一種無(wú)需編程的新型機器視覺(jué)系統

就是用機器代替人眼來(lái)做測量和判斷，其可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設計信息以及及加制信息集成，因此，在現代生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機器視覺(jué)系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域 。由于其具有高精度、非接觸、穩定等特點(diǎn)，在國內外工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應用，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度 。

總體而言，國內在機器視覺(jué)產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)上與國外相比還有一定差距，目前國內在機器視覺(jué)產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)水平上仍處于一個(gè)比較低水平 。普遍采用的是國外產(chǎn)品。目前應用主要集中在檢測、定位、、等幾個(gè)領(lǐng)域。而在近2年，在運動(dòng)控制、生產(chǎn)流水線(xiàn)、診斷、測試、數控設備等幾個(gè)領(lǐng)域對于機器視覺(jué)的應用需求增長(cháng)最為迅速。對于機器視覺(jué)軟件的研究也正進(jìn)一步深入。隨著(zhù)行業(yè)應用越來(lái)越多，要求越來(lái)越高，目前市場(chǎng)上的機器視覺(jué)系統已經(jīng)較難滿(mǎn)足行業(yè)需求，普遍存在開(kāi)發(fā)難、使用難、銷(xiāo)售難等弊端。這些缺點(diǎn)主要表現在系統的標準化程度不夠高，針對每一個(gè)客戶(hù)都需要投入大量開(kāi)發(fā)人力，且開(kāi)發(fā)出的系統復用性弱，用戶(hù)體驗不好，后期維護難度大、成本高。因此開(kāi)發(fā)出一款無(wú)需編程，配置簡(jiǎn)單，提供軟硬件配置且銷(xiāo)售簡(jiǎn)單的機器視覺(jué)系統十分必要。

本文介紹一種無(wú)需編程的新型機器視覺(jué)系統，針對上述市場(chǎng)現狀，其有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可配置的，無(wú)需編程，達到像家用電器一樣簡(jiǎn)單易用;2、提供一種通用的應用平臺，包含眾多的單元機器視覺(jué)工具;3、不是基于某種智能相機或通用視覺(jué)系統開(kāi)發(fā)的應用系統，它集底層開(kāi)發(fā)和應用開(kāi)發(fā)于一身;4、進(jìn)行了垂直整合，把核心系統與應用工藝進(jìn)行了整合;5、模塊化，為設備制造商、最終用戶(hù)后裝提供配套;6、系統銷(xiāo)售模式簡(jiǎn)單化;7、系統成本結構進(jìn)行優(yōu)化，是具有明顯價(jià)格優(yōu)勢的產(chǎn)品。下面從硬件、軟件兩個(gè)方面介紹該系統的詳細設計思路。

1、硬件框架

該系統基于圖像分析技術(shù)對設備作業(yè)過(guò)程進(jìn)行監視、測量，采用特征提取、模板比對的方式，將現場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到的圖像與正常工況的標準圖像進(jìn)行比較，實(shí)現捕捉異常、分析判斷、報警停機的功能。標準的模板是基于對正常工況下的影像進(jìn)行分析，提取特征，比對時(shí)只是對模板的特征(組合)與現場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像中相應的特征進(jìn)行比較，借以判斷是否有異常發(fā)生。這種監測方法并不能取代自動(dòng)設備所具備的自診斷功能，但對防止作業(yè)過(guò)程走偏 ，防止次品的產(chǎn)出，甚至設備遭受破壞等具有良好的效果。產(chǎn)品由以下幾個(gè)主要部分構成：

1.基于DSP/ARM的核心處理器

2.光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、前端處理及接口(即攝像機部分)

3.FPGA充當圖像處理的加速器和外設接口邏輯

4.GPIO和串行通訊

5.以太網(wǎng)通訊

圖1 系統硬件框架

如圖1所示，其中DSP/ARM處理器采用TI OMAP4460 CPU ，其ARM Cortex-A9主頻達到1.8GHz，內置DSP，這比迄今為止大多數的智能相機硬件平臺性能水平都高;相機分辨率以1280x1024為主，同時(shí)也支持5百萬(wàn)象素或以上的相機;儲存器支持NOR FLASH和NAND FLASH，同時(shí)可以擴展SD卡;FPGA作為外設的邏輯擴展設備，主要由兩個(gè)作用：負責圖像數據的緩沖和預處理，再送往DSP處理器進(jìn)行對應的算法處理;通訊方面支持以太網(wǎng)和串口，可以方便和機械手、等設備連接;I/O設置上配備GPIO(通用輸入輸出)，連接現場(chǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的觸發(fā)信號(輸入，觸發(fā)拍照)，和發(fā)送到設備的控制信號(輸出)。

此外，該系統可提供兩種形式的產(chǎn)品：

視覺(jué)平板。具備視覺(jué)應用所需各種功能接口的硬件平臺，其特點(diǎn)如下： LCD顯示器及觸摸屏功能(大屏幕);內置高性能的處理器(ARM架構);相機接入;I/O接口：RS-232， USB， 10/100/1000 Ethernet;網(wǎng)絡(luò )通信功能：WiFi;加密保護。

