基于虛擬儀器的質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

影像增強(qiáng)器是對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行放大的光電圖像增強(qiáng)設(shè)備。人們可以利用它在光線較弱的情況下觀察外界景物或目標(biāo)。電路系統(tǒng)制造的好壞直接影響它的質(zhì)量。不合格的電系統(tǒng)會(huì)使影像增強(qiáng)器在使用時(shí)容易產(chǎn)生黑斑（電路虛焊）、亮點(diǎn)（電路短路）、閃光和忽明忽暗（電路不穩(wěn)定）等故障。因此在影像增強(qiáng)器投入使用之前，必須對(duì)其可靠性指標(biāo)進(jìn)行考核試驗(yàn)。然而按照我國目前的有關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)影像增強(qiáng)器進(jìn)行可靠性考核試驗(yàn)，具有試驗(yàn)時(shí)間長、試驗(yàn)條件復(fù)雜等缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)要求在影像增強(qiáng)器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)分為多個(gè)試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行。每個(gè)試驗(yàn)循環(huán)共工作16小時(shí)，在16小時(shí)中，每工作55分鐘休息5分鐘。相鄰的兩個(gè)試驗(yàn)循環(huán)之間間隔2小時(shí)，而且要求一次試驗(yàn)在線工作時(shí)間不能小于600小時(shí)。另外，在試驗(yàn)過程中還需要反復(fù)給瞄準(zhǔn)鏡施加各種應(yīng)力（光應(yīng)力、電應(yīng)力等），并要對(duì)影像增強(qiáng)器在各種試驗(yàn)條件下出現(xiàn)的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和記錄，以便事后分析。正是由于可靠性考核試驗(yàn)的復(fù)雜性，所以到目前為止，我國還沒有可以對(duì)影像增強(qiáng)器進(jìn)行可靠性考核的試驗(yàn)設(shè)備

近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺在醫(yī)學(xué)圖像、工業(yè)生產(chǎn)、質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而虛擬儀器（Virtual Instruments）技術(shù)可通過軟件將通用計(jì)算機(jī)與硬件結(jié)合起來快速構(gòu)成可靠的測(cè)試或測(cè)控系統(tǒng)。如果將二者結(jié)合就可以使機(jī)器視覺的分析功能和虛擬儀器的控制功能同時(shí)為系統(tǒng)所用，使系統(tǒng)有很高的性能價(jià)格比。因此將機(jī)器視覺技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)出的基于虛擬儀器的影像增強(qiáng)器可靠性檢測(cè)機(jī)器視覺系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)）取得了較好的效果。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

整個(gè)系統(tǒng)分為光機(jī)分系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)，如圖1所示。光機(jī)分系統(tǒng)為影像增強(qiáng)器模擬實(shí)際工作環(huán)境下的光應(yīng)力、電應(yīng)力并提供試驗(yàn)時(shí)影像增強(qiáng)器的擺放支架，包括光源、大小兩級(jí)積分球、毛玻璃、光闌、透過率板、平行光管、夜視儀支架、光應(yīng)力切換運(yùn)動(dòng)裝置和發(fā)光強(qiáng)度探測(cè)器等。

圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)不僅實(shí)時(shí)識(shí)別、記錄影像增強(qiáng)器目鏡處產(chǎn)生的黑斑、亮點(diǎn)、閃光和忽明忽暗等故障，還記錄與故障圖像對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，最后再對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，給出對(duì)影像增強(qiáng)器質(zhì)量的合理評(píng)價(jià)?？紤]系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性的要求和效率，監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分布式結(jié)構(gòu)，由四臺(tái)圖像機(jī)和一臺(tái)管理機(jī)經(jīng)HUB連接為星型網(wǎng)絡(luò)。每臺(tái)圖像機(jī)上安裝的圖像采集卡PCI-1407與CCD攝像機(jī)連接，以配合故障圖像識(shí)別與處理軟件監(jiān)測(cè)、記錄相應(yīng)影像增強(qiáng)器目鏡處的故障圖像。為了解決故障圖像實(shí)時(shí)存盤問題，每臺(tái)圖像機(jī)上還安裝了磁盤陣列控制器。管理機(jī)上安裝有多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E，以配合管理機(jī)軟件監(jiān)測(cè)記錄試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)參數(shù)、控制光機(jī)部分的光應(yīng)力切換、電應(yīng)力開關(guān)、增減等。控制箱和適配器是光機(jī)分系統(tǒng)和檢測(cè)與記錄分系統(tǒng)的接口，它一方面將來自監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可識(shí)別的信號(hào)，另一方面將光機(jī)部分和其他部分的試驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)與記錄分系統(tǒng)可識(shí)別的電信號(hào)，這樣兩個(gè)分系統(tǒng)便形成一個(gè)整體。

