《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 測試測量 > 設(shè)計應(yīng)用 > 三軸影像測量儀的開發(fā)與研制
三軸影像測量儀的開發(fā)與研制
中電網(wǎng)
高興森
摘要: 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(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,。
Abstract:
Key words :

  一、 圖像采集" title="圖像采集">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(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個檢測區(qū)域,。加上起始位置共有4個位置,。攝像機在X/Z軸上運動,被測儀表盤在Y軸上運動,,X/Y軸的運動完成鏡頭對目標(biāo)的對準(zhǔn),,Z軸的運動完成對目標(biāo)的聚焦。在每個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。

  三,、 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

  以計算機系統(tǒng)來完成圖像的采集,、處理、判斷,、文件I/O" title="I/O">I/O和用戶使用界面,,同時作為上位計算機通過串口" title="串口">串口對PLC進行控制;以PLC系統(tǒng)來完成運動控制,、I/O控制,。計算機系統(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,;2位停止位,。

  PLC的系統(tǒng)框圖如下:

  通過計算機系統(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)的全自動測量過程中,,共有三個被測區(qū)域,,每個區(qū)域又有三種照明模式,所以一共需要運行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)實時采集圖像,。在本系統(tǒng)的運動位置設(shè)置模塊里,,需要實時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,,在全自動測量過程中,,共采集9幀圖像,每幅圖像都對應(yīng)一個圖像處理" title="圖像處理">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,,因此需開辟多個圖像緩沖區(qū)來存儲圖像數(shù)據(jù),。本系統(tǒng)中共設(shè)置100個圖像緩沖區(qū),即image buffer0~buffer99, 其中buffer0為系統(tǒng)實時圖像緩沖區(qū),;buffer1~buffer51分別存儲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個臨時buffer, 即buffer99~ buffer88,,buffer52~buffer87未使用。

  2.定位原點并建立坐標(biāo)系

  選取圖像上不發(fā)生變化的特征,,使用Match Pattern 或Detect Object來定位原點并建立坐標(biāo)系,。三個檢測區(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,。

  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)原點為參考點,。

  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)域分別測量光強分量Intensity、顏色分量R/G/B,、鐳雕圖案模式匹配" title="模式匹配">模式匹配分?jǐn)?shù),、位置坐標(biāo)等。

  其中光強Intensity/R/G/B的范圍為0~255,,共256個灰階,。

  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字符識別,,即需要分別識別出AUTO、ECON,、OFF,。

  位置坐標(biāo)需要進行坐標(biāo)系變換。對于一幅圖像來說,,默認(rèn)的坐標(biāo)原點位于圖像的左上角,,測量的直接位置數(shù)據(jù)是相對于這個原點的,和我們在步驟2.中定義的原點位置不同,,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Table容器中,。Table的第一個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Page上有一個布爾量顯示控件,,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

  在相鄰的兩次圖像采集之間需要完成幾項任務(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,、位置運動等,這些任務(wù)的執(zhí)行時間是不同的,。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動靜止、光源穩(wěn)定發(fā)光,。由計算機向PLC發(fā)送運動觸發(fā)信號和光源切換觸發(fā)信號的指令完成時間是以10ms為數(shù)量級的,,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間是以100ms為數(shù)量級的。運動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間。我們的經(jīng)驗是LED光源從上電到穩(wěn)定發(fā)光至少需要500ms的延時,。在一個產(chǎn)品的測試中需要9次光源切換,、4次位置運動。如果都用延時的方法,,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動觸發(fā),,然后再對本次采集的圖像做相對費時的圖像處理等,相當(dāng)于為光源切換或運動觸發(fā)作了延時處理,,但又不占用額外的時間開銷,。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個圖像處理子程序" title="子程序">子程序中,,部分測量數(shù)據(jù)需要進行全局比較,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,,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,只需讀取公差設(shè)置相關(guān)的sub-array即可,。測量數(shù)據(jù)存儲的文件名中插入時間字符(精確到秒),,以避免文件名重復(fù)。

  七,、上位鏈接和串口通訊

  進行上位鏈接通訊時,,計算機和PLC之間使用命令(command)和響應(yīng)(response)進行發(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),。上位計算機持有發(fā)送權(quán),命令發(fā)送后,,響應(yīng)由PLC自動返回,。由于PLC的響應(yīng)需要時間,因此在兩次命令之間必須插入延時,。幀的格式如下:
@|機器號|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)進行邏輯異或的8位數(shù)據(jù)變成2個字符的ASCII碼,,主要用于檢查數(shù)據(jù)錯誤。FCS的計算采用筆者以前用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,、 開放性和擴展性


  本系統(tǒng)是針對帕薩特和速騰轎車的2種型號的溫控儀表盤的視覺檢測開發(fā)的,但在軟硬件的設(shè)計中都充分考慮到系統(tǒng)的開放性和擴展性,,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上加裝一個步進電機和傳動機構(gòu),,即可以實現(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)擴展提供了必要的硬件資源。

  九,、 結(jié)論

  本項目軟件預(yù)計開發(fā)時間為三個月,,實際上不到兩個月就完成了,目前機器運行十分穩(wěn)定,、高效,,得到客戶的贊譽。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)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計上,,從而節(jié)省了寶貴的開發(fā)時間,。此外,,LabVIEW的幫助功能和大量的實例程序非常方便程序員的自學(xué)提高??傊?,我們認(rèn)為LabVIEW作為測試測量領(lǐng)域的首選開發(fā)平臺是當(dāng)之無愧的。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。