張慶果， 余旭東， 黃國欽

(華僑大學(xué) 制造工程研究院，福建 廈門 361021)

隨著圖像處理和工業(yè)相機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)械視覺技術(shù)迅速發(fā)展，同時(shí)隨著工業(yè)向高精尖技術(shù)的發(fā)展，也極大地促進(jìn)著機(jī)械視覺的發(fā)展[1]。模板法是金剛石顆粒實(shí)現(xiàn)磨粒有序排布的一種方法，機(jī)械視覺技術(shù)的發(fā)展為如何檢測(cè)模板法排布金剛石顆粒的情況提供了一種可能。

Labview和NI Vision Assistant軟件的結(jié)合可以快速地編寫相應(yīng)的程序框圖，應(yīng)用到自動(dòng)化生產(chǎn)或用于各種設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制。利用Labview和Vision軟件平臺(tái)可以有效地對(duì)圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而檢測(cè)出金剛石顆粒在模板上排布的效果[2-4]。

1 視覺平臺(tái)的搭建

1.1 平臺(tái)的硬件組成

(1)CCD工業(yè)相機(jī)。視覺平臺(tái)搭建采用的工業(yè)相機(jī)為普通的工業(yè)相機(jī)。

(2)光學(xué)鏡頭。光學(xué)鏡頭主要用于聚焦成像，調(diào)節(jié)焦距檢測(cè)物體的細(xì)節(jié)。選擇工業(yè)相機(jī)時(shí)主要應(yīng)考慮相機(jī)焦距，焦距的選擇決定了相機(jī)拍攝范圍和細(xì)節(jié)檢測(cè)。

(3)LED光源。由于金剛石顆粒和模板所采用的鋼板都對(duì)光有一定的反射效應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所采用的光源為條形光源和方形光源。

(4)計(jì)算機(jī)。本試驗(yàn)平臺(tái)采用的計(jì)算機(jī)為安裝有Labview軟件和NI Vision Assistant軟件的聯(lián)想臺(tái)式機(jī)，可以通過USB數(shù)據(jù)線與工業(yè)相機(jī)進(jìn)行連接。

(5)黑色亞克力。排除外部光源的干擾，只需內(nèi)部光源對(duì)拍攝的圖片產(chǎn)生影響，進(jìn)而確定光源的強(qiáng)度和角度。

視覺平臺(tái)的搭建如圖1所示。

1.2 軟件組成

檢測(cè)系統(tǒng)采用軟件Labview2016和NI Vision assistant進(jìn)行編寫程序，在Labview軟件下安裝NI-IMAQdx軟件實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)USB工業(yè)相機(jī)，此外還需要Vision模塊對(duì)圖形進(jìn)行采集和處理。

1.3 工作原理

模板法是實(shí)現(xiàn)金剛石顆粒有序排布的方法之一，其原理是利用模板孔徑與金剛石粒徑之間的關(guān)系[5]。原理如圖2所示。

圖2 模板法Fig.2 The template method1-材料基體;2-金剛石顆粒;3-鋼板;4-有序排布模板

模板的孔徑為定值，當(dāng)模板孔內(nèi)有金剛石顆粒時(shí)拍攝的透光面積會(huì)減小。即檢測(cè)孔內(nèi)是否有金剛石顆粒，就是孔的透光的面積是否減小。當(dāng)不銹鋼板孔的透光面積減小，說明此孔中含有金剛石顆粒。通過NI-IMAQdx軟件驅(qū)動(dòng)工業(yè)相機(jī)拍攝圖片，圖片通過USB數(shù)據(jù)線傳送到Labview中進(jìn)行圖形處理，圖像處理的過程運(yùn)用的是圖像分割、亮度、顏色、提取、過濾和灰色形態(tài)等圖像等處理手段，并且提取所需要的特征。提取出透光面積，過濾掉透光面積減小的孔，即可檢測(cè)出模板排布后沒有金剛石顆粒的孔徑個(gè)數(shù)和位置。

2 圖像采集

驅(qū)動(dòng)工業(yè)相機(jī)是圖像采集的基礎(chǔ)，采集到的圖片對(duì)后續(xù)的處理和檢測(cè)有著很重要的影響。程序?yàn)閷?shí)時(shí)采集圖片進(jìn)行處理，即當(dāng)運(yùn)行開始后，工業(yè)相機(jī)接受到觸發(fā)脈沖，處于實(shí)時(shí)采集圖像的狀態(tài)，直到操作者結(jié)束運(yùn)行程序。圖像采集程序如圖3所示。

圖3 圖像采集程序Fig.3 The image acquisition program

圖像采集的程序操作流程如下所示。

第一步：IMAQdx Session，選取相應(yīng)的相機(jī)，為后續(xù)的驅(qū)動(dòng)相機(jī)做鋪墊。

第二步：IMAQdx open camera，獲取相機(jī)的信息并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，排除驅(qū)動(dòng)其他相機(jī)的可能。

第三步：IMAQdx Configure Grab VI，配置和開始圖像采集。驅(qū)動(dòng)相機(jī)進(jìn)行一次拍攝，也可用VI進(jìn)行高速驅(qū)動(dòng)采集，拍攝的照片只能在緩沖區(qū)內(nèi)循環(huán)，只有用IMAQdx Grab VI才可以將圖片從緩沖區(qū)里取出來。