系統(tǒng)工作時(shí)，操作人員首先在管理機(jī)上對(duì)試驗(yàn)條件（如所需要的電應(yīng)力）進(jìn)行設(shè)置，然后，管理機(jī)協(xié)調(diào)（通過網(wǎng)絡(luò)上各進(jìn)程間的通訊）整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自檢，確保各設(shè)備準(zhǔn)備就緒。自檢完成后，管理機(jī)按照操作員設(shè)置的試驗(yàn)條件對(duì)試驗(yàn)條件進(jìn)行自動(dòng)設(shè)置后才開始進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)循環(huán)的每個(gè)工作循環(huán)中，各圖像機(jī)首先在不出現(xiàn)故障（由算法和操作人員目測(cè)保證）的情況下獲得標(biāo)準(zhǔn)圖像，此后與圖像機(jī)所聯(lián)接的CCD攝像機(jī)不斷將影像增強(qiáng)器目鏡處的圖像轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)輸入到圖像采集卡。圖像采集卡對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行分解、采集后將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，圖像機(jī)上的故障圖像識(shí)別與處理軟件對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并識(shí)別圖像中是否存在故障，如果存在故障便保存，否則繼續(xù)判斷下一幀。管理機(jī)在試驗(yàn)過程中對(duì)每幀圖像對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行同步監(jiān)測(cè)并將它們記錄到數(shù)據(jù)庫中。每個(gè)工作循環(huán)結(jié)束后，管理機(jī)控制施加到影像增強(qiáng)器的電應(yīng)力關(guān)閉，確保影像增強(qiáng)器休息，同時(shí)控制光機(jī)分系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)改變光闌和透過率板，進(jìn)行光應(yīng)力切換，以保證下一個(gè)工作循環(huán)開始前光應(yīng)力準(zhǔn)備就緒。如此重復(fù)，直到完成整個(gè)試驗(yàn)的多個(gè)試驗(yàn)循環(huán)為止。

開發(fā)過程中用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)NI LabVIEW5.0 PDS和機(jī)器視覺軟件開發(fā)平臺(tái)NI IMAQ Vision 5.0再結(jié)合NI SQL ToolKit快速開發(fā)大部分軟件模塊。為了提高軟件的處理速度用VC++6.0開發(fā)底層的故障識(shí)別程序，并利用LabVIEW的CIN接口將用C語言編寫的程序嵌入整合到軟件系統(tǒng)中。用POWER Builder 6.0和MS SQL Server 7.0開發(fā)狀態(tài)數(shù)據(jù)管理模塊。用LabVIEW與NI DataSocket編寫數(shù)據(jù)通訊和系統(tǒng)管理模塊。這些軟件模塊分別安裝在管理機(jī)和圖像機(jī)上，并且各圖像機(jī)的軟件和配置完全相同，如果要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，只需要將按圖像的配置要求配置的計(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)中即可。

系統(tǒng)使用的技術(shù)特點(diǎn)

可靠性檢測(cè)系統(tǒng)有以下技術(shù)特點(diǎn)，這些技術(shù)特點(diǎn)有效地保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.系統(tǒng)在非常規(guī)光源下進(jìn)行工作

影像增強(qiáng)器用于對(duì)微弱的外界光線進(jìn)行放大，其目鏡處物像的亮度大約幾十個(gè)勒克斯，圖像的噪聲非常大，對(duì)故障識(shí)別帶來了很大難度。解決問題的辦法是在不同的照度下，用LabVIEW和IMAQ Vision編寫程序自動(dòng)調(diào)整圖像采集卡的黑白電平和CCD曝光系數(shù)，保證故障提取在較高的信噪比下進(jìn)行。

