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1、指导教师：黎宁,基于图像处理技术的药剂 智能检测系统的研制,研究生：王海禹,2006年3月12日,南京航空航天大学 信息科学与技术学院401教研室,截至2004年底，我国医药生产企业共有5071家，医药品种万余。,国家在制药行业全面推行GMP（药品生产质量管理规范）认证。,现阶段：人工肉眼在强光下检查,研制后：在线自动检测,药剂品质判别：判断药液中成色是否一致，是否 有沉淀物，是否含有玻璃、不明颗粒、悬浮物、 丝状物等来检测药液质量的合格与不合格情况。,伤害眼睛； 误检、漏检； 生产效率低； 增加成本。,安全、健康性； 检测结果客观性； 检测结果一致性； 生产效率高； 生产成本低。,简介,生产
2、效率的提高是企业生存的必要条件。,研制中药瓶装口服液在线智能检测系统。,技术关键： 采集清晰、 合适图像。 处理瓶体竖 线干扰。 准确地提取 杂质。 系统实时快 速检测。,课题目的：,口服液检测系统的构成与实现,口服液检测系统的算法设计,口服液检测系统现场调试,针剂检测系统的研制,硬件设计与实现,软件模块化设计,原始图像获取与预处理,杂质提取,检测与识别,1.1 系统框架、模块和工作流程,1.2 系统硬件设计与实现,1.2.1 摄像系统,摄像系统结构图,光源结构图,口服液检测系统的构成与实现,1.2.2 采集系统,微机、图像采集卡、I/O控制卡,机械部分主要提出了设计思想和方案，由外协厂家协助
3、完成。,1.2.3 机械部分及外围电路设计,剔除部分的电气原理,1.3 系统软件模块化设计,1.3.1 应用软件模块化设计 (五大模块),1.3.2 图像处理软件流程,摄像系统调节模块 参数设定模块 检测工作模块 统计分析模块 系统帮助模块,图像采集卡的库函数 I/O卡的库函数 程序中编写的几个主要函数,1.3.3 软件内容编写,1.3.4 软件工作界面,灯检机初始界面,检测工作界面,像源调整界面,参数设置界面,2.1 原始图像获取与预处理,2.1.1 图像采集,口服液检测系统的算法设计,(a) (b) (c),(a)合格品图像 (b)含大玻璃屑图像 (c)含丝状物图像,待检样品原始图像及其直
4、方图,线体上口服液图,2.1.2 原始图像预处理,定义 为 图像 点的灰度值，灰度级为 个， 图像灰度均值为 ，整幅图像设置两个阈值 和 ( )，其将图像按灰度分成三类区域，分别为： ， ， ，设 ， ， 出现的概率和灰度平均值分别为： ， ， 和 ， ， ，类间方差为 。,最大类间方差算法（OTSU算法）,实际算法实现时，令 在 之间依次变化，同时令 在 之间依次变化，根据公式求出对应的 ，当 最大时对应的 ， 就是OTSU 算法求出的最佳阈值。,双阈值最大类间方差求取最佳阈值的数学公式：,得到类间方差 （有关演绎方法见论文第20页）：,改进最大类间方差算法（OTSU算法）,观察、实验并统计
5、原始图像特征，发现双阈值与图像均值之间关系。,第一次改进最大类间方差算法（OTSU算法）,第二次改进最大类间方差算法（OTSU算法）,双阈值位于图像均值 两侧： 。 改进方法：缩小阈值搜索范围，令 ， 。,以图像均值 为界，将整幅图像象素分为两组，分别计算两组均值，得 和 ，发现欲求的两个分割阈值： ， 。 改进方法：缩小阈值搜索范围，令 ， 。,改进前后OTSU算法实验结果比较表,得到的双阈值比较表,耗时比较表,(a)合格品图像 (b)含小玻璃屑图像 (c)含大玻璃屑图像 (d)含丝状物图像,利用原始OTSU算法（及第一次改进算法）分割结果图像,利用第二次改进算法分割结果图像,OTSU算法改
6、进前后分割结果图像,(a)合格品图像 (b)含小玻璃屑图像 (c)含大玻璃屑图像 (d)含丝状物图像,最终得到分割结果图像,(a)合格品图像 (b)含小玻璃屑图像 (c)含大玻璃屑图像 (d)含丝状物图像,2.1.3 目标图像预处理,平均模板滤波器 高斯模板滤波器 中值滤波器 图像平均滤波,选定高斯模板：,(a)原图 (b)平均模板滤波 (c)高斯模板滤波 (d)中值滤波 (e)图像平均滤波 各种滤波结果图,2.2 杂质提取,2.2.1 基于边缘检测的杂质提取,Roberts算子边缘检测 Prewitt算子边缘检测 Sobel算子边缘检测 Kirsch算子边缘检测 Laplacian算子边缘检
7、测,注：Kirsch算子简化前后边缘检测图 (a)原图，(b)Kirsch边缘检测，(c)简化Kirsch边缘检测，(d)(c)的二值化图（阈值选取合适），(e)(c)的二值化图（阈值选取不当）,(a) (b) (c) (d) (e), 简化Kirsch算子边缘检测, 边缘检测提取杂质,2.2.2 基于差影法的杂质提取, 标准图像差影检测方法, 序列图像差影检测方法,2.2.3 基于交叠式分块的均值阈值算法的杂质提取,将图像纵向分成几块； 从第二块起，每块与前一块交叠几行，计算单块中每一列的灰度均值； 对块中每一列，以已经得到的灰度均值（可在一定范围浮动）作为阈值，进行杂质分割； 得到含有杂质
