機器視覺(jué)空瓶檢測案例設計
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2.4 圖像采集卡
圖像采集卡是視頻信號從相機到電腦之間傳輸的橋梁。目前大多數相機還是模擬信號輸出，圖像采集卡則將各種模擬視頻信號經(jīng)a/d轉換成數字信號送入計算機，供計算機作處理、存儲、傳輸等之用。選擇圖像采集卡要考慮以下幾個(gè)方面：
?。?） 視頻輸入的格式和數據傳輸率：大多數攝像機使用rs422或者eia644作為輸出信號格式，這樣圖像采集卡就需要支持系統使用的攝像機所采用的輸出信號格式。從靈活性來(lái)說(shuō)，如果兩種格式都支持就更好。當攝像機以較高的速度拍攝高分辨率圖像后， 會(huì )產(chǎn)生很高的輸出速率， 這時(shí)攝像機一般使用多路信號同時(shí)輸出，而圖像采集卡必須能夠支持多路輸入及攝像機的輸出速率。
?。?） 數據的吞吐量：當圖像采集卡的信號輸入速率較高時(shí)，需要考慮圖像采集卡與圖像處理系統之間的帶寬問(wèn)題。在使用pc時(shí)，圖像采集卡使用pci接口。pci接口的理論峰值帶寬為132mb/s。但在實(shí)際使用中， 多數計算機上pci接口的平均數據傳輸率為50～90mb/s，有可能在瞬間高傳輸率時(shí)不能滿(mǎn)足傳輸的需要。為了避免與其他pci設備產(chǎn)生沖突時(shí)丟失數據，圖像采集卡上應有數據緩存。在一般情況下， 有2mb的板載存儲器可以滿(mǎn)足大部分的任務(wù)要求。
?。?） 數字i/o控制：在機器視覺(jué)系統中，輸入/輸出的控制很重要。系統中常要根據處理過(guò)程的需要來(lái)決定攝像機的拍攝時(shí)間。如果采用了可重設的攝像機，需要產(chǎn)生重設信號。在一些系統中，由于需要設定拍攝的幀率，應該有像素時(shí)鐘發(fā)生器。外同步是指不同的視頻設備之間用同一同步信號來(lái)保證視頻信號的同步，它可以保證不同設備輸出的視頻信號具有相同的幀行起止時(shí)間。為了實(shí)現外同步，需要給攝像機輸入一個(gè)復合同步信號或復合視頻信號。如果圖像采集卡已經(jīng)具有數字i/o功能，能夠產(chǎn)生攝像機和其他電子設備所需的選通、觸發(fā)及其他電子信號，對系統是很有用的， 否則將需要獨立的數字i/o 卡。
2.5 pc平臺
本系統中pc平臺用于接受圖像采集卡輸出的圖像，然后由圖像處理軟件進(jìn)行預處理、分析和識別，判斷空瓶質(zhì)量的好壞，最后將判斷結果發(fā)送給plc。由于圖像采集卡和圖像處理軟件的運行都消耗很大的系統資源，因此應當選用高性能的工控機作為pc平臺，保證系統快速穩定的運行。
2.6 控制單元
本系統選用plc作為底層控制器，它通過(guò)i/o口與光電傳感器，編碼器，擊出器，圖像采集子系統等相連，通過(guò)圖像采集子系統控制ccd攝像機的拍攝以及直接控制擊出器的動(dòng)作。同時(shí)plc通過(guò)485總線(xiàn)與工控機連接，接收工控機傳來(lái)的控制信息和系統參數等。
在系統運行過(guò)程中，plc負責及時(shí)地通知圖像采集子系統啟動(dòng)ccd攝像機，抓拍處于拍攝位置的空瓶。為了達到這一目的，需要使用光電傳感器來(lái)檢測空瓶的位置。在系統中使用了反射式光電傳感器，這種光電傳感器在沒(méi)有接收到從反光板反射回來(lái)的光束時(shí)，就會(huì )輸出觸發(fā)信號。將光電傳感器安裝到ccd攝像機拍攝位置旁，把輸出接到plc的i/o輸入口上。當沒(méi)有空瓶經(jīng)過(guò)時(shí)，光電傳感器可以接收到反射光束，沒(méi)有輸出信號，而當有空瓶經(jīng)過(guò)時(shí)，光電傳感器無(wú)法接收到返回的光束，于是輸出觸發(fā)信號。plc從輸入口接收到此信號后，即可判定空瓶已到達拍攝位置，從i/o輸出口輸出啟動(dòng)信號給圖像采集系統，啟動(dòng)ccd攝像機，攝像機及時(shí)進(jìn)行拍攝，獲取被檢空瓶的圖像。
