（1）实验原理：

本虚拟仿真实验基于某款实际的验瓶机进行开发，内部所用器件、安放位置、工作原理等接近于实际检测线，主要包含传送带（平面式及竖向夹瓶式）、驱动电机、光电触发器、电源、控制器、处理器、相机及镜头、光源、工作箱、剔除器等部件。

来自洗瓶机的空瓶经传送带送往验瓶机，当瓶身工位1的光电触发器检测到有瓶子到达时，发出信号给控制器，控制器发出控制指令，控制此工位的灯光闪光照明和相机拍摄，图像送往处理器处理，并检测是否有缺陷。当瓶子正常时，将沿传送带继续前行，送到灌装机灌装；当检测到有缺陷时，发出信号给控制器，控制器将控制后面的剔除装置在恰当的时机将次瓶剔除。瓶身工位1之后是瓶口工位、瓶底工位，它们的工作过程与瓶身工位1的类似，只不过光源、相机等有所不同，再后面的瓶身工位2，与瓶身工位1相同。

整个虚仿实验分三大部分：理论学习、实验练习、实验考核。使用者首先在“理论学习”部分，学习和巩固光学成像知识、图像处理相关理论和算法、验瓶机系统构成机功能的学习等。在“实验练习”部分，可以基于于三维虚拟漫游详细了解学习系统构成和功能、单独练习对瓶口、瓶身、瓶底部分选择镜头、光源，拍摄图像，对图像进行一定的处理等，同时还可以练习设计和搭建验瓶机。在“实验考核”部分，使用者首先选择某种待检测型号的瓶子，根据瓶子尺寸，计算并选择相应的机身和镜头；从库中选择合适的硬件模型搭建验瓶机；模拟采集瓶身、瓶口、瓶底部位的图像，并采用一定的算法对图像进行处理、给出处理结果，对有缺陷的图像，要给出缺陷检测结果，如瓶口部分，缺陷主要包括外沿缺陷、口平面缺陷、内沿缺陷等；瓶底部分，主要有不透明或半透明污物、玻璃异物等；瓶身部分，主要有划伤、霉斑、污物等，此时也同时给出了处理的流程图；在完成了以上的工作后，要模拟验瓶机自动运行，通过大样本的检测，给出系统的正常检测率。

本虚仿项目的重点是图像获取、处理及缺陷检测。虚仿项目的使用者（学习者）扮演玻璃空瓶验瓶机的“设计者与制作者”，在学习掌握检测系统的结构、成像与图像采集的相关知识、以及数字图像处理的原理和主要算法的基础上，设计并制作一个验瓶机，使之能模拟运行，完成缺陷检测。

知识点：

共 20 个

1. 1. 验瓶机的总体结构。从多个视角观察虚拟设备，熟悉各部分的功能，并进而确定此系统的设计和制作思路。
2. 2. 传送带。用于传送玻璃瓶进入和离开验瓶机，这里主要用到平面式和竖式传送带。
3. 3. 处理器。图像分析处理与运算的核心，主要功能是图像采集、图像处理、图像分析、缺陷检测等。
4. 4. 控制器。主要是接收和发出控制指令，从而控制光源照明、相机拍摄、剔除次瓶等。
5. 5. 工作箱、电源。内含辅助装置和设备、同时起到保护作用；给检测系统各部分供电。
6. 6. 光源。根据所拍摄的部位不同，选用不同种类和功能的合适光源。
7. 7. 剔除器。在控制器控制下的剔除次瓶的机电装置。
8. 8. 相机。主要指机身，有时也指包含镜头，机身部分主要简化为选择合适尺寸的电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS），图像传感器的重要参数之一是其成像尺寸，另一个重要参数是分辨率。
9. 9. 镜头。主要参数有焦距、光圈、视野范围、景深、接口等。实验中重点考虑当选择某一CCD尺寸后，如何选择和计算焦距，以便用于不同图像的拍摄。
10. 10. 薄凸透镜成像。薄凸透镜成像规律（亦称几何成像）是，即物距的倒数与像距的倒数之和等于焦距的倒数。
11. 11. 实际物体尺寸换算为数字图像中的像素。用于实际物体尺寸与数字图像中像素的换算，主要目的是确定缺陷的实际尺寸。
12. 12. “玻璃空瓶验瓶机”国家标准，要掌握玻璃瓶缺陷、检出率、误检率等概念和内容。
13. 13. 灰度变换。直方图均衡化：灰度直方图的概念、用于图像增强的原理、计算等。伽马校正：是图像灰度变换增强的一种，包括概念、原理和计算。分段线性变换：是图像灰度变换增强的一种，包括概念、原理和计算。
14. 14. 噪声去除。常见的噪声有白噪声、高斯噪声、椒盐噪声、周期干扰噪声等。用图像平滑的方法抑制高斯噪声。用中值滤波去除椒盐噪声的方法和实现。用频域陷波滤波器去除周期性干扰噪声的方法和实现等。
15. 15. 阈值分割。通过阈值化实现图像分割，关键是阈值的计算和选取，包括最优阈值和最大类间方差阈值的概念、原理和算法。
16. 16. 边缘提取。边缘提取（检测）是基于边界的一大类图像分割方法，通过寻找图像中不同区域的边界，达到图像分割的目的。一阶微分算子：一阶微分算子有Roberts算子、Prewitt算子、Sobel算子、Canny算子等。二阶微分算子：主要是拉普拉斯算子和LOG算子。
17. 17. Hough变换。Hough变换是一种检测、定位直线和解析曲线（如圆、椭圆等）的有效方法，包括对偶空间的概念、变换原理等。
18. 18. 重心法提取区域和区域中心理论和算法。
19. 19. 区域标记理论和算法。
20. 20. 图像描述理论和算法。主要是计算连通区域的面积、周长等。

（2）核心要素仿真设计：

1）本虚仿实验中所用的验瓶机外观结构、系统构成和布局、功能、工艺流程等，来源于市场上某品牌的验瓶机，以及依据相关国家标准（GB_T 38459-2020 玻璃空瓶验瓶机、GBT34268-2017 啤酒玻璃瓶灌装生产线通用技术要求），仿真度高；
2）所仿真的啤酒瓶，是依据国家标准（GB4544-1996 啤酒瓶）和市场上使用的瓶子，仿真度高；
3）所仿真啤酒瓶上的缺陷，是根据国家标准（GB_T 38459-2020 玻璃空瓶验瓶机）中的类型和尺寸，经过合理简化而来，仿真度较高；
4）所仿真的CCD规格尺寸，是工业上所使用的的标准尺寸，仿真度高；
5）依据光学成像计算公式，根据相关参数计算镜头焦距，仿真度较高；
6）所仿真的成像环节，经过合理的简化，是拍摄的图像质量更好，仿真度较高；
7）所使用的图像处理理论和算法，是教科书中的内容，采用C#语言编程实现，仿真度高；
8）所仿真的缺陷检测，是依据所拍摄图像、缺陷类型和尺寸、图像处理结果加以判断，仿真度较高；
9）所仿真的验瓶机自动运行及检测，是建立在前面工作的基础上，模拟大样本测试，给出检测结果，仿真度较高。