三軸影像測量儀的開發(fā)與制造

一、選擇圖像采集卡

儀表板的外形尺寸為220mm×82mm，測量精度要求不小于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，搭配SONY 1394 CCD彩色攝像機(jī)（分辨率為1024×768)，因此視覺系統(tǒng)的視場FOV = 118mm×88.5mm，像素精度= 118÷1024 = 0.1152mm /像素，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)儀表板的大小，目標(biāo)特征的相關(guān)性以及視覺系統(tǒng)FOV的范圍，儀表板分為三個檢測區(qū)域：左，中和右。有4個位置加上開始位置。相機(jī)在X / Z軸上移動，被測儀表板在Y軸上移動，X / Y軸的移動完成了鏡頭與目標(biāo)的對準(zhǔn)，Z軸的移動完成了對鏡頭的聚焦目標(biāo)。在每個檢測位置收集的圖像均以中間LED窗口的中心，即AUTO LED，OFF LED和Defrost LED作為圖像的坐標(biāo)原點(diǎn)。

三、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于完成圖像的采集，處理，判斷，文件I / O和用戶界面，并與上位機(jī)同時通過串口控制PLC； PLC系統(tǒng)完成運(yùn)動控制和I / O控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的框圖如下：

上方鏈接的參數(shù)設(shè)置：波特率：115200； 7個數(shù)據(jù)位；平價； 2個停止位。

PLC的系統(tǒng)框圖如下：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)協(xié)同工作以履行各自的職責(zé)，并充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢來優(yōu)化系統(tǒng)性能。

四、圖像獲取

NI提供了兩個標(biāo)準(zhǔn)的圖像采集vi程序，用戶可以直接調(diào)用它們：

1。單幀圖像獲取1394快照獲?。杭矗看蝺H獲取一幀圖像。在該系統(tǒng)的自動測量過程中，要測量三個區(qū)域，每個區(qū)域具有三種照明模式，因此總共需要運(yùn)行9個單幀圖像采集程序。

2。連續(xù)圖像采集1394-grab-acquire：即連續(xù)實(shí)時圖像采集。在該系統(tǒng)的移動位置設(shè)置模塊中，需要實(shí)時觀察鏡頭與被測目標(biāo)的相對位置和焦點(diǎn)，然后保存每個位置，因此采用連續(xù)圖像采集模式。

五、圖像處理

如上所述，在自動測量過程中，總共收集了9幀圖像，每個圖像對應(yīng)于一個圖像處理程序，以完成目標(biāo)特征的測量和判斷。步驟如下：

1。打開圖像緩沖區(qū)

在圖像處理中，圖像需要多次轉(zhuǎn)換，因此需要打開多個圖像緩沖區(qū)來存儲圖像數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)總共設(shè)置了100個圖像緩沖區(qū)，即圖像緩沖區(qū)0?緩沖區(qū)99，其中緩沖區(qū)0為系統(tǒng)的實(shí)時圖像緩沖區(qū)。 buffer1?buffer51分別存儲彩色原始圖像，強(qiáng)度層，紅色層，綠色層，藍(lán)色層，遮罩層，覆蓋層等作為歷史圖像數(shù)據(jù)，可以與測量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；其余的是臨時圖像緩沖區(qū)。為了避免與歷史圖像緩沖區(qū)發(fā)生沖突，請向下使用buffer99。該系統(tǒng)僅使用12個臨時緩沖區(qū)，即不使用buffer99?buffer88和buffer52?buffer87。

2。找到原點(diǎn)并建立坐標(biāo)系

選擇圖像上不變的特征，使用“匹配圖案”或“檢測對象”定位原點(diǎn)并建立坐標(biāo)系。對于這三個檢測區(qū)域，中間LED窗口的中心，即AUTO LED，OFF LED和Defrost LED，是圖像的坐標(biāo)原點(diǎn)。

3。定義投資回報率區(qū)域

可以根據(jù)測試目標(biāo)的不同形狀使用不同的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)域均基于坐標(biāo)原點(diǎn)。

4.測量

通過提取彩色圖像（所有具有8位深度的圖像）的強(qiáng)度平面，紅色平面，綠色平面和藍(lán)色平面，分別測量強(qiáng)度分量強(qiáng)度，顏色分量R / G / B和鐳目標(biāo)投資回報率區(qū)域。雕刻圖案匹配分?jǐn)?shù)，位置坐標(biāo)等