在專(zhuān)門(mén)的信息處理模塊對獲取的圖像信息進(jìn)行分析處理后，將得出空瓶質(zhì)量是否合格的結論。如果不合格，主控的工控機就會(huì )通過(guò)485總線(xiàn)發(fā)出控制命令，要求plc控制擊出器擊出該空瓶。plc在接到擊出命令后，需要標定不合格空瓶，并追蹤其位置，當不合格空瓶到達擊出器所在位置時(shí)控制擊器動(dòng)作，擊出不合格空瓶。為了確定需擊出空瓶位置，在系統中使用一個(gè)編碼器與驅動(dòng)傳送帶的電機相連，當電機轉動(dòng)時(shí)，編碼器相應發(fā)出脈沖。計算脈沖的數目，即可知道傳送帶運動(dòng)的距離。這樣一來(lái)，如果能測出不合格空瓶要運動(dòng)多長(cháng)距離才到達擊出位置就能將其準確擊出?？梢栽谑孪劝丫幋a器的脈沖輸出與plc的i/o輸入口相連，然后在傳送帶上放一空瓶，讓其依次經(jīng)過(guò)檢測位置和擊出位置，plc使用計數器記下此過(guò)程中脈沖的數目，這一數值即對應著(zhù)檢測位置和擊出位置之間的距離。
3 視覺(jué)處理軟件
視覺(jué)處理軟件是基于pc的機器視覺(jué)系統的重要組成部分，主要通過(guò)對圖像的分析、處理和識別，實(shí)現對特定目標特征的處理。視覺(jué)處理軟件的編寫(xiě)非常復雜，如果從底層開(kāi)始編寫(xiě)，往往需要很長(cháng)的開(kāi)發(fā)周期，而且自己編寫(xiě)的軟件在運行速度、穩定性等方面也很難達到要求。為了滿(mǎn)足系統集成商和終端用戶(hù)的需求，圖像采集卡的生產(chǎn)廠(chǎng)家都為自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了相應的圖像處理軟件包。這樣，我們就可以將工作重心放在軟件應用層面的開(kāi)發(fā)上，使用這些軟件包進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，節約了開(kāi)發(fā)成本。因此，在對整個(gè)機器視覺(jué)系統選型時(shí)，應該根據系統應完成的功能和圖像采集卡廠(chǎng)家提供的軟件包的功能來(lái)對圖像采集卡進(jìn)行選型。圖像采集卡廠(chǎng)家提供的軟件包應具備以下的功能：
邊緣尋找功能：邊緣尋找是圖像處理中最為基本也是最為常用的工具。通過(guò)邊緣尋找，將所拍圖像中的目標與背景區分開(kāi)，減少處理象素數，提高軟件處理速度。
目標定位功能：當被測空瓶在生產(chǎn)線(xiàn)上高速順序地通過(guò)相機的拍攝區域時(shí)，由于生產(chǎn)線(xiàn)的不穩定和拍攝時(shí)間的誤差，各個(gè)空瓶會(huì )出現在拍攝圖像的不同區域。通過(guò)目標定位功能，使處理軟件中的感興趣區域（roi）隨著(zhù)工件在圖像中位置的變化而變化，始終定位在工件的關(guān)鍵部位。
圖像預處理功能：包括二值化、邊緣銳化、反差調節等等，通過(guò)適當的預處理算法，可以突出目標圖像、提高圖像分析速度和簡(jiǎn)化分析過(guò)程，是必不可少的功能。
字符讀取功能（ocr）：對于主要應用于各種字符讀取的視覺(jué)系統來(lái)說(shuō)，此功能尤為重要。
接口功能：軟件包應該能夠方便的和其他軟件或控件接口，一起運行。
4 結束語(yǔ)
基于pc的機器視覺(jué)系統具有高速度、高精度、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，集成了當今先進(jìn)的傳感器、計算機、數字圖像處理和機器視覺(jué)技術(shù)，可廣泛應用于工業(yè)制造、電子半導體、包裝、農業(yè)、醫藥和啤酒生產(chǎn)等領(lǐng)域，可以大幅度提高了現有生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化水平，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。但是我國機器視覺(jué)的研究起步比較晚，目前市場(chǎng)上的該類(lèi)設備仍然主要依靠進(jìn)口。隨著(zhù)社會(huì )生產(chǎn)力水平的不斷提高和工廠(chǎng)自動(dòng)化程度的提高，此項技術(shù)的應用前景非常廣闊，只有在理論和實(shí)際技術(shù)上進(jìn)行深入的研究和探索，才能縮小和國外先進(jìn)技術(shù)的差距，占領(lǐng)國內機器視覺(jué)市場(chǎng)。
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