圖2 視覺(jué)平板Vpad

智能相機。具備如下特點(diǎn)：小巧： 體積小、重量輕， 工業(yè)等級產(chǎn)品;板上相機;I/O：GPIO; 網(wǎng)絡(luò )連接：Ethernet， WiFi;加密保護等。如圖3所示。

圖3 智能相機VDSR

2、軟件技術(shù)

系統中的ARM處理器主要負責資源管理、邏輯控制，搭載Angstrom Linux系統，并集成機器視覺(jué)所需功能模塊的驅動(dòng)。系統軟件開(kāi)發(fā)的具體內容包括：USB攝像頭、GPIO、液晶觸摸屏、RS-232等的驅動(dòng)實(shí)現，Angstrom Linux系統的移植。Angstrom Linux是一種運行與嵌入式平臺的發(fā)行版桌面系統，里面集成了大部分系統工具和庫文件，包括軟件開(kāi)發(fā)和算法開(kāi)發(fā)用到的QT和opencv 庫，且其可以通過(guò)在線(xiàn)編譯的方式選擇自己需要的工具庫，自定義程度高，非常適合在資源短缺的嵌入式產(chǎn)品中應用。底層模塊的驅動(dòng)程序則通過(guò)linux官方內核中修改移植實(shí)現。

應用層軟件開(kāi)發(fā)基于Ubuntu系統，采用QT進(jìn)行軟件的界面設計和邏輯設計。Ubuntu是一款基于linux的免費開(kāi)源桌面PC操作系統，其可以方便地配置和嵌入式平臺上類(lèi)似的環(huán)境，如QT和opencv。該系統的軟件設計目標是無(wú)需編程、簡(jiǎn)單配置、模塊化，因此將所有可能用到的視覺(jué)工具集成到一個(gè)集成化的軟件平臺vdStudio中，包括定位、測量、檢測、標定等常用工具。結合圖形化用戶(hù)界面，用戶(hù)可以輕松選擇和配置每一個(gè)工具，且界面都基于用戶(hù)習慣而設計，簡(jiǎn)單易學(xué)易用。此外，系統支持脫機運行，實(shí)現一次配置，永久運行。如圖4所示。

圖4 用戶(hù)圖像界面

3、算法研究

算法是機器視覺(jué)系統的核心，相對于系統其他部分，算法對視覺(jué)功能貢獻最大、最關(guān)鍵。從市場(chǎng)份額上看，以核心軟件算法為基礎的標準機器視覺(jué)系統銷(xiāo)售量幾乎占到整個(gè)機器視覺(jué)行業(yè)的一半，可見(jiàn)算法和軟件的重要性。如果算法不好，視覺(jué)功能就沒(méi)法實(shí)現，或者雖能實(shí)現功能，但性能上不具有競爭力。算法本來(lái)很不錯，但軟件編制得不好也會(huì )直接影響視覺(jué)系統功能優(yōu)化及性能指標。算法及軟件系統是一個(gè)以標準系統為產(chǎn)品的視覺(jué)公司最重要的積累。在市場(chǎng)競爭中，算法是否有競爭力往往起到十分關(guān)鍵的作用。除了已有的積累，如何能獲得更多的算法軟件資源為我所用，也是決定本項目成敗的關(guān)鍵因素之一。除了自己在一些細分領(lǐng)域中研發(fā)自己的算法外，通過(guò)合作及分成模式，我們能將國際上優(yōu)秀的軟件和算法找來(lái)為己所用也是提升產(chǎn)品的重要路徑。

該系統軟件設計上采用了多種優(yōu)秀的設計模式，使得在具體使用的時(shí)候可以靈活選擇何種算法。其中有自主研發(fā)的VD300 SDK(軟件開(kāi)發(fā)包)，包括CG算法、基面矯正、圖像拼接、掃描控制等算法函數庫;基于opencv開(kāi)發(fā)的算法SDK，包括模板匹配、測量、blob檢測等工具;通用的機器視覺(jué)函數庫IPT(Image Processing Toolset)等。

4、結束語(yǔ)

該系統可以直接使用的視覺(jué)電器，不需要經(jīng)過(guò)ASP的集成，不需要編程序，像家用電器一樣，通過(guò)閱讀使用說(shuō)明書(shū)就能輕松上手。 從廠(chǎng)家到用戶(hù)，沒(méi)有技術(shù)集成環(huán)節，節省的成本還可以讓利給用戶(hù)，降低產(chǎn)品售價(jià)。用戶(hù)獲得的是所需的功能，不需要了解過(guò)多的技術(shù)細節，銷(xiāo)售時(shí)只要找準目標用戶(hù)，說(shuō)明產(chǎn)品的功能，盯住競爭優(yōu)勢，普通銷(xiāo)售業(yè)務(wù)員無(wú)需太強的技術(shù)背景都能勝任。