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        基于LabVIEW的視覺檢測系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

        2013-06-06 04:34:02李小明向建化吳青鳳
        機電工程技術(shù) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:檢測系統(tǒng)設(shè)計

        龍 云,李小明,向建化,吳青鳳

        (1.廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院,廣東廣州 510006;2.東莞康視達(dá)自動化科技有限公司,廣東東莞 523000)

        0 引言

        美國制造工程師協(xié)會計算機視覺分會和美國機器人協(xié)會的自動化視覺分會對計算機視覺的定義為:“計算機視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像,以獲得所需信息或用于控制機器人動作的裝置”。它具有快速、可靠、一致性高的優(yōu)點[1]。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等各個領(lǐng)域之中,雖然針對不同的研究對象計算機視覺的具體應(yīng)用各不相同,但各行各業(yè)中的視覺系統(tǒng)應(yīng)用大致可分為以下四種:(1)定位;(2)檢測異物、瑕疵及缺陷;(3)尺寸測量和外觀測量;(4)檢測物品數(shù)或遺漏的物品。

        LabVIEW是美國NI公司推出的一種圖形化編程語言,其“所見即所得”的可視化編程技術(shù),徹底把工程師們從復(fù)雜枯澀的文本編程工作中解放出來,大大提高了程序的開發(fā)速度[2]。同時NI提供了豐富的附加模塊,用于擴展LabVIEW在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用,其視覺模塊IMAQ Vision 是一套包含各種圖像處理函數(shù)的功能庫,它集成了400 多個函數(shù)用于圖像的顯示、處理、分析等操作,為視覺系統(tǒng)提供了完整的開發(fā)功能[3],與Lab-VIEW 配合使用能進(jìn)一步縮短視覺系統(tǒng)的開發(fā)周期,廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受。

        1 視覺檢測系統(tǒng)分析

        1.1 基本原理

        視覺檢測系統(tǒng)通過工業(yè)相機采集被檢對象的圖像并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,再經(jīng)計算機硬件和軟件技術(shù)處理分析,提取被檢對象的各種特征信息,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)被檢對象的參數(shù)測量、模式識別等多種功能。同時視覺檢測系統(tǒng)將檢測結(jié)果顯示給用戶并發(fā)出指令給設(shè)備執(zhí)行機構(gòu)對被檢對象進(jìn)行處理。

        1.2 系統(tǒng)設(shè)計

        視覺檢測系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分構(gòu)成。

        典型視覺檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1 所示,其主要由四部分構(gòu)成。

        (1)運動控制系統(tǒng),通過PLC 或運動控制卡等接收PC發(fā)出的位置信號,并轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出給控制電機,從而控制相機或工作平臺移動至相應(yīng)的檢測位置。

        (2)圖像采集系統(tǒng),通過光源控制器、圖像采集卡等硬件設(shè)備,控制相機光源,采集圖像并數(shù)字化后存儲至PC,供檢測軟件分析處理。

        (3)圖像分析顯示系統(tǒng),PC通過檢測軟件對采集的圖像進(jìn)行分析處理,并將處理結(jié)果顯示記錄。

        (4)執(zhí)行系統(tǒng),PC根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出處理指令,通過PLC、I/O卡之類的設(shè)備控制指示燈、電磁閥等裝置,從而產(chǎn)生報警、剔除等執(zhí)行動作,對異常對象進(jìn)行相應(yīng)處理。

        其軟件系統(tǒng)主要由安裝在PC上的上位機程序和下載于PLC、單片機之類設(shè)備上的下位機程序兩部分構(gòu)成。上位機程序用于讀取檢測制程文件、接收用戶指令、邏輯處理、對采集的圖像進(jìn)行處理分析識別、發(fā)出控制指令給下位機或其他設(shè)備等功能的實現(xiàn)。下位機程序主要用于接收解釋上位機發(fā)出的指令,并對輸入的外部信號進(jìn)行邏輯處理,直接控制相應(yīng)設(shè)備。同時將設(shè)備狀態(tài)等信息反饋給上位機。本文僅對上位機軟件框架的設(shè)計進(jìn)行探討。

        圖1 典型視覺檢測系統(tǒng)主要構(gòu)成

        2 視覺檢測系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

        對于視覺檢測系統(tǒng)的軟件框架設(shè)計,主要考慮的是盡可能的提高系統(tǒng)運行效率,減少不必要的順序等待時間。同時滿足軟件的設(shè)計重用性和系統(tǒng)的可擴充性要求[4]。

