基于虛擬儀器的質(zhì)量檢測機器視覺(jué)系統的設計

引言
　　影像增強器是對微弱光信號進(jìn)行放大的光電圖像增強設備。人們可以利用它在光線(xiàn)較弱的情況下觀(guān)察外界景物或目標。電路系統制造的好壞直接影響它的質(zhì)量。不合格的電系統會(huì )使影像增強器在使用時(shí)容易產(chǎn)生黑斑（電路虛焊）、亮點(diǎn)（電路短路）、閃光和忽明忽暗（電路不穩定）等故障。因此在影像增強器投入使用之前，必須對其可靠性指標進(jìn)行考核試驗。然而按照我國目前的有關(guān)規定和標準對影像增強器進(jìn)行可靠性考核試驗，具有試驗時(shí)間長(cháng)、試驗條件復雜等缺點(diǎn)。標準要求在影像增強器進(jìn)行試驗時(shí)，將試驗分為多個(gè)試驗循環(huán)進(jìn)行。每個(gè)試驗循環(huán)共工作16小時(shí)，在16小時(shí)中，每工作55分鐘休息5分鐘。相鄰的兩個(gè)試驗循環(huán)之間間隔2小時(shí)，而且要求一次試驗在線(xiàn)工作時(shí)間不能小于600小時(shí)。另外，在試驗過(guò)程中還需要反復給瞄準鏡施加各種應力（光應力、電應力等），并要對影像增強器在各種試驗條件下出現的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)識別和記錄，以便事后分析。正是由于可靠性考核試驗的復雜性，所以到目前為止，我國還沒(méi)有可以對影像增強器進(jìn)行可靠性考核的試驗設備

　　近幾年，隨著(zhù)計算機技術(shù)和數字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，機器視覺(jué)在醫學(xué)圖像、工業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。而虛擬儀器（Virtual Instruments）技術(shù)可通過(guò)軟件將通用計算機與硬件結合起來(lái)快速構成可靠的測試或測控系統。如果將二者結合就可以使機器視覺(jué)的分析功能和虛擬儀器的控制功能同時(shí)為系統所用，使系統有很高的性能價(jià)格比。因此將機器視覺(jué)技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結合起來(lái)，開(kāi)發(fā)出的基于虛擬儀器的影像增強器可靠性檢測機器視覺(jué)系統(以下簡(jiǎn)稱(chēng)可靠性試驗系統)取得了較好的效果。

系統結構和工作原理
　　整個(gè)系統分為光機分系統和監測與記錄分系統，如圖所示。光機分系統為影像增強器模擬實(shí)際工作環(huán)境下的光應力、電應力并提供試驗時(shí)影像增強器的擺放支架，包括光源、大小兩級積分球、毛玻璃、光闌、透過(guò)率板、平行光管、夜視儀支架、光應力切換運動(dòng)裝置和發(fā)光強度探測器等。

　　監測與記錄分系統不僅實(shí)時(shí)識別、記錄影像增強器目鏡處產(chǎn)生的黑斑、亮點(diǎn)、閃光和忽明忽暗等故障，還記錄與故障圖像對應的試驗環(huán)境參數，最后再對這些試驗數據進(jìn)行分析處理，給出對影像增強器質(zhì)量的合理評價(jià)?？紤]系統的實(shí)時(shí)性的要求和效率，監測與記錄分系統設計為分布式結構，由四臺圖像機和一臺管理機經(jīng)HUB連接為星型網(wǎng)絡(luò )。每臺圖像機上安裝的圖像采集卡PCI-1407與CCD攝像機連接，以配合故障圖像識別與處理軟件監測、記錄相應影像增強器目鏡處的故障圖像。為了解決故障圖像實(shí)時(shí)存盤(pán)問(wèn)題，每臺圖像機上還安裝了磁盤(pán)陣列控制器。管理機上安裝有多功能數據采集卡PCI-6024E，以配合管理機軟件監測記錄試驗過(guò)程中的各項參數、控制光機部分的光應力切換、電應力開(kāi)關(guān)、增減等?？刂葡浜瓦m配器是光機分系統和檢測與記錄分系統的接口，它一方面將來(lái)自監測與記錄分系統的控制信號轉換為運動(dòng)機構可識別的信號，另一方面將光機部分和其他部分的試驗參數轉換為監測與記錄分系統可識別的電信號，這樣兩個(gè)分系統便形成一個(gè)整體。

