三轴影像测量仪的开发与研制

　　仪表盘的外形尺寸为220mm×82mm，要求测量精度不低于0.13mm。综合检测精度、检测速度和成本要求，系统选择NI 1394图像采集卡，配合SONY 1394 CCD彩色摄像机(分辨率为1024×768), 这样视觉系统的视场范围FOV=118mm×88.5mm，像素精度pixel accuracy= 118÷1024=0.1152mm/pixel，完全满足系统测量的尺寸精度要求。

　 　
    二、 扫描区域划分

　　根据仪表盘的尺寸、目标特征的相关性和视觉系统FOV的范围，将仪表盘划分为左、中、右3个检测区域。加上起始位置共有4个位置。摄像机在X/Z轴上运动，被测仪表盘在Y轴上运动，X/Y轴的运动完成镜头对目标的对准，Z轴的运动完成对目标的聚焦。在每个检测位置采集的图像分别以中间的LED窗口即AUTO LED、OFF LED、Defrost LED的中心为该幅图像的坐标原点。

　　三、 系统总体结构设计

　　以计算机系统来完成图像的采集、处理、判断

　　上位链接的参数设置：波特率：115200; 7位数据位；偶校验；2位停止位。
PLC的系统框图如下：

　　四、 图像采集

　　NI提供两种标准的图像采集vi程序，用户可以直接调用：

　　1．单帧图像采集1394-snap-acquire：即每次只采集1帧图像。在本系统的全自动测量过程中，共有三个被测区域，每个区域又有三种照明模式，所以一共需要运行9次单帧图像采集程序。

　　2．连续图像采集1394-grab-acquire：即连续实时采集图像。在本系统的运动位置设置模块里，需要实时观测镜头与被测目标的相对位置及聚焦情况，然后保存各个位置，所以使用了连续图像采集模式。

　　五、 图像处理

　　如上所述，在全自动测量过程中，共采集9帧图像，每幅图像都对应一个图像处理程序，来完成对目标特征的测量和判断。步骤如下：

　　1．开辟图像缓冲区

　　在图像处理中，需要对图像做多次变换，因此需开辟多个图像缓冲区来存储图像数据。本系统中共设置100个图像缓冲区，即image buffer0~buffer99, 其中buffer0为系统实时图像缓冲区；buffer1~buffer51分别存储9帧图像的彩色原图、Intensity 图层、Red图层、Green图层、Blue图层、Mask图层、Overlay图层等作为历史图像数据，可以和测量结果数据相对照；其余为临时图像缓冲区，为避免与历史图像缓冲区发生冲突，从buffer99开始向下使用。本系统只使用了12个临时buffer, 即buffer99~ buffer88，buffer52~buffer87未使用。

　　2．定位原点并建立坐标系

　　选取图像上不发生变化的特征，使用Match Pattern 或Detect Object来定位原点并建立坐标系。三个检测区域分别以中间的LED窗口即AUTO LED、OFF LED、Defrost LED的中心为该幅图像的坐标原点。

　　3．定义ROI区域

　　根据被测目标不同的形状，可以使用不同的ROI模型，包括圆形、环形、扇形、矩形、旋转矩形、任意多边形等。所有ROI区域都以坐标原点为参考点。

　　4. 测量

　　通过抽取彩色图像的Intensity plane、Red Plane、Green Plane、Blue Plan（均为8位深度的图像），对各目标ROI区域分别测量光强分量Intensity、颜色分量R/G/B、镭雕图案模式匹配分数、位置坐标等。#p#分页标题#e#

　　其中光强Intensity/R/G/B的范围为0~255，共256个灰阶。

　　图案模式匹配分数的满分为1000分，得分大小表示目标与标准模型的匹配程度。对三组字符除了做模式匹配测量还做了OCR字符识别，即需要分别识别出AUTO、ECON、OFF。

　　位置坐标需要进行坐标系变换。对于一幅图像来说，默认的坐标原点位于图像的左上角，测量的直接位置数据是相对于这个原点的，和我们在步骤2.中定义的原点位置不同，坐标系方向也不同。参考下图：

　　变换后的坐标仍是以像素为单位的，需要乘以像素精度pixel accuracy转化为mm单位，这样才对产品检验有意义。

　5．结果输出界面

　　测量结果包括图像和数据，放在一个Table容器中。Table的第一个Page用来存放图像。图像以二维数组为容器，分为9行5列，存放45幅图像，包含9幅采集的图像和抽取的36幅分量图层。Table的第2~11共10个Page用来存放测量数据，分别以10张表格形式输出，分别对应9幅采集的图像的测量数据和重要特征的全局比较。每个Page上有一个布尔量显示控件，用于指示当前页面的综合判断结果。

