一、 圖像采集卡的選擇

儀表盤的外形尺寸為220mm×82mm,，要求測量精度不低于0.13mm,。綜合檢測精度,、檢測速度和成本要求,，系統(tǒng)選擇NI 1394圖像采集卡,，配合SONY 1394 CCD彩色攝像機(jī)(分辨率為1024×768), 這樣視覺系統(tǒng)的視場范圍FOV=118mm×88.5mm,，像素精度pixel accuracy= 118÷1024=0.1152mm/pixel,，完全滿足系統(tǒng)測量的尺寸精度要求,。

二、 掃描區(qū)域劃分

根據(jù)儀表盤的尺寸,、目標(biāo)特征的相關(guān)性和視覺系統(tǒng)FOV的范圍,，將儀表盤劃分為左、中,、右3個(gè)檢測區(qū)域,。加上起始位置共有4個(gè)位置。攝像機(jī)在X/Z軸上運(yùn)動(dòng),，被測儀表盤在Y軸上運(yùn)動(dòng),，X/Y軸的運(yùn)動(dòng)完成鏡頭對目標(biāo)的對準(zhǔn)，Z軸的運(yùn)動(dòng)完成對目標(biāo)的聚焦,。在每個(gè)檢測位置采集的圖像分別以中間的LED窗口即AUTO LED,、OFF LED、Defrost LED的中心為該幅圖像的坐標(biāo)原點(diǎn),。

三,、 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成圖像的采集、處理,、判斷,、文件I/O和用戶使用界面，同時(shí)作為上位計(jì)算機(jī)通過串口對PLC進(jìn)行控制,；以PLC系統(tǒng)來完成運(yùn)動(dòng)控制,、I/O控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖如下：

上位鏈接的參數(shù)設(shè)置：波特率：115200; 7位數(shù)據(jù)位,；偶校驗(yàn),；2位停止位。
PLC的系統(tǒng)框圖如下：

通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)協(xié)同工作,，各司其職,，充分發(fā)揮各自的特長，使系統(tǒng)的性能得以優(yōu)化,。

四,、 圖像采集

NI提供兩種標(biāo)準(zhǔn)的圖像采集vi程序，用戶可以直接調(diào)用：

1．單幀圖像采集1394-snap-acquire：即每次只采集1幀圖像,。在本系統(tǒng)的全自動(dòng)測量過程中,，共有三個(gè)被測區(qū)域，每個(gè)區(qū)域又有三種照明模式，所以一共需要運(yùn)行9次單幀圖像采集程序,。

2．連續(xù)圖像采集1394-grab-acquire：即連續(xù)實(shí)時(shí)采集圖像,。在本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位置設(shè)置模塊里，需要實(shí)時(shí)觀測鏡頭與被測目標(biāo)的相對位置及聚焦情況,，然后保存各個(gè)位置,，所以使用了連續(xù)圖像采集模式。

五,、 圖像處理

如上所述,，在全自動(dòng)測量過程中，共采集9幀圖像,，每幅圖像都對應(yīng)一個(gè)圖像處理程序,，來完成對目標(biāo)特征的測量和判斷。步驟如下：

1．開辟圖像緩沖區(qū)

在圖像處理中,，需要對圖像做多次變換,，因此需開辟多個(gè)圖像緩沖區(qū)來存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中共設(shè)置100個(gè)圖像緩沖區(qū),，即image buffer0~buffer99, 其中buffer0為系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖像緩沖區(qū),；buffer1~buffer51分別存儲(chǔ)9幀圖像的彩色原圖、Intensity 圖層,、Red圖層,、Green圖層、Blue圖層,、Mask圖層,、Overlay圖層等作為歷史圖像數(shù)據(jù)，可以和測量結(jié)果數(shù)據(jù)相對照,；其余為臨時(shí)圖像緩沖區(qū),，為避免與歷史圖像緩沖區(qū)發(fā)生沖突，從buffer99開始向下使用,。本系統(tǒng)只使用了12個(gè)臨時(shí)buffer, 即buffer99~ buffer88,，buffer52~buffer87未使用。

2．定位原點(diǎn)并建立坐標(biāo)系

選取圖像上不發(fā)生變化的特征,，使用Match Pattern 或Detect Object來定位原點(diǎn)并建立坐標(biāo)系。三個(gè)檢測區(qū)域分別以中間的LED窗口即AUTO LED,、OFF LED,、Defrost LED的中心為該幅圖像的坐標(biāo)原點(diǎn)。

3．定義ROI區(qū)域

根據(jù)被測目標(biāo)不同的形狀,，可以使用不同的ROI模型,，包括圓形、環(huán)形、扇形,、矩形,、旋轉(zhuǎn)矩形、任意多邊形等,。所有ROI區(qū)域都以坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn),。