        圖1 所示系統(tǒng)的典型視覺檢測的過程包含了相機(平臺)移動、圖像采集、圖像處理和執(zhí)行控制四步過程。其中相機(平臺)移動、圖像采集、執(zhí)行控制由PLC、圖像采集卡、I/O卡硬件等自行完成,上位機程序只需要對其發(fā)送相應(yīng)的動作指令。對于相機(平臺)移動的控制,上位機除發(fā)送動作指令外,還必須查詢其運行狀態(tài),以保證圖像采集是在相機(平臺)移動到位之后進(jìn)行。在整個檢測系統(tǒng)運行過程中相機(平臺)移動與圖像處理兩個環(huán)節(jié)占用了系統(tǒng)運行的絕大部分時間。對于單個檢測對象要分多個檢測視場的情況,由于各視場之間的間距不一致以及各視場圖像處理的復(fù)雜程度不同,會造成相機(平臺)移動時間與圖像處理時間不同步的情況,為使運行效率最大化,本文設(shè)計了圖2 所示的視覺檢測系統(tǒng)流程。該流程有兩個相互獨立的線程,即圖像生產(chǎn)與圖像消費。在圖像生產(chǎn)循環(huán)中,相機在保證內(nèi)存不溢出的情況下順次移動至各檢測點采集圖像,并將采集的圖像壓入事先建立的堆棧中,直至全部檢測點采集完畢或系統(tǒng)運行錯誤時循環(huán)結(jié)束。而在圖像消費循環(huán)中,檢測系統(tǒng)按照先入先出的方式連續(xù)從堆棧中取出圖片進(jìn)行處理,并將處理結(jié)果輸出給執(zhí)行機構(gòu),直至圖像生產(chǎn)結(jié)束且堆棧取空或系統(tǒng)運行錯誤時循環(huán)結(jié)束。

        圖2 視覺檢測流程

        圖3 檢測系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

        為實現(xiàn)圖2 所示的視覺檢測流程,本系統(tǒng)采用了LabVIEW 生產(chǎn)/消費(Producer/Consumer Design Pattern)與狀態(tài)機(State Machine)相結(jié)合的設(shè)計模式進(jìn)行程序框架的設(shè)計,充分利用Lab-VIEW 的自動多線程特性和隊列操作函數(shù)(Queue Operations Functions)便利的堆棧處理功能[5-7]。系統(tǒng)軟件框架設(shè)計如圖3 所示。該系統(tǒng)通過Lab-VIEW 隊列操作函數(shù)實現(xiàn)圖像堆棧的建立、壓棧、出棧、查詢、釋放操作。通過查詢堆棧的存儲狀態(tài),利用狀態(tài)機模式,實現(xiàn)圖像生產(chǎn)循環(huán)中相機(平臺)移動、圖像采集、等待堆??瘴蝗N工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,防止內(nèi)存溢出。

        采用該軟件框架設(shè)計的視覺檢測系統(tǒng),針對不同的運動控制裝置、執(zhí)行裝置,只需在移動對準(zhǔn)子函數(shù)與執(zhí)行控制子函數(shù)中調(diào)用相應(yīng)硬件的API 函數(shù)即可。而對于檢測對象或內(nèi)容的改變,只需在圖像處理子函數(shù)中調(diào)用相應(yīng)的圖像處理算法和讀取相應(yīng)的檢測制程文件即可。該軟件框架設(shè)計能在提高系統(tǒng)運行效率的同時較好地滿足軟件的設(shè)計重用性和系統(tǒng)的可擴充性要求,有助于視覺檢測系統(tǒng)的快速搭建。

        4 結(jié)束語

        一個結(jié)構(gòu)良好的框架能在滿足性能要求的同時提供更好的重用性和擴展性,為程序開發(fā)人員提供更大的便利。本文在分析典型視覺檢測系統(tǒng)功能和構(gòu)成的基礎(chǔ)上,在LabVIEW 編程環(huán)境下利用其生產(chǎn)/消費模式、狀態(tài)機模式、隊列函數(shù)設(shè)計了一種適用于典型視覺檢測系統(tǒng)搭建的軟件框架。目前,該軟件框架在作者參與研發(fā)的科隆威WIN系列無鉛錫膏印刷機2D 錫膏檢測系統(tǒng)中運行良好。

        [1]王紅軍.機器視覺-現(xiàn)代工業(yè)的眼睛[J].機電一體化,1999(3):26-27.

        [2]陳錫輝.LabVIEW8.20 程序設(shè)計從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

        [3]National Instruments Corporation.IMAQ Vision for Lab-VIEW user manual[Z].2000.

        [4]Jon Conway,Steve Watts.軟件工程方法在LabVIEW中的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

        [5]陳雪冰,郭倩,馬皓.基于CAN總線和LabVIEW的能饋電子負(fù)載監(jiān)控系統(tǒng)[J].機電工程,2011(8):954-959.

        [6]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

        [7]Peter A,Blume.The LabVIEW Style Book[M].London:Prentice Hall,2005.

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