn, việc kiểm tra trực quan chai rỗng không chỉ giải quyết được những thách thức sản xuất thực tế mà còn cung cấp kinh nghiệm vô giá cho việc ứng dụng thị giác máy tính trong các lĩnh vực khác. Khi mức độ nội địa hóa trong nước tiếp tục tăng cao và động lực hướng tới sự tự chủ và tự kiểm soát công nghệ ngày càng mạnh mẽ, năng lực kỹ thuật và khả năng cạnh tranh thị trường của Trung Quốc trong lĩnh vực kiểm tra trực quan chai rỗng đang có triển vọng được nâng cao hơn nữa.