　　系統工作時(shí)，操作人員首先在管理機上對試驗條件（如所需要的電應力）進(jìn)行設置，然后，管理機協(xié)調（通過(guò)網(wǎng)絡(luò )上各進(jìn)程間的通訊）整個(gè)系統進(jìn)行自檢，確保各設備準備就緒。自檢完成后，管理機按照操作員設置的試驗條件對試驗條件進(jìn)行自動(dòng)設置后才開(kāi)始進(jìn)行試驗。在試驗循環(huán)的每個(gè)工作循環(huán)中，各圖像機首先在不出現故障（由算法和操作人員目測保證）的情況下獲得標準圖像，此后與圖像機所聯(lián)接的CCD攝像機不斷將影像增強器目鏡處的圖像轉換為標準的視頻信號輸入到圖像采集卡。圖像采集卡對視頻信號進(jìn)行分解、采集后將其轉換為數字信號并輸送計算機進(jìn)行處理，圖像機上的故障圖像識別與處理軟件對數字圖像信號進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并識別圖像中是否存在故障，如果存在故障便保存，否則繼續判斷下一幀。管理機在試驗過(guò)程中對每幀圖像對應的試驗環(huán)境參數進(jìn)行同步監測并將它們記錄到數據庫中。每個(gè)工作循環(huán)結束后，管理機控制施加到影像增強器的電應力關(guān)閉，確保影像增強器休息，同時(shí)控制光機分系統的運動(dòng)機構改變光闌和透過(guò)率板，進(jìn)行光應力切換，以保證下一個(gè)工作循環(huán)開(kāi)始前光應力準備就緒。如此重復，直到完成整個(gè)試驗的多個(gè)試驗循環(huán)為止。

　　開(kāi)發(fā)過(guò)程中用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺NI LabVIEW5.0 PDS和機器視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)平臺NI IMAQ Vision 5.0再結合NI SQL ToolKit快速開(kāi)發(fā)大部分軟件模塊。為了提高軟件的處理速度用VC++6.0開(kāi)發(fā)底層的故障識別程序，并利用LabVIEW的CIN接口將用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序嵌入整合到軟件系統中。用Power Builder 6.0和MS SQL Server 7.0開(kāi)發(fā)狀態(tài)數據管理模塊。用LabVIEW與NI DataSocket編寫(xiě)數據通訊和系統管理模塊。這些軟件模塊分別安裝在管理機和圖像機上，并且各圖像機的軟件和配置完全相同，如果要對系統進(jìn)行擴展，只需要將按圖像的配置要求配置的計算機連接到網(wǎng)絡(luò )中即可。

系統使用的技術(shù)特點(diǎn)
　　可靠性檢測系統有以下技術(shù)特點(diǎn)，這些技術(shù)特點(diǎn)有效地保證了系統的正常運行。

　　1．系統在非常規光源下進(jìn)行工作
　　影像增強器用于對微弱的外界光線(xiàn)進(jìn)行放大，其目鏡處物像的亮度大約幾十個(gè)勒克斯，圖像的噪聲非常大，對故障識別帶來(lái)了很大難度。解決問(wèn)題的辦法是在不同的照度下，用LabVIEW和IMAQ Vision編寫(xiě)程序自動(dòng)調整圖像采集卡的黑白電平和CCD曝光系數，保證故障提取在較高的信噪比下進(jìn)行。