強(qiáng)度/ R / G / B的范圍是0?255，共有256個灰度。

模式匹配的總分是1000分，該分表明目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)模型的匹配程度。除了對三組字符進(jìn)行模式匹配測量外，還進(jìn)行了OCR字符識別，即分別需要識別AUTO，ECON和OFF。

位置坐標(biāo)需要進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。對于圖像，默認(rèn)坐標(biāo)原點(diǎn)位于圖像的左上角，并且測得的直接位置數(shù)據(jù)是相對于此原點(diǎn)的，與步驟2.中定義的原點(diǎn)不同，坐標(biāo)系方向也為不同。請參考下圖：

變換后的坐標(biāo)仍以像素為單位，需要乘以像素精度并將其轉(zhuǎn)換為mm單位，這樣對產(chǎn)品檢查很有用。

5。結(jié)果輸出界面

測量結(jié)果包括放置在Table容器中的圖像和數(shù)據(jù)。表的第一頁用于存儲圖像。該圖像使用二維數(shù)組作為容器，分為9行5列，并存儲45張圖像，其中包括9張收集的圖像和36張?zhí)崛〉慕M成層。從表的第二到第十一頁的10頁用于存儲測量數(shù)據(jù)，分別以10個表的形式輸出，對應(yīng)于測量數(shù)據(jù)的全局比較和9個采集圖像的重要特征。每個頁面上都有一個布爾顯示控件，用于指示當(dāng)前頁面的綜合判斷結(jié)果。

圖2中間區(qū)域功能LED模式圖像

下面僅顯示中心部分的圖像和數(shù)據(jù)，請參考圖2-圖7

圖3中部功能模式測量數(shù)據(jù)

圖4中間區(qū)域夜間模式圖像

圖5中間區(qū)域夜間模式測量數(shù)據(jù)

圖6中區(qū)Day模式下的測量數(shù)據(jù)

6。任務(wù)序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)

兩個相鄰的圖像采集之間需要完成幾個任務(wù)，包括圖像處理，寫入全局變量，圖像輸出，測量結(jié)果輸出，光源切換，位置移動等。這些任務(wù)的執(zhí)行時間不同。優(yōu)化這些任務(wù)的順序可以顯著提高程序的執(zhí)行速度。

在捕獲圖像之前，所有運(yùn)動都必須是靜態(tài)的，并且光源要穩(wěn)定。從計(jì)算機(jī)發(fā)送至PLC的運(yùn)動觸發(fā)信號和光源切換觸發(fā)信號的指令完成時間約為10ms，圖像

處理，圖像輸出，測量結(jié)果輸出以及全局變量寫入的完成時間約為100毫秒?？梢酝ㄟ^讀取PLC中的標(biāo)志來確定移動是否完成，但是光源是否穩(wěn)定發(fā)光只能取決于加電后的延遲時間。我們的經(jīng)驗(yàn)是，LED光源從開機(jī)到穩(wěn)定發(fā)光至少需要500毫秒的延遲。在產(chǎn)品測試中，需要9個光源切換和4個位置移動。如果使用延遲方法，檢測速度將大大降低。因此，我們不是在采集圖像后立即處理圖像，而是首先進(jìn)行光源切換或運(yùn)動觸發(fā)以進(jìn)行下一個圖像采集，然后對這次采集的圖像進(jìn)行相對耗時的圖像處理，這相當(dāng)于切換光源或延遲處理運(yùn)動觸發(fā)器，但不會占用額外的時間開銷。請參閱下面的流程圖：

7.重疊式廣告

疊加層是疊加在圖像上的特殊層，用于顯示ROI定義范圍，坐標(biāo)系定義和部分圖像處理信息。在該系統(tǒng)中，在不同位置，不同光源下收集的3張圖像具有相同的坐標(biāo)系和像素精度。不必每次都進(jìn)行相同的處理，只需將第一個圖像上的疊加層轉(zhuǎn)移到其他兩個圖像上就可以了。使用我們編寫的Overlay傳遞vi，可以提取任何圖像緩沖區(qū)的Overlay并將其傳遞給指定的圖像緩沖區(qū)。參照圖2、圖4、圖6，以此方式傳輸每個圖像左上角紅色框中的原點(diǎn)坐標(biāo)位置和像素精度文本信息以及圖像中心位置的坐標(biāo)系標(biāo)記方法。

8。 ROI和Mask的組合應(yīng)用

使用ROI定義感興趣的區(qū)域，使用遮罩遮罩不感興趣或已測量的區(qū)域，并將ROI與遮罩相結(jié)合可以使一些復(fù)雜的測量變得簡單而有效。在圖6中，必須測量產(chǎn)品的裸露表面是否有劃痕。將ROI和Mask組合后，可以分兩步完成。請參考圖8、圖9。