2.系統(tǒng)有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性

按照指標(biāo)要求，系統(tǒng)要在80ms內(nèi)進(jìn)行圖像采集、預(yù)處理、故障識(shí)別、圖像存儲(chǔ)等一系列操作，對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。主要采用兩個(gè)辦法解決實(shí)時(shí)性問題，一是采用磁盤陣列技術(shù)，一是用VC編寫故障識(shí)別軟件。按照要識(shí)別的故障黑斑、亮點(diǎn)、閃光和忽明忽暗灰度閾值依次降低，面積閾值依次增加的特征，系統(tǒng)中用灰度和面積作為特征參數(shù)進(jìn)行故障識(shí)別。用VC編寫程序使故障圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像相減后的結(jié)果進(jìn)行一次腐蝕，再按照所設(shè)置的閾值識(shí)別故障。將編寫的程序編譯成.lsb格式，用CIN接點(diǎn)嵌入到LabVIEW程序中。經(jīng)測(cè)試此程序?qū)σ粠收蠄D像進(jìn)行識(shí)別一般需要30ms，完全滿足系統(tǒng)的要求。

3.圖像高速流盤

系統(tǒng)中采用的另外一個(gè)提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的手段是RAID技術(shù)。RAID按照不同的存儲(chǔ)性能、數(shù)據(jù)安全性和存儲(chǔ)成本有RAID0到6七種基本的級(jí)別和一些基本RAID級(jí)別的組合形式。RAID0可以讓多個(gè)磁盤并行地執(zhí)行系統(tǒng)的某個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，把連續(xù)的數(shù)據(jù)分散到多個(gè)磁盤上存取，這樣就有效解決了磁盤I/O與CPU處理速度之間的瓶頸問題。系統(tǒng)中每臺(tái)圖像機(jī)上的硬盤組都通過RAID接口卡連接到系統(tǒng)中來提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

4.分布式同步數(shù)據(jù)采集與控制

整個(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)和四臺(tái)圖像機(jī)協(xié)同完成計(jì)算工作，在工作過程中有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。在用NI DataSocket編寫的通信模塊中，發(fā)信者每發(fā)出消息給受信者，必須得到受信者的確認(rèn)后才進(jìn)行后續(xù)工作，這種機(jī)制很好地保證了整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。另一方面，為了便于事后區(qū)分從屬故障，要求保存每一幅故障圖像時(shí)同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)。為此采取同頻、同相和同時(shí)啟動(dòng)的同步機(jī)制。同頻是指圖像采集和狀態(tài)采集的頻率相同;同相是指將從任一圖像采集卡解析出的同步視頻信號(hào)連接到其他三個(gè)CCD的同步輸入端，保證四個(gè)CCD送到圖像采集卡的視頻信號(hào)相位相同;另外，圖像采集卡和數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端子連接在一起，并且都工作在觸發(fā)狀態(tài)下，任一圖像采集卡發(fā)出觸發(fā)信號(hào)后，整個(gè)系統(tǒng)開始動(dòng)作。

圖 2 為經(jīng)過算法處理后記錄下來的含有黑斑和亮點(diǎn)的故障圖像。

圖 2 含有黑斑和亮點(diǎn)的故障圖像

結(jié)論

在將虛擬儀器技術(shù)與機(jī)器視覺技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的過程中，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，故障識(shí)別部分用VC++來完成。編寫完成的算法被編譯為虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW的CIN接口支持的格式后嵌入整個(gè)軟件系統(tǒng)。經(jīng)過測(cè)試，使用這種軟件整合方式和算法后系統(tǒng)對(duì)故障圖像進(jìn)行處理的時(shí)間加上圖像采集與存盤的時(shí)間，總共耗時(shí)不超過40ms，完全滿足指標(biāo)的要求，同時(shí)，利用虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)來完成其擅長的控制功能，開發(fā)者只需要專注系統(tǒng)功能的完整性而不必考慮復(fù)雜的細(xì)節(jié)，這就極大地發(fā)揮了虛擬儀器的性能，使系統(tǒng)有很強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性，并節(jié)省了開發(fā)所應(yīng)支付的費(fèi)用，提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比。

參考文獻(xiàn)

1.K.R.Castleman.《數(shù)字圖像處理》.電子工業(yè)出版社，1998.9

2.National Instruments.《Measurement and Automation Catalogue》.2000

3.National Instruments.《IMAQ Vision User‘s Manual》.1999

4.National Instruments.《LabVIEW 5.0 User‘s Manual》.1999

5.何斌，馬天予等.《Visual C++數(shù)字圖像處理》，人民郵電出版社，2001.4