4. 測量

通過抽取彩色圖像的Intensity plane、Red Plane,、Green Plane,、Blue Plan（均為8位深度的圖像），對各目標(biāo)ROI區(qū)域分別測量光強(qiáng)分量Intensity,、顏色分量R/G/B,、鐳雕圖案模式匹配分?jǐn)?shù)、位置坐標(biāo)等,。

其中光強(qiáng)Intensity/R/G/B的范圍為0~255,，共256個(gè)灰階。

圖案模式匹配分?jǐn)?shù)的滿分為1000分,，得分大小表示目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)模型的匹配程度,。對三組字符除了做模式匹配測量還做了OCR字符識(shí)別，即需要分別識(shí)別出AUTO,、ECON,、OFF。

位置坐標(biāo)需要進(jìn)行坐標(biāo)系變換,。對于一幅圖像來說,，默認(rèn)的坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖像的左上角，測量的直接位置數(shù)據(jù)是相對于這個(gè)原點(diǎn)的,，和我們在步驟2.中定義的原點(diǎn)位置不同,，坐標(biāo)系方向也不同。參考下圖：

變換后的坐標(biāo)仍是以像素為單位的,，需要乘以像素精度pixel accuracy轉(zhuǎn)化為mm單位,，這樣才對產(chǎn)品檢驗(yàn)有意義。

5．結(jié)果輸出界面

測量結(jié)果包括圖像和數(shù)據(jù),，放在一個(gè)Table容器中,。Table的第一個(gè)Page用來存放圖像。圖像以二維數(shù)組為容器,，分為9行5列,，存放45幅圖像，包含9幅采集的圖像和抽取的36幅分量圖層,。Table的第2~11共10個(gè)Page用來存放測量數(shù)據(jù),，分別以10張表格形式輸出,，分別對應(yīng)9幅采集的圖像的測量數(shù)據(jù)和重要特征的全局比較。每個(gè)Page上有一個(gè)布爾量顯示控件,，用于指示當(dāng)前頁面的綜合判斷結(jié)果,。

圖2 Middle area Function LED mode image

以下僅給出中部檢測圖像和數(shù)據(jù)，請參考圖2-圖7

圖3 Middle area Function mode measure data

圖4 Middle area Night mode image

圖5 Middle area Night mode measure data

圖6 Middle area Day mode measure data

6．任務(wù)順序的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在相鄰的兩次圖像采集之間需要完成幾項(xiàng)任務(wù),，包括圖像處理,、寫全局變量、圖像輸出,、測量結(jié)果輸出,、光源切換、位置運(yùn)動(dòng)等,，這些任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間是不同的,。優(yōu)化這些任務(wù)的編排順序可顯著提高程序的執(zhí)行速度。

采集圖像前要求所有運(yùn)動(dòng)靜止,、光源穩(wěn)定發(fā)光,。由計(jì)算機(jī)向PLC發(fā)送運(yùn)動(dòng)觸發(fā)信號(hào)和光源切換觸發(fā)信號(hào)的指令完成時(shí)間是以10ms為數(shù)量級(jí)的，而圖像
處理,、圖像輸出,、測量結(jié)果輸出、寫全局變量的完成時(shí)間是以100ms為數(shù)量級(jí)的,。運(yùn)動(dòng)是否完成可通過讀取PLC中的標(biāo)志位來確定,，但光源是否穩(wěn)定發(fā)光，只能依賴上電后的延遲時(shí)間,。我們的經(jīng)驗(yàn)是LED光源從上電到穩(wěn)定發(fā)光至少需要500ms的延時(shí),。在一個(gè)產(chǎn)品的測試中需要9次光源切換、4次位置運(yùn)動(dòng),。如果都用延時(shí)的方法,，那么將大大降低檢測速度。所以我們不是在圖像采集后立刻對該幅圖像處理,，而是先為下一次圖像采集做光源切換或運(yùn)動(dòng)觸發(fā),，然后再對本次采集的圖像做相對費(fèi)時(shí)的圖像處理等，相當(dāng)于為光源切換或運(yùn)動(dòng)觸發(fā)作了延時(shí)處理,，但又不占用額外的時(shí)間開銷,。參考以下流程圖：

7. Overlay的傳遞

Overlay是疊加在圖像上的一個(gè)特殊的圖層，用于顯示ROI定義范圍,、坐標(biāo)系定義和部分圖像處理的信息,。本系統(tǒng)中在同一位置采集的不同光源照明下的3幅圖像，具有相同的坐標(biāo)系和像素精度,，不必每次都做同樣的處理,，只需將第一幅圖像上的Overlay傳遞給其他兩幅圖像即可。利用我們編寫的Overlay傳遞vi,，可以抽取任意image buffer的Overlay并傳遞到指定的image buffer中,。參考圖2、圖4,、圖6,，每幅圖像上的左上角紅色方框內(nèi)的原點(diǎn)坐標(biāo)位置及像素精度的文字信息和圖像中央位置的坐標(biāo)系標(biāo)志就是通過這種方法傳遞的。

