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.