第四步：IMAQdx Grab VI，獲取緩沖區(qū)里最新的圖像。如果工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像類型與相機(jī)視頻的格式不匹配，則此VI可以將圖像類型更改為相匹配的格式。

第五步：IMAQdx Close Camera VI，關(guān)閉相應(yīng)的相機(jī)，并刪除其中采集到的圖片與相關(guān)資料，釋放其中的內(nèi)存。

第六步：IMAQ Dispose VI ，破壞相應(yīng)的圖像并釋放由圖像所占用的內(nèi)存，要求擁有調(diào)色板進(jìn)行圖像管理和NI視覺開發(fā)模塊。

第七步：通用錯(cuò)誤處理器VI，用于對(duì)操作過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的反饋。如果操作不當(dāng)或者程序執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤，將對(duì)這些錯(cuò)誤進(jìn)行詳解或者顯示相應(yīng)的解釋對(duì)話框。

圖像采集的程序?qū)崿F(xiàn)了相機(jī)的驅(qū)動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行采集，并將采集到的圖像傳送到相應(yīng)的儲(chǔ)存位置和圖像處理的程序中去，同時(shí)還可以在軟件界面顯示采集到的圖片。

3 圖像處理

本文采用的不銹鋼的孔徑為700μm。模板的孔徑為定值，即拍攝圖形中孔的透光面積為定值。如果有金剛石顆粒掉進(jìn)孔里，透光面積必然會(huì)減小，這是給檢測(cè)金剛石顆粒提供的一種思路。

3.1 圖像采集及預(yù)處理

由工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像為原始圖像，對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理即調(diào)節(jié)Brightness值，Brightness處理可以調(diào)節(jié)圖像的亮度、對(duì)比度和伽瑪值等[6]。圖像處理前后對(duì)比如圖4所示。

圖像預(yù)處理降低圖片紅色平面的亮度、增加圖片紅色平面對(duì)比度和校正圖像紅色平面的伽瑪。

3.2 圖片顏色處理

圖片顏色處理包括抽取彩色平面和設(shè)置閾值。

抽取彩色平面是從圖像中抽取三種顏色平面(RGB、HSV或HSL)，由于工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像為彩色圖像，點(diǎn)擊此函數(shù)即可將彩色圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖像。本文采用RGB-Blue Plane從圖像中抽取藍(lán)色平面，將金剛石的顏色進(jìn)行抽取，處理后的圖像如圖5所示。

圖4 圖像處理前后對(duì)比Fig.4 the comparison between the original image and the processed image

圖5 抽取彩色平面Fig.5 Extracting color plane

設(shè)置閾值即為二值化處理，就是將抽取彩色平面后的圖像的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255[7]。處理后的圖像如圖6所示.

圖6 二值化處理Fig.6 Binarization processing

我們可以從二值化處理后的圖像中看出，紅色凸顯的部分就是我們所要檢測(cè)的目標(biāo)，即透光面積。

3.3 圖像粒子處理

圖像粒子處理包括粒子過濾和粒子分析。粒子過濾，通過設(shè)置不同的條件對(duì)粒子進(jìn)行篩選，將這些滿足設(shè)置條件的粒子進(jìn)行去除或保留。本文選擇透光面積減小的部分進(jìn)行去除，處理后的圖像如圖7所示。

圖7 粒子過濾Fig.7 Particle filter

粒子分析，從圖像中提取與粒子相關(guān)的信息，比如粒子數(shù)量、面積和位置等，也可以調(diào)出相應(yīng)的Excel表格，把數(shù)據(jù)導(dǎo)到Excel表格里。

圖像處理的流程是在NI Vision Assistant軟件下調(diào)試完成的，圖像經(jīng)過上述的處理后即可得到我們想要的處理結(jié)果。在軟件界面導(dǎo)出相應(yīng)的處理程序，程序框圖如圖8所示。

圖8 圖像處理程序Fig.8 The image processing program

圖像處理用Vision Assistant軟件進(jìn)行，圖像進(jìn)行一系列處理檢測(cè)出透光度減小的孔，進(jìn)而去除。剩余的孔即為不含金剛石顆粒的孔，進(jìn)而檢測(cè)出剩余孔的位置和數(shù)量。

4 結(jié)論

(1)本文選用模板有序排布的金剛石顆粒為研究對(duì)象，首先通過CCD工業(yè)相機(jī)采集圖像；然后利用NI Vision Assistant 2016軟件對(duì)圖像進(jìn)行合適的預(yù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模板法排布的金剛石顆粒進(jìn)行檢測(cè)；最后采用Labview2016軟件和IMAQ Vision工具包進(jìn)行編寫程序，完成上述的各種圖像處理方法和顆粒的識(shí)別。

(2)根據(jù)金剛石和模板法的特點(diǎn)，本文采取圖像亮度、抽取彩色平面、二值化、粒子過濾和粒子分析等方法對(duì)圖像進(jìn)行處理。通過綜合使用Labview軟件和Vision Assistant軟件，對(duì)圖像實(shí)時(shí)采集和處理進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模板法粒子排布金剛石顆粒的檢測(cè)，并建立了一套完善的基于Labview的系統(tǒng)對(duì)模板排布金剛石的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)。