8．ROI與Mask的組合應(yīng)用

利用ROI來定義感興趣區(qū)域,，利用Mask可以屏蔽掉不感興趣或者已測量過的區(qū)域,，將ROI與Mask相結(jié)合可使一些復(fù)雜的測量變得簡單而高效。圖6中需要測量產(chǎn)品的外露面是否有劃傷,，經(jīng)過ROI和Mask的組合,，只需兩步即可完成。參考圖8,、圖9,。

圖8 Middle area Day mode mask1

圖9 Middle area Day mode mask2

9．全局特征比較

在9個(gè)圖像處理子程序中，部分測量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行全局比較,，已評定產(chǎn)品
整體區(qū)域的發(fā)光亮度的一致性,，因此需要在每個(gè)圖像處理子程序中將關(guān)心的數(shù)據(jù)寫入全局變量，最后在主程序中對這些全局變量進(jìn)行處理,，請參考圖10,。

圖10 Global compare parameters

六、文件I/O

包括公差設(shè)置,、讀取,、測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)較多,，因此采用表格文件方式,，將數(shù)據(jù)分類以二維數(shù)組的形式存取。在圖像處理程序中對測量數(shù)據(jù)判斷時(shí),，只需讀取公差設(shè)置相關(guān)的sub-array即可,。測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件名中插入時(shí)間字符（精確到秒），以避免文件名重復(fù),。

七,、上位鏈接和串口通訊

進(jìn)行上位鏈接通訊時(shí)，計(jì)算機(jī)和PLC之間使用命令(command)和響應(yīng)(response)進(jìn)行發(fā)送和接收,。一次通訊送出的一組數(shù)據(jù)稱作一幀,，送出幀的權(quán)限稱為發(fā)送權(quán)。上位計(jì)算機(jī)持有發(fā)送權(quán),，命令發(fā)送后,，響應(yīng)由PLC自動(dòng)返回,。由于PLC的響應(yīng)需要時(shí)間，因此在兩次命令之間必須插入延時(shí),。幀的格式如下：
@|機(jī)器號(hào)|頭碼|正文|FCS|終端
FCS稱為幀檢查序列,，把一幀的開始到FCS前面的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯異或的8位數(shù)據(jù)變成2個(gè)字符的ASCII碼，主要用于檢查數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,。FCS的計(jì)算采用筆者以前用VB開發(fā)的程序,，命令的傳送使用LabVIEW中的Instrument I/O assistant直接向串口發(fā)送，十分簡單,。Instrument I/O assistant提供三種類型的命令,，包括Write，Query and parse,，Read and parse,。

八、 開放性和擴(kuò)展性

本系統(tǒng)是針對帕薩特和速騰轎車的2種型號(hào)的溫控儀表盤的視覺檢測開發(fā)的,，但在軟硬件的設(shè)計(jì)中都充分考慮到系統(tǒng)的開放性和擴(kuò)展性,，只需更換圖像處理子程序和各區(qū)域的位置設(shè)置，即可以檢查任何二維平面上圖像信息,。同時(shí)在Z軸上加裝接觸式測頭或非接觸式的激光測距傳感器,，即可以完成Z軸方向的尺寸測量。三軸的行程X,、Y,、Z為：200mm×200mm×150mm.

選擇的PLC上有4路脈沖輸出，選用的光學(xué)鏡頭可以連續(xù)變倍,，這樣在Zoom上加裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu),，即可以實(shí)現(xiàn)變放大倍數(shù)的檢測，對尺寸精度和圖像質(zhì)量要求高的區(qū)域可使用高放大倍數(shù)測量,。

同時(shí)系統(tǒng)還有4路AD輸入和2路DA輸出,，為向更復(fù)雜、更靈活的系統(tǒng)擴(kuò)展提供了必要的硬件資源,。

九,、 結(jié)論

本項(xiàng)目軟件預(yù)計(jì)開發(fā)時(shí)間為三個(gè)月，實(shí)際上不到兩個(gè)月就完成了,，目前機(jī)器運(yùn)行十分穩(wěn)定,、高效，得到客戶的贊譽(yù),。NI Vision豐富的圖像處理功能和LabVIEW靈活易用的編程環(huán)境是我們獲得成功的主要原因之一,。

筆者以前主要使用VB和C++做程序開發(fā)，這次是第二次使用LabVIEW做項(xiàng)目,。相比之下,，LabVIEW圖形化編程語言使程序員不必過分關(guān)注代碼和函數(shù)格式,，而是把主要精力放在功能設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，從而節(jié)省了寶貴的開發(fā)時(shí)間,。此外,，LabVIEW的幫助功能和大量的實(shí)例程序非常方便程序員的自學(xué)提高,?？傊覀冋J(rèn)為LabVIEW作為測試測量領(lǐng)域的首選開發(fā)平臺(tái)是當(dāng)之無愧的,。