8、的二值化图像。,注：简化Kirsch算子边缘检测结果图 (a)原图，(b)边缘检测图，(c)(b)的二值化图（阈值选取合适），(d)(b)的二值化图（阈值选取不当）,(a) (b) (c) (d),(a) (b) (c) (d), 边缘检测结果图,2.2.4 几种杂质提取方法结果图及其比较, 标准图像差影法结果图,(a) (b) (c) (d) (e),(a) (b) (c) (d) (e),注：(a)标准图像,(b)待检图像,(c)(a)与(b)相减的结果图,(d) (c)的二值化图（阈值选取合适），(e) (c)的二值化图（阈值选取不当）,注：(a)序列图像一，(b)序列图像二，(c)序列
9、图像三，(d)(a)与(b)的差图像，(e)(b)与(c)的差图像，(f)(d)和(e)与操作图像,(a) (b) (c) (d) (e) (f), 序列图像差影方法结果图,(a)原图 (b)结果图, 交叠式分块的均值阈值算法结果图,(a)原图 (b)结果图,(a)原图 (b)结果图,(a)原图 (b)结果图,(a)原图 (b)结果图,(a)原图 (b)结果图,分块数与分割出杂质区域面积大小的关系（右图为例）,实验结果表明：分块数与分割出的杂质面积成反比关系，即在保证整幅图像分割效果情况下，分块数越大，相应分割出的杂质面积越小。,交叠行数与分割出杂质区域面积大小的关系（右图为例）,实验结果表明
10、：在杂质区域位于块与块边缘交界处时，交叠行数与分割出的杂质面积大体上成正比关系，即在保证整幅图像分割效果情况下，交叠行数越大，相应分割出的杂质面积越大。, 交叠式分块的均值阈值算法需要讨论的两个问题,2.3 检测与识别,2.3.1 分割图像后处理, 中值滤波去噪, 数学形态学滤波,腐蚀（Erosion） 膨胀（Delation） 开（Opening） 闭（Closing）,(a) (b) (c) (d),数学形态学滤波算法设计,(a) (b) (c) 设计的数学形态学结构元素图,滤波算法设计 将二值化分割结果图像，分别利用上述三个结构元素进行开运算，得到三幅处理后图像，将这三幅图像相加（对应像
11、素值或操作），再将结果图像利用结构元素（a）进行闭操作，得到滤波结果图像。,设计的数学形态学结构元素,注：(a)分割结果图， (b)用结构元素a开运算结果， (c)用结构元素b开运算结果， (d)用结构元素c开运算结果， (e)前三幅图像(b)、（c）和（d）相加运算（或操作）结果，（f）用结构元素a对(e)闭运算结果,(a) (b) (c) (d) (e) （f）,数学形态学滤波结果,2.3.2 检测规则, 合格与否问题,设定函数：,不合格,合格,杂质及噪声面积统计分布图（ 表示噪声面积， 表示杂质面积）,对210个样品进行统计（合格品：100，不合格：110）, 杂质分类,口服液生产中常见
12、杂质主要为三大类：玻璃屑、颗粒和丝状物。,横向宽度 面积 周长 圆形度（周长平方与面积之比）,(a)玻璃 (b)颗粒 (c)丝状物,注：上图中杂质识别结果。(a)为玻璃杂质，横向最大宽度为127，(b)为颗粒杂质，横向最大宽度为9，圆形度为8，(c)为丝状物杂质，横向最大宽度为8，圆形度为178,口服液检测系统现场调试,3.1 不同类型杂质对系统处理时间的影响,768576图像的时间为287422ms；400300图像的时间则为104187ms,3.2 静态实验,3.3 动态实验,3.4 系统其它性能测试,针剂检测系统研制,4.1 针剂简介,一般为20ml以下的瓶装针剂，药液均匀、透明性好，大
13、多无色。,4.2.1 差影法检测,(a) 序列图像一 (b) 序列图像二 (c) a与b的差图像（二值化后）,4.2 针剂杂质检测,4.2.2 针剂部分图像提取,注：(a)背景标准图，(b)针剂图像，(c)(a)与(b)差图像，(d)(c)的边缘提取结果，(e)边缘与提取结果图,(a) (b) (c) (d) (e),(a)含有杂质图像 (b) (a)的直方图,4.2.3 基于统计特性的针剂杂质提取, 含有杂质的针剂图像, 杂质提取算法设计, 在本课题中，适当设置置信区间。,(a) =1,(a) =2,(a) =3,(a) =3.5,(a) =4,(a) =4.5,得到分割准则：, 不同置信区间的实验结果,对归一化后的直方图进行峰值搜索，找到不同类别在灰度直方图中的范围，对其进行数学拟和，据此确定分割阈值。本课题中，直方图近似正态分布，其直接参数为均值和方差。,4.3 针剂灯检系统硬件设计,CCS平板冷光源 摄像系统结构图,4.3.1 摄像系统,4.3.2 机械系统,(a)针剂机械装置 (b)位于抓手上的针剂 (c)位于拍摄位的针剂,4.4 系统实验, 瞬间静止差影法 可行，但是速度仅达每分钟110瓶。, 同步运动差影法 检测成功率不高，机械需改进。,