　　2．系統有很強的實(shí)時(shí)性
　　按照指標要求，系統要在80ms內進(jìn)行圖像采集、預處理、故障識別、圖像存儲等一系列操作，對實(shí)時(shí)性要求很高。主要采用兩個(gè)辦法解決實(shí)時(shí)性問(wèn)題，一是采用磁盤(pán)陣列技術(shù)，一是用VC編寫(xiě)故障識別軟件。按照要識別的故障黑斑、亮點(diǎn)、閃光和忽明忽暗灰度閾值依次降低，面積閾值依次增加的特征，系統中用灰度和面積作為特征參數進(jìn)行故障識別。用VC編寫(xiě)程序使故障圖像和標準圖像相減后的結果進(jìn)行一次腐蝕，再按照所設置的閾值識別故障。將編寫(xiě)的程序編譯成.lsb格式，用CIN接點(diǎn)嵌入到LabVIEW程序中。經(jīng)測試此程序對一幀故障圖像進(jìn)行識別一般需要30ms，完全滿(mǎn)足系統的要求。

　　3．圖像高速流盤(pán)
　　系統中采用的另外一個(gè)提高系統實(shí)時(shí)性的手段是RAID技術(shù)。RAID按照不同的存儲性能、數據安全性和存儲成本有RAID0到6七種基本的級別和一些基本RAID級別的組合形式。RAID0可以讓多個(gè)磁盤(pán)并行地執行系統的某個(gè)數據請求，把連續的數據分散到多個(gè)磁盤(pán)上存取，這樣就有效解決了磁盤(pán)I/O與CPU處理速度之間的瓶頸問(wèn)題。系統中每臺圖像機上的硬盤(pán)組都通過(guò)RAID接口卡連接到系統中來(lái)提高系統的實(shí)時(shí)性。

　　4．分布式同步數據采集與控制
　　整個(gè)系統由一臺管理計算機和四臺圖像機協(xié)同完成計算工作，在工作過(guò)程中有嚴格的時(shí)序關(guān)系。在用NI DataSocket編寫(xiě)的通信模塊中，發(fā)信者每發(fā)出消息給受信者，必須得到受信者的確認后才進(jìn)行后續工作，這種機制很好地保證了整個(gè)系統協(xié)調工作。另一方面，為了便于事后區分從屬故障，要求保存每一幅故障圖像時(shí)同時(shí)記錄對應的系統狀態(tài)。為此采取同頻、同相和同時(shí)啟動(dòng)的同步機制。同頻是指圖像采集和狀態(tài)采集的頻率相同；同相是指將從任一圖像采集卡解析出的同步視頻信號連接到其他三個(gè)CCD的同步輸入端，保證四個(gè)CCD送到圖像采集卡的視頻信號相位相同；另外，圖像采集卡和數據采集卡的觸發(fā)端子連接在一起，并且都工作在觸發(fā)狀態(tài)下，任一圖像采集卡發(fā)出觸發(fā)信號后，整個(gè)系統開(kāi)始動(dòng)作。

結論
　　在將虛擬儀器技術(shù)與機器視覺(jué)技術(shù)結合起來(lái)實(shí)現整個(gè)系統的過(guò)程中，為了提高系統的實(shí)時(shí)性，故障識別部分用VC++來(lái)完成。編寫(xiě)完成的算法被編譯為虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW的CIN接口支持的格式后嵌入整個(gè)軟件系統。經(jīng)過(guò)測試，使用這種軟件整合方式和算法后系統對故障圖像進(jìn)行處理的時(shí)間加上圖像采集與存盤(pán)的時(shí)間，總共耗時(shí)不超過(guò)40ms，完全滿(mǎn)足指標的要求，同時(shí)，利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺來(lái)完成其擅長(cháng)的控制功能，開(kāi)發(fā)者只需要專(zhuān)注系統功能的完整性而不必考慮復雜的細節，這就極大地發(fā)揮了虛擬儀器的性能，使系統有很強的靈活性和擴展性，并節省了開(kāi)發(fā)所應支付的費用，提高了系統的性能價(jià)格比。