圖8中部區(qū)域Day模式mask1

圖9中部區(qū)域“白天”模式蒙版2

9。全局功能比較

在9個圖像處理子例程中，需要對部分測量數(shù)據(jù)進(jìn)行全局比較，并對產(chǎn)品進(jìn)行評估

整個區(qū)域的發(fā)光亮度是一致的，因此有必要將感興趣的數(shù)據(jù)寫入每個圖像處理子例程中的全局變量，最后在主程序中處理這些全局變量，請參見圖10。

圖10全局比較參數(shù)

六、文件I / O

包括公差設(shè)置，讀取和測量數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)，有許多數(shù)據(jù)，因此使用表文件方法以二維數(shù)組的形式訪問數(shù)據(jù)。在圖像處理程序中判斷測量數(shù)據(jù)時，只需讀取與公差設(shè)置有關(guān)的子陣列。將時間字符（精確到第二個字符）插入到測量數(shù)據(jù)的文件名中，以避免重復(fù)文件名。

七、主機(jī)鏈接和串行通訊

執(zhí)行上層鏈接通信時，計(jì)算機(jī)和PLC使用命令（命令）和響應(yīng)（響應(yīng)）進(jìn)行發(fā)送和接收。在一次通信中發(fā)送的一組數(shù)據(jù)稱為幀，而發(fā)送幀的權(quán)利稱為發(fā)送權(quán)。上位機(jī)擁有發(fā)送權(quán)。發(fā)送命令后，PLC將自動返回響應(yīng)。由于PLC的響應(yīng)需要時間，因此必須在兩個命令之間插入一個延遲。框架的格式如下：

@ |計(jì)算機(jī)ID |標(biāo)題|文本| FCS |終端

FCS稱為幀檢查序列，它將8位數(shù)據(jù)從幀的開頭轉(zhuǎn)換為FCS之前的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為2個字符的ASCII碼，主要用于檢查數(shù)據(jù)錯誤。 FCS的計(jì)算采用了之前VB中開發(fā)人員編寫的程序，并且使用LabVIEW中的Instrument I / O助手將命令的傳輸直接發(fā)送到串行端口，非常簡單。儀器I / O助手提供了三種類型的命令，包括寫入，查詢和解析，讀取和解析。

八、開放性和可伸縮性

該系統(tǒng)開發(fā)用于視覺檢查帕薩特和速騰兩種型號的溫度控制儀表板。但是，在軟件和硬件的設(shè)計(jì)中充分考慮了系統(tǒng)的開放性和可伸縮性，并且僅需要替換圖像處理。子程序和每個區(qū)域的位置設(shè)置可以檢查任何二維平面上的圖像信息。同時，在Z軸上安裝了接觸式探頭或非接觸式激光測距傳感器，以完成Z軸方向上的尺寸測量。三軸行程X，Y，Z為200mm×200mm×150mm。

所選的PLC上有4個脈沖輸出，并且所選的光學(xué)鏡頭可以連續(xù)變焦。通過這種方式，可以在Zoom中添加步進(jìn)電機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)變倍的檢測，并且可以以高倍率來測量尺寸精度和對圖像質(zhì)量有較高要求的區(qū)域。

同時，該系統(tǒng)還具有4個AD輸入和2個DA輸出，這為擴(kuò)展更復(fù)雜，更靈活的系統(tǒng)提供了必要的硬件資源。

九、結(jié)論

該項(xiàng)目軟件的預(yù)計(jì)開發(fā)時間為三個月，實(shí)際上不到兩個月就完成了。該機(jī)器目前運(yùn)行非常穩(wěn)定和高效，并贏得了客戶的好評。 NI Vision豐富的圖像處理功能以及LabVIEW靈活且易于使用的編程環(huán)境是我們成功的主要原因之一。

作者以前主要使用VB和C ++進(jìn)行程序開發(fā)，這是我第二次將LabVIEW用于項(xiàng)目。相比之下影像測量儀，LabVIEW圖形化編程語言使程序員不必過多關(guān)注代碼和功能格式，而將精力集中在功能設(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)時間。此外，LabVIEW的幫助功能和大量示例程序?qū)τ诔绦騿T學(xué)習(xí)和提高自身水平非常方便。簡而言之影像測量儀，我們相信LabVIEW作為測試和測量領(lǐng)域的首選開發(fā)平臺是當(dāng)之無愧的。