图2 Middle area Function LED mode image

　　以下仅给出中部检测图像和数据，请参考图2-图7

图3 Middle area Function mode measure da

图4 Middle area Night mode image  

图5 Middle area Night mode measure data 

图6 Middle area Day mode measure data

　　6．任务顺序的优化设计

　　在相邻的两次图像采集之间需要完成几项任务，包括图像处理、写全局变量、图像输出、测量结果输出、光源切换、位置运动等，这些任务的执行时间是不同的。优化这些任务的编排顺序可显著提高程序的执行速度。

　　采集图像前要求所有运动静止、光源稳定发光。由计算机向PLC发送运动触发信号和光源切换触发信号的指令完成时间是以10ms为数量级的，而图像处理、图像输出、测量结果输出、写全局变量的完成时间是以100ms为数量级的。运动是否完成可通过读取PLC中的标志位来确定，但光源是否稳定发光，只能依赖上电后的延迟时间。我们的经验是LED光源从上电到稳定发光至少需要500ms的延时。在一个产品的测试中需要9次光源切换、4次位置运动。如果都用延时的方法，那么将大大降低检测速度。所以我们不是在图像采集后立刻对该幅图像处理，而是先为下一次图像采集做光源切换或运动触发，然后再对本次采集的图像做相对费时的图像处理等，相当于为光源切换或运动触发作了延时处理，但又不占用额外的时间开销。参考以下流程图：

　　8．ROI与Mask的组合应用

　　利用ROI来定义感兴趣区域，利用Mask可以屏蔽掉不感兴趣或者已测量过的区域，将ROI与Mask相结合可使一些复杂的测量变得简单而高效。图6中需要测量产品的外露面是否有划伤，经过ROI和Mask的组合，只需两步即可完成。参考图8、图9。

　　通过计算机系统与PLC系统协同工作，各司其职，充分发挥各自的特长，使系统的性能得以优化。

图8 Middle area Day mode mask1  

图9 Middle area Day mode mask2

　　9．全局特征比较

　　在9个图像处理子程序中，部分测量数据需要进行全局比较，已评定产品
整体区域的发光亮度的一致性，因此需要在每个图像处理子程序中将关心的数据写入全局变量，最后在主程序中对这些全局变量进行处理，请参考图10。

图10 Global compare parameters

　　六、文件I/O

　　包括公差设置、读取、测量数据存储，数据较多，因此采用表格文件方式，将数据分类以二维数组的形式存取。在图像处理程序中对测量数据判断时，只需读取公差设置相关的sub-array即可。测量数据存储的文件名中插入时间字符（精确到秒），以避免文件名重复。

　　七、上位链接和串口通讯

　　进行上位链接通讯时，计算机和PLC之间使用命令(command)和响应(response)进行发送和接收。一次通讯送出的一组数据称作一帧，送出帧的权限称为发送权。上位计算机持有发送权，命令发送后，响应由PLC自动返回。由于PLC的响应需要时间，因此在两次命令之间必须插入延时。帧的格式如下：

@|机器号|头码|正文|FCS|终端

    FCS称为帧检查序列，把一帧的开始到FCS前面的数据进行逻辑异或的8位数据变成2个字符的ASCII码，主要用于检查数据错误。FCS的计算采用笔者以前用VB开发的程序，命令的传送使用LabVIEW中的Instrument I/O assistant直接向串口发送，十分简单。Instrument I/O assistant提供三种类型的命令，包括Write，Query and parse，Read and parse。

　　
   八、 开放性和扩展性

　　本系统是针对帕萨特和速腾轿车的2种型号的温控仪表盘的视觉检测开发的，但在软硬件的设计中都充分考虑到系统的开放性和扩展性，只需更换图像处理子程序和各区域的位置设置，即可以检查任何二维平面上图像信息。同时在Z轴上加装接触式测头或非接触式的激光测距传感器，即可以完成Z轴方向的尺寸测量。三轴的行程X、Y、Z为：200mm×200mm×150mm.

　　选择的PLC上有4路脉冲输出，选用的光学镜头可以连续变倍，这样在Zoom上加装一个步进电机和传动机构，即可以实现变放大倍数的检测，对尺寸精度和图像质量要求高的区域可使用高放大倍数测量。

　　同时系统还有4路AD输入和2路DA输出，为向更复杂、更灵活的系统扩展提供了必要的硬件资源。 

   九、 结论

　　本项目软件预计开发时间为三个月，实际上不到两个月就完成了，目前机器运行十分稳定、高效，得到客户的赞誉。NI Vision丰富的图像处理功能和LabVIEW灵活易用的编程环境是我们获得成功的主要原因之一。

　　笔者以前主要使用VB和C++做程序开发，这次是第二次使用LabVIEW做项目。相比之下，LabVIEW图形化编程语言使程序员不必过分关注代码和函数格式，而是把主要精力放在功能设计和 结构设计上，从而节省了宝贵的开发时间。此外，LabVIEW的帮助功能和大量的实例程序非常方便程序员的自学提高。总之，我们认为LabVIEW作为测试测量领域的首选开发平台是当之无愧的。#